传感器和数据采集

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 GFL Rg 2RL

1 2RL Rg
Rg Rg

1 2R
GF
L
Rg
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。
R R
2 3

R
g
R
R
L
1
R
L
2
4
引线电阻，引线温度变化：
RL1 T R g R L 1 RL 2 R2 T T R3 R4
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RL2 T
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应变测量技术
引线电阻和引线温度变化的补偿
通过在桥路的一个桥臂上并联一 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
V
量应变的大小，大的测量应变应选择
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
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应变测量技术
应变花-测量主应变的大小和方向
主应变： 剪应变： 主应变方向： （ε1相对于X） 或：
( x y) 1,2 2 xy 2 45 x tan 2
( x y) 2
2 xy
2
y

xy

x

y
- 试件传感器（应变片…）。
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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
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变速杆力传感器
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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）
位移传感器 (角位移/线位移）
K 型热电偶
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常用测量参数和传感器
旋转部件测量-遥测装置
R1 R2 R3 R4 R
R4 R R3 e0 R1 (R4 R) R2 R 3 1 GF 1 E ex E ex 2 GF 2

E ex GF 4

半桥桥路(
R
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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
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应变测量技术
名义电阻（R）和激励电压（V）：
V 2 P R
P5 V , 350 P10 V , 350

0 . 071 W 0 . 284 W
P5 V , 120

0 . 208 W


P10 V , 120
0 . 832 W
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：
验证的输入： 根本原因分析；
疲劳耐久性试验开发验证。
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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
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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（%）。
e0 eA eC
I DCB R1R4 R1R2 R3 R4 I
R2 R3 I R 1 R 2 R 3 R 4
I e0 ( R 1R 3 R 2R 4) R1R2 R3 R4
桥路平衡：
2 3
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 L1 R L 2 R L3
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R L1 R L 2 R L3 T T T
Rg
R4
R2 R3
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应变测量技术
引线电阻引起信号衰减
( x y ) ( x y )2 (2 45 x y )2 1, 2 2 2 2 45 x y tan 2 x y
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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 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
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常用测量参数和传感器
试件传感器-应变片技术应用
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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：
V
桥路平衡： e 0

0

R4 R3 R1 R4 R2 R3

R 1R 3 R 2R 4
恒流桥
I DAB ( R 1 R 4 ) I DCB ( R 2 R 3 ) I I DAB I DCB
输出：
e A R 1 I DAB
I DAB
e C R 2 I DCB
应变片材料对于测量的影响
峰值应变 应 变 指示应变
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。
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e0 0

R 1R 3 R 2R 4
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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：e 0
R 1 I k R1 1 k 2R(1 k) 1 R1 R1 R(1 k) k (1 k)2 1

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）。
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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。
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R3R (R2R)(R3 R ) E ex
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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：
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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 1 R 2 R 1 R R 2 R R
恒压惠斯通电桥
V
于半导体应变片。
恒流惠斯通电桥
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应变测量技术
桥路的输出和桥路平衡

恒压桥
输出：
R4 eA R1 R4V
R3 eC R2 R3V
R4 e0 eA eC R 1 R

4
R3 R2 R3
片宽度
R :电阻 (ohms) L :长度
ρ:电阻率[(ohms*面积) / 长度)]
片长度 基底长度 引出线 基底宽度 2010.12
箔型应变片
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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)
恒流桥：e 0 E
Ex
RLeabharlann Baidu
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。
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Microsoft owerPoint Presentatio
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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：
1
R
R
4
R
)：
(1 ) Eex GF 4
R4 R R3 e0 ( R1 R ) ( R4 R) R2

Eex R3
R
2
全桥桥路( R
1
R
3
R
R
4
R
)：
R4R e0 ( R 1 R ) ( R 4 R ) 2 (1 ) E ex GF 4
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
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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
R g R g R T Eex e0 ( R R T ) ( R 4 R g R T ) R 2 R 4R 3 d
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ex
R3

E R g
4
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应变测量技术
应变片桥路的标定-
分流标定：
应变 调理器 记录仪
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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。
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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：
RL RgRL RL R2 T R3 RL R4RL RL T
1 2 2 3 1
2
RL T T T RL T T T
e Cal
R Cal

V Rg 2 ( R g 2 R Cal )
2
Rg R g R Cal
Cal
( R Cal R g ) GF Scale
变灵敏度(标定系数)：
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Cal
Rg GF ( R g R Cal )
Cal
e Cal