传感器和数据采集..

传感器和数据采集测量传感器和数据采集目的和用途常用测量参数和传感器应变测量技术试件传感器开发确定应变片布置2010.122目的和用途目的和用途：整车/系统/子系统试验室道路模拟试验的控制；零部件台架试验载荷谱产生；系统响应、部件疲劳寿命计算预测分析计算和数模验证的输入：根本原因分析；疲劳耐久性试验开发验证。2010.123常用测量参数和传感器常用测量参数和传感器：载荷力-载荷传感器（单轴、多轴）；运动测量：加速度-加速度计；位移-线/角位移传感器;温度；车辆/系统运行工况；旋转件-遥测装置；特殊测量2010.12-试件传感器（应变片…）。4常用测量参数和传感器3轴力传感器转向力/角传感器踏板力传感器测力垫片车轮6分力传感器2010.12变速杆力传感器5常用测量参数和传感器加速度计(应变单轴/3轴应变/3轴ICP）K型热电偶2010.12位移传感器(角位移/线位移）6常用测量参数和传感器旋转部件测量-遥测装置2010.127常用测量参数和传感器试件传感器-应变片技术应用2010.128应变测量技术应变测量技术应变片是一个电阻装置，用来量化部件受到的载荷或产生的应变。应变片原理：电阻丝沿长度方向受到载荷（P）作用时，三个参数（L、ρ、A）将发生变化，结果电阻丝两端之间的电阻也会变化。应变片构造和类型：片宽度片长度基底长度R:电阻(ohms)L:长度ρ:电阻率[(ohms*面积)/长度)]引出线2010.12基底宽度箔型应变片9应变测量技术应变片工作特性：名义电阻：不安装、不受力、室温状态下的电阻。灵敏系数（GF）：单向应力状态下，电阻相对变化与轴向应变的比。GF(R/R)机械滞后：恒温下，同一应变在加、卸载状态应变指示值之差。蠕变：恒定应变下，应变指示值随时间的下降。绝缘电阻：引出线与测量结构之间的电阻。应变极限：恒温下，应变片的指示应变与试件实际应变达到一定误差（10%）时试件的应变。横向效应系数：对同一个单向应变值，应变片轴向分别与此应变垂直和平行安装时测量应变之比（%）。2010.12102应变测量技术名义电阻（R）和激励电压（V）：PVRP5V,350P10V,3500.071W0.284WP5V,1200.208WP10V,1200.832W相同激励电压，应变片功率与名义电阻成反比。相同的功率损耗，增加应变片电阻（R）需要增加激励电压（V）。高的激励电压会导致高的信噪比并增加功耗。特别是对于小尺寸敏感栅的应变片。但过高的激励电压会因为敏感栅发热而引起信号飘逸。一般高阻值的应变片用于：要求较高的激励电压(应变仪激励电压);测量较小的应变，获得高信噪比-电阻变化较大（比如：疲劳测试）；试件材料的热传导低（散热差）。2010.1211应变应变测量技术应变片长度应变片的指示值是整个应变片敏感栅长度（L）内应变场的平均值。当应变片用于不均匀的应力场时，平均应变与应变片敏感栅的电阻变化成比例。对不均匀分布应变场。应变片长度应当接近于被测量不均匀应力区域长度的1/10。并如图布置安装位置。应变片材料对于测量的影响应变片位置峰值应变指示应变如果应变片材料与试件材料的性能完全一致，能补偿随温度引起的零件尺寸变化。如果应变片材料在整个温度范围内的电阻率热系数为零，则应变片能够温度自补偿。选择材料电阻率随温度变化小的应变片。常用的应变片材料是铜镍合金，广泛使用的箔应变片主要适用于铝和钢试件。他们能够提供温度补偿，适应环境温度的变化。2010.1212xxxy1,2tan2应变测量技术应变花-测量主应变的大小和方向主应变：1,2(y)2(y)222xy剪应变：xy245xy主应变方向：（ε1相对于X）tan2xy或：(xy)(xy)2(245xy)222245xyxy2010.1213V应变测量技术惠斯通电桥应变片的电阻变化很小不易测量，一般配置应变片构成惠斯通电桥，通过测量应变片电阻变化引起的桥路电压输出并通过敏感系数标定得到应变。恒压桥的激励为电压源，适用于各种箔恒压惠斯通电桥型和丝型电阻应变片，广泛应用于各种应变测量仪器和设备。恒流桥用电流源作为桥路激励，主要用于半导体应变片。恒流惠斯通电桥2010.1214eAeCR4RR4R2R3IDABIR1R4IDCBIe0应变测量技术桥路的输出和桥路平衡恒压桥输出：R4R1R4VR3R2R3Ve0eAeC1R3R2R3V桥路平衡：e00R4R1R4R3R2R3R1R3R2R4恒流桥IDAB(R1R4)IDCB(R2R3)IIDABIDCB输出：eAR1IDABeCR2IDCBR1R2R3R4e0eAeCR1R2R3R4IR1R2R3R4(R1R3R2R4)桥路平衡：2010.12e00R1R3R2R415R1kR11kExk1应变测量技术桥路的线性度和灵敏度在¼恒压和恒流桥路中，R1=R2=R，R3=R4=kR,R1为工作片，即：R1=R+ΔR1，k是任意常数，则桥路的输出分别为：恒压桥：e0I2R(1k)1恒流桥：e0ERR1R1R(1k)(1k)2对于应变片，由于RR，恒流桥和恒压桥都具有较好的线性特性；但是恒流桥比恒压桥灵敏度更高。2010.12MicrosoftowerPointPresentatio16R4RR3e03114R4RR3e0Eex1324R4RR3Re0应变测量技术典型恒压应变测量桥路的输出设：GF为应变片敏感系数单片（1/4）桥路：R1R2R3R4RR1(R4R)R2REex1GF2GFEex2EexGF4半桥桥路(RRRR)：(R1R)(R4R)R2R3(1)EexGF4全桥桥路(RRRRRR)：(R1R)(R4R)(R2R)(R3R)Eex2(1)EexGF42010.1217RL1TRL2T应变测量技术引线电阻和引线温度变化引线和引线温度变化会影响桥路平衡和桥路的灵敏度，测量过程中的温度变化会引起信号漂移。应当采用适当的方法进行补偿，以消除对测量的影响。引线电阻和引线温度变化的影响引线电阻，引线温度不变：RR23RgRRL14RL2引线电阻，引线温度变化：2010.12R2R3RgRL1RL2R4TT18RL1TRL2TTT应变测量技术引线电阻和引线温度变化的补偿当应变片和测试仪器之间不得不使用较长的引线时，引线电阻以及引线温度变化将影响桥路的平衡。三引线补偿：R2R3RgRL1RL2R4RL2RL3RL2TTRL3TT如果所有引线长度相等、材料相同并受到同样的温度，三引线补偿能够对于引线电阻和引线温度变化ΔT引起的电阻有效补偿。RL1RL2RL3RL1TRL2TRL3TRgR4R2R32010.1219应变测量技术引线电阻引起信号衰减当使用长引线时，引线电阻会使应变片的灵敏系数GF趋于减小并引入误差。片系数是基于应变片电阻和电阻变化的，当每根引线的电阻为RL，则根据应变片灵敏系数定义：GFLRgRg2RLRgRgGF12RLRg12RLRg上式表明：由引线电阻引起的应变片灵敏系数的减小及测量应变信号损失大小。2010.1220补偿片RdRgRgRTR3ERgEexGFEexex3de0应变测量技术测量过程温度变化补偿-补偿片对于因为测量过程温度变化或波动而引起的测量应变漂移以及由此产生的测量结果的误差，能够通过适当设计补偿片的方法进行补偿。理想的补偿片应当安装在：试件上零应变的区域。除载荷外与试件相同的环境中。工作片RgRgR2R3RdRRgRRTR(RRT)(R4RgRT)R2R4R42010.1221V应变测量技术应变片桥路的标定-分流标定：通过在桥路的一个桥臂上并联一个大阻值（10‐1280KOhm）的分流电阻来进行。当桥臂并联电阻后相当于对桥路施加了一个已知的应变并得到相应的桥路输出，从而得到桥路的标应变调理器记录仪定值。分流电阻应尽可能放在工作片桥臂上。分流电阻值的选择取决于测量应变的大小，大的测量应变应选择eCalVRg2(Rg2RCal)较小的分流电阻。分流电阻的等效应变与桥路输出电压的关系和桥路的应RCal2RgRgRCalCal(RCalRg)GF变灵敏度(标定系数)：CalRgGF(RgRCal)ScaleCaleCal2010.1222试件传感器开发应变试件传感器开发悬臂梁弯曲当载荷作用于悬臂梁的端点和应变片之间时，应变片所在位置处表面弯应力和梁的上顶面的应变为：McIE其中：E-弹性模量，M–弯矩，I-惯性矩，c-到中性轴的距离，ε-应变。这个系统对于轴向载荷和梁的温度变化也是灵敏的。2010.1223R4R4R3R3e0试件传感器开发带轴向载荷和温度补偿的悬臂梁弯曲采用四个工作片桥路，根据应变的状态配置桥路。能够对于轴向载荷和温度变化进行补偿，同时提高系统的测量灵敏度和信噪比。R1R2R3R4RRR12RR34RR(R1R1)(R4R4)(R2R2)(R3R3)ERRRR(RR)(RR)(RR)(RR)EEGF2010.1224e0试件传感器开发单轴拉压力测量分别由两个轴向和横向（泊松方位）应变片构成拉压力测量桥路。传感器能够同时对弯曲、扭转载荷和温度进行补偿，而只对拉压载荷是敏感的。R1R2R3R4RRR12RR34RRR4R4R3R3(R1R1)(R4R4)(R2R2)(R3R3)ERRRR(RR)(RR)(RR)(RR)EGF2(1)E2010.1225FFR4R4R3R3e0试件传感器开发剪力测量1、悬臂梁型：剪切载荷传感器由4个对称安装的45°剪切应变片构成，并通过适当的桥路布置构成。能同时消除弯曲和扭转力以及温度的影响而只对剪切力敏感。45°剪切片R1R2R3R4RRR12RR34RR(R1R1)(R4R4)(R2R2)(R3R3)ERRRR(RR)(RR)(RR)(RR)EEGF2010.12261324e0试件传感器开发2、两端固定（无转角）梁：剪切载荷传感器由4个对角对称安装的弯曲应变片构成，并通过适当的桥路布置构成。能同时消除弯曲和扭转力以及温度的影响而只对剪切力敏感。R1R2R3R4RRRRRRRR4R4R3R3(R1R1)(R4R4)(R2R2)(R3R3)ERRRR(RR)(RR)(RR)RR)E