智能材料课件作者陈英杰7第七章节.ppt

智能材料 第7章 其他传感元件 7.1 电阻应变丝的研究 7.1.1电阻应变测量在智能结构中的应用依据 在智能结构中采用电阻应变丝作为传感元件，是基于电阻应变测量所具有的一些重要的特点，而这些特点我们可以从电阻应变测量技术的发展及其应用实践上加以总结及验证。 应变电阻测量技术具有以下优点： 1.灵敏度高，测量速度快，结果精确、可靠、稳定。 2.易于实现测试过程的自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。 3.应变丝式应变片形小质轻，不改变测试对象的原有应力状态。 4.可进行静，动态和瞬态应变测量，可测频带宽。 5.运用范围广，可在高温、高压、高速、旋转和具有放射性干扰等特殊条件下进行测量。 6.易于进行各种补偿，使用方便。 7.1 电阻应变丝的研究 由于电阻应变测试技术具有这些优点，它已广泛地应用于各个领域，诸如机械、电力设备、化工容器、航空发动机、宇航飞行器、原子反应堆等机器设备，以及铁道、桥隧、河港、房屋、建筑、地下建筑等结构的动、静态力学参数的测定，甚至地震预报、地质勘探、医学等方面，也采用了电测技术。 电阻应变丝在智能材料结构中的应用也正是依据了上述特点：形小质轻，则埋入材料后对材料原有的性能产生很小影响，电阻应变丝直径只有几至几十微米，很容易同复合材料耦合。电阻应变丝还有一非常重要的优点，即性能稳定，价格低廉，这是其他传感器特别是光纤传感器所不如的。因此，应用它作智能材料结构的传感元件对于智能材料结构的早日实用化是有较大意义的。 7.1 电阻应变丝的研究 7.1.2 电阻应变丝工作原理 电阻应变丝埋入复合材料结构以后，随着结构的变形电阻应变丝会发生“应变电阻效应”，也即金属丝的电阻值随其机械变形而变化的一种物理特性．如图所示，设电阻丝长度为L，横截面为F，电阻率为ρ，则电阻丝的电阻为： 7.1 电阻应变丝的研究 当电阻丝感受变形，受拉而伸长dL时其横截面积将相应减小dF，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变dρ．这些量的变化，必然引起金属丝的电阻改变dR，并有： 也即 式中 dL/L——金属导线长度的相对变化，用应变ε表示： 7.1 电阻应变丝的研究 dA／A为导线截面积的相对变化，对于圆形截面的导线，若电阻丝半径为r，则 电阻丝半径的相对变化dr／r= -μdL/L，为电阻丝材料的泊桑比，代入上式可得 则将以上公式代入得 或 7.1 电阻应变丝的研究 令 Ks称为电阻丝的灵敏系数，表示电阻丝产生单位应变时，电阻相对变化dR／R的大小。显然Ks越大，电阻丝反映出来的信号越大，故越灵敏。当电阻丝的材料确定时，则μ为常数，则不全是常数，对于某些材料如康铜丝，其应变ε和电阻相对变化dR／R之间始终存在着线性关系，而对大多数电阻丝而言，并非常数，在应变ε较大时，便不成线性。 总的来说 电阻应变丝正是依据以上的原理而工作的。 7.1 电阻应变丝的研究 应变电阻丝的阻值变化反映了被测应变值的大小，但阻值的变化还需转化成电信号才能进行实际测量。一般有两种方式工作，一是电桥形式，一是双恒流源电路。双恒流源电路如图所示。 其输出电压与电阻应变丝的电阻变化之间的关系为 如用应变表示，则为 7.1 电阻应变丝的研究 在本文中，电阻应变丝的工作采用直流电桥工作，直流电桥的形式如图所示。 设电桥各桥臂的电阻分别为R1，R2，R3和R4它们可以全部或部分是应变电阻丝。如果只有一个桥臂为应变电阻丝，则称为单臂测量，两个相邻桥臂为应变电阻丝，称为半桥测量，全部采用电阻丝程为全桥测量。直流电桥中A、C两点接直流电源，B、D点输出电压μi，可以推算： 7.1 电阻应变丝的研究 当R1=R2=R3=R4=RD时 一般情况下， (i = 1, 2, 3, 4 ) 很小，R ΔRi略去上式中的高微量，则 上式表明：当ΔRiR时，输出电压与应变成线性关系;电桥四个桥臂之间存在着加减关系，对其合理利用可提高测量灵敏度及进行某些补偿工作。 7.1 电阻应变丝的研究 在上述桥路中，桥路所加的电压是根据电阻应变丝许用通过的电流值来确定的。通过电阻应变丝的电流值小，则灵敏度低，电流值大，则会引起电阻应变丝性能的下降，一般按以下经验公式来确定： 式中 S——电阻应变丝的长度(mm)； R——电阻应变丝的电阻值(Ω)； P’ ——电阻应变丝的功率密度值（W/mm2）（见表7-1） d——电阻应变丝的直径（mm） 7.1 电阻应变丝的研究 7.1.3 智能结构中电阻应变丝的选择 在强度型损伤自诊断智能结构中所埋设的电阻应变丝必须依据以下一些要求进行挑选： 1.灵敏系