電阻應(yīng)變片式傳感器測(cè)量橋梁應(yīng)力報(bào)告

1、傳感器三級(jí)項(xiàng)目報(bào)告項(xiàng)目題目：測(cè)量橋梁應(yīng)力傳感器 指導(dǎo)教師： 儀表三班： 學(xué) 號(hào)：1 摘要： 目前，多數(shù)橋梁都屬于柱形橋，隨著時(shí)間的推移，橋身橋體會(huì)逐漸出現(xiàn)承載過(guò)重導(dǎo)致應(yīng)力不集中甚至出現(xiàn)裂紋等破損，為了保證人民的人身財(cái)產(chǎn)安全，就要對(duì)橋身橋體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采取及時(shí)的補(bǔ)救措施。在現(xiàn)在大多數(shù)的監(jiān)測(cè)方案中，幾乎都需要傳感器技術(shù)，本文對(duì)傳感器在測(cè)量橋梁應(yīng)力的應(yīng)用做了詳細(xì)的描述。傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門綜合技術(shù)學(xué)科，是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。現(xiàn)代測(cè)量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)我們也看到，傳感器在日常生

2、活中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)它已成為了測(cè)試測(cè)量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，學(xué)習(xí)、研究并在實(shí)踐中不斷運(yùn)用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。 測(cè)量橋梁應(yīng)力的基本思路是將傳感器粘附于橋身柱體部分，通過(guò)測(cè)量橋在空載和承載時(shí)傳感器的數(shù)值變化，通過(guò)數(shù)值的轉(zhuǎn)換與計(jì)算，得出橋梁承受的應(yīng)力。因此，此次測(cè)量所需傳感器屬于壓力傳感器。二.電阻應(yīng)變片的選擇1電阻應(yīng)變片類型的選擇 電阻應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）。它由四個(gè)部分組成。第一是電阻絲（敏感柵），它是應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換元件。第二是基底和面膠（或覆蓋層）。基底是將長(zhǎng)肝氣彈性體表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)

3、電阻絲的作用。第三是粘合劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起。第四是引出線，它作為聯(lián)結(jié)測(cè)量導(dǎo)線之用。電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。由于電阻絲式應(yīng)變片有橫向效應(yīng)對(duì)測(cè)量的精度有影響，使靈敏度降低，而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應(yīng)變片尚難控制電阻與溫度的變化關(guān)系，不常用。故選用金屬箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)： (1)本身性能穩(wěn)定，受溫度變化的影響??； (2)使用溫度范圍比較寬，在-269+350 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作； (3)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼操作簡(jiǎn)便；(4)價(jià)格便宜。金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)絲式金屬應(yīng)變片的敏感柵由直徑0.010.05mm的電阻絲平行

4、排列而成。 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.01mm。其優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好，允許通過(guò)的電流較大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產(chǎn)。 薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣。(a) 箔式應(yīng)變片 (b) 電阻絲式應(yīng)變片 (c) 絲式應(yīng)變片幾種常用應(yīng)變片的基本形式2.應(yīng)變計(jì)敏感柵的材料(1)材料的選用原則 應(yīng)變計(jì)敏感柵合金材料的選擇對(duì)制作應(yīng)變計(jì)性能的好壞起著決定性的作用，因此對(duì)制作應(yīng)變計(jì)所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求：a

5、有較高的靈敏系數(shù)；b電阻率高；c電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；d機(jī)械強(qiáng)度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時(shí)耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強(qiáng)；e與其它金屬接觸的熱電勢(shì)小；f與引出線焊接容易。三測(cè)量電路原理分析及設(shè)計(jì) 1.溫度補(bǔ)償原理 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 1) 線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。電橋輸出電壓U0與橋臂參數(shù)的關(guān)系為： U0=A（R1 R4- RB R3）式中：A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)；當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓U0的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 這種溫度補(bǔ)

6、償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片來(lái)補(bǔ)償?shù)模Q之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。 由溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工作原理，要實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有 0= -K0（g-s） 上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)s，使上式成立，則不論溫度如何變化，均有Rt/ R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｋ臏y(cè)量電路原理分析及設(shè)計(jì)1.電橋電路原理應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)化成電阻的相對(duì)變化R/R,還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量。 電橋電路的原理是：如下圖的四臂電橋所示，因?yàn)閼?yīng)變片電阻值變化很小，可以認(rèn)為電源供電電流為常

7、數(shù)，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零。當(dāng)電橋平衡時(shí)，即電橋輸出電壓V0為零的條件是：R1R3=R2R4。圖2當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時(shí)，即R1R3R2R4時(shí)，電橋輸出：?jiǎn)伪垭姌驎r(shí)，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4為定值電阻，在應(yīng)變片R1工作時(shí)，其電阻R1變化R,此時(shí)電橋的靈敏度為：ku=U/4電壓輸出為:UO=(U/4)(R1/R1)2.非線性誤差為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：采用差動(dòng)電橋；采用恒流源電橋。為了提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置兩個(gè)應(yīng)變

8、片，電橋也可采用四臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓為：UO=UR/R所以，本設(shè)計(jì)所選用的是全橋形式的差動(dòng)電橋，且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，每個(gè)橋臂都安置兩個(gè)應(yīng)變片。3.轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)放大電路來(lái)自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來(lái)抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對(duì)稱，運(yùn)算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對(duì)稱精度有關(guān)，又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB，而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的測(cè)量放大電路，共模抑制比可達(dá)100120dB。結(jié)合以上幾點(diǎn)，采用了低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)

9、成的三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖所示本電路主要分為三個(gè)部分，第一就是調(diào)理調(diào)幅電路，二就是電橋轉(zhuǎn)換電路，三就是增益放大電路，這里面還包括共模抑制電路。4.電橋轉(zhuǎn)換電路電阻應(yīng)變片的電阻R1,R2,R3,R4的電阻都為350歐。由這四個(gè)電阻組成一個(gè)全橋放大電路。5.放大電路和共模補(bǔ)償電路它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中N1，N2為兩個(gè)性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同向輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱（或稱同向并聯(lián)型）差動(dòng)放大輸入級(jí)，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制N1，N2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由輸入級(jí)電路可寫出流過(guò)R6，R7和R14都電

10、流IR為IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14由此求得 U01 =（1R6/ R14）Ui1R6 Ui2/ R14 U02 =（1R7/ R14）Ui2R7Ui1/ R14于是，輸入級(jí)的輸入電壓，即運(yùn)算放大器N2與N1輸出之差為U02U01 =1（R6R7）/ R14（Ui2-Ui1）其差模增益Kd為 Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R6R7）/ R14 它的原理是由運(yùn)放U1，U2組成第一級(jí)差分式電路，U3組成第二級(jí)差分式電路。在第一級(jí)電路中，V1，V2分別加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運(yùn)放U1，U2的兩輸入端形成虛短和虛斷,按照上面的分析，可以計(jì)算出：差模增益Kd為 運(yùn)算放大器U3的差模增益：電路的放大增益為：所以設(shè)計(jì)的放大電路的放大倍數(shù)為：，試驗(yàn)中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以調(diào)節(jié)R14,R15同時(shí)改變，達(dá)到調(diào)節(jié)增益的目的。而且放大增益很大，有很寬的調(diào)節(jié)范圍。6.電路調(diào)零調(diào)幅電路如圖所示，通過(guò)調(diào)節(jié)R5可以調(diào)節(jié)電橋的供電電壓，并且可以在任何時(shí)