應(yīng)變測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)10

1、應(yīng)變測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)變測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)1.0同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室目錄目錄應(yīng)變片工作原理應(yīng)變片工作原理測(cè)量電路淺析測(cè)量電路淺析應(yīng)變片應(yīng)用舉例應(yīng)變片應(yīng)用舉例2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.應(yīng)變片工作原理應(yīng)變片工作原理 應(yīng)變與應(yīng)力應(yīng)變與應(yīng)力1 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)2 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)3 溫度誤差與自補(bǔ)償溫度誤差與自補(bǔ)償42011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.1 應(yīng)變與應(yīng)力應(yīng)變與應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力（stress）物體由于外因(受力、濕度、溫度場(chǎng)變化等)而變形時(shí)，

2、在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用應(yīng)變應(yīng)變（strain）機(jī)械零件和構(gòu)件等物體內(nèi)任一點(diǎn)因外力作用引起的形狀和尺寸的相對(duì)改變關(guān)系關(guān)系E2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.2 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)：機(jī)械變形產(chǎn)生電阻變化試件變形應(yīng)變片變形電阻變化2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.2 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)FlrrlFAlR2lldRddldAAAAdRdldAdRlA(12 )dRdR 2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.2 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)dRdRK2112d電阻絲的靈敏系數(shù)電阻

3、絲的靈敏系數(shù)：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。12d大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，K為常數(shù)。2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.2 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)橫向效應(yīng)2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.3 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片是由電阻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片中(基底)制成。用鍍銀銅線與應(yīng)變片絲柵連接，作為電阻片引線。2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.4 溫度誤差與自補(bǔ)償溫度誤差與自補(bǔ)償000 tRRRRt溫度系數(shù)溫度系數(shù)幾何變化幾何變化0000()gsRK R

4、K Rt 溫度誤差產(chǎn)生來(lái)源溫度誤差產(chǎn)生來(lái)源溫度系數(shù)產(chǎn)生影響以及尺寸變化引起的電阻變化2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室1.4 溫度誤差與自補(bǔ)償溫度誤差與自補(bǔ)償電阻材料的溫度系數(shù)試件材料的熱膨脹系數(shù)電阻材料的熱膨脹系數(shù)自補(bǔ)償000()tgsRRRRKt )(00sgK2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2. 測(cè)量電路淺析測(cè)量電路淺析 惠斯通電橋輸出特性惠斯通電橋輸出特性1 電橋的非線性與差動(dòng)電路電橋的非線性與差動(dòng)電路2 利用電橋特性進(jìn)行溫補(bǔ)利用電橋特性進(jìn)行溫補(bǔ)32011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.1 惠斯通

5、電橋輸出特性惠斯通電橋輸出特性電橋平衡條件電橋平衡條件 單橋臂電阻變化的電壓輸出單橋臂電阻變化的電壓輸出 鄰橋臂電阻變化的電壓輸出鄰橋臂電阻變化的電壓輸出 全橋臂電阻變化的電壓輸出全橋臂電阻變化的電壓輸出 41232011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.1.1 電橋平衡條件電橋平衡條件140123413241234()()()iiRRUURRRRR RR RURRRR=-+-=+14132423RRR RR RRR=當(dāng)，即電橋平衡。2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.1.2 單橋臂電阻變化的電壓輸出單橋臂電阻變化的電壓輸出131141

6、12341123411124113()()()(1)(1)oiiiR RRRRUUURRRRRRRRRRRRURRRRRRD+ D=-=+ D+ D+D=D+11111RRRR=由于，略去分母中DD4132RRnRR=設(shè)，則1121n1(n1)(1)(n1)noiiRRRUUURDD=+o211Un S(n1)iURR電壓靈敏度： =D+n=1時(shí)，S最大，實(shí)際中一般取R1=R2=R3=R4=R。14oiRUURD=2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.1.3 鄰橋臂電阻變化的電壓輸出鄰橋臂電阻變化的電壓輸出13241141122341122341212122241

7、1213()()()(1)(1)oiiiR RR RRRRUUURRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRD - D+ D=-=+ D+ D+ D+ D+DD-=DD+12121()4oiRRUURRDD= =-1234RRR1RRRRRR=由于，略去分母中=D=D2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.1.4 全橋臂電阻變化的電壓輸出全橋臂電阻變化的電壓輸出11441122334413243141132411223344331241241234132412221121()()()(1)(1oiiRRRRUURRRRRRRRR RRRRRRRRRRRUR

8、RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR+ D+ D=-+ D+ D+ D+ DD - D + D - D + D D- D D=+ D+ D+ D+ DDDDDDDDD-+-+-=DDD+34443343)iURRRRRRRD+312412341()4oiRRRRUURRRRDDDD=-+-12341RRRRRRR=由于，略去分子與分母中的高階小量=D2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.2 電橋的非線性與差動(dòng)電路電橋的非線性與差動(dòng)電路電橋的非線性誤差電橋的非線性誤差半橋差動(dòng)電路半橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路 123差動(dòng)電路的靈敏度

9、差動(dòng)電路的靈敏度 42011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.2.1 電橋的非線性誤差電橋的非線性誤差11211(1/)oiRnUnRURR理想情況（略去分母中的項(xiàng)）1111111111 112/oooLLoURRUURRnRRURRRnR與的關(guān)系是非線性時(shí)的，線，非性誤差為1111111/(1)oiRRRnRUURnnR實(shí)際情況（保留分母中的項(xiàng)）對(duì)于一般應(yīng)變片，所受應(yīng)變通常在5000以下。若取K=2，則R1/R1=K=0.01，計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若K=130，=1000時(shí)，R1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%。故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必

10、須予以消除。2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.2.2 半橋差動(dòng)電路半橋差動(dòng)電路1141122341324112234()()()oiiRRRUURRRRRRR RR RURRRRRR+ D=-+ D+ D+D - D=+ D+ D+121234,1,RR RRRRRnD= - D=12oiRUURD=2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.2.3 全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路114411223344()oiRRRRUURRRRRRRR+ D+ D=-+ D+ D+ D+ D12341234,1,RRRRRRRRRnR=D= - D= D

11、- D= DoiRUURD=2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.2.4 差動(dòng)電路的靈敏度差動(dòng)電路的靈敏度14oiRUURD=12oiRUURD=oiRUURD=2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2.3 利用電橋特性進(jìn)行溫補(bǔ)利用電橋特性進(jìn)行溫補(bǔ)半橋的溫度補(bǔ)償半橋的溫度補(bǔ)償114112234121234111111111(),()0ooRRRUUiRRRRRRRR RRRRRRRRUUiRRRRRR其中n=1,+ D=-+ D+ D+D= D=+ D=-=+ D+ D+全橋的溫度補(bǔ)償全橋的溫度補(bǔ)償11441122334412123411

12、1111111111(),()0ooRRRRUUiRRRRRRRRRR RRRRRRRRRUUiRRRRRRRR其中n=1,+ D+ D=-+ D+ D+ D+ DD= D=+ D+ D=-=+ D+ D+ D+ D2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3. 應(yīng)變片應(yīng)用應(yīng)變片應(yīng)用 測(cè)量應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變1 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2 具體項(xiàng)目中的應(yīng)用具體項(xiàng)目中的應(yīng)用32011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3.1 測(cè)量應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變 主應(yīng)力方向未知主應(yīng)力方向未知利用單向應(yīng)變片來(lái)測(cè)量主方向已知的應(yīng)變利用單向應(yīng)變片來(lái)測(cè)量主方向已知的應(yīng)變2011.11.01

13、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3.1 測(cè)量應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變 主應(yīng)力方向已知主應(yīng)力方向已知利用應(yīng)變花來(lái)測(cè)量主方向已知的應(yīng)變利用應(yīng)變花來(lái)測(cè)量主方向已知的應(yīng)變2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2146352143應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器2011.11.01同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器其他各種可表定量：位移。其他各種可表定量：位移。2011.11.0

14、1同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)室3.3 具體項(xiàng)目中的應(yīng)用具體項(xiàng)目中的應(yīng)用全順全順G301項(xiàng)目項(xiàng)目試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)?zāi)康?最初目的：底盤部件貼片獲取多體模型的驗(yàn)證信號(hào) 后期目的：通過(guò)標(biāo)定獲取軸頭力信號(hào)螺旋彈簧螺旋彈簧Fz布片與組橋方案布片與組橋方案 前螺旋彈簧：半橋螺旋彈簧螺旋彈簧Fz標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 前螺旋彈簧標(biāo)定時(shí)油缸采用位移控制后板簧后板簧Fz布片與組橋方案布片與組橋方案 后板簧：半橋12Fz后板簧后板簧Fz標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 后板簧標(biāo)定時(shí)油缸采用位移控制前擺臂前擺臂Fx布片與組橋方案布片與組橋方案 前擺臂Fx：半橋12Fx前擺臂前擺臂Fx標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 前擺臂Fx標(biāo)定時(shí)油缸采用位

15、移控制前擺臂前擺臂Fy布片與組橋方案布片與組橋方案 前擺臂Fy：全橋（單臂240歐姆）1243Fy力方向力方向上表面圓孔上表面圓孔Fy方向粘貼方向粘貼1、2應(yīng)變片，串聯(lián)連接作為電橋應(yīng)變片，串聯(lián)連接作為電橋1橋臂；橋臂；下表面圓孔下表面圓孔Fy方向粘貼方向粘貼3、4應(yīng)變片，串聯(lián)連接作為電橋應(yīng)變片，串聯(lián)連接作為電橋3橋臂；橋臂；用兩個(gè)串聯(lián)的用兩個(gè)串聯(lián)的120歐姆應(yīng)變片組成歐姆應(yīng)變片組成2橋臂（橋臂（4橋臂同理），組成橋臂同理），組成溫度補(bǔ)償?shù)娜珮驕y(cè)試橋路；溫度補(bǔ)償?shù)娜珮驕y(cè)試橋路；注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置E:激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓e0:輸出電壓輸出電壓1234+-S-S+一橋臂一橋臂三

16、橋臂三橋臂二橋臂二橋臂四橋臂四橋臂前擺臂前擺臂Fy布片與組橋方案布片與組橋方案 前擺臂Fy：全橋（單臂240歐姆）前擺臂前擺臂Fy標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 前擺臂Fy標(biāo)定時(shí)油缸采用位移控制后橋殼后橋殼Fx布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼Fx：半橋左后車輪側(cè)左后車輪側(cè)鋼板彈簧座鋼板彈簧座Z方向俯視圖方向俯視圖12E:激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓e0:輸出電壓輸出電壓12+-S-一橋臂一橋臂二橋臂二橋臂Fx縱向力半橋電路縱向力半橋電路Fx縱向力：前表面粘貼藍(lán)色縱向力：前表面粘貼藍(lán)色1應(yīng)變應(yīng)變片，后表面粘貼藍(lán)色片，后表面粘貼藍(lán)色2應(yīng)變片（在應(yīng)變片（在橋殼水平中切面上，沿橋殼水平中切面上，沿Y方向粘方向粘貼），組一半

17、橋測(cè)試電路；貼），組一半橋測(cè)試電路；后橋殼后橋殼Fx標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 后橋殼Fx標(biāo)定時(shí)油缸采用力控制（位移控制效果不好）后橋殼后橋殼Fy布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼Fy：半橋Fy力：上表面粘貼紅色力：上表面粘貼紅色1應(yīng)變片，下表面粘貼應(yīng)變片，下表面粘貼紅色紅色2應(yīng)變片，組一半橋測(cè)試電路；應(yīng)變片，組一半橋測(cè)試電路；注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置鋼板彈簧座鋼板彈簧座X方向正視圖方向正視圖12+E:激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓e0:輸出電壓輸出電壓12+-S-一橋臂一橋臂二橋臂二橋臂Fy橫向力半橋電路橫向力半橋電路后橋殼后橋殼Fy標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 后橋殼Fy標(biāo)定時(shí)油缸采用力控制后橋殼后橋殼

18、Fz布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼Fz：全橋Fz垂向力：上表面粘貼綠色垂向力：上表面粘貼綠色1、2剪切應(yīng)變片，下剪切應(yīng)變片，下表面粘貼綠色虛線表面粘貼綠色虛線3、4剪切應(yīng)變片（圖示中剪切應(yīng)變片（圖示中3、4與與1、2錯(cuò)開(kāi)為便于觀察，實(shí)際粘貼為投影重疊關(guān)錯(cuò)開(kāi)為便于觀察，實(shí)際粘貼為投影重疊關(guān)系），組一全橋測(cè)試電路；系），組一全橋測(cè)試電路；注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置左后車輪側(cè)左后車輪側(cè)鋼板彈簧座鋼板彈簧座X方向正視圖方向正視圖1423E:激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓e0:輸出電壓輸出電壓1234+-S-S+一橋臂一橋臂三橋臂三橋臂二橋臂二橋臂四橋臂四橋臂Fz垂向力全橋電路垂向力全橋電路后

19、橋殼后橋殼Fz標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 后橋殼Fz標(biāo)定時(shí)油缸采用力控制后橋殼后橋殼My布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼My：全橋My制動(dòng)扭矩：上表面粘貼綠色制動(dòng)扭矩：上表面粘貼綠色1、2剪剪切應(yīng)變片，下表面粘貼綠色虛線切應(yīng)變片，下表面粘貼綠色虛線3、4剪剪切應(yīng)變片（圖示中切應(yīng)變片（圖示中3、4與與1、2錯(cuò)開(kāi)為便錯(cuò)開(kāi)為便于觀察，實(shí)際粘貼為投影重疊關(guān)系），于觀察，實(shí)際粘貼為投影重疊關(guān)系），組一全橋測(cè)試電路組一全橋測(cè)試電路注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置注釋：左右兩側(cè)對(duì)稱布置左后車輪側(cè)左后車輪側(cè)鋼板彈簧座鋼板彈簧座Z方向俯視圖方向俯視圖1324E:激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓e0:輸出電壓輸出電壓1234+-S-S+一橋臂一橋臂三橋臂三橋臂二橋臂二橋臂四橋臂四橋臂My制動(dòng)扭矩全橋電路制動(dòng)扭矩全橋電路后橋殼后橋殼My標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定結(jié)果 后橋殼My標(biāo)定時(shí)油缸采用力控制3.3 具體項(xiàng)目應(yīng)用具體項(xiàng)目應(yīng)用2011.1