第九章 应变的测量,应变测量的目的： 1、掌握被测件的实际应力大小及分布规律，进而分析构件的破坏原因，寿命长短，强度储备 2、验证相应的理论公式，合理安排工艺 3、提供生产过程或物理现象的数学模型 4、是设计制造用于测试许多机械量的各种应变式传感器的理论基础,应变测量的步骤： 1、对被测件进行应力应变分析 2、确定贴片方式 3、确定组桥方式 4、根据测得数据进行结果计算,一、简单受力状态的应变测量 1、单向拉伸（压缩）,（1）应力应变分析 在轴向力F的作用下，其横截面上是均匀分布的正应力，外表面是沿轴向的单向应力状态，只要测得外表面的轴向应变，便可以求得拉力F。,F拉（压）力 A截面积 正应力,一、简单受力状态的应变测量 2、贴片组桥及桥路温度补偿 贴在试件上的应变片，由于环境温度改变导致其电阻变化对测量精度的影响是不能忽略的，尤其在静态应变测量时，必须采取措施以减小或消除温度变化的影响。 组桥时，可利用电桥的加减特性进行桥路温度补偿，其温度补偿的条件是：两只参数完全相同的应变片，贴在相同材料的试件上，放在相同的温度场中，接在相邻桥臂，则电桥输出可以补偿这两只应变片由于温度变化产生的电阻变化。 测量时，常用补偿片或工作片进行温度补偿。,方案1：采用补偿片温度补偿,R2,温度补偿板,工作片R1贴在沿试件表面轴线方向，补偿片R2贴在与试件材料相同的温度补偿板上，组成半桥接入应变仪。,工作片R1的电阻变化包括由拉力P造成的，因温度效应而致的两部分，即： 补偿片R2的阻值将仅因温度效应而致，即：,接成半桥（R3，R4为仪器上的固定电阻），则电桥的输出电压将为：,如果工作片和补偿片取自同一批，补偿试件与被测试件材料相同，且处于相同的温度场中，则：,将补偿片也贴到构件上，紧靠工作片R1并与其垂直，电桥接法与上同： R1工作片， R2补偿片（感受机械应变）。,（2）方案二（工作片补偿法）,例1：有一测量吊车起吊物质量（即物体的质量）的拉力传感器如图所示。R1，R2，R3，R4应变片贴在等截面轴上，组成全桥。一直传感器弹性体的E=21011N/m2,泊松比为0.3，轴径d=20mm，应变片的电阻R=100欧姆，灵敏度K=2，供桥电压为5V，若测得电桥的输出电压为4.25mV，请画出转换电路，轴上应力为多少？起吊物的质量？,例2：有一应变式测力传感器，弹性元件为实心圆柱，直径D=40mm。在圆柱轴向和径向各贴两片应变片（灵敏度S=2），组成差动全桥电路，供桥电压为10V。设材料弹性模量E=2.11011N/m2,泊松比为0.3,试求测力传感器的灵敏度（该灵敏度用uV/KN表示）,例3.有一金属箔式应变片，标称阻值R0为 100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8 的 钢质圆柱体上，钢的弹性模量 ， 所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化 量?,有一薄壁圆管式拉力传感器如下图所示。已知其弹性元 件材料的泊松比为0.3，电阻应变片阻值相同，且灵敏 系数均为2，应变片贴片位置如图所示。若受拉力 作用， 问： (1) 欲测量拉力 的大小，应如何正确组成电桥？ 请画出相应的电桥。 (2) 当供桥电压 ， 时，输出电压 是 多少（ ）？,应变式荷重传感器：,F,F,荷重传感器计算公式：,例：现用电阻应变片式荷重传感器称重。铭牌上得到F m=100103N，KF= 2mV/V。当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。,其他电阻传感器,测温热电阻传感器,一、金属热电阻,热电阻测温的原理是利用某些导体或半导体材料的电阻随温度变化的性质，通过测量器电阻值而得出被测介质的温度。 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,热电阻的主要技术性能,薄膜型及普通型铂热电阻,铂热电阻： 铂电阻的特点是精确度高、稳定性好、性能可靠。除用作一般的工业测温外，在国际实际温标中，作为从-259.34-630.74 温度范围内的温度基准。 国产工业铂电阻有三种：分度号分别为Pt50，Pt100，Pt300。 PS：Pt50意为在0 是阻值为50欧姆。,例：Pt100热电阻的阻值Rt与温度t的关系在0-100度范围内可用式Rt=Ro（1+at）近似表示，a=0.00385，采用平衡电桥，R2=R3=R4=100ohm，Ui=5V，求 1）该电阻的材料； 0度时的阻值；画出电桥电路 2）计算当温度为50度时的电阻值。 3）计算当温度为50度时的开路输出电压Uo,在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。,气敏电阻,使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。,气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。,常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。 接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。 电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。,一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。,可燃性气体传感器,酒精传感器,一氧化碳传感器,半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。,二、二氧化钛氧浓度传感器,电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（CO）一氧化碳、（HC）碳氢化合物和（NOx）氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。催化器通常装在排气歧管与消声器之间。氧传感器具有一种特性，在理论空燃比（14.7：1）附近它输出的电压有突变。这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态（小电动势：0伏）通知ECU。当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（大电动势：1伏）通知（ECU）电脑。,ECU根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常，（ECU）电脑就不能精确控制空燃比。所以氧传感器还能弥补由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。,湿敏电阻传感器,湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。,湿敏电阻传感器,电子湿度计模块,封装后的外形,机械式、电子式温湿度计,测谎仪所测的其实不是谎言，而是情绪， 说谎时，人的情绪波动会导致资助神经系统活动的变化，进而照成身体的变化，包括呼吸和吞咽的频率加快，排汗量增加，跳跳加快，这些都是不由自主的，而且难以加以控制。 一部多道心理测试仪基本上是几种用来监测人体内生理变化的医学器械的组合体。当一个人被问及某个事件或情况时，测谎员会观察他的心率、血压、呼吸速率以及皮电活性（即汗湿度，在这里就指手指的汗湿度）等指标相对于普通水平的变化。指标的波动表明此人有可能正在说谎。,