电阻应变片范文
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导语：如何才能写好一篇电阻应变片，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
中图分类号：TU785.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0000-01
1、电阻应变片的工作原理
电阻应变片应用通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
2、电阻应变片的原理分析
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量εx=ΔL/ L，称为纵向应变。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR/ R=Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/ L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，所以多使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将电阻的变化转换为输出电压Uo。
2.1测量转换电路
不平衡电桥测量转换电路如图1所示。
输出电压为Uo：
电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等。即R1？R3=R4？R2，若电桥各臂均有相应的电阻增量，即？R1，？R2，？R3，？R4，则由（1）式得：
在实际使用中往往采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，当时，略去上式中的高阶微量项，则
根据不同的要求，应变电桥有3种不同的工作方式。1）单臂半桥工作方式（R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻，？R2=？R3=？R4=0）；2）双臂半桥工作方式（R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻，？R3=？R4=0）；3）全桥工作方式（电桥的四个桥臂都为应变片）。
这里主要讨论单臂半桥工作方式。半桥路的理论输出电压为：
实际输出电压为：
则电桥的相对非线性误差为：
2.2 电阻应变式传感器
电阻应变式传感器如图2所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。
3、应变片的线性分析
电阻应变式传感的单臂电桥电路如图3所示，图中R1、R2、R3为固定，R为电阻应变片，输出电压UO=EKε，E为电桥转换系数。
将每次的位移量X与对应的数字电压表的显示值记入表1中。
其灵敏度为：
4、总结
从实验数据可以看出灵敏度为常数，说明传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。但是实验存在实验误差。产生误差的原因很多，主要有环境温度及湿度波动、电源电压下降、电子元件老化、机械零件变形移位、仪表零点漂移等。
参考文献：
篇2
关键词： 电阻应变传感器 单臂电桥 双臂电桥 全桥电路
“工欲善其事，必先利其器”。用这句话来说明传感器技术在现代科学技术中的重要性是很恰当的。随着自动化等新技术的发展，传感器的使用数量越来越大，现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。
传感器的作用是感受被测对形象的微小变化，并转换成为与之相适应的电量，以便对被测信号进行传输、处理、控制、显示和记录。传感器已经成为电类产品不可缺少的组成部分，它担负着感知和传输信号的重要任务。
而电阻传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。利用电阻传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。本文主要探讨电阻应变传感器三类电桥的性能特点，并进行分析比较和归纳。
1.实验原理
在介绍电阻应变传感器原理前，有必要简单介绍一下相关知识。
（1）应力与应变
①应力：指截面积为S的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，F在物体单位截面积上引起的内力就称为应力，记作σ，其值为：σ=F/S。
②应变：指物体受外力作用时产生的相对形变。设物体原长度为l，受力后产生Δl的形变，若Δl＞0，则表示物体长度被拉伸；Δl＜0，则表示物体被压缩。其应变ε定义为：ε=Δl/l。
③应力与应变的关系：应力与应变的关系可用胡克定律来描述，指的是当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比，表示为：σ=Eε，其中E为弹性模量。
（2）电阻应变效应
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械形变，其阻值也会随之发生变化，这种现象就称为应变效应。
（3）电阻应变传感器原理
电阻应变传感器是利用应变效应工作的，由弹性敏感元件、电阻应变片和转换电桥组成。
我们先引入一个实验：有一段长为20cm的电阻丝，测量其阻值为10Ω。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻丝阻值也略有增加，由原来的10Ω增加到10.05Ω。
从而，电阻应变传感器的工作原理就是当试件受力变形后，应变片上的电阻丝也随之产生形变，从而使应变片的阻值发生变化，然后再通过测量转换电路最终转换成电压的变化进行输出。
2.应变片的种类与特性
应变片可以分为金属应变片与半导体应变片两大类。金属应变片又分为金属丝式、金属箔式和薄膜等。本文介绍的金属箔式是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003―0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。通常它可以允许通过较大的电流，灵敏度系数较高，也可根据需要制成任意形状，适合批量生产。而半导体应变片虽然灵敏度要比金属应变片高几十倍，但一致性差、温漂大、电阻与应变间的非线性严重，必须考虑温度补偿。
3.金属箔式三种应变电桥的原理分析
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其阻值的变化将十分困难，且误差很大，所以多使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将电阻的变化转换成输出电压U。其转换电路如图1所示。
测量前应先将电桥调平衡，在电桥输出端b和d之间接一个检流计调桥臂电阻使检流计指示为0，输出电压U=0，电桥达到平衡状态。电桥的平衡条件为RR-RR=0。
（1）单臂半桥
即：构成电桥的4个电阻中，1个是应变片，3个是固定电阻。为了便于分析，一般都取R=R=R=R=R，称之为等臂电桥。
U=-Ui=-Ui
==Ui≈Ui=KεUi
（2）双臂半桥
即：构成电桥的4个电阻中，2个是应变片，2个是固定电阻。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR，ΔR=-ΔR。
U=-Ui=-Ui
=Ui=KεUi
（3）全桥
即：构成电桥的4个电阻均是应变片。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR=ΔR，ΔR=ΔR=-ΔR。
U=-Ui
=-Ui
=Ui=KεUiS
4.应变电桥性能实验及数据对比分析
实验原理框图如图2：
本文采用的应变片是金属箔式应变片，给应变片上放置砝码（每个砝码20g），应变片受力产生应变效应，从而获取输出电压U的值。放置砝码的数量不同，读取的电压值也就不同。下面是三个桥路实验获得的实验数据如表1，其分析如下。
计算各电桥实验的灵敏度：S=（ΔU为输出电压变化量，ΔW为重量变化量），并进行简要分析。
单臂半桥：S==0.245mV/g
双臂半桥：S==0.45mV/g
全桥：S==0.95mV/g
从而得到结论：全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低，且S≈2S≈4S。
5.电阻应变传感器的应用
电阻应变传感器可用于称重测力、测扭矩、加速度、压力等。它有以下特点：①应用和测量范围广。②分辨力和灵敏度高。③结构轻、小，对试件影响小；对复杂环境的适应性强，易于实施对环境干扰的隔离或补偿，从而可以在高温、高压、高速、强磁场、核辐射等特殊环境中使用；频率响应好。④商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量。
因此，目前传感器的种类虽已繁多，但高精度的传感器仍以应变式应用最普遍。它广泛应用于机械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部门的自动测量与控制或科学实验中。近年来在生物、医学、体育和商业等部门亦已得到开发应用，并且更是有向小型化、集成化、智能化、系列化、标准化方向发展的趋势。
参考文献：
［1］梁森，黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社，2007.
［2］苏铁力，关振海，孙立红等.传感器及其接口技术［M］.中国石化出版社，2000.
［3］吴旗.传感器及应用.高等教育出版社，2002.
篇3
关键词 电子汽车衡 称重传感器 工作原理 技术故障 解决方法
一、前言
电子汽车衡是一种利用力―电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备。而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（ 即被称为一次仪表元件） ，它处于称重台面的着力支点上， 必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能，并承载着台面所受负载的合力。目前普遍采用电阻应变式称重传感器。
二、称重传感器的工作原理
弹性体（弹性元件，敏感梁）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（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
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。它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：
当它的两端受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（2-1）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：
用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）
另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr×Δr，所以
从材料力学我们知道：
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（2-4）（2-5）代入（2-3），有
式（2-6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）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（2-6）常写作：
2.弹性体。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，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（区），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。
以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。
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，而不再推导。
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。
需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。
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，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
三、称重传感器常见技术故障及解决方法
l.由于称重不当使传感器受损。（1）被称车辆（ 或物体） 严重超载。（2）在称重过程中产生撞击，此时物体自身重量加上因重力下坠而产生的动能使物体在接触称重平台时产生的撞击力大大超过传感器的额定载荷， 导致传感器受损。
解决的方法：（1）必须严禁超负荷称量。（2）为称重平台安装减震或防撞击保护装置。（3）增加称重传感器的额定载荷， 电子汽车衡器使用中时有出现丢车、测量不准的现象，多数是由于称重传感器发生的故障引起的。确认是传感器故障后，可通过更换传感器使动态衡 恢复正常工作。
2.由于选用传感器密封方式不当，使传感器受损。电子汽车衡器经常在恶劣环境下使用，如果使用了密封性能较差的传感器，由于工业粉尘、各类腐蚀性介质等因素的影响， 极易使电阻应变片的阻值发生改变， 使得称量结果产生误差。 此时可用数字万用表对传感器的输入、输出阻抗进行测量。当测量值与产品提供的技术参数或合格证书所标示值的偏差较大时，即可认定该传感器已损坏，此时应更换密封性能优良的传感器（ 如选用硅胶密封方式甚至焊接密封方式的称重传感器） 。
3.由于受潮使称量时产生偏差。当传感器受潮后，显示仪表经常出现无法自动回零，数字来动等现象。用手动进行复零后，仍会出现数字跳动现象，在空称状态下跳动的数字在某区间范围内无规律波动。当用万用表对其输入、输出阻抗进行测量时，测量值却并不超差， 此时可按下述方法进行判断处理：
（1） 拆下所有称重传感器，将其逐一单独进入测量电路，空秤状态下，未受潮的传感器会立即自动回零且显示值稳定。而受潮后的传感器就可能出现数字跳动，无法回零等现象。手动回零后，上述现象又会重复出现。
篇4
关键词 应变测试;误差分析;横向效应
中图分类号TG806 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)30-0160-02
1 概述
早在1856年,开尔文就发现了电阻应变片的基本原理。经历了多年的发展,利用惠斯登电桥监测粘贴箔式应变片已成为高度完善的测量系统。现代测试的过程中,影响因素众多,要想得到尽量精确的测试结果,就必须对应变测试中的许多问题有透彻了解,电阻应变测试的过程中,横向效应有时候会带来很大误差,应予以充分重视。本文就应变测试中的横向效应引起的误差问题做出分析。
2 电阻应变片横向效应引起的误差分析
当电阻应变片以固定方向粘贴时,即测得沿该方向的应变值,但是,在测量的过程中,电阻应变片除了有该方向的纵向变形外,一定存在着横向变形,本文即是探求电阻应变片横向变形对测量结果的影响。
2.1 电阻应变片横向效应
粘贴式应变片在二向应变场下的响应为:
(Sx表示延应变片横向的灵敏度,Sy表示延应变片纵向的灵敏度,Sα表示应变片的剪切灵敏度,εx表示横向应变,εy表示轴向应变,εα表示剪切应变)
一般地,应变片对剪切应变的灵敏度很小,可以忽略,那么,应变片的响应为:
其中为应变片的横向灵敏度系数。注意到,代入上式,得:
每一个应变片都由生产厂商标定后(标定梁泊松比为μ1)提供一个灵敏度系数Sg,即:
对比(3)和(4)式,可以发现:
又将(5)代入(3),可得:
由上式便可反解出应变真值为:
如果仅仅考虑应变片的灵敏度系数,则:
对比(7)和(8)可得:
如果忽略应变片的横向效应,将会引起误差δ,那么:
表2-1计算出当μ1=0.3,Kx分别为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05和0.06 分别为0、1、2、3、4、5及6时的误差δ值
由此可见,当Kx和的值都很大时,横向效应带来的误差将相当显著,所以,必须对横向效应加以修正。
2.2 横向效应的修正
由以上分析可知,在某些情况下,应变片横向效应带来的误差需要修正,下面就应力场应变比已知和应变比未知这两种情况加以分析。
1)应力场应变比已知 即应力场应变比已知,由(9)式,修正系数为:
2)应力场应变比未知
当应力场应变比未知时,需要用实验的方法确定x和y两个方向的表观应变和,然后再由式(9)反算出真实应变和 。
由式(9)可得出下面的方程组:
求解以上方程组可得:
式(12)便是应力场应力比未知情况下表观应变和真实应变间的关系式。
3 结论
本文就应变测试中的横向效应修正问题做了一些探讨,除此之外,在应力测试的过程中,还有潮湿和温度的影响、辐射的影响及压力的影响等等诸多问题,残余应力和应力集中的测试方法也还有许多,需进一步探讨其影响,在实际的测试中,具体问题具体分析,再与有限元分析方法结合,使得到的数据更为科学,指导我们的生产实践。
参考文献
[1]J.W 达利,W.F赖利.Experimental Stress Analysis[M].海洋出版社,1987.
[2]J.艾弗里尔.Encyclopendie Vishay D`Analyse Des Contraintes[M]. 机械工业出版社,1985.
[3]陈建华.实验应力分析[M]. 中国铁道出版社,1984.
[4]徐跃良.数值分析[M].西南交通大学出版社,2005.
篇5
【关键词】 压力变送器 工作原理
压力变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外，还具有一定的放大作用。近年来，越来越多的仪器、仪表和工业自动化领域需要进行自动控制和集中检测，所以对压力变送器的需要量增多，同时对产品的精度、稳定性和价格的要求也趋于严格。在目前国内市场上，相继出现过电阻式、扩散硅式、陶磁式压力变送器，并逐步占据了大量的市场位置。本文特意对压力变送器的工作原理进行分析，以期对大家有一些帮助。
1. 压力变送器的基本介绍
（1）基本概念。压力变送器用于检测流体的压力（实际上是压强），并进行远程信号传送，信号传送到二次仪表或者计算机进行压力控制或监测的一种自动化控制前端元件，主要由压力传感器、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将压力传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。在国内，目前在小型自动化控制方面运用的压力变送器一般基于压阻式原理，也就是压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定，即可进行压力检测。（2）基本优点。第一，设置方便，可实现多点控制。如果检测出的压力信号是连续信号，就可任意设置压力，只需对电控部分进行设定。第二，可以实现压缩机运行高级控制，延长压缩机寿命。通过运用变频技术，能让压缩机运行更平稳，大量减少启动次数，延长使用周期，而且更加环保节能。第三，提供控制精度，元件可靠性更好。压力变送器的检测精度相对于压力开关高出数倍，控制精度自然就相应地得到提高，因为采用的敏感元件为非机械结构，基本上不再需要维护，能够降低损坏率。
2. 压力变送器的工作原理
2.1电阻应变片式压力变送器
（1）基本概述。电阻应变式压力变送器大信号输出，不锈钢结构，具有线性度高、迟滞误差小、温度性能好、工作稳定、量程广、耐腐蚀等特点，主要在国防和工业自动化等领域被广泛使用。它的重要组成部分是一种电阻应变片，这种敏感器件可以将被测件上的应变变化转换成为一种电信号。（2）工作原理。吸附在基体材料上，金属电阻应变片的应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。通常情况下，是将应变片采用特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，随着基体受力发生应力变化后，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。在运用时，电阻的取值范围要格外注意，阻值太小，所需的驱动电流太大，同时不断发热会致使应变片的温度过高，导致应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力就会降低。（见下图）
2.2扩散硅压力变送器
（1）基本概述。扩散硅压力变送器的压力检测元件采用进口扩散硅或者陶瓷芯体，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。这种压力变送器可替代传统的远传压力表、霍尔元件、差动变送器，并具有DDZ-Ⅱ及DDZ-Ⅲ型变送器性能。扩散硅压力变送器具有强大的使用性能，不但能与各种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套使用，也能与各种自动调节系统或计算机系统配套使用。（2）工作原理。当介质的压力信号作用于传感器时，压力传感器就将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换成与被测介质的液位压力成线性对应关系的4-20mA标准电流输出信号。
2.3陶瓷压力变送器
（1）基本概述。陶瓷材料的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动是被大家公认的。陶瓷的工作温度范围位于-40～135℃之间，具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，不仅输出信号强，而且能够保持长期的稳定性能。这样的高特性、低价格优势，将促使陶瓷传感器将成为以后的发展方向。（2）工作原理。抗腐蚀的陶瓷压力变送器的压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使陶瓷膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在其背面连接成一个惠斯通电桥。压敏电阻的压阻效应能够使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，2.0/3.0/3.3mV/V的标准信号是根据压力量程的不同来标定的，可以和应变式传感器相兼容。传感器通过激光标定，具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
3. 压力变送器工作时的注意事项
（1）变送器上切勿使用高于36V的电压，容易导致损坏。（2）变送器切勿用硬物碰触膜片，会损坏隔膜片。（3）被测介质不能结冰，否则传感器元件隔离膜片容易损伤，导致变送器破坏。（4）在测量蒸汽或其他高温介质时，其温度不应超过变送器使用时的极限温度，否则必须使用散热装置。（5）在测量蒸汽或其他高温介质时，为使变送器和管道连在一起，应使用散热管，并使用管道上的压力传至变压器。当被测介质为水蒸气时，散热管中要注入适量的水，以防过热蒸汽直接与变送器接触，致使损坏传感器。（6）在压力传输过程中，应注意几点：变送器与散热管连接处不可漏气；在打开阀门时要小心，以免被测介质直接冲击、损坏传感器膜片；必须保持管路畅通，避免管道中的沉积物弹出并损坏传感器膜片。
结语
随着对压力变送器的工作原理和注意事项的进一步深入研究，它在工业生产的运用势必越来越广泛。虽然他在在各行业中得到广泛应用，并获得必定的经济效益，但其技能水平与国外同类产物比较还有必定的距离，我国压力变送器职业仍存在一些缺点，阻止了压力变送器职业的展开，加大压力变送器的工作原理和存在问题的分析，自然就可以解决这种不良状况的存在。
参考文献：
[1] 陈广庆等；一种新型的智能压力变送器；工矿自动化；2009年第10期.
篇6
【关键词】机电；传感检测；技术
1 机电一体化
机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。
机电一体化具体包括以下内容：机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术。
2 传感检测技术
传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。
检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
可以用不同的观点对传感器进行分类：
按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。
按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
电阻应变式传感器。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
压阻式传感器。压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
热电阻传感器。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
按传感器材料分类：可分为金属、聚合物、陶瓷、混合物传感器。
按传感器制造工艺分类：可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。
集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
薄膜传感器是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。
完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。
每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。
3 机器视觉技术
采用机器代替人眼来做测量和判断的“机器视觉”，第一步靠的就是传感器技术。
机器视觉系统是通过图像摄取装置把图像抓取到，然后将该图像传送到处理单元，再通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
机器视觉技术日臻成熟，在现代加工制造业中，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包装、汽车制造等行业。在现代自动化生产过程中，广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统能提高生产的柔性和自动化程度，提高了生产效率和生产的自动化程度，机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。
4 机器视觉工业检测系统类型
机器视觉工业检测系统从检测性质和应用范围而言，分为定量和定性检测两大类，每类又分为不同的子类。机器视觉在工业在线检测的各个应用领域十分活跃，如：印刷电路板的视觉检查、钢板表面的自动探伤、大型工件平行度和垂直度测量、容器容积或杂质检测、机械零件的自动识别分类和几何尺寸测量等。此外，在许多其它方法难以检测的场合，利用机器视觉系统可以有效地实现。机器视觉的应用正越来越多地代替人去完成许多工作，这无疑在很大程度上提高了生产自动化水平和检测系统的智能水平。
用微波作为信号源，根据微波发生器发出不同波涛率的方波，测量金属表面的裂纹，微波的波的频率越高，可测的裂纹越狭小。
自动光学检测 (AOI) 指的是通过在受控照明条件下使检测目标（如 PCB 的一部分）成像进行的目标检测。
在AOI 系统中，捕获和重建3-D 形状的能力是非常必要的。3-D AOI从检测图像中可以萃取出不同类型的信息。其表面颜色一直被成功用于检查零部件情况，对于焊点检测，精确确定焊点质量，形状信息比颜色信息更有用。
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2、称重传感器上的E+E-S+S-的意思：E+E-是电源线，S+S-是反馈线。
3、S+和S-是补偿线路电阻用的。S+和E+是通路的，S-和E-是通路的。
4、称重传感器是用来将重量信号或压力信号转换成电量信号的转换装置。
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传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中,被作为一次仪表定位,其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。
具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换,一切准确的测试与控制都将无法实现,即使最现代化的电子计算机,没有准确的信息(或转换可靠的数据),不失真的输入,也将无法充分发挥其应有的作用。
传感器种类及品种繁多,原理也各式各样。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置,其精度和范围度是根据需要来选定的过高的精度要求对某种使用也无太大意义,过宽的范围度也会使测量精度降低,而且会造成成本过高及增加工艺上的困难,因此,应根据测量对象的要求,恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器,均要求其性能稳定,数据可靠,经久耐用。为此,在研究高精度传感器的同时,必须重视可靠性和稳定性的研究。目前,包括床暗器的研究、设计、试制、生产、检测与应用等诸项内容在内的传感器技术,已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。
一般情况下,由于传感器设置的场所并非理想,在温度、湿度、压力等效应的综合影响下,可引起传感器零点漂移和灵敏度的变化,已成为使用中的严重问题。虽然人们在制作传感器过程中,采取了温度补偿及密封防潮的措施,但它与应变片、粘帖胶本身的高兴能化、粘帖技术的精确和熟练、弹性体材料的选择及冷、热加工工艺的制定均有密切的关系,哪一方面都不能忽视,都需精心设计和制作。同时,还须注意传感器的安装方法,支撑结构的设置,如何克服横向力等问题。
作为一次仪表的传感器通常由敏感元件与转换元件组成。
转换元件就是精密的电桥。因此,测力秤重用电阻应变式传感器主要由弹性体、应变片、粘帖胶及各种补偿电阻构成。他的稳定性也必然是由这些元件的内、外因的综合作用所决定。本文就此问题进行探讨,谈些粗浅看法,与同行商榷。
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关健词：先隧后站荷载释放 螺栓受力 管顶应变 片块变位 监测
中图分类号：U45 文献标识码：A
因采用先隧后站技术，施工段盾构成型隧道（管片块装嵌而成）在地铁站开挖施工过程中，因成型隧道上部荷载（土方量）的改变使管片块的受力发生变化，可能导致成型隧道管片块变位，出现施工及隧道结构的质量问题。为了及时了解和掌握地铁车站开挖施工过程对成型隧道可能造成的不利影响，有必要对涉及的成型隧道段管片及其结构进行实时监测。
一、 监测的方法和内容
1、监测方法
图1
本次监测采用工程测试中的应变电测技术。应变电测技术是用电测方法测量应变的一种测试技术。电测技术的基本组成是传感器元件（电阻式应变片、应变计等）和测试仪器，原理是将结构应变机械量转换成电量信号，经仪器接收、放大和量化等系统处理后示出应变量值。应变电测技术具有能效高、测量准确、远距离遥测和数图采集等优势，在材料、结构工程领域的应变测试中被广泛的应用。监测主要有电阻应变片、电阻式位移计、电阻式测力传感器；应变测试系统（手持应变仪TC31K、电阻应变仪YJ26）。[1]
2、 监测内容
根据被监测结构体与受力概况，选定轨道交通五号线某一车站基坑开挖区下成型隧道左幅：309、315、321、327、333、339管片环，右幅：315、319、324、329、333、337管片环作为监测部位（见图1）。
监测部位为：
① 管片块间连接螺栓受力（螺栓受力监测点）；② 管片环内壁顶部混凝土受力应变（管顶应变监测点）；③ 管片间间隙变位（片块变位监测点）。
（1） 螺栓受力监测
在螺栓杆中间位置凹凸两面开浅槽（深2mm），并沿螺栓杆轴线靠固定螺帽端开线槽。在浅槽中心位置粘贴电阻应变片组，引导线，环氧密封。在电测法的基础上，通过现场实验校准，获得螺栓应变值换算成螺杆力值关系式，得到螺杆受力值，实现监测管片（块）间承压力变化状况。（见图2）
（2） 管顶应变监测
隧道混凝土管片受力应变监测，采用电阻应变电测法。在监测盾构隧道内壁的顶部混凝土管片（块）上，沿平行隧道方向粘贴电阻应变片，实现监测盾构隧道上方挖土施工过程中，管片（块）混凝土应变（应力）的变化状况。（见图3）
（3） 片块变位监测
在监测管面上选择有代表性管片（块）间（垂直间隙方向）粘贴特制表座，安放电阻式位移计，实现监测隧道混凝土管片间间隙变位。（见图4）
图2-管片块间连接螺栓受力监测图 图3-管片环内壁顶部混凝土受力应变监测图 图4-管片间间隙变位监测图
二、 现场监测数据采集
经过6个月的现场监测、数据采集及其整理，获得了成型隧道上部土方量改变工况下，隧道管片环内壁顶部混凝土受力应变、管片块间连接螺栓受力和间隙变位等数值。
监测点布置的位置及编号见下表图。
某一段面监测点编号说明表
说明:1. 以人站立时面向车站(开挖区)的左右盾构隧道定义左右幅。
2.“-H”“-Q”“-Z”表示离杨箕站较前的监测点为“-Q”，靠后为“-H”，中间的为“-Z”。
3. “-1”“-2”表示人站立时面向杨箕站(开挖区)的左右先后定义1、2。
左幅339环监测点位置布置图 左幅337环监测点位置布置图 管片块间连接螺栓受力和间隙变位监测 螺栓“应变力值换算――关系式”现场实验校定
三、 监测数据综合分析
1、监测目的
在车站开挖施工过程中，因成型隧道上部土方的逐渐挖除荷载陆续减小，定会造成管片环与环之间、片与片之间的受力发生变化，可能导致成型隧道管片发生变位留下成型隧道质量问题。为了及时了解和掌握地铁车站开挖过程中对成型隧道可能造成的不利影响，有必要对其数据变化进行采集分析。从而通过分析数据作出有效预防措施。[2]
2、数据分析
①螺栓受力分析（见图5）
螺栓受力监测是通过在电测法的基础上，将获得的螺栓应变值换算成螺杆受力值。从7月17日第一次数据采集到最后一次1月9日采集的全部数据，左线制图后分析发现：
⑴开挖第一层土的缓慢变化阶段：
基坑上方第一层土开挖后螺栓受力变化不大，曲线变化较小（车站开挖是从编号300环向编号339环的方向进行掘土）。根据现场开挖的顺序，在8月6日前掘土到监测区上方时基本上只开始开挖第一层土。从图5的曲线变化可以看出此时螺栓受力情况变化较小，变化值范围在1－10KN之间。但也有个别点由于力的集中受压出现负值被压紧，且变化较大如Z327－3Q的监测点。
⑵分段分层陆续开挖到第三层土的迅速变化阶段：
随着分段分层的开挖顺序，8月6日至8月23日逐段逐层的开挖到Z304环的第三层土时。通过曲线图可以看出曲线迅速往上然后又迅速回落，变化值在5－50KN之间差值较大。监测数据说明开挖卸载第二、第三层土时螺栓受力变化最大。
图5－左线各环螺栓受力监测数据变化图
⑶至开挖完成后的稳定变化阶段：
随着开挖的继续进行，上部土方陆续掘除直至荷载全部卸载完成。从图上看出该阶段9月1日到1月9日期间曲线变化较为平坦，变化值在5KN左右。这样说明在挖出第三道支撑后螺栓受力变化已趋于稳定。
②各测点同一时间不同阶段与前次测量变化的螺栓受力分析：（见图6）
图6－左线同一时间各监测点螺栓受力数据与第一次数据差值变化图表
⑴从图上可以看出7月29日为前段开挖期间，属于缓慢变化阶段，变化值在－2.5KN至2.2KN之间变化；
⑵9月8日这段时间刚好在开挖第二、第三段支撑的过程之中，图中变化值较大在－10KN至1.1KN之间变化；
⑶9月30日及10月8日开挖为稳定变化阶段，变化值在0KN至1.7KN和－3.2KN至－0.7KN之间变化；
图7－左线同一时间各监测点螺栓受力数据与第一次数据差值变化图表
⑷以上说明在开挖过程中，越是接近开挖第二、三道支撑时间的时候，各测点本次与上次螺栓受力变化差值越大；
⑸且各阶段同一时间各测点越接近开挖端本次与上次螺栓受力变化差值越大。
③各测点同一时间不同阶段与第一次测量变化的螺栓受力分析：（见图7）
⑴从图7蓝色（7月29日）和红色（9月8日）两条曲线可以看出，两条曲线变化较大；
⑵9月30日和10 月8日两条曲线相对比较缓和；
⑶通过分析认为该图可以佐证在开挖第二、三道支撑的过程中螺栓受力变化迅速，该过程中开挖对于成型隧道的影响较大。
④管顶拉伸微应变数据分析：（见图8）
隧道混凝土管片受力应变监测，是采用电阻应变电测法。主要是通过惠斯登电桥原理来测量应变所引起的电阻变化的微小信号，经过电容器极板间充满电介质时, 电容增大的倍数来获得管片混凝土微小变化的状况。本图通过收集7月29日到年1月8 日的监测数据绘成图表后总结出以下几点：
图8－左线各环管顶应变监测点数据变化图
⑴基坑从开挖到结束，管片拉伸应变曲线走向总体向下发展，到开挖完成后大部分测点的拉伸变量达到最大；
⑵从Z315环及Z309环的曲线可以看出在开挖第三、四道支撑的过程中（9月30日）单次混凝土应变量最大；
⑶随着基坑开挖完成，混凝土管片最终的应变量越接近基坑中部的环号其变量越大；
小结：随着基坑开挖管片上方土方越来越少的情况下，混凝土的应变量与上部土方量减小成反比，即土方减少应变量增加。另在开挖第三及第四道支撑时单次变量最大。
⑤管片块、环之间位移数据分析：
基坑开挖一般采用分段分层逐级掘土的方式，杨箕站基坑开挖其方式相同。当前段开挖完成后暴露的管片就会先拆除。从车站开挖和拆除的顺序可以总结以下几点内容：
⑴在车站管片上部开挖土方时，管片的片与片之间、环与环之间位移有少量变化但变量不大；
⑵从施工日期和图表上可以看出当对已开挖出的管片进行拆除后（9月6日），大部分管片位移量全部有较大变量；
⑶随着上部土方的逐渐挖除及前段管片逐环拆除后，位移量不断变化最终累积位移最大值；
⑷从图中可看出数值有正值也有负值，这种情况认为是受力不均引起的挤压变化。
总结：
1、通过了解地铁5号线某车站基坑开挖全过程的数据分析，先隧道后车站的施工工艺流程中，施工过程风险最大的就可能是在开挖第二，第三道支撑时的风险最大。如能在该过程中加以控制及采取有效措施，对成型隧道的影响就会减小到最低限度。
2、管片的片与片、环与环之间的位移主要变化还是在拆除管片后引起的位移最大。
参考文献
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关键词：扭矩扳子；力矩；力臂；电阻应变仪；荷重传感器；校准；检验
1 概述
随着扭矩扳子在我公司对旋紧力矩有要求的螺丝紧固件作业中广泛的使用，需要对扭矩扳子定期进行检定。由于送上级部门检定周期需要半年或一年的时间，但扳子在周期内的使用中，由于存在使用磨损、外力碰撞等原因，并根据实际情况有时需要再检验，本人根据力矩原理，利用现有的YJ-26型静态电阻应变仪与电阻应变荷重传感器组合，制作了一台简易手动机械预置式扭矩扳子校准装置，经使用效果良好。
2 简易预置式扭矩扳子校准装置的组成
2.1 YJ-26型静态电阻应变仪
YJ-26型静态电阻应变仪是在静力强度研究中，测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器；如配相应的传感器，可测量力等物理量。
2.2 BHR-4型的电阻应变荷重传感器
BHR-4型的电阻应变荷重传感器量程为（0-200）kg，原理是利用电阻应变原理构成。采用圆筒型弹性体为测力敏感元件，电阻应变片为转换元件。该传感器结构简单、强度高、携带方便、抗冲击稳定性好。常用于各种构造物体的荷重实验。
2.3 扭矩扳子转轴固定支架
固定支架起着支撑、固定、调整扭矩扳子角度的作用，并与水平地板焊接在一起（并有加强筋连接）。千斤顶高度可调支架不用焊接，可在地上移动；静态电阻应变仪、电阻应变荷重传感器、油压千斤顶和其组合成一个体系。如图1所示。
图1
2.4 扭矩扳子转轴固定支架的转轴可调角度装置
首先加工一个材料为碳素工具钢（T8）？准230mm×30mm的金属圆盘（扭矩扳子夹具），在其？准170mm圆周内（距其圆周边20mm），除圆心外按同一方向均匀分布六个根据不同扭矩扳子旋转正方形扳头的尺寸而制作的正方形通孔，其边长尺寸分别是19.4+0.2mm、19+0.2mm、12.8+0.2mm、12.5+0.2mm、25+0.2mm、25.6+0.2mm；也可根据其它扳子的不同尺寸制作。在？准200mm圆周上每隔15mm弧长，钻一个？准12.5mm的孔（加工成沉头座），同样地在扭矩扳子转轴固定支架上进行配钻，得到相应通孔。其金属圆盘中心孔为？准20.5mm（加工成沉头座），同样进行配钻，得到相应转轴固定支架通孔；（金属圆盘经过热处理获得相应的硬度和耐磨性）用相应的圆柱头内六角螺栓与扭矩扳子转轴固定支架进行沉头座连接并且是动配合（圆盘可转动）。
3 校准扭矩扳子的测量原理
3.1 标定静态电阻应变仪的显示值（？滋？着）与力（kg）间的正比例关系
根据说明书对应YJ-26型静态电阻应变仪（当灵敏系数k=2标定值为15000？滋？着）与BHR-4型的电阻应变荷重传感器（量程为0-200kg组合，显示值（？滋？着）与力（kg）的比例应为10：1。（如果配不同量程传感器也可以是其他比例。）
3.2 校准静态电阻应变仪
用一组（10个）M1等20kg标准砝码对静态电阻应变仪与荷重传感器进行组校准（或经上级计量部门校准）；在量程范围内确定（包含上、下限）至少五个点进行测量，检验其基本误差不大于测量值的±0.8%。否则重新调整仪器再进行测试。
3.3 根据不同规格量程的扭矩扳子制定出不同的表格
其内容是：按JJG707-2003《扭矩扳子》检定规程要求确定出3～5个力矩M（Nm）校准点；并根据力臂d（扳子转轴到手柄中心长度m），根据力矩原理M=F・d，通过F=M/d，计算出相应的力F（N）。除以9.8kg・m/s2再转换成千克力F（kg）。最后转换成仪器的显示值（？滋？着），并根据准确度等级确定允许基本误差±4%～±10%的误差范围。举例如表1所示校准扭矩扳子明细表。型号规格：AC80～300Nm，L=0.488m允许基本误差±4%
表1
注：L的长度（单位必须是米）作为制定表格的依据，如果该表格确定下来，则L不变；反之，如果仪器测量出三次平均F（？滋？着）的应变值，除以10，乘以9.8得出F（N），再乘以L（d）得出所测量的力矩（Nm）。
4 校准扭矩扳子的过程
将手动机械式扭矩扳子预置到所需要校准的力矩值上，把扭矩扳子的正方形旋转扳头插入到位于扭矩扳子转轴固定支架上的圆盘扭矩扳子卡具中，转动圆盘观察，使扭矩扳子处于近似水平状态时，然后用两个？准12mm的销钉（或圆柱头螺钉）在圆盘？准200mm圆周上？准12.5mm的对称孔与扭矩扳子转轴固定支架的相应通孔穿插限位；（连接圆盘与扭矩扳子转轴固定支架）并锁紧。
将油压千斤顶放在千斤顶可调支架上，并根据扭矩扳子的水平高度调整可调支架的高度，将荷重传感器放在油压千斤顶上，且将荷重传感器顶端放置一个小“Y”型钢筋支架，使得传感器支架、千斤顶、千斤顶可调支架的总高度约等于扭矩扳子水平状态的高度，且扭矩扳子与水平方向的夹角小于10°（减少误差），再按某表格用卷尺测出相应的长度L约等于d（扳子转轴到手柄中心的力作用线的垂直距离），确定传感器“Y”支架所顶扭矩扳子的支点。调整好并标定静态电阻应变仪并连接电阻应变荷重传感器，对千斤顶缓慢地施加力直到扭矩扳子发出“嗒”的一声，此时观察应变仪的示值（？滋？着）并记录，然后撤力即可，同一点重复测量三次，得出平均；重复上述过程，所得测量值与表格相应允许基本误差（？滋？着）进行比较是否合格。