实验力学-传感器

用实验设计方法进行设计。
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对于形状或结构复杂的高压容器, 采用理论计算难以准
确地确定应力, 即使计算出来也需要实验来验证, 而且一般 来说, 内压容器的内壁应力比外壁应力大, 因此通过实验得 知内壁的应力状态显得很重要。 高压液下的应变测量目前主要采用电阻应变测量法。用
电阻应变法测量高压液下的应变时,由于应变片和导线与液
待固化后即可使用。
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§4.1.3 高压液下应变片的压力效应
工作片——测量应变+压力效应 一、压力效应 通过实验测定工作片的压力效应 1、圆筒法 R1,R2接半桥
p 1 2
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2、试块测定法
R1,R2接半桥
仪 1 2
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高（低）温电阻应变计构造和类型 粘贴式自补偿应变计，＋250℃以下 焊接式自补偿应变计， ＋350℃以上 低温应变计， －30℃～ －200℃
注意粘结剂使用温度范围
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高温应变测量的技术问题
1.根据测量对象和条件选用高温应变计 2.使用高温导线和绝缘套管 3.应变计安装和与导线连接 4.温度补偿和热输出 5.高温应变计的防护 6.温度测量技术－－热电偶、热电阻 7.高温应力应变测量的数据处理：
④对应变片与粘结剂无腐蚀和化学作用
⑤有足够强度，耐高温和冷冻 ⑥操作简单，使用方便可靠
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化学涂层种类： ①软性涂层 常用凡士林、黄油 防水性和粘着力好、粘性和流变性大，不滑脱开裂
但耐温性差
②半固化涂层 半固化环氧树脂
具有一定硬度 又保持软性涂层优点。
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凡士林、松香、石蜡配比熬制
补偿后
1 2 工 仪 2 仪 p E
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2、外补偿法 补偿片位于高压液外，接半桥。 温度补偿。
仪 工 p
工 仪 p
p
通过实验测量
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3、自补偿法
外补偿法 - 压强效应 = 测量应变
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第四章 特殊条件下电阻应变测量
§4.1 高压液下的应变测量 在动力、石油、化工、核能等许多行业中都有大量的压力容 器和输送管道，且大部分装有高压液体和气体。保证压力容 器安全可靠地运行是一门理论性、实践性很强的学问和实用
技术。对压力容器进行研究需要理论分析, 也离不开实验。
通过实验, 可以证实、验证理论正确与否或适用范围的大小; 甚至可以在理论计算无法进行或很难准确计算的情况下, 采
④导线也要做好防护
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§4.1.2 应变片引线从容器内部引出时的密封
作用: 把容器内引线引出容器外 要求: 利用容器原有通孔引出导线，密封要可靠，结构紧凑， 引线数量多，装卸方便，可重复使用。 方法：
1、橡胶引线密封装置 （见P162 图3-42）
2、松香、凡士林、石英砂引线密封装置 （见P162 图3-43） 3、环氧树脂引线密封装置 （见P163 图3-44）
§4.2 运动构件应变测量 静态应变 汽轮机叶轮在一定转数下由于离心力产生的应变 水轮机主轴在一定转数下由于扭矩产生的应变 机械在运动，但属于静态应变 动态应变 周期性动应变：柴油机曲轴、机床传动轴等 随机动应变：汽车在各种不同路面行驶 冲击式动应变：锻锤的冲杆
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用电阻应变计测量运动构件上的应变，基本原 理与静止构件完全相同，但由于测量工作条 件复杂，防护、补偿、信号传递等还存在下 列问题： 1.温度补偿 2.应变计和引线防护 3.信号传递：集流环（引电器），应变遥测
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温度补偿 高温介质 气流或机械摩擦 金属构件与空气相对线速度每增加200m/s,构件温升 15～20℃。如一直径1.5m的叶轮，10000转/分， 叶轮最高温度可达98 ℃；柴油机曲轴由于轴承摩 擦和气缸热量传导，曲轴温度可达80～90 ℃。 由于线速度不同和热传导距离不等，温度分布往往不 均匀和不稳定。
做好温度和湿度记录，以便修正测量误差
应变计的局部加强效应
较薄的塑料试件，应考虑局部加强效应的影响。
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第五章 应变片式传感器
工作原理:当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、 力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移， 然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化， 通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的
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1.选用温度自补偿应变计。 2.采用半桥温度补偿，补偿片要粘贴在没有应 变并与工作片温度相近的位置。 3.减少导线由于温度变化引起的测量误差。 各桥臂导线长度相等，导线电阻温度系数低， 导线通过相同温度区等。
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应变计和引线的防护 在运动构件上的应变计和导线除了承受温度变化外， 还承受惯性力和气流冲刷，这两种力可能引起应变 计和导线损坏。 应变计一般不易破坏，但导线因粘贴面积小、质量大， 在高速运动构件上要采用可靠的固定方法。 气流冲刷力一般比惯性力严重。简单防护可在应变计 上涂胶层覆盖，将导线通过胶粘固定在构件上。
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非常温条件下应变测量的特点 1.应用专门制造的应变计 －30～＋60℃－－常温 －60～＋350℃－－中温 高于350℃－－高温 低于－30℃－－低温 2.安装方法：粘结剂高温固化、焊接式应变计 （ 300℃以上） 3.温度分布：温度场不均匀，应变计性能与温度有关。
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环氧树脂密封装置简图
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该结构承压能力与密封外壳的有效长度成正比, 与内径 成反比, 并与环氧树脂和密封外壳间的抗剪强度有关。 其密 封压力可达800Mpa以上。
环氧密封剂用6101#环氧树脂、环氧氯丙烷、邻苯二甲
酸二丁酯及乙二胺按100∶(8～10) ∶(8～10) ∶7的重量比例 配制。将塑料导线中间剥下一段, 穿过定位孔后注入密封剂,
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旋转构件应变信号的传递 引电器主要由两部分组成： 转子－－与应变计引线连接，随构件转动 定子－－与应变仪桥盒连接，静止不动 常用引电器： 拉线式、电刷式、水银式、感应式 引电器性能要求： 转子与定子之间要小而稳定；摩擦温升小；工 作寿命长
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拉线式引电器：利用拉线与铜环之间滑动接触来传递 应变信号。用于圆周线速度低的应变测量 电刷式引电器：利用电刷（碳刷）和金属滑环的滑动 接触来传递应变信号。 水银式引电器：利用水银与金属接触来传递电信号。 （水银常温蒸发） 感应式引电器：利用电磁感应来传递应变信号。非接 触、没有温升和接触电阻问题。但有磁阻与间隙有 关、信号损耗等技术困难，一般场合很少使用。
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运动构件的应变遥测 可避免摩擦温升、接触电阻等不利影响。一般 用于旋转构件的应变遥测距离为10m左右。 问题：不能耐高温（－50～150℃）；惯性力 不能过大；微型电池供电时间受限；抗电磁 干扰能力差。因此目前还不能完全代替引电 器。
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§4.3 非常温条件下应变测量 机械部件和结构在各种温度条件下负载运行， 动力机械、化工设备、航空航天、原子能等 工程结构处于高温或低温下工作。目前应用 电阻应变计进行各种温度下的应变测量是可 行的方法。其中高、中、低温应变计本身是 解决非常温应变测量技术问题的关键。
大小。
结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。
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将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电
路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。 应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元 件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。
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塑料蠕变的影响
塑料的应力应变关系与加载厚的时间有关，因为E是应力与应变的 比值，所以E与加载厚的时间有关，因此必须指出加载后什么时间 的塑料E才有意义。 不同的加载方式也会影响塑料的应变测量结果。 满足条件稳定时间的测量，可近似看作等弹性模量问题。
温度和湿度对塑料应变测量的影响
体介质接触并受液压作用,因此在测量时除了一般技术外, 还需要解决以下的特殊问题。
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1、应变片和导线在液体介质中的防护
2、应变片引线从容器内部引出时的密封
3、应变片在工高压液下引起的附加应变读数 （即压力效应）的消除方法
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§4.1.1 应变片和导线在液体介质中的防护
仪 s p
1 2 s p E
1 2 p 仪 s 仪 p E
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二、实测中采用的压力效应补偿法 1、内补偿法 工作片、补偿片同时位于高压液内，接半桥。 压力效应与温度均可补偿。
仪 工 p ( s p )
对应变片采取防护措施。 有多种方法可以用于高压液下应变片的防护。
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1、机械密封法：
见书157页
图3-38
可实现密封功能
缺点是结构复杂，对构件有局部加强效应，不常采用。
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2、化学涂层法
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防护性能要求：
①良好的防水性与绝缘性 ②与应变片和构件有较强的粘结性能， 反复加载不发生脱落 ③低弹性模量，无局部加强效应
位移、力、力矩 加速度、压力
弹性 敏感元件
应变
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弹性元件
传感器主要部件是弹性元件，在设计中需要对其进行强度、 刚度和自振频率的测量与计算。 1、弹性元件的设计要求 ①贴片处要有足够大的应变量，提高灵敏度 ②弹性元件要处于弹性工作状态，应力不超过材料屈服 极限σs，并有必要的安全系数n。 ③相对被测结构，弹性元件需具备较高的刚度和变形量，使 其不影响被测结构的原始状态。
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③固化涂层 采用全固化环氧树脂 硬度大，脆性强易碎，密封差， 有加强效应，一般不能单独使用
④组合式防水涂层
软性涂层 + 半固化涂层 + 固化涂层 + 外层黄油 结合各种涂层优点。
内加纤维布提高强度
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工艺要求： ①涂层区必须清洗，无油、无锈 ②涂层面积为应变片10倍以上，不小于50mm ③贴片质量要保证
护。为了防止在灌油前应变片受潮, 有时在应片上涂上一层 凡士林或环氧树脂。
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二、用水作加压介质
在现场进行测量, 大多数是以水为工作介质。
水是一种非绝缘介质和良好的溶剂, 与应变片接触后, 将使绝缘电阻大大下降, 并使粘结剂抗剪强度降低, 不能正
确地传递变形, 严重时还会使应变片与构件脱开。因此必须
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④设计紧凑，体积尽量小。 ⑤ 动态测试要保证其工作频率范围。 2、弹性元件的若干力学特性 ①非线性和滞后性，需经标定，确定其工作范围。
②弹性元件和应变片的热膨胀温度效应
防护的必要性：
1、保证应变片与被测构件之间有足够的绝缘电阻 2、防止粘结剂失效，不能传递应变，保护应变片丝栅
在强度实验时，一般采用油或水作加压介质 不允许用气体
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一、用油作加压介质
在实验室条件下进行高压液下应变测量, 通常以变压器
油作为实验加压介质。
油绝缘性好, 腐蚀性小, 通常不需要对应变片作特殊防
导线电阻修正、热输出修正、灵敏系数修正
32Hale Waihona Puke Baidu
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§4.4 模型试验中的电阻应变测量 模型电阻应变测量的特点 金属模型：小比尺 塑料模型：加工方便、弹性模量低、小荷载可 获得大变形 塑料材料：有机玻璃、硬聚氯乙烯、环氧树脂
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塑料模型应变测量应注意的问题： 1.室温下蠕变 2.塑料的弹性模量E随温度变化明显 3.由于塑料导热性差和线膨胀系数大，温度补 偿应处理得当 4.空气的湿度变化会引起某些塑料的伸长或缩 短以及弹性模量的改变 因此在塑料模型的应变测量时，处理不当 会带来较大的误差，甚至得不到稳定的数据