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[關(guān)鍵詞]電阻應(yīng)變片 工作原理 線性分析

中圖分類號：TU785.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）17-0000-01

1、電阻應(yīng)變片的工作原理

電阻應(yīng)變片應(yīng)用通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2、電阻應(yīng)變片的原理分析

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。

在工業(yè)中，將試材受力后所產(chǎn)生的長度相對變化量εx=ΔL/ L，稱為縱向應(yīng)變。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，其關(guān)系為：ΔR/ R=Kε，ΔR為電阻絲變化值，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε為電阻絲長度的相對變化量ΔL/ L。通過測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出。

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以多使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。

2.1測量轉(zhuǎn)換電路

不平衡電橋測量轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

輸出電壓為Uo：

電橋平衡的條件是：上下兩個橋臂的左右橋臂的電阻比例相等。即R1？R3=R4？R2，若電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量，即？R1，？R2，？R3，？R4，則由（1）式得：

在實際使用中往往采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)時，略去上式中的高階微量項，則

根據(jù)不同的要求，應(yīng)變電橋有3種不同的工作方式。1）單臂半橋工作方式（R1為應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻，？R2=？R3=？R4=0）；2）雙臂半橋工作方式（R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，？R3=？R4=0）；3）全橋工作方式（電橋的四個橋臂都為應(yīng)變片）。

這里主要討論單臂半橋工作方式。半橋路的理論輸出電壓為：

實際輸出電壓為：

則電橋的相對非線性誤差為：

2.2 電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器如圖2所示。傳感器的主要部分是下、下兩個懸臂梁，四個電阻應(yīng)變片貼在梁的根部，可組成單臂、半橋與全橋電路，最大測量范圍為±3mm。

3、應(yīng)變片的線性分析

電阻應(yīng)變式傳感的單臂電橋電路如圖3所示，圖中R1、R2、R3為固定，R為電阻應(yīng)變片，輸出電壓UO=EKε，E為電橋轉(zhuǎn)換系數(shù)。

將每次的位移量X與對應(yīng)的數(shù)字電壓表的顯示值記入表1中。

其靈敏度為：

4、總結(jié)

從實驗數(shù)據(jù)可以看出靈敏度為常數(shù)，說明傳感器的輸入與輸出的關(guān)系成正比，即線性關(guān)系。但是實驗存在實驗誤差。產(chǎn)生誤差的原因很多，主要有環(huán)境溫度及濕度波動、電源電壓下降、電子元件老化、機(jī)械零件變形移位、儀表零點漂移等。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞： 電阻應(yīng)變傳感器 單臂電橋 雙臂電橋 全橋電路

“工欲善其事，必先利其器”。用這句話來說明傳感器技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要性是很恰當(dāng)?shù)?。隨著自動化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開傳感器。可以說測試技術(shù)與自動控制技術(shù)水平的高低，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。

傳感器的作用是感受被測對形象的微小變化，并轉(zhuǎn)換成為與之相適應(yīng)的電量，以便對被測信號進(jìn)行傳輸、處理、控制、顯示和記錄。傳感器已經(jīng)成為電類產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它擔(dān)負(fù)著感知和傳輸信號的重要任務(wù)。

而電阻傳感器的工作原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過測量電阻值達(dá)到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應(yīng)變式和電位計式。利用電阻傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。本文主要探討電阻應(yīng)變傳感器三類電橋的性能特點，并進(jìn)行分析比較和歸納。

1.實驗原理

在介紹電阻應(yīng)變傳感器原理前，有必要簡單介紹一下相關(guān)知識。

（1）應(yīng)力與應(yīng)變

①應(yīng)力：指截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時，F(xiàn)在物體單位截面積上引起的內(nèi)力就稱為應(yīng)力，記作σ，其值為：σ=F/S。

②應(yīng)變：指物體受外力作用時產(chǎn)生的相對形變。設(shè)物體原長度為l，受力后產(chǎn)生Δl的形變，若Δl＞0，則表示物體長度被拉伸；Δl＜0，則表示物體被壓縮。其應(yīng)變ε定義為：ε=Δl/l。

③應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可用胡克定律來描述，指的是當(dāng)應(yīng)力未超過某一限值時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，表示為：σ=Eε，其中E為彈性模量。

（2）電阻應(yīng)變效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械形變，其阻值也會隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就稱為應(yīng)變效應(yīng)。

（3）電阻應(yīng)變傳感器原理

電阻應(yīng)變傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)工作的，由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和轉(zhuǎn)換電橋組成。

我們先引入一個實驗：有一段長為20cm的電阻絲，測量其阻值為10Ω。當(dāng)我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻絲阻值也略有增加，由原來的10Ω增加到10.05Ω。

從而，電阻應(yīng)變傳感器的工作原理就是當(dāng)試件受力變形后，應(yīng)變片上的電阻絲也隨之產(chǎn)生形變，從而使應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，然后再通過測量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成電壓的變化進(jìn)行輸出。

2.應(yīng)變片的種類與特性

應(yīng)變片可以分為金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬應(yīng)變片又分為金屬絲式、金屬箔式和薄膜等。本文介紹的金屬箔式是用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，箔柵厚一般在0.003―0.01mm之間，箔材表面積大，散熱條件好。通常它可以允許通過較大的電流，靈敏度系數(shù)較高，也可根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。而半導(dǎo)體應(yīng)變片雖然靈敏度要比金屬應(yīng)變片高幾十倍，但一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間的非線性嚴(yán)重，必須考慮溫度補償。

3.金屬箔式三種應(yīng)變電橋的原理分析

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以多使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓U。其轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

測量前應(yīng)先將電橋調(diào)平衡，在電橋輸出端b和d之間接一個檢流計調(diào)橋臂電阻使檢流計指示為0，輸出電壓U=0，電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。電橋的平衡條件為RR-RR=0。

（1）單臂半橋

即：構(gòu)成電橋的4個電阻中，1個是應(yīng)變片，3個是固定電阻。為了便于分析，一般都取R=R=R=R=R，稱之為等臂電橋。

U=-Ui=-Ui

==Ui≈Ui=KεUi

（2）雙臂半橋

即：構(gòu)成電橋的4個電阻中，2個是應(yīng)變片，2個是固定電阻。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR，ΔR=-ΔR。

U=-Ui=-Ui

=Ui=KεUi

（3）全橋

即：構(gòu)成電橋的4個電阻均是應(yīng)變片。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR=ΔR，ΔR=ΔR=-ΔR。

U=-Ui

=-Ui

=Ui=KεUiS

4.應(yīng)變電橋性能實驗及數(shù)據(jù)對比分析

實驗原理框圖如圖2：

本文采用的應(yīng)變片是金屬箔式應(yīng)變片，給應(yīng)變片上放置砝碼（每個砝碼20g），應(yīng)變片受力產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)，從而獲取輸出電壓U的值。放置砝碼的數(shù)量不同，讀取的電壓值也就不同。下面是三個橋路實驗獲得的實驗數(shù)據(jù)如表1，其分析如下。

計算各電橋?qū)嶒灥撵`敏度：S=（ΔU為輸出電壓變化量，ΔW為重量變化量），并進(jìn)行簡要分析。

單臂半橋：S==0.245mV/g

雙臂半橋：S==0.45mV/g

全橋：S==0.95mV/g

從而得到結(jié)論：全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低，且S≈2S≈4S。

5.電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用

電阻應(yīng)變傳感器可用于稱重測力、測扭矩、加速度、壓力等。它有以下特點：①應(yīng)用和測量范圍廣。②分辨力和靈敏度高。③結(jié)構(gòu)輕、小，對試件影響小；對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強，易于實施對環(huán)境干擾的隔離或補償，從而可以在高溫、高壓、高速、強磁場、核輻射等特殊環(huán)境中使用；頻率響應(yīng)好。④商品化，選用和使用都方便，也便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量。

因此，目前傳感器的種類雖已繁多，但高精度的傳感器仍以應(yīng)變式應(yīng)用最普遍。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部門的自動測量與控制或科學(xué)實驗中。近年來在生物、醫(yī)學(xué)、體育和商業(yè)等部門亦已得到開發(fā)應(yīng)用，并且更是有向小型化、集成化、智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

［1］梁森，黃杭美.自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］蘇鐵力，關(guān)振海，孫立紅等.傳感器及其接口技術(shù)［M］.中國石化出版社，2000.

［3］吳旗.傳感器及應(yīng)用.高等教育出版社，2002.

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關(guān)鍵詞 電子汽車衡 稱重傳感器 工作原理 技術(shù)故障 解決方法

一、前言

電子汽車衡是一種利用力―電變換原理將非電量的重力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康姆Q重設(shè)備。而能實現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵裝置就是稱重傳感器（ 即被稱為一次儀表元件） ，它處于稱重臺面的著力支點上， 必須具有良好的剛度、強度、抗疲勞等機(jī)械性能，并承載著臺面所受負(fù)載的合力。目前普遍采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器。

二、稱重傳感器的工作原理

彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。

1.電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。它的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。

設(shè)有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：

當(dāng)它的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。

對式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有：

用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）

另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr×Δr，所以

從材料力學(xué)我們知道：

其中，負(fù)號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。

把式（2-4）（2-5）代入（2-3），有

式（2-6））說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關(guān)系。

需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7-3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。

在材料力學(xué)中，ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（2-6）常寫作：

2.彈性體。彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應(yīng)力分布。

設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。

其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：μ-泊松系數(shù)；B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。

需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。

3.檢測電路。檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。

三、稱重傳感器常見技術(shù)故障及解決方法

l.由于稱重不當(dāng)使傳感器受損。（1）被稱車輛（ 或物體） 嚴(yán)重超載。（2）在稱重過程中產(chǎn)生撞擊，此時物體自身重量加上因重力下墜而產(chǎn)生的動能使物體在接觸稱重平臺時產(chǎn)生的撞擊力大大超過傳感器的額定載荷， 導(dǎo)致傳感器受損。

解決的方法：（1）必須嚴(yán)禁超負(fù)荷稱量。（2）為稱重平臺安裝減震或防撞擊保護(hù)裝置。（3）增加稱重傳感器的額定載荷， 電子汽車衡器使用中時有出現(xiàn)丟車、測量不準(zhǔn)的現(xiàn)象，多數(shù)是由于稱重傳感器發(fā)生的故障引起的。確認(rèn)是傳感器故障后，可通過更換傳感器使動態(tài)衡 恢復(fù)正常工作。

2.由于選用傳感器密封方式不當(dāng)，使傳感器受損。電子汽車衡器經(jīng)常在惡劣環(huán)境下使用，如果使用了密封性能較差的傳感器，由于工業(yè)粉塵、各類腐蝕性介質(zhì)等因素的影響， 極易使電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變， 使得稱量結(jié)果產(chǎn)生誤差。 此時可用數(shù)字萬用表對傳感器的輸入、輸出阻抗進(jìn)行測量。當(dāng)測量值與產(chǎn)品提供的技術(shù)參數(shù)或合格證書所標(biāo)示值的偏差較大時，即可認(rèn)定該傳感器已損壞，此時應(yīng)更換密封性能優(yōu)良的傳感器（ 如選用硅膠密封方式甚至焊接密封方式的稱重傳感器） 。

3.由于受潮使稱量時產(chǎn)生偏差。當(dāng)傳感器受潮后，顯示儀表經(jīng)常出現(xiàn)無法自動回零，數(shù)字來動等現(xiàn)象。用手動進(jìn)行復(fù)零后，仍會出現(xiàn)數(shù)字跳動現(xiàn)象，在空稱狀態(tài)下跳動的數(shù)字在某區(qū)間范圍內(nèi)無規(guī)律波動。當(dāng)用萬用表對其輸入、輸出阻抗進(jìn)行測量時，測量值卻并不超差， 此時可按下述方法進(jìn)行判斷處理：

（1） 拆下所有稱重傳感器，將其逐一單獨進(jìn)入測量電路，空秤狀態(tài)下，未受潮的傳感器會立即自動回零且顯示值穩(wěn)定。而受潮后的傳感器就可能出現(xiàn)數(shù)字跳動，無法回零等現(xiàn)象。手動回零后，上述現(xiàn)象又會重復(fù)出現(xiàn)。

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關(guān)鍵詞 應(yīng)變測試;誤差分析;橫向效應(yīng)

中圖分類號TG806 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708(2010)30-0160-02

1 概述

早在1856年,開爾文就發(fā)現(xiàn)了電阻應(yīng)變片的基本原理。經(jīng)歷了多年的發(fā)展,利用惠斯登電橋監(jiān)測粘貼箔式應(yīng)變片已成為高度完善的測量系統(tǒng)?，F(xiàn)代測試的過程中,影響因素眾多,要想得到盡量精確的測試結(jié)果,就必須對應(yīng)變測試中的許多問題有透徹了解,電阻應(yīng)變測試的過程中,橫向效應(yīng)有時候會帶來很大誤差,應(yīng)予以充分重視。本文就應(yīng)變測試中的橫向效應(yīng)引起的誤差問題做出分析。

2 電阻應(yīng)變片橫向效應(yīng)引起的誤差分析

當(dāng)電阻應(yīng)變片以固定方向粘貼時,即測得沿該方向的應(yīng)變值,但是,在測量的過程中,電阻應(yīng)變片除了有該方向的縱向變形外,一定存在著橫向變形,本文即是探求電阻應(yīng)變片橫向變形對測量結(jié)果的影響。

2.1 電阻應(yīng)變片橫向效應(yīng)

粘貼式應(yīng)變片在二向應(yīng)變場下的響應(yīng)為:

(Sx表示延應(yīng)變片橫向的靈敏度,Sy表示延應(yīng)變片縱向的靈敏度,Sα表示應(yīng)變片的剪切靈敏度,εx表示橫向應(yīng)變,εy表示軸向應(yīng)變,εα表示剪切應(yīng)變)

一般地,應(yīng)變片對剪切應(yīng)變的靈敏度很小,可以忽略,那么,應(yīng)變片的響應(yīng)為:

其中為應(yīng)變片的橫向靈敏度系數(shù)。注意到,代入上式,得:

每一個應(yīng)變片都由生產(chǎn)廠商標(biāo)定后(標(biāo)定梁泊松比為μ1)提供一個靈敏度系數(shù)Sg,即:

對比(3)和(4)式,可以發(fā)現(xiàn):

又將(5)代入(3),可得:

由上式便可反解出應(yīng)變真值為:

如果僅僅考慮應(yīng)變片的靈敏度系數(shù),則:

對比(7)和(8)可得:

如果忽略應(yīng)變片的橫向效應(yīng),將會引起誤差δ,那么:

表2-1計算出當(dāng)μ1=0.3,Kx分別為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05和0.06 分別為0、1、2、3、4、5及6時的誤差δ值

由此可見,當(dāng)Kx和的值都很大時,橫向效應(yīng)帶來的誤差將相當(dāng)顯著,所以,必須對橫向效應(yīng)加以修正。

2.2 橫向效應(yīng)的修正

由以上分析可知,在某些情況下,應(yīng)變片橫向效應(yīng)帶來的誤差需要修正,下面就應(yīng)力場應(yīng)變比已知和應(yīng)變比未知這兩種情況加以分析。

1)應(yīng)力場應(yīng)變比已知 即應(yīng)力場應(yīng)變比已知,由(9)式,修正系數(shù)為:

2)應(yīng)力場應(yīng)變比未知

當(dāng)應(yīng)力場應(yīng)變比未知時,需要用實驗的方法確定x和y兩個方向的表觀應(yīng)變和,然后再由式(9)反算出真實應(yīng)變和 。

由式(9)可得出下面的方程組:

求解以上方程組可得:

式(12)便是應(yīng)力場應(yīng)力比未知情況下表觀應(yīng)變和真實應(yīng)變間的關(guān)系式。

3 結(jié)論

本文就應(yīng)變測試中的橫向效應(yīng)修正問題做了一些探討,除此之外,在應(yīng)力測試的過程中,還有潮濕和溫度的影響、輻射的影響及壓力的影響等等諸多問題,殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中的測試方法也還有許多,需進(jìn)一步探討其影響,在實際的測試中,具體問題具體分析,再與有限元分析方法結(jié)合,使得到的數(shù)據(jù)更為科學(xué),指導(dǎo)我們的生產(chǎn)實踐。

參考文獻(xiàn)

[1]J.W 達(dá)利,W.F賴?yán)?Experimental Stress Analysis[M].海洋出版社,1987.

[2]J.艾弗里爾.Encyclopendie Vishay D`Analyse Des Contraintes[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[3]陳建華.實驗應(yīng)力分析[M]. 中國鐵道出版社,1984.

[4]徐躍良.數(shù)值分析[M].西南交通大學(xué)出版社,2005.

篇5

【關(guān)鍵詞】 壓力變送器 工作原理

壓力變送器除了能將非電量轉(zhuǎn)換成可測量的電量外，還具有一定的放大作用。近年來，越來越多的儀器、儀表和工業(yè)自動化領(lǐng)域需要進(jìn)行自動控制和集中檢測，所以對壓力變送器的需要量增多，同時對產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和價格的要求也趨于嚴(yán)格。在目前國內(nèi)市場上，相繼出現(xiàn)過電阻式、擴(kuò)散硅式、陶磁式壓力變送器，并逐步占據(jù)了大量的市場位置。本文特意對壓力變送器的工作原理進(jìn)行分析，以期對大家有一些幫助。

1. 壓力變送器的基本介紹

（1）基本概念。壓力變送器用于檢測流體的壓力（實際上是壓強），并進(jìn)行遠(yuǎn)程信號傳送，信號傳送到二次儀表或者計算機(jī)進(jìn)行壓力控制或監(jiān)測的一種自動化控制前端元件，主要由壓力傳感器、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將壓力傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號，以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。在國內(nèi)，目前在小型自動化控制方面運用的壓力變送器一般基于壓阻式原理，也就是壓敏電阻受壓后產(chǎn)生電阻變化，通過放大器放大并采用標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)定，即可進(jìn)行壓力檢測。（2）基本優(yōu)點。第一，設(shè)置方便，可實現(xiàn)多點控制。如果檢測出的壓力信號是連續(xù)信號，就可任意設(shè)置壓力，只需對電控部分進(jìn)行設(shè)定。第二，可以實現(xiàn)壓縮機(jī)運行高級控制，延長壓縮機(jī)壽命。通過運用變頻技術(shù)，能讓壓縮機(jī)運行更平穩(wěn)，大量減少啟動次數(shù)，延長使用周期，而且更加環(huán)保節(jié)能。第三，提供控制精度，元件可靠性更好。壓力變送器的檢測精度相對于壓力開關(guān)高出數(shù)倍，控制精度自然就相應(yīng)地得到提高，因為采用的敏感元件為非機(jī)械結(jié)構(gòu)，基本上不再需要維護(hù)，能夠降低損壞率。

2. 壓力變送器的工作原理

2.1電阻應(yīng)變片式壓力變送器

（1）基本概述。電阻應(yīng)變式壓力變送器大信號輸出，不銹鋼結(jié)構(gòu)，具有線性度高、遲滯誤差小、溫度性能好、工作穩(wěn)定、量程廣、耐腐蝕等特點，主要在國防和工業(yè)自動化等領(lǐng)域被廣泛使用。它的重要組成部分是一種電阻應(yīng)變片，這種敏感器件可以將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號。（2）工作原理。吸附在基體材料上，金屬電阻應(yīng)變片的應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。通常情況下，是將應(yīng)變片采用特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，隨著基體受力發(fā)生應(yīng)力變化后，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在運用時，電阻的取值范圍要格外注意，阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時不斷發(fā)熱會致使應(yīng)變片的溫度過高，導(dǎo)致應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力就會降低。（見下圖）

2.2擴(kuò)散硅壓力變送器

（1）基本概述。擴(kuò)散硅壓力變送器的壓力檢測元件采用進(jìn)口擴(kuò)散硅或者陶瓷芯體，傳感器信號經(jīng)高性能電子放大器轉(zhuǎn)換成0-10mA或4-20mA統(tǒng)一輸出信號。這種壓力變送器可替代傳統(tǒng)的遠(yuǎn)傳壓力表、霍爾元件、差動變送器，并具有DDZ-Ⅱ及DDZ-Ⅲ型變送器性能。擴(kuò)散硅壓力變送器具有強大的使用性能，不但能與各種型號的動圈式指示儀、數(shù)字壓力表、電子電位差計配套使用，也能與各種自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或計算機(jī)系統(tǒng)配套使用。（2）工作原理。當(dāng)介質(zhì)的壓力信號作用于傳感器時，壓力傳感器就將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換成與被測介質(zhì)的液位壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。

2.3陶瓷壓力變送器

（1）基本概述。陶瓷材料的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動是被大家公認(rèn)的。陶瓷的工作溫度范圍位于-40～135℃之間，具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV，不僅輸出信號強，而且能夠保持長期的穩(wěn)定性能。這樣的高特性、低價格優(yōu)勢，將促使陶瓷傳感器將成為以后的發(fā)展方向。（2）工作原理?？垢g的陶瓷壓力變送器的壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使陶瓷膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在其背面連接成一個惠斯通電橋。壓敏電阻的壓阻效應(yīng)能夠使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，2.0/3.0/3.3mV/V的標(biāo)準(zhǔn)信號是根據(jù)壓力量程的不同來標(biāo)定的，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。傳感器通過激光標(biāo)定，具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

3. 壓力變送器工作時的注意事項

（1）變送器上切勿使用高于36V的電壓，容易導(dǎo)致?lián)p壞。（2）變送器切勿用硬物碰觸膜片，會損壞隔膜片。（3）被測介質(zhì)不能結(jié)冰，否則傳感器元件隔離膜片容易損傷，導(dǎo)致變送器破壞。（4）在測量蒸汽或其他高溫介質(zhì)時，其溫度不應(yīng)超過變送器使用時的極限溫度，否則必須使用散熱裝置。（5）在測量蒸汽或其他高溫介質(zhì)時，為使變送器和管道連在一起，應(yīng)使用散熱管，并使用管道上的壓力傳至變壓器。當(dāng)被測介質(zhì)為水蒸氣時，散熱管中要注入適量的水，以防過熱蒸汽直接與變送器接觸，致使損壞傳感器。（6）在壓力傳輸過程中，應(yīng)注意幾點：變送器與散熱管連接處不可漏氣；在打開閥門時要小心，以免被測介質(zhì)直接沖擊、損壞傳感器膜片；必須保持管路暢通，避免管道中的沉積物彈出并損壞傳感器膜片。

結(jié)語

隨著對壓力變送器的工作原理和注意事項的進(jìn)一步深入研究，它在工業(yè)生產(chǎn)的運用勢必越來越廣泛。雖然他在在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并獲得必定的經(jīng)濟(jì)效益，但其技能水平與國外同類產(chǎn)物比較還有必定的距離，我國壓力變送器職業(yè)仍存在一些缺點，阻止了壓力變送器職業(yè)的展開，加大壓力變送器的工作原理和存在問題的分析，自然就可以解決這種不良狀況的存在。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳廣慶等；一種新型的智能壓力變送器；工礦自動化；2009年第10期.

篇6

【關(guān)鍵詞】機(jī)電；傳感檢測；技術(shù)

1 機(jī)電一體化

機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子學(xué)，英語稱為Mechatronics，它是由英文機(jī)械學(xué)Mechanics的前半部分與電子學(xué)Electronics的后半部分組合而成。現(xiàn)在的機(jī)電一體化技術(shù)，是機(jī)械和微電子技術(shù)緊密集合的一門技術(shù)，它的發(fā)展使冷冰冰的機(jī)器有了人性化，智能化。

機(jī)電一體化具體包括以下內(nèi)容：機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)與信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)。

2 傳感檢測技術(shù)

傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，它是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。

檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路，其作用就是檢測機(jī)電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關(guān)參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)檢查到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

可以用不同的觀點對傳感器進(jìn)行分類：

按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器。

按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

電阻應(yīng)變式傳感器。傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點。

壓阻式傳感器。壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。

熱電阻傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。

按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。

按傳感器材料分類：可分為金屬、聚合物、陶瓷、混合物傳感器。

按傳感器制造工藝分類：可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器。

集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

薄膜傳感器是通過沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。

陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。

完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。

每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

3 機(jī)器視覺技術(shù)

采用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷的“機(jī)器視覺”，第一步靠的就是傳感器技術(shù)。

機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過圖像攝取裝置把圖像抓取到，然后將該圖像傳送到處理單元，再通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

機(jī)器視覺技術(shù)日臻成熟，在現(xiàn)代加工制造業(yè)中，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝、汽車制造等行業(yè)。在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺系統(tǒng)能提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度，機(jī)器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

4 機(jī)器視覺工業(yè)檢測系統(tǒng)類型

機(jī)器視覺工業(yè)檢測系統(tǒng)從檢測性質(zhì)和應(yīng)用范圍而言，分為定量和定性檢測兩大類，每類又分為不同的子類。機(jī)器視覺在工業(yè)在線檢測的各個應(yīng)用領(lǐng)域十分活躍，如：印刷電路板的視覺檢查、鋼板表面的自動探傷、大型工件平行度和垂直度測量、容器容積或雜質(zhì)檢測、機(jī)械零件的自動識別分類和幾何尺寸測量等。此外，在許多其它方法難以檢測的場合，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)。機(jī)器視覺的應(yīng)用正越來越多地代替人去完成許多工作，這無疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動化水平和檢測系統(tǒng)的智能水平。

用微波作為信號源，根據(jù)微波發(fā)生器發(fā)出不同波濤率的方波，測量金屬表面的裂紋，微波的波的頻率越高，可測的裂紋越狹小。

自動光學(xué)檢測 (AOI) 指的是通過在受控照明條件下使檢測目標(biāo)（如 PCB 的一部分）成像進(jìn)行的目標(biāo)檢測。

在AOI 系統(tǒng)中，捕獲和重建3-D 形狀的能力是非常必要的。3-D AOI從檢測圖像中可以萃取出不同類型的信息。其表面顏色一直被成功用于檢查零部件情況，對于焊點檢測，精確確定焊點質(zhì)量，形狀信息比顏色信息更有用。

篇7

2、稱重傳感器上的E+E-S+S-的意思：E+E-是電源線，S+S-是反饋線。

3、S+和S-是補償線路電阻用的。S+和E+是通路的，S-和E-是通路的。

4、稱重傳感器是用來將重量信號或壓力信號轉(zhuǎn)換成電量信號的轉(zhuǎn)換裝置。

篇8

    傳感器技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。在測試系統(tǒng)中,被作為一次儀表定位,其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息,并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。

    具體地說傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng))與檢出功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元器件或裝置。如果沒有傳感器對被測的原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換,一切準(zhǔn)確的測試與控制都將無法實現(xiàn),即使最現(xiàn)代化的電子計算機(jī),沒有準(zhǔn)確的信息(或轉(zhuǎn)換可靠的數(shù)據(jù)),不失真的輸入,也將無法充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

    傳感器種類及品種繁多,原理也各式各樣。其中電阻應(yīng)變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種新型機(jī)構(gòu)的測力裝置,其精度和范圍度是根據(jù)需要來選定的過高的精度要求對某種使用也無太大意義,過寬的范圍度也會使測量精度降低,而且會造成成本過高及增加工藝上的困難,因此,應(yīng)根據(jù)測量對象的要求,恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和范圍度是至關(guān)重要的。但無論何種條件、場合使用的傳感器,均要求其性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)可靠,經(jīng)久耐用。為此,在研究高精度傳感器的同時,必須重視可靠性和穩(wěn)定性的研究。目前,包括床暗器的研究、設(shè)計、試制、生產(chǎn)、檢測與應(yīng)用等諸項內(nèi)容在內(nèi)的傳感器技術(shù),已逐漸形成了一門相對獨立的專門學(xué)科。

    一般情況下,由于傳感器設(shè)置的場所并非理想,在溫度、濕度、壓力等效應(yīng)的綜合影響下,可引起傳感器零點漂移和靈敏度的變化,已成為使用中的嚴(yán)重問題。雖然人們在制作傳感器過程中,采取了溫度補償及密封防潮的措施,但它與應(yīng)變片、粘帖膠本身的高興能化、粘帖技術(shù)的精確和熟練、彈性體材料的選擇及冷、熱加工工藝的制定均有密切的關(guān)系,哪一方面都不能忽視,都需精心設(shè)計和制作。同時,還須注意傳感器的安裝方法,支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置,如何克服橫向力等問題。

    作為一次儀表的傳感器通常由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。

    轉(zhuǎn)換元件就是精密的電橋。因此,測力秤重用電阻應(yīng)變式傳感器主要由彈性體、應(yīng)變片、粘帖膠及各種補償電阻構(gòu)成。他的穩(wěn)定性也必然是由這些元件的內(nèi)、外因的綜合作用所決定。本文就此問題進(jìn)行探討,談些粗淺看法,與同行商榷。

篇9

關(guān)健詞：先隧后站荷載釋放 螺栓受力 管頂應(yīng)變 片塊變位 監(jiān)測

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

因采用先隧后站技術(shù)，施工段盾構(gòu)成型隧道（管片塊裝嵌而成）在地鐵站開挖施工過程中，因成型隧道上部荷載（土方量）的改變使管片塊的受力發(fā)生變化，可能導(dǎo)致成型隧道管片塊變位，出現(xiàn)施工及隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題。為了及時了解和掌握地鐵車站開挖施工過程對成型隧道可能造成的不利影響，有必要對涉及的成型隧道段管片及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測。

一、 監(jiān)測的方法和內(nèi)容

1、監(jiān)測方法

圖1

本次監(jiān)測采用工程測試中的應(yīng)變電測技術(shù)。應(yīng)變電測技術(shù)是用電測方法測量應(yīng)變的一種測試技術(shù)。電測技術(shù)的基本組成是傳感器元件（電阻式應(yīng)變片、應(yīng)變計等）和測試儀器，原理是將結(jié)構(gòu)應(yīng)變機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量信號，經(jīng)儀器接收、放大和量化等系統(tǒng)處理后示出應(yīng)變量值。應(yīng)變電測技術(shù)具有能效高、測量準(zhǔn)確、遠(yuǎn)距離遙測和數(shù)圖采集等優(yōu)勢，在材料、結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)變測試中被廣泛的應(yīng)用。監(jiān)測主要有電阻應(yīng)變片、電阻式位移計、電阻式測力傳感器；應(yīng)變測試系統(tǒng)（手持應(yīng)變儀TC31K、電阻應(yīng)變儀YJ26）。[1]

2、 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)被監(jiān)測結(jié)構(gòu)體與受力概況，選定軌道交通五號線某一車站基坑開挖區(qū)下成型隧道左幅：309、315、321、327、333、339管片環(huán)，右幅：315、319、324、329、333、337管片環(huán)作為監(jiān)測部位（見圖1）。

監(jiān)測部位為：

① 管片塊間連接螺栓受力（螺栓受力監(jiān)測點）；② 管片環(huán)內(nèi)壁頂部混凝土受力應(yīng)變（管頂應(yīng)變監(jiān)測點）；③ 管片間間隙變位（片塊變位監(jiān)測點）。

（1） 螺栓受力監(jiān)測

在螺栓桿中間位置凹凸兩面開淺槽（深2mm），并沿螺栓桿軸線靠固定螺帽端開線槽。在淺槽中心位置粘貼電阻應(yīng)變片組，引導(dǎo)線，環(huán)氧密封。在電測法的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場實驗校準(zhǔn)，獲得螺栓應(yīng)變值換算成螺桿力值關(guān)系式，得到螺桿受力值，實現(xiàn)監(jiān)測管片（塊）間承壓力變化狀況。（見圖2）

（2） 管頂應(yīng)變監(jiān)測

隧道混凝土管片受力應(yīng)變監(jiān)測，采用電阻應(yīng)變電測法。在監(jiān)測盾構(gòu)隧道內(nèi)壁的頂部混凝土管片（塊）上，沿平行隧道方向粘貼電阻應(yīng)變片，實現(xiàn)監(jiān)測盾構(gòu)隧道上方挖土施工過程中，管片（塊）混凝土應(yīng)變（應(yīng)力）的變化狀況。（見圖3）

（3） 片塊變位監(jiān)測

在監(jiān)測管面上選擇有代表性管片（塊）間（垂直間隙方向）粘貼特制表座，安放電阻式位移計，實現(xiàn)監(jiān)測隧道混凝土管片間間隙變位。（見圖4）

圖2-管片塊間連接螺栓受力監(jiān)測圖 圖3-管片環(huán)內(nèi)壁頂部混凝土受力應(yīng)變監(jiān)測圖 圖4-管片間間隙變位監(jiān)測圖

二、 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過6個月的現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及其整理，獲得了成型隧道上部土方量改變工況下，隧道管片環(huán)內(nèi)壁頂部混凝土受力應(yīng)變、管片塊間連接螺栓受力和間隙變位等數(shù)值。

監(jiān)測點布置的位置及編號見下表圖。

某一段面監(jiān)測點編號說明表

說明:1. 以人站立時面向車站(開挖區(qū))的左右盾構(gòu)隧道定義左右幅。

2.“-H”“-Q”“-Z”表示離楊箕站較前的監(jiān)測點為“-Q”，靠后為“-H”，中間的為“-Z”。

3. “-1”“-2”表示人站立時面向楊箕站(開挖區(qū))的左右先后定義1、2。

左幅339環(huán)監(jiān)測點位置布置圖 左幅337環(huán)監(jiān)測點位置布置圖 管片塊間連接螺栓受力和間隙變位監(jiān)測 螺栓“應(yīng)變力值換算――關(guān)系式”現(xiàn)場實驗校定

三、 監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析

1、監(jiān)測目的

在車站開挖施工過程中，因成型隧道上部土方的逐漸挖除荷載陸續(xù)減小，定會造成管片環(huán)與環(huán)之間、片與片之間的受力發(fā)生變化，可能導(dǎo)致成型隧道管片發(fā)生變位留下成型隧道質(zhì)量問題。為了及時了解和掌握地鐵車站開挖過程中對成型隧道可能造成的不利影響，有必要對其數(shù)據(jù)變化進(jìn)行采集分析。從而通過分析數(shù)據(jù)作出有效預(yù)防措施。[2]

2、數(shù)據(jù)分析

①螺栓受力分析（見圖5）

螺栓受力監(jiān)測是通過在電測法的基礎(chǔ)上，將獲得的螺栓應(yīng)變值換算成螺桿受力值。從7月17日第一次數(shù)據(jù)采集到最后一次1月9日采集的全部數(shù)據(jù)，左線制圖后分析發(fā)現(xiàn)：

⑴開挖第一層土的緩慢變化階段：

基坑上方第一層土開挖后螺栓受力變化不大，曲線變化較?。ㄜ囌鹃_挖是從編號300環(huán)向編號339環(huán)的方向進(jìn)行掘土）。根據(jù)現(xiàn)場開挖的順序，在8月6日前掘土到監(jiān)測區(qū)上方時基本上只開始開挖第一層土。從圖5的曲線變化可以看出此時螺栓受力情況變化較小，變化值范圍在1－10KN之間。但也有個別點由于力的集中受壓出現(xiàn)負(fù)值被壓緊，且變化較大如Z327－3Q的監(jiān)測點。

⑵分段分層陸續(xù)開挖到第三層土的迅速變化階段：

隨著分段分層的開挖順序，8月6日至8月23日逐段逐層的開挖到Z304環(huán)的第三層土?xí)r。通過曲線圖可以看出曲線迅速往上然后又迅速回落，變化值在5－50KN之間差值較大。監(jiān)測數(shù)據(jù)說明開挖卸載第二、第三層土?xí)r螺栓受力變化最大。

圖5－左線各環(huán)螺栓受力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化圖

⑶至開挖完成后的穩(wěn)定變化階段：

隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行，上部土方陸續(xù)掘除直至荷載全部卸載完成。從圖上看出該階段9月1日到1月9日期間曲線變化較為平坦，變化值在5KN左右。這樣說明在挖出第三道支撐后螺栓受力變化已趨于穩(wěn)定。

②各測點同一時間不同階段與前次測量變化的螺栓受力分析：（見圖6）

圖6－左線同一時間各監(jiān)測點螺栓受力數(shù)據(jù)與第一次數(shù)據(jù)差值變化圖表

⑴從圖上可以看出7月29日為前段開挖期間，屬于緩慢變化階段，變化值在－2.5KN至2.2KN之間變化；

⑵9月8日這段時間剛好在開挖第二、第三段支撐的過程之中，圖中變化值較大在－10KN至1.1KN之間變化；

⑶9月30日及10月8日開挖為穩(wěn)定變化階段，變化值在0KN至1.7KN和－3.2KN至－0.7KN之間變化；

圖7－左線同一時間各監(jiān)測點螺栓受力數(shù)據(jù)與第一次數(shù)據(jù)差值變化圖表

⑷以上說明在開挖過程中，越是接近開挖第二、三道支撐時間的時候，各測點本次與上次螺栓受力變化差值越大；

⑸且各階段同一時間各測點越接近開挖端本次與上次螺栓受力變化差值越大。

③各測點同一時間不同階段與第一次測量變化的螺栓受力分析：（見圖7）

⑴從圖7藍(lán)色（7月29日）和紅色（9月8日）兩條曲線可以看出，兩條曲線變化較大；

⑵9月30日和10 月8日兩條曲線相對比較緩和；

⑶通過分析認(rèn)為該圖可以佐證在開挖第二、三道支撐的過程中螺栓受力變化迅速，該過程中開挖對于成型隧道的影響較大。

④管頂拉伸微應(yīng)變數(shù)據(jù)分析：（見圖8）

隧道混凝土管片受力應(yīng)變監(jiān)測，是采用電阻應(yīng)變電測法。主要是通過惠斯登電橋原理來測量應(yīng)變所引起的電阻變化的微小信號，經(jīng)過電容器極板間充滿電介質(zhì)時, 電容增大的倍數(shù)來獲得管片混凝土微小變化的狀況。本圖通過收集7月29日到年1月8 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪成圖表后總結(jié)出以下幾點：

圖8－左線各環(huán)管頂應(yīng)變監(jiān)測點數(shù)據(jù)變化圖

⑴基坑從開挖到結(jié)束，管片拉伸應(yīng)變曲線走向總體向下發(fā)展，到開挖完成后大部分測點的拉伸變量達(dá)到最大；

⑵從Z315環(huán)及Z309環(huán)的曲線可以看出在開挖第三、四道支撐的過程中（9月30日）單次混凝土應(yīng)變量最大；

⑶隨著基坑開挖完成，混凝土管片最終的應(yīng)變量越接近基坑中部的環(huán)號其變量越大；

小結(jié)：隨著基坑開挖管片上方土方越來越少的情況下，混凝土的應(yīng)變量與上部土方量減小成反比，即土方減少應(yīng)變量增加。另在開挖第三及第四道支撐時單次變量最大。

⑤管片塊、環(huán)之間位移數(shù)據(jù)分析：

基坑開挖一般采用分段分層逐級掘土的方式，楊箕站基坑開挖其方式相同。當(dāng)前段開挖完成后暴露的管片就會先拆除。從車站開挖和拆除的順序可以總結(jié)以下幾點內(nèi)容：

⑴在車站管片上部開挖土方時，管片的片與片之間、環(huán)與環(huán)之間位移有少量變化但變量不大；

⑵從施工日期和圖表上可以看出當(dāng)對已開挖出的管片進(jìn)行拆除后（9月6日），大部分管片位移量全部有較大變量；

⑶隨著上部土方的逐漸挖除及前段管片逐環(huán)拆除后，位移量不斷變化最終累積位移最大值；

⑷從圖中可看出數(shù)值有正值也有負(fù)值，這種情況認(rèn)為是受力不均引起的擠壓變化。

總結(jié)：

1、通過了解地鐵5號線某車站基坑開挖全過程的數(shù)據(jù)分析，先隧道后車站的施工工藝流程中，施工過程風(fēng)險最大的就可能是在開挖第二，第三道支撐時的風(fēng)險最大。如能在該過程中加以控制及采取有效措施，對成型隧道的影響就會減小到最低限度。

2、管片的片與片、環(huán)與環(huán)之間的位移主要變化還是在拆除管片后引起的位移最大。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：扭矩扳子；力矩；力臂；電阻應(yīng)變儀；荷重傳感器；校準(zhǔn)；檢驗

1 概述

隨著扭矩扳子在我公司對旋緊力矩有要求的螺絲緊固件作業(yè)中廣泛的使用，需要對扭矩扳子定期進(jìn)行檢定。由于送上級部門檢定周期需要半年或一年的時間，但扳子在周期內(nèi)的使用中，由于存在使用磨損、外力碰撞等原因，并根據(jù)實際情況有時需要再檢驗，本人根據(jù)力矩原理，利用現(xiàn)有的YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與電阻應(yīng)變荷重傳感器組合，制作了一臺簡易手動機(jī)械預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置，經(jīng)使用效果良好。

2 簡易預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置的組成

2.1 YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀是在靜力強度研究中，測量結(jié)構(gòu)及材料任意點變形的應(yīng)力分析儀器；如配相應(yīng)的傳感器，可測量力等物理量。

2.2 BHR-4型的電阻應(yīng)變荷重傳感器

BHR-4型的電阻應(yīng)變荷重傳感器量程為（0-200）kg，原理是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成。采用圓筒型彈性體為測力敏感元件，電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、強度高、攜帶方便、抗沖擊穩(wěn)定性好。常用于各種構(gòu)造物體的荷重實驗。

2.3 扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架

固定支架起著支撐、固定、調(diào)整扭矩扳子角度的作用，并與水平地板焊接在一起（并有加強筋連接）。千斤頂高度可調(diào)支架不用焊接，可在地上移動；靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、電阻應(yīng)變荷重傳感器、油壓千斤頂和其組合成一個體系。如圖1所示。

圖1

2.4 扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架的轉(zhuǎn)軸可調(diào)角度裝置

首先加工一個材料為碳素工具鋼（T8）？準(zhǔn)230mm×30mm的金屬圓盤（扭矩扳子夾具），在其？準(zhǔn)170mm圓周內(nèi)（距其圓周邊20mm），除圓心外按同一方向均勻分布六個根據(jù)不同扭矩扳子旋轉(zhuǎn)正方形扳頭的尺寸而制作的正方形通孔，其邊長尺寸分別是19.4+0.2mm、19+0.2mm、12.8+0.2mm、12.5+0.2mm、25+0.2mm、25.6+0.2mm；也可根據(jù)其它扳子的不同尺寸制作。在？準(zhǔn)200mm圓周上每隔15mm弧長，鉆一個？準(zhǔn)12.5mm的孔（加工成沉頭座），同樣地在扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架上進(jìn)行配鉆，得到相應(yīng)通孔。其金屬圓盤中心孔為？準(zhǔn)20.5mm（加工成沉頭座），同樣進(jìn)行配鉆，得到相應(yīng)轉(zhuǎn)軸固定支架通孔；（金屬圓盤經(jīng)過熱處理獲得相應(yīng)的硬度和耐磨性）用相應(yīng)的圓柱頭內(nèi)六角螺栓與扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架進(jìn)行沉頭座連接并且是動配合（圓盤可轉(zhuǎn)動）。

3 校準(zhǔn)扭矩扳子的測量原理

3.1 標(biāo)定靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的顯示值（？滋？著）與力（kg）間的正比例關(guān)系

根據(jù)說明書對應(yīng)YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（當(dāng)靈敏系數(shù)k=2標(biāo)定值為15000？滋？著）與BHR-4型的電阻應(yīng)變荷重傳感器（量程為0-200kg組合，顯示值（？滋？著）與力（kg）的比例應(yīng)為10：1。（如果配不同量程傳感器也可以是其他比例。）

3.2 校準(zhǔn)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

用一組（10個）M1等20kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼對靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與荷重傳感器進(jìn)行組校準(zhǔn)（或經(jīng)上級計量部門校準(zhǔn)）；在量程范圍內(nèi)確定（包含上、下限）至少五個點進(jìn)行測量，檢驗其基本誤差不大于測量值的±0.8%。否則重新調(diào)整儀器再進(jìn)行測試。

3.3 根據(jù)不同規(guī)格量程的扭矩扳子制定出不同的表格

其內(nèi)容是：按JJG707-2003《扭矩扳子》檢定規(guī)程要求確定出3～5個力矩M（Nm）校準(zhǔn)點；并根據(jù)力臂d（扳子轉(zhuǎn)軸到手柄中心長度m），根據(jù)力矩原理M=F?d，通過F=M/d，計算出相應(yīng)的力F（N）。除以9.8kg?m/s2再轉(zhuǎn)換成千克力F（kg）。最后轉(zhuǎn)換成儀器的顯示值（？滋？著），并根據(jù)準(zhǔn)確度等級確定允許基本誤差±4%～±10%的誤差范圍。舉例如表1所示校準(zhǔn)扭矩扳子明細(xì)表。型號規(guī)格：AC80～300Nm，L=0.488m允許基本誤差±4%

表1

注：L的長度（單位必須是米）作為制定表格的依據(jù)，如果該表格確定下來，則L不變；反之，如果儀器測量出三次平均F（？滋？著）的應(yīng)變值，除以10，乘以9.8得出F（N），再乘以L（d）得出所測量的力矩（Nm）。

4 校準(zhǔn)扭矩扳子的過程

將手動機(jī)械式扭矩扳子預(yù)置到所需要校準(zhǔn)的力矩值上，把扭矩扳子的正方形旋轉(zhuǎn)扳頭插入到位于扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架上的圓盤扭矩扳子卡具中，轉(zhuǎn)動圓盤觀察，使扭矩扳子處于近似水平狀態(tài)時，然后用兩個？準(zhǔn)12mm的銷釘（或圓柱頭螺釘）在圓盤？準(zhǔn)200mm圓周上？準(zhǔn)12.5mm的對稱孔與扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架的相應(yīng)通孔穿插限位；（連接圓盤與扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架）并鎖緊。

將油壓千斤頂放在千斤頂可調(diào)支架上，并根據(jù)扭矩扳子的水平高度調(diào)整可調(diào)支架的高度，將荷重傳感器放在油壓千斤頂上，且將荷重傳感器頂端放置一個小“Y”型鋼筋支架，使得傳感器支架、千斤頂、千斤頂可調(diào)支架的總高度約等于扭矩扳子水平狀態(tài)的高度，且扭矩扳子與水平方向的夾角小于10°（減少誤差），再按某表格用卷尺測出相應(yīng)的長度L約等于d（扳子轉(zhuǎn)軸到手柄中心的力作用線的垂直距離），確定傳感器“Y”支架所頂扭矩扳子的支點。調(diào)整好并標(biāo)定靜態(tài)電阻應(yīng)變儀并連接電阻應(yīng)變荷重傳感器，對千斤頂緩慢地施加力直到扭矩扳子發(fā)出“嗒”的一聲，此時觀察應(yīng)變儀的示值（？滋？著）并記錄，然后撤力即可，同一點重復(fù)測量三次，得出平均；重復(fù)上述過程，所得測量值與表格相應(yīng)允許基本誤差（？滋？著）進(jìn)行比較是否合格。