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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. 2010.12. 2. 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。. 2010.12. 3. 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）；

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传感器和数据采集

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Presentation Transcript

  1. 传感器和数据采集

  2. 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 2010.12 2

  3. 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。 2010.12 3

  4. 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

  5. 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 变速杆力传感器 车轮6分力传感器 2010.12 5

  6. 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

  7. 常用测量参数和传感器 旋转部件测量-遥测装置 2010.12 7

  8. 常用测量参数和传感器 试件传感器-应变片技术应用 2010.12 8

  9. 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)] 箔型应变片 引出线 2010.12 基底宽度 9

  10. 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（%）。 2010.12 10

  11. 应变测量技术 名义电阻（R）和激励电压（V）：  0 . 071 W  0 . 284 W P5 V , 120   0 . 208 W P10 V, 120   0 . 832 W P5 V , 350  P10 V , 350  2 V R P  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）。    2010.12 11

  12. 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 峰值应变 指示应变 应 变 应变片位置 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。 2010.12 12

  13. 应变测量技术 应变花-测量主应变的大小和方向 (    y ) 2   2 (    y ) 2 2 xy  1 , 2   x 主应变： x   2      剪应变： xy 45 x y  tan 2   主应变方向： （ε1相对于X） xy    x y 或： ( x   y ) ( x   y )2  (2 45   x   y )2 2 2 2 45   x   y  x   y 1, 2   tan 2  2010.12 13

  14. 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。 V 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 2010.12 14

  15. 应变测量技术 桥路的输出和桥路平衡 恒压桥   R 4   R3   R2  R3 V  R4   R1  R4 V R 3 R 2  R 3 e 0  e A  e C    1 V   eC   eA   输出：  R  R      4 R 4 R 1  R 4 R 3 R 2  R 3 桥路平衡： e 0  0    R 1 R 3  R 2 R 4 恒流桥  I DAB ( R 1  R 4 )  I DCB ( R 2  R 3 ) I  I DAB  I DCB e A R 1 I DAB e C  R 2 I DCB  R 1  R 2  R 3  R 4  e 0  e A  e C  R 1  R 2  R 3  R 4  I 输出：  R 2  R 3   R 1  R 4  I DAB    I I DCB        I e 0    R 1  R 2  R 3  R 4  ( R 1 R 3  R 2 R 4 )   桥路平衡： 2010.12 e 0  0  R 1 R 3  R 2 R 4 15

  16. 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：    I     2 R ( 1  k )  1     R 1   k  恒压桥：e 0  R 1    1  k       R 1   R 1  R ( 1  k )      ( 1  k ) 2     恒流桥：e 0  E R k   Ex   1     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。 2010.12 Microsoft owerPoint Presentatio 16

  17. 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： R 1  R 2  R 3  R 4  R  R 4   R R 3  e 0    E ex   R 1  ( R 4  R )  R 2  R  3  1  GF    2  GF      GF 4 1  E ex     E ex  2  )： 半桥桥路(     R   R  R   R 1 4  R4  R R3  (1  )  Eex  GF   4 e0    Eex   ( R1 R ) ( R4  R) R2  R3    )： 全桥桥路(  R     R   R   R  R   R  1 3 2 4  R 4    R R 3   R  e 0    ( R1   R )  ( R 4    R ) ( R 2    R )  ( R 3   R )  E ex 2 (1   )  E ex  GF   4     2010.12 17

  18. 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：  R R  R R R R  g L L 2 3 1 4 2 引线电阻，引线温度变化：  RL1   RL2   T      T  R g  RL1  RL2     T   T  R2 R3  R4 2010.12 18

  19. 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：   R L1    R L 2     T   T    R L 3     T   T R g  R L1  R L 2    R 4  R L 2  R L 3      T     T    R 2 R 3    R L 2   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。  R L3  T  R L1  T  R L 2  T R g R 4 R 2 R 3  R L1  R L 2  R L3   2010.12 19

  20. 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： Rg Rg GF  1  2RL Rg  1  2RL Rg  Rg Rg  2RL   GFL   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。 2010.12 20

  21. 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 补偿片 Rd 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 Rg Rg  R2  R3  Rd  R Rg  R RT  R  Rg  Rg  RT R3  E  Rg Eex  GF      Eex  ex  e0   ( R  RT )  ( R4  Rg  RT ) R2  R  4 R 4 3   d 2010.12 21

  22. 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 应变 调理器 记录仪 个大阻值（10‐1280 KOhm）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 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 V V  R g 2  ( R g  2  R Cal )  e Cal  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 (  R Cal R g ) GF 2 R g R g  R Cal  Cal   R Cal  变灵敏度(标定系数)：  Cal e Cal R g GF  ( R g  R Cal )  Cal  Scale  2010.12 22

  23. 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： Mc IE   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。 2010.12 23

  24. 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。     R R R R R 1 2 3 4  R  R    R  R    R   R 1 2 3 4  R4  R4 R3  R3  e0    (R1  R1 )  (R4  R4 ) (R2  R2 )  (R3  R3 ) E  R  R R  R  (R  R)  (R  R) (R  R)  (R  R) E  E  GF           2010.12 24

  25. 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。     R R R R R 1 2 3 4  R  R    R  R    R    R 1 2 3 4  R4  R4 R3  R3   ( R1  R1 )  ( R4  R4 ) ( R2  R2 )  ( R3  R3 )  E  R R R  R   ( R  R)  ( R R) ( R R)  ( R  R)  E e0           GF 2  (1  )  E  2010.12 25

  26. 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 F F 对剪切力敏感。 45°剪切片     R R R R R 1 2 3 4  R  R    R  R    R   R 1 2 3 4  R4  R4 R3  R3  e0    (R1  R1 )  (R4  R4 ) (R2  R2 )  (R3  R3 ) E  R  R R  R   (R  R)  (R  R) (R  R)  (R  R) E  E  GF           2010.12 26

  27. 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。  R  R  R  R R 1 2 3 4  R  R   R   R   R    R 1 3 2 4  R4  R4 R3  R3   (R1  R1 )  (R4  R4 ) (R2  R2 )  (R3  R3 ) E  R  R R  R   (R  R)  (R  R) (R  R)  ( R  R) E  E  GF   Microsoft owerPoint Presentatio e0           2010.12 27

  28. 试件传感器开发 扭矩和扭角测量 扭转力传感器通过在扭转轴直径两端表 面上各安装一对与扭转轴轴线互成±45°角 的应变片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。      R R R R R 1 2 3 4  R  R    R  R    R   R 1 2 3 4  R4  R4 R3  R3  e0    ( R1  R1 )  ( R4  R4 ) ( R2  R2 )  ( R3  R3 )  E  R  R R  R   ( R  R )  ( R  R ) ( R  R )  ( R  R )  E  E  GF            2010.12 28

  29. 试件传感器开发 增加灵敏度 提高信噪比 平均位移和平均力矩 2010.12 29

  30. 试件传感器开发 S -型结构拉压力传感器 S -型结构拉压力传感器具有高的测量输出并 提供温度补偿。同时能更还得保护应变片不 被损坏。      R R R R R 1 2 3 4  R  R   R   R   R    R 1 3 2 4  R4  R4 R3  R3  e0    (R1  R1 )  (R4  R4 ) (R2  R2 )  (R3  R3 ) E  R  R R  R   (R  R)  (R  R) (R  R)  (R  R) E  E  GF           2010.12 30

  31. 试件传感器开发 测量弹簧力和变形- 车身和悬架 相对位移。 增加灵敏度 提高信噪比 平均位移和平均力矩  2010.12 31

  32. 试件传感器开发 复杂结构的受力测量- 矩阵方法 当复杂形状结构或零件同时受多个力作用，无法对各个力进行直接测量。 也很难通过将各个方向的载荷与应变关系解偶从而得到力与某一应变的直接 对应关系。此时任一测量应变是多个力同时影响的结果。为了测量结构的受 力可以借助矩阵方法。 矩阵方法是通过优化选择应变片的数量、安装位置和方位。先通过标定 测量取得载荷-应变之间的灵敏系数矩阵，然后根据结构在实际运行状态的 应变信号计算实际运行状态的受力。 通常结构同时受到多个不同方向的力作用时，总可以通过里分解和合成 将其转化成三个互相垂直的方向。而结构上任一点的应变与作用力之间的关 系为：  i  f i( F 1 ,  F j ,  F p ) 设应变与力之间为线弹性关系，按照级数展开成：  i  ci ,1 F1  ci , j Fj  ci , p Fp  i n  1  [ c i , j ] n  p F j p  1 2010.12 32

  33. 试件传感器开发  i n 1  [ c i , j ] n  p F j p 1 当系数 [ ci , j ]n p 确定则： Microsoft Excel Worksheet F j p  1  [ c i , j]   p  i n  1 1 n 矩阵技术的潜在误差源 （1）应变和载荷之间线弹性关系假设； （2）标定的样本数-基于统计的计算公式取决于标定的样本数； （3）不同测量系统的标定载荷频率； （4）零件标定时的边界条件与实际的边界条件的差异。 2010.12 33

  34. 试件传感器开发 应变型力传感器电路并联 -测量总合力 橡胶衬套三轴力测量 2010.12 34

  35. 试件传感器开发 传感器T1 和 T2 并联桥路 T1 T2 Rt1=Rt2=Rc1=Rc2=R 2010.12 35

  36. 试件传感器开发 1、标定输出：分流电阻 Rcal 引起的标定桥臂的电阻变化之比：   R arm  R arm   R arm  R arm     R cal  R 2 R cal  R    S S  P P  Rt1=Rt2=Rc1=Rc2=R   S    S S P S I 1 2 1 2 Rcal >> R：  S P  S I S P S I 1 i 1 i  S P  当i个传感器并联时： S I 2010.12 36

  37. 试件传感器开发 2、灵敏度：两个传感器分别受到P1和P2的载荷时，桥臂电阻变化分别为Δ R1和ΔR2 ：   R1    R 2  单个传感器输出： T1 : V S 1   V in  R  T 2 : V S 2   V in  R  Rt1  R  R1 Rt 2  R  R2 Rc1  R  R1 Rc 2  R  R2   R1   R 2   2 R  并联传感器输出： V P   Vin 如果 P1=P2=P ，ΔR1=ΔR2=ΔR V P    V in  R    R   R   R  T1 : VS1   Vin  R  T2 : VS 2   Vin  R  当两个传感器电路并联后输出灵敏度减小一半。 相应地并联所形成的传感器的 mv/v 所对应参数的工程值增加一倍。 2010.12 37

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