第四章力与应变的测量与控制系统.pptVIP

第四章　力与应变的测量与控制系统 1.应力的定义：应力定义为“单位面积上所承受的力”。物体受外力作用后产生一定的变形，因此物体内相临的两质点间的距离发生变化，物体内任一平面上两直线的交角也发生变化，从而产生物体内质点与质点的相互作用力。 σ表示应力。 2.应力的分类：应力可分为拉应力，压应力，张应力，缩应力，正应力，剪应力等等。其中拉应力及压应力是我们在材料加工过程中经常接触的。 1）材料：当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这时应力也将其受影响。 2）温度：材料由于温度变化所产生的热效应，称之为热应力。 3）压力：压力是支持面上所受到的并垂直于支持面的作用力，跟支持面面积大小无关。 4）时间：长时间反复施加于物体上使得物体发生疲劳,这时会产生疲劳应力。 对物体施加力的大小随时间的变化时,那么就会产生动态应力。 5）位移：主要是指设备制定部位相对受压、受热、泄压、受冷之前的相对位置量的变化。 设有一长度为、截面积为A、半径为r 、电阻率为? 的金属单丝，它的电阻值R 可表示为 ? 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中?、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R 发生变化。 例如 （1）金属丝受拉时，l 将变长、r 变小，均导致R变大； （2）某些半导体受拉时,? 将变大，导致R 变大。 用应变片测试应变时，将应变片粘贴在试件表面。当试件受力变形后，应变片上的电阻丝也随之变形，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量转换电路最终转换成电压或电流的变化。 应变片的种类 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多,散热条件较好,在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。 还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。 丝式应变片 丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合金丝绕成栅状制成的； 薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。 半导体应变片 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率ρ发生变化的现象。  半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温度敏感. 应变片的测量电路 单臂电桥 双臂电桥 R1、 R2为应变片 R3、R4为固定电阻 应变片R1 、R2 感受到的应变?1~?2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。 四臂全桥 应变式力传感器 各种悬臂梁 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 应变式荷重传感器外形及受力位置 应变式荷重传感器外形及受力位置 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。 汽车衡 汽车衡称重系统 电子秤 电子天平 人体秤 吊钩秤 应变式数显扭矩扳手 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。通