应变力检测

LOGO第七章应变、力检测广州铁路职业技术学院机电系制作广州铁路职业技术学院刘丽华制作第七章应变、力检测本章内容包括四个项目和两个拓展实训，通过项目和拓展实训掌握应变和力的自动检测技术基本知识。以电子秤制作项目为引导，学习常用测力传感器工作原理和测量线路，形成测量仪器并对其进行标定。拓展实训是对本章基本知识的补充应用，以高分子材料的应用和压电加速度传感器测振动为拓展实训，学会应用测力传感器组成实际测量系统，加深传感器特性参数的理解。广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测1.项目说明2.基本知识3.项目计划4.项目方案5.项目实施过程6.项目检查与评估广州铁路职业技术学院刘丽华制作1.项目目的1）掌握应变、力检测传感器的种类。2）掌握应变片式力传感器的工作原理、应用场合、使用及选用。3）掌握压电传感器的工作原理、应用场合、使用及选用。4）掌握传感器的标定方法。一.项目介绍项目七应变、力检测广州铁路职业技术学院刘丽华制作一.项目介绍2.项目条件各类测力传感器及显示装置，应变、力发生装置。3.项目内容及要求通过设计和连接组成应变、力检测系统，学会查阅学习资料，合理选择应变、力传感器，并掌握电阻应变式传感器的工作原理、测量电路、粘贴要领、补偿方式，应用电阻应变式传感器电子秤的连接方式和调试，压电传感器的工作原理、应用场合、使用及选用。项目七应变、力检测广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目细分为四个工作任务，任务要求具体见表项目七应变、力检测序号任务名称任务内容要求考核和评估任务一认识应变、力传感器查阅资料了解测力传感器的种类、形状、测温范围、测量精度，应用场合。能识别各类测量传感器，会根据不同测量要求正确选择传感器选择信息准确；会做选择题目任务二学习应变片测量力的原理及测量线路观察电阻在不同力作用下的阻值；查阅资料学习应变片测量力的原理及测量线路。了解应变片测量力的原理；掌握电阻应变式传感器的测量转换电路的原理、补偿方式。选择代表上台讲述应变片测量力的原理及测量线路的测量原理、补偿方式广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测项目细分为四个工作任务，任务要求具体见表序号任务名称任务内容要求考核和评估任务三应用应变片制作电子秤查阅资料，设计并制作成电子秤。学会应变片的粘接方法，掌握测量桥路、放大电路及显示仪表的实际连接方法。线路连接正确。任务四对电子秤进行标定对电子秤进行标定并计算其误差和线性度。掌握测量设备标定方法，会对电子秤及其它测量设备进行标定。电子秤标定成功，误差和线性度计算正确。广州铁路职业技术学院刘丽华制作1.应变、力测量的基本概念力是物质之间的一种相互作用。物体之间相互作用的结果是：使物体产生变形，在物体内产生应力、应变；同时也可以改变物体的机械运动状态，或改变物体所具有的动能和势能。力是一种非电物理量。力的计量单位为牛顿：力学量包括：力、力矩、应力、加速度、振动、质量和称重、转速等。将力学量转换成电量的装置称为力传感器，力传感器包括称重传感器、拉力传感器、荷重传感器、气压传感器、力矩传感器等。检测力的传感器按其原理分主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等。项目七应变、力检测二、应变、力基本知识广州铁路职业技术学院刘丽华制作2.力传感器的组成力是一种非电物理量，不能用电工仪表直接测量，需要借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功能的装置就是力传感器。力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成。如图所示。力传感器组成示意图力敏感元件转换元件测量、显示电路F项目七应变、力检测二、应变、力基本知识广州铁路职业技术学院刘丽华制作力的测量的原理力的静力效应力的动力效应指弹性物体受力后产生变形的一种物理现象。由胡克定律知：如在弹性范围内,弹性物体在力的作用下产生的变形（x），与所受的力F成正比(k为弹性元件的刚度系数)。因此，只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应加速度的物理现象。由牛顿第二定律可知：当物体质量（m）确定后，物体受到的力（F）与所产生的加速度（a）成单值对应关系。只要测出物体的加速度，就可间接测得物体所受到力的大小。FkxFma3.测量力的方法项目七应变、力检测二、应变、力基本知识广州铁路职业技术学院刘丽华制作3.测量力的方法其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换。测量力的方法电阻式（电位器式、电阻应变片式）电感式（自感、互感、电涡流）电容式压电式压磁式压阻式返回本章目录项目七应变、力检测二、应变、力基本知识广州铁路职业技术学院刘丽华制作返回本章目录项目七应变、力检测三、应变、力检测项目实施（一）工作计划在项目实施过程中，小组协同编制计划，并协作解决难题、相互之间监督计划执行与完成情况，以养成“组织管理”、“准确遵守”等职业素养。广州铁路职业技术学院刘丽华制作（二）方案分析本任务主要只要求制作成功一个电子秤并标定成功，能直接计量重量即可。根据任务要求，分析测量力值的传感器种类，其中测力使用的传感器大多是选择应变片作为传感器，并以全桥电路输出以增加测量灵敏度，降低温度误差。按照项目各任务具体要求要求分步操作和选择。三、应变、力检测项目实施项目七应变、力检测广州铁路职业技术学院刘丽华制作（三）操作分析三、应变、力检测项目实施项目七应变、力检测根据任务要求，小组成员分工查阅资料了解测力传感器的种类、形状、测量范围、测量精度、应用场合，并指定人员汇总。任务一、认识应变、力传感器广州铁路职业技术学院刘丽华制作三、应变、力检测项目实施项目七应变、力检测任务一、认识应变、力传感器广州铁路职业技术学院刘丽华制作三、应变、力检测项目实施项目七应变、力检测任务一、认识应变、力传感器应变式荷重传感器外形广州铁路职业技术学院刘丽华制作三、应变、力检测项目实施项目七应变、力检测任务一、认识应变、力传感器应变式力传感器广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务一、认识应变、力传感器广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务一、认识应变、力传感器广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路电阻应变式传感器称重传感器在整个传感器大家庭中是历史最长，应用最广，技术相对成熟。目前市场上的力传感器大都是应变式力传感器。它可将拉力、压力、扭矩、加速度、振动、频率等非电量转换成电量。在应变式传感器中敏感元件一般为各种弹性元件，传感元件就是应变片，其非线性可以在0.05%以内。如果与其配用的电子测量仪表也具有相当高的精度和稳定性，则总的测量精度可达±0.1%以内。广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路测量金属丝受拉时电阻变化的情况，理解应变效应，学习应变片测力的原理。活动1：研究金属的应变效应广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路1．电阻应变片基础知识电阻应变片是能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它是基于电阻应变效应而制成的。依据应变效应，而构建出导体的电阻变化与变形之间的量值关系，即求取电阻应变片的应变灵敏度的数学表达式。2.电阻应变效应：导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变效应。导电材料的电阻和它的电阻率、几何尺寸（长度与截面积）有关，当在外力作用下会发生机械变形，从而会引起该导电材料的电阻值发生变化。广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路设一根长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，其电阻R的阻值为：当轴向应力作用于金属丝时，其长度变化，面积变化，电阻率变化时，则电阻值为：lAlRAAllRR)(根据数学知识，可得：AARllRRRAlRAlR2AlAR（、、）AAllRR经整理变形后得：广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路由力学知识可得：22llAA为应变，因此：0)//21()21(kllllllRR材料的电阻率ρ随应变所引起的变化——“压阻效应”。这是由于材料发生变化时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故材料的轴向应变电阻丝几何尺寸形变所引起的变化——几何效应金属材料的灵敏度系数，表示单位应变所引起的电阻相对变化，主要取决于其几何效应，取1.73.6广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路3．电阻应变片的种类、结构与类型电阻应变片（简称应变片）的基本结构如图所示。图中L为敏感栅沿轴向测量变形的有效长度（即应变片的标距），b为敏感栅的宽度（即应变片的基宽）。1234Lb1-基底2-敏感栅3-引线4-覆盖层广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式三种，其结构如图所示。其中金属丝式应变片使用得最早，有纸基型、胶基型两种。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱落，但其价格便宜，广泛用于应变、应力的大批量、一次性低精度的实验。半导体金属箔电阻丝基片基片基片金属丝式应变片金属箔式应变片半导体应变片广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路4．应变片的粘贴技术应变片在使用时通常是用粘合剂粘贴在弹性元件或试件上，正确的粘贴工艺对保证粘贴质量、提高测试精度起着重要的作用。因此应变片在粘贴时，应严格按粘贴工艺要求进行。基本步骤如下：（1）应变片的检查对所选用的应变片进行外观和电阻的检查。观察线栅或箔栅的排列是否整齐、均匀，是否有锈蚀以及短路、断路和折弯现象。测量应变片的电阻值，检查阻值、精度是否符合要求，对桥臂配对用的应变片，电阻值要尽量一致。（2）试件的表面处理为了保证一定的粘合强度，必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。粘贴表面应保持平整，表面光滑。最好在表面打光后，采用喷砂处理，面积约为应变片的3~5倍。（3）确定贴片位置在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线，粘贴时应使应变片的中心线与试件的定位线对准。广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路（4）粘贴应变片用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件表面和应变片表面，然后在试件表面和应变片表面上各涂一层薄而均匀的树脂，将应变片粘贴到试件的表面上。同时在应变片上加一层玻璃纸或透明的塑料薄膜，并用手轻轻滚动压挤，将多余的胶水和气泡排出。（5）固化处理根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理和时效处理。（6）粘贴质量检查检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，有无短路、断路现象，应变片的电阻值有无较大的变化。应变片与被测物体之间的绝缘电阻进行检查，一般应大于200MΩ。（7）引出线的固定与保护将粘贴好的应变片引出线用导线焊接好，为防止应变片电阻丝和引出线被拉断，需用胶布将导线固定在被测物表面，且要处理好导线与被测物体之间的绝缘问题。（8）防潮防蚀处理为防止因潮湿引起绝缘电阻，粘合强度下降，因腐蚀而损坏应变片，应在应变片上涂一层凡士林、石蜡、蜂蜡、环氧树脂、清漆等，厚度一般为1~2mm。广州铁路职业技术学院刘丽华制作项目七应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路5．应变片参数应变片的参数主要有以下几项：（1）标准电阻值（R0）标准电阻值指的是在无应变（即无应力）的情况下的电阻值，电位为Ω，主要规格有60，90，120，150，350，600，1000等。（2）绝缘电阻（RG）绝缘电阻是指敏感栅与基片之间的电阻值，一般应大于10MΩ。（3）灵敏度系数（K）灵敏度是指应