“電阻應變測量技術”設計性實驗教學研究

謝 靈，岑羽喬, 方 舒，林長生, 劉 健，林金城，龔開霞，劉子煜

(廣東工業大學 土木與交通工程學院, 廣東 廣州 510006，China)

1 設計指導思想

從人才能力結構的組成來看，基礎性、驗證性實驗側重于對理論知識的理解和記憶[1]，設計性實驗則要求學生在扎實的理論基礎上拓寬知識面，培養較強的實驗動手能力和分析、解決問題的能力。設計性實驗教學[2-4]是對理論知識和原理的應用，對學生的創新素質、創新能力、科研能力的培養具有獨特的作用。知識在應用中才能存在，在應用中才有價值[5]。為了讓學生掌握好電阻應變測量技術與傳感器知識，提出了以壓力傳感器為載體的一項實踐性、設計性實驗教學項目，讓學生去體驗、去探索，從而培養學生的工程素質和創新素質，實現知識向能力轉化[6-8]，并使這種轉化和體驗運用到日后的實際工作中去，從而為日后的創新、創業帶來最優的個人業績。

2 設計過程

2.1 設計機械加工圖

傳感器構件首要考慮的是彈性敏感問題。由于作為傳感元件的電阻應變片的尺寸可以很小，最小標距可為0.2 mm，可粘貼到構件的很小部位上以測取局部應變，因此為了增加構件的彈性并考慮到壓桿穩定，構件的機械設計加工圖如圖1所示。圖1中的4-M3中的螺絲孔用于制作完成后裝配外殼用。

圖1 傳感器加工圖

2.2 選材

材料選用A3碳素結構鋼。對于傳感器選用的材料首先要考慮的是材料的力學性能問題，A3碳素結構鋼鋼號為Q235[9]碳素結構鋼，Q代表的是這種材質的屈服極限，后面的235是指這種材質的屈服值在235 MPa左右，并會隨著材質的厚度的增加而使其屈服值減小。由于含碳適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，學生在基礎性、驗證性拉伸和壓縮實驗時也接觸過，比較熟識，所以選用A3鋼較合適。彈性模量(E/Gpa)：200～210，泊松比(μ)：0.25～0.33[10-11]。

2.3 橋路設計

在測試中，應變片粘貼在構件上，若溫度發生變化，因應變片的線膨脹系數與構件的并不相同，且應變片的電阻也隨溫度變化而改變，所測得的應變將包含溫度應變；另外實測時，如果構件稍有彎曲，或荷載略有偏心，所測得的應變將包含附加彎曲應變，因此橋路設計的關鍵要素是布片原則與溫度補償。作為傳感器布片原則，要考慮溫度變化產生不可忽略的附加應變和受力時可能產生的附加彎曲應變。所以只有合理的布片與正確的溫度補償才能真實反映構件因受力引起的應變。作為學生設計性實驗訓練項目，為了加深其理解，拓寬其思路，應讓學生進行反復的探索和訓練，因此對下面3種方案進行探究，以確定可行的方案。

2.3.1 方案一

如果溫度補償塊在構件外，傳感器布片和電橋連接如圖2(a)所示。

圖2 傳感器布片和電橋連接

設εN為荷載應變，εW為彎曲應變，εt為溫度應變，εds為測量應變，μ為泊松系數，ε1、ε2、ε3、ε4為4個電阻各自產生的應變，假設R1受壓，那么，R1的應變為：

R1：ε1=εN+εt-εW

(1)

由于

ε2=εt；ε3=ε4=0

根據

εds=ε=ε1-ε2+ε3-ε4

(2)

得

εN=εds+εW

(3)

由式(3)可知，這種方案雖然溫度應變消除了，但附加彎曲應變εW沒有消除，因此，該方案不可取。

2.3.2 方案二

溫度補償塊R2在構件上并和R1垂直布置，傳感器布片和電橋連接圖如圖2(b)所示，那么R1、R3和R4應變和方案一相同，這時

R2：ε2=-μ(εN-εW)+εt

(4)

由式(1)、(2)、(4)并考慮到ε3=ε4=0，得：

(5)

由式(5)可知，這種方案雖然溫度應變消除，而且電橋靈敏度也提高了(1+μ)倍，方案二比方案一雖稍好，但附加彎曲應變εW沒有消除，因此還是不能采用。

2.3.3 方案三

在圖1構件上的前后兩對稱平面的彈性敏感部位的縱向和橫向各對稱粘貼上4個電阻應變片，其中R1和R2在正面，R3和R4在反面，布片方法如圖3所示。并將4個電阻應變片采用全橋連接，傳感器電橋接線如圖4所示。

圖3 傳感器布片方法

圖4 傳感器電橋接線

當構件受圖3所示的壓力時，設貼應變片R1和R2的平面(正面)是壓縮邊，貼R3和R4的平面(反面)是拉伸邊

R1：ε1=εN+εt-εW

(6)

R2：ε2=-μ(εN-εW)+εt

(7)

R3：ε3=εN+εW+εt

(8)

R4：ε4=-μ(εN+εW)+εt

(9)

由(2)、(6)、(7)、(8)、(9)得

(10)

由(10)的關系式可知，這樣的布片和電橋連接，它們的溫度影響自動抵消，而且還排除了彎曲的影響，并且又使電橋輸入的靈敏度提高了2(1+μ)倍。因此，方案三可行。

3 原理分析

由圖3可以看出，當構件受力時，構件產生形變，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的電阻值發生改變，從而使加在4個電阻連接成的測量電橋上的電壓UBD(如圖4所示)發生變化，它們的關系式為

式中U為電壓，K為電阻應變片的靈敏系數，ε1、ε2、ε3、ε4為4個電阻各自產生的應變，這些應變和UBD成線性。應變片在受力時產生(ε1-ε2+ε3-ε4)的阻值變化通常較小，這時把應變片以全橋的橋路方式連接到電阻應變儀上，由應變儀表放大器進行放大，利用電阻應變片作為傳感元件，將構件的應變量轉換成應變片的電阻變化量[12]，達到壓力測量的目的。

4 實驗研究

(1) 貼片。敏感部位的尺寸高為22 mm，寬為8 mm，應變片可選用5 mm×3 mm。將試件待貼位置用砂紙打成45°交叉紋，用丙酮洗干凈后按圖3布片圖用鋼筆畫方向線和對中軸線，用502膠將應變片對稱貼于構件的前后兩對稱平面上，其中R1和R3為軸向(縱向)，R2和R4為橫向，然后再做焊接、防潮等。

(2) 彈性模量、泊松系數和屈服極限的測定。用預選準備好的另外一個試樣通過萬能試驗機和電阻應變儀測定。先測試構件是否穩定平衡，用2 kN以下的力進行3次加卸載試驗，觀察應變能否恢復到原來的位置，然后再進行測試。測得彈性模量為200.36 Gpa，泊松系數為0.26，屈服極限為239 MPa。

(4) 實驗測試。把應變片按全橋方式接到電阻應變儀上，將構件放在自行設計好的反力架下固定，裝上電子秤，對試件給予同一增量的載荷進行加載。加載的最大載荷不超3 kN, 以保證構件在彈性范圍內加載。數據記錄如表1。

表1 實驗數據和理論計算 kN

在表1中由加載輸出和卸載輸出的數據可知構件為穩定平衡，而且表中數據也完全符合軸向拉伸和壓縮的結論，試件沒有附加彎曲變形，相對誤差遠小于10%，達到了理論和實踐相互驗證的教學目的。

5 結束語

電阻應變式壓力傳感器的設計與實驗研究，是“知識與行動”的統一，是以目標性與操作性有機結合的系統學習過程，學生通過3種不同溫度補償的設計方案的體驗探索和實驗研究，最終能使學生把握電阻應變測量技術 與傳感器知識，實現了知識向能力轉化，培養了學生的工程素質和創新素質，提高了學生分析問題和解決問題的能力，符合創新、創業教育呼喚“實踐教學與能力為本” 的指導思想。

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