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我国现在进行世界上规模最大的基本建设。这样优越的条件以为世人所关注,电阻应变测试技术也越来越多的应用到公路、桥梁等土木工程中。一、应用现状
尽管材料力学、结构力学和弹性理论在解决工程结构的应力分析方面已经相当地成熟,而且由于结构的矩阵分析方法和有限元的研究和应用,把解决工程问题的范围又向前大大地推进了一步使得很多过去用传统的分析方法不容易解决和不能解决的问题都可以比较满意的获得解答,但是应该承认还有不少实际问题暂时还处于不能求解的状况。不论是用传统的方法或者是用现代的数值方法,对于那些复杂的工程结构所求得的解都需要通过实验的检验才能做出最后的结论。此外,由于结构的工作条件以及结构本身的性状一般都带有随机性,因而需要通过实验的手段获得大量的、长期的统计资料,方能作为分析的依据。
早期的电测方法主要用于测量常温下物体的表面应变,但近些年来在高温和低温、动态应变和各种动力学参数、各种性质的介质环境、极大的加速度、高压力、强辐射以及遥感测试技术等方面都得到了很好的应用。在实验应力分析科学的领域内还有不少其它的新技术。不同的方法可能在不同的条件下显示出其优越性,但是在土木工程中用途最广泛和适应能力最强的还是电测法。
应变测试是桥梁、建筑工程等结构试验的一项重要内容。当前,尽管已有各种预埋式混泥土应变传感器应用于混凝土内部的应变测试,以提高测试的可靠性,但由于现场测试条件的限制,目前的结构试验如大型建筑、桥梁等结构在荷载作用下的现场应变测定以及室内的模型试验仍大量采用表面应变测试。
一般常用的表面应变测试手段可分为机测和电测两类,机测主要用于千分表、手持式应变仪等,电测则大量采用电阻应变片等,由于机测灵敏度低,一般作辅助手段,应变片的灵敏度则高出千分表数倍,常用做主要手段。
电测法所使用的仪器和设备主要有三部分,即电阻片、电阻应变仪和指示记录仪器。电测法就是用牢固的粘贴在分析对象上的电阻片将被测量的应变转换成电学量,经过电阻应变仪的放大后再将电信号书给指示记录仪器,完成对应变的指示或记录。电测法有以下主要特点:
灵敏度高
由于利用电阻应变片将非电量转换成电量,再经电子仪器进行放大、显示和记录,所以能获得很高的放大倍数,从而达到很高的灵敏度。目前的电阻应变仪可以精确地分辨出1×10-6应变,这个应变的量级对于钢材而言相当于2千克/厘米2的应力。
电阻应变片尺寸小且粘贴牢固这个特点十分重要,当对于某些工程结构进行全面的应力分析时,往往要测量数十点乃至百点的应力,电阻应变片可以很容易的大量粘贴使用。对于结构十分紧凑以至使用其它测量仪表根本无法安装的场合,这种情况下电测法就能发挥很大的作用。尺寸小还有另一个重要的意义,即可以用来测量局部应力。现在电阻应变片的标距可以小于1毫米,这对于应力集中区的测量是比较合适的。
电阻应变片质量小这是个突出的优点,它使得电测法不仅可以做静态应力的测量,而且可以在动态应力分析方面发挥独特的作用,使得一系列重要的动力学参数(如加速度、振幅、频率、冲击力及爆炸压力等)能够比较精确地进行实验研究。测量动态应变的频率可以由静态直到50千周/秒以上。
适于高温和低温下测量目前电测法可以在―268~1093℃的范围内成功地使用,技术上的主要问题是电阻丝材料和粘接剂材料的性能问题。
高介质压力电测法可以在数千大气压的气体介质或液体介质中进行测量,这对于高压结构和深水结构的研究是十分有利的,例如测量处于深水区的桥墩或桩基内的应力状况。可以在结构工作状态下进行测量这对于检验理论计算的可靠性和研究结构的工作特性都有重要的作用,可以在结构工作过程进行控制与调节。
可进行遥测结合无线电和电子计算技术的应用,电测法可以用于遥测和测量与分析计算自动化。这对于条件很严酷的情况下,可以大大地减少工程技术人员的劳动强度,提高工作效率。电阻应变计由于结构简单,制作成本低廉,加之可多次重复使用,因此其经济性能较好。二、基本原理电阻应变计是基于这样一个原理:弹性体在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在他表面的电阻应变片也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化,再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号,从而完成了将外力变换为电信号的过程。由此可见,电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变计中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。1.电阻应变片
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R:
R = ρL/S
当他的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,记作Δρ。
对式求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。我们有: ΔR =
ΔρL/S + ΔLρ/S CΔSρL/S2 去除式得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L C ΔS/S
另外,我们知道导线的横截面积S = πr2,则 Δs = 2πr*Δr,所以 ΔS/S = 2Δr/r
从材料力学我们知道 Δr/r = -μΔL/L
其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式代入,有
ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =(1 + 2μ/*ΔL/L = K *ΔL/L 其中 K = 1 + 2μ
+/ 式说明了电阻应变片的电阻变化率和电阻丝伸长率之间的关系。
需要说明的是:灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,不同的材料的K值一般在1.7―3.6之间;其次K值是一个无因次量,即它没有量纲。
在材料力学中ΔL/L称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太大,很不方便
常常把它的百万分之一作为单位,记作με。这样,式常写作: ΔR/R = Kε
2.弹性体
性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个,首先是它承受电阻应变计所受的外力,对外力产生反作用力,达到相对静平衡;其次,它要产生一个高品质的应变场,使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。
设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力,但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神,一为压缩,若把应变片贴在这里,则应变片上半部将受拉伸而阻值增加,而应变片的下半部将受压缩,阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式。
ε = /2Eb)*+bh2)/ +bh3)
其中:Q–截面上的剪力;E–扬氏模量:μ―泊松系数;B、b、H、h―为梁的几何尺寸。
3.检测电路
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点,如可以抑制温度变化的影响,可以抑制侧向力干扰,可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等,因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高,各臂参数一致,各种干扰的影响容易相互抵销,所以惠斯登电桥在得到了广泛的应用。

应变型扭矩传感器因成本低廉,操作简便,是目前国内外使用最多的一种扭矩传感器。

随着我国经济实力和技术水平的大幅提升,扭矩传感器在民用和国防领域,一方面对汽车、船舶、飞机、钻井等设备的需求量大幅增加,另一方面对这些设备的需求层次也发生了很大变化,这对扭矩测量也同样提出了更多更高的要求,而研制高准确度的扭矩传感器是搞高扭矩测量精度的关键技术之一。

自1938年首次出现金属电阻丝粘贴式传感元件起,至今发展到了采用电阻式应变片,将电阻应变片粘贴在被测对象弹性体表面指定位置,由于弹性体受力产生应变,致使电阻应变片的电阻发生变化,通过惠斯顿电桥和测量电路,把应变转换成电量信号,从而测出扭矩值。

伴随着现代科学技术的迅猛发展,扭矩测量技术已经成为测试技术的新分支,扭矩测量的应用领域越来越广泛,大到飞机、船舶、钻井、发电设备和冶金矿山设备等,小到微电机、家用电器和钟表游丝,扭矩测量是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工监控和故障诊断等必不可少的内容。准确的扭矩测量对缩短现代船舶装备的研制同期、提高武器的性能、降低使用与保障费用具有重要作用。扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学样,实现扭矩测量需要解决传感器、能量供给和信号传输三方面的问题,其中传感器的准确度是关键技术问题之一,目前,国内外研制和开发的扭矩传感器种类很多,按照扭矩传感器弹性元件和变形几何参数、物理参数和静力学关系,扭矩传感器主要有应变型、磁弹性型、转角型三种。

采用应变片测量扭矩有以下一些优点:

应变式扭矩传感器是目前国内外使用最多的一种扭矩传感器,它采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法,利用适当的电路取得信号,然后进行分析处理,测量精度可达0.1%FS,量程范围可覆盖所有需求,广泛使用在静态和旋转系统的扭矩测量上,磁弹性扭矩传感器是利用弹性截面上的剪应力,与扭矩成正比的关系,根据磁性材料在机械应力作用下,其导磁性能发生对应变化的原理设计,这类传感器是非接触式的,安装使用方便,且不需要占用较大的空间,但这类传感器最终测得的是磁致伸缩材料应力,如何妥善地转化为轴本身应力或扭矩值得进一步研究的问题。

1)测量应变的灵敏度和精度高;

转角型扭矩传感器是利用弹性体产生的变形角,及剪应变角设计的,它实际所测的是角位移,也就是总变形,常要求被测轴要对长而细,因此主要用于长轴的扭扭测量。

2)应变片的尺寸小、重量轻,对被测件的工作状态和应力分布基本上没有影响;

应变式扭矩传感器因成本低廉,操作简便,是目前国内外使用最多的一种扭矩传感器,首次出金属电阻比粘贴式传感器起,至今发展到了采用电阻式应变片,将电阻应变生粘贴在被测对象弹性体表面指定位置,由于弹性体受力产生应变,致使电阻应变的电阻发生变化,通过电桥和测量电路,把应变转换成电量信号,从而测出扭矩值。

3)测量范围大,既可以测量弹性变形,也可以测量塑性变形;

扭矩传感器的发展来看,扭矩传感器在传感器行业里有着很强大的发展趋势:由静态测试向动态在线检测方向发展;测试系统向微型化数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展;
向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计和优化来实现小型化,IC部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的IC部件上,减少外部部件的数量;从单功能向多功能发展,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆。

4)能适应各种复杂环境;

5)便于多点测量。

扭矩传感器在应用上有许多的优点,但是有一些不足之处,如遥测扭矩仪虽然克服了电滑环的两项缺陷,但也存在着三个不足之处。

三个不足之处

其一:易受使用现场 电磁波的干扰;

其二:由于是 电池供电,所以只能短期使用;

其三:由于在旋转轴上附加了结构,易引起高转速时的动平衡问题,在小量程及小直径轴时更突出;

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