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应变计的应用

  通过仔细选择和使用应变计,可以保证这种困难的测量得到良好的结果。

  要点

  应变计的制造可以采用金属箔、硅或压敏电阻材料。
  应变计提供电阻值变动小,因此可用于桥式结构。
  制造一只应变计的最后一步是将其粘到部件上。
  注意部件内的残余应力。这些应力会在轻载下造成灾难性的故障。
  应变计放大器很昂贵,因为它们难以制造。须有充分理由才可设计自己的桥式接口电路。
  好的测量要花数周时间,而不止数小时。

  应变计是很多种类传感器包括压力传感器、称重传感器、转矩传感器以及位置传感器等使用的基础检测元件。大多数应变计都是箔片型,有各种形状和尺寸选择,满足各种应用(图1)。它们由安装在支撑材料上的一种电阻式箔片结构组成。其工作原理是:当给箔片施加应力时,箔片的电阻会按一定的规律改变。箔片规有最高的精度,但它们也很贵,会产生难以放大的小信号。应变计也可以是硅的,它采用薄膜半导体工艺,将金属沉积在硅片芯上。这种芯片通常是一种MEMS(微机电系统),构成能响应压力变化的可弯曲膜片。承载膜片结构的同一个硅芯片中也可以有对输出作放大和线性化以及对温度效应作补偿的电路。


图1,最常见的应变计类型是用金属箔制造的(MFL公司提供)。

  通过测量应变,工程师可以推算出材料的强度,这是一个重要的因素,因为应力决定了一种部件是否会弯曲或断裂。应力也可以表示出一个承压弯曲薄膜后面的液体压力。应变计的一个有趣应用涉及弯曲:可以将一块PCB(印刷电路板)真空吸附在一台测试设备上,测量其柔性。如果电路板弯曲过度,则焊点会断裂。National Instruments公司的数据采集产品经理Swapnil Padhye称,建立一块有应变计的样板,就可以确保你的电气测试不会降低电路的可靠性(参考文献1与参考文献2)。


图2,这款Mettler Toledo秤拥有一个精密的称重传感器,以及用于线性化和校准的内存。

  称重传感器中的应变计用于精密地测量力、监控力矩或压力(图2)。它们适合于测量天平、容器与车辆中的重量,以及工业加工中薄膜与条带的张力。应变计可以通过压力的增量推算出管道内的压力,确保用于食品加工等应用的管道内部清洁。安装在料斗和箱体承载轴承上的应变计用于工业加工。不过,Hardy Instruments公司首席技术官Dave Cornwell表示,如果要测的是质量而不是重量,就必须知道当地的地心引力才能作精确的转换。应变计亦用于工业、医疗和科研设备。测得应力的变化可能有缓有急,如引擎连杆上的循环力,连杆转速有每分钟数万转。

  机械工程师对应变计的需求就像电子工程师对示波器探头的依赖一样。两类群体都必须对仿真进行验证,无论是有限元机械模型还是Spice电气模型。机械工程师可以用应变计收集他们正在设计的部件与结构在真实世界中的数据。另外,应变计一般也是设计中的永久性部分,如用于监控跨河支架桥应力的应变计。

  这些应变计并不是测量应变的唯一方式。例如,你可以做一个部件的环氧塑料模型,将其加热,加载,使之冷却,然后用偏振光照射它。光线产生的彩色条纹就对应着塑料中的应变。普林斯顿教授Robert Mark采用这种方法对哥特大教堂的飞拱作建模。这一工作能揭示出为什么它们可以保存数世纪之久:飞拱处于纯压状态,即到处都受压力,承受所有的风荷与雪荷。如果在这些飞拱上有任何张力,则它们就会掉落,因为它们不过是堆起的石块(参考文献3与图3)。另一个测量应变的方法是采用StressCoat,这是工程师Greer Ellis于1942年在应变计制造商Magnaflux公司供职时发明的一种脆性漆(参考文献4)。用这种方法时,将部件涂上这种漆,为部件施加设计负荷,然后观察涂层的爆裂情况。StressKote公司在出售一种类似的产品。有些工程师可能不考虑这种方法,而是依赖于计算机仿真和FEA(有限元分析)方法。不过,比起计算机屏幕上的漂亮图像,还是实际部件的真实负载更让人放心。


图3,用偏振光照射一个受应力的塑料,就可以看到材料内的应变样式。条纹越靠近,该点的应变就越高(普林斯顿大学Robert Mark提供)。

  Vishay公司开发了另外一种新颖的方法PhotoStress,它将StressCoat的直观性与偏振光观察的灵活性结合起来。该方法用偏振光照射一个专利的光学薄膜。薄膜包围在部件轮廓上,施加设计负荷,然后用偏振光照射部件,就可以看到部件内的应变形式。偏光器上的光换能器也能对应变作量化测量,Vishay等公司提供可用作铸模轮廓片的液体感光涂料。

  工程师们在使用应变计时最大的问题之一是存在着太多的不可控变量。制造商用电压表和光传感器就可以进行大多数精密控制;你所要做的只是将电压探头连接到电路上,或让光线照射到传感器。然而在进行应变计测量时,必须首先从成百上千种型号中选择一款,选定其位置,对表面作处理准备,并将应变计与要测量的部件粘接起来,还要在应变计和测量放大器之间建立连接。不过搞明白这些过程并不表示麻烦就结束了。你还需要确认处于应变计的温度范围内,线性化应变计的输出,并且完全知道所要测量部件中应力与形变之间的关系,这是基本的要求。


图4,这款rosette型应变计有三个元件,一次能测量三个方向上的应变(MFL公司提供)。

  另外还有一个问题,有些材料(如玻璃纤维和碳纤维)是各向异性的,即不同测量方向上特性有差异。在这些情况下,纤维通常是沿某个方向排列,应力与形变之间的关系取决于施力的方向以及材料内各方向上的相互作用。当你开关百叶窗时就可以看到这种效应。在这个过程中百叶窗不会受损,因为其上几乎不存在压力。在膝盖上弯折这些百叶窗就会发现它一种较不容易弯曲的结构,如果使其应变量过大,则可能产生灾难性的后果。你可以用“rosette”应变计评估各向异性材料的应变,它能让你同时测量两个或三个方向上的应变(图4)。

  另外一个不可控的棘手变化因素是待测部件中存在的捕获应力(captive stress)。也许你能回忆起静力学和动力学课程中那种两端都不连接的桥。数学计算无法解算一个约束条件过多的系统。你面临的问题与应变测量时相同。将部件用螺栓拧到位,然后用扳手调整校准,这些动作会在部件中产生相当多的应力与形变。如果再将应变计粘在部件上,输出会显示零应变,然而部件可能已接近崩溃,或已在加力定位时被弯折。Hardy的Cornwell说:“对于精密的测量来说,仪器很重要,但承载它的钢或铝更重要。 ”为避免线性度和滞后问题,Cornwell建议采用特种合金,并在加工后作热处理,以释放由于机器运转而产生的局部应力。应变计还会均化区域的应变。靠近应变计的一个孔洞会产生一个有大形变的应力聚集,但应变计会用其剩余长度上的应力均化这种集中应力,给出一个较小的形变值。Vishay公司高级应用工程师Tom Rummage称:“你需要选择一种长度适合于应变区或应变集中区的应变计。”

  还会发生更微妙的问题。例如,一个铸件的外层可能先固化。然后当部件内部固化时,部件冷却会产生残余应力。你要知道,任何有表面应力的模压、焊接或机制部件都有内部静压,它远远大于可以忽略不计的二次或三次效应。你必须像往常一样做实验并搜集数据。Rummage说:“应力不可能存在于一个自由边界上。放置应变计,使其三只元件离打算钻孔的位置有一段距离。当你钻孔时,就建立了这个自由边界。如果孔朝内塌陷,就是有压力。如果它朝外张,就是有张力。了解了应变计三只元件及其相互间的角度关系以后,就可以计算出部件中的残余应力。”通过验证一只部件内部的残余应力,就可以设计出一种调整它们的方法。这种方法可能是进行热处理,采用不同的铸压合金,或做一组测量证明部件中任何地方都不存在接近弹性极限或疲劳破坏指标的应变。要确保多次铸造、不同工艺或新供应商不会造成内部应力的变化。不过,即使有变化,设计也完全可以被接受,因为预应力混凝土就是要靠预先存在的内部应力,才能满足设计负荷。


图5,此款应变计放大器价格为1149美元,提供24位的测量精度、激励、桥接等其它特性(National Instruments公司提供)。

  你必须了解正在测量的静态负荷与动态负荷。选择一个能测预期应变的应变计,但也要考虑到冲击负荷以及冲力作用和材料上点负荷。还必须确保静电放电不会损坏传感器的电路。Hardy的Cornwell称:“通常情况下,所有都是按CE设计的,基于人体模型。但在工厂中,你会有叉车模型。当人在叉车周围活动时,他可能遭遇到比CE规定值高得多的电压。”Cornwell解释说,当操作员把一个托盘降到台秤上时,叉车叉臂会跳出巨大的电弧。如果操作员没有使用接地带,则返回地的唯一路径是通过称量元件和应变计的线路。另外,如果使应变计过多地工作在超量程状态下,也会导致疲劳损坏。另外还要记住,材料的弹性系数在压力和张力下可能会有变化。这不是一种常见的问题,但显然一名好的应变计工程师必须懂得机械、材料、物理以及实验理论。

  由于你所采用的步骤与设计可能对应变计测量的有效性产生很大影响,把应变计供应商的应用工程师纳入到项目中会是一个好主意。你可能对在应用中采用供应商的应变计有所顾虑。有些供应商(如Omegadyne公司)可以解除这些顾虑:他们将自己工程师多年累积的经验提供给你。Omegadyne公司设计与制造工程师William Hamilton称,该公司可以在两周内为你定制设计出一款应变计。

  不要低估应变计测量的重要性:当然你可以随便将应变计置于某个部件上,然后在一小时内就获得答案,但它却是错误的。如果急于求成,采用五分钟就能固化的环氧树脂粘接应变计。这种快干树脂不仅会释放出热量,固化时还会收缩。这样就会给应变计施加应力,于是产生错误的读数。同样,不能够将箔片应变计用一大坨环氧树脂胶固定,因为箔片应变计与部件表面之间的距离会产生相当大的误差。你要测量的是部件的应变,而不是部件与应变计之间1/8英寸环氧树脂胶的形变。

不要作仓促的测量,而要用一系列实验证明应变计选择与安装的有效性。Omegadyne公司OEM销售经理Rob Carney表示:“我们客户遇到的最大问题是正确选择应变计。精度、稳定性、温度范围、延伸率以及测试周期等都是重要的因素。 ”一旦安装好了应变计,要确认当消除了应变时,仪器总是能回零,保证没有迟滞,并且有良好的可重复性。应将这些测量关联到NIST(美国标准与技术研究院)标准,然后着手测量。应变计本身一般是要支付的最小成本。较多的成本体现在安装上和确定应变计的特性上,以及用于记录结果的电路与测试设备上。因此,采购一个应变计调整系统可能好于自己作电路设计。

  应变的基础

  为什么应变计会这么复杂和昂贵,要理解这点必须懂得其基础知识。一个微应变(microstrain)是一个应变计电阻值百万分之一的变化,这意味着,桥接因数为2、1V的电压激励的每个微应变是0.5 μV。Vishay公司的Rummage称:“以一根15.8英里长的绳子为例。如果将绳子拉至一个微应变的均匀形变,则这个形变为1英寸。如果没有仔细作表面处理,这百万分之一的应变就不可能实现。”一些缺乏经验的工程师和学院研究人员会尝试用欧姆表作测量,但他们很快就发现获得的数据是不可用的。为了让应变的小变化量成为传感测量中大百分比的变化,有经验的工程师会将应变计做到一个惠斯通桥中,这是一种四电阻设备,它可以消除误差,使应变的变化成为传感器输出上的一个大百分比变动。更好的办法是,如果沿正确的方向使用四只应变计,则能获得四倍的信号波幅与灵敏度。为了推算电阻的变化,要为桥提供AC或DC的激励电压。AC方案有某种优点,如可以消除焊接应变计箔片的引线材料的热电偶效应。当桥的激励改变时,这些热电偶不会改变电势,因此在使用同步解调方法,从AC信号中提取出DC值时,就可以去除DC误差。

  由于运算放大器的改进,不再需要四应变计的全桥作测量。替代的是一种四分之一桥的结构,它只有一个有效应变计,用三只无源电阻来完成整个桥。另外,还可以用一支路中有两个应变计的半桥。这种方案可抵消应变计的温度系数。然后用两只无源电阻补足成全桥,两只电阻也具有相同的温度系数。桥结构可确保应变计的温度系数与无源电阻的温度系数成比例并相互抵消。采用某些放大器时,甚至不需要安装第二只应变计就能测量形变。你只需要用一个“哑”应变计作为一只无源电阻,只要它的温度与有效应变计相同。

  虽然抵消应变计材料的温度系数很重要,但也必须处理一种更基本的温度补偿问题。待测材料有一个热膨胀系数,意味着当你加热材料时,它会膨胀,粘在样品上的应变计也会沿材料而延长,产生一个错误的输出。于是,虽然材料中并没有应变,你的应变计也会产生输出。为避免这一问题,要仔细选择应变计的材料,使之与准备测量的材料有相同的膨胀系数。应变计制造商会做出大量的有各种正、负膨胀系数的产品,解决这种温度问题。在碳纤维或其它各向异性材料中,每个方向上的热膨胀系数可能不同。

  National Instruments公司的市场开发经理David Potter说:“应变计在电阻上变化很小,因此产生的电压也很小。SNR可能相当低,这取决于你使用的位置、环境以及导线长度。”从没有激励的应变计获取数据可能是一个好主意。这种方法可以让你测量噪声,因为应变计在无激励时没有有效输出。现在你可能明白为什么应变计放大器是一种昂贵而专用的设备了(图5)。它必须对完成、激励和调零电桥,测量小信号,抑制噪声,为模数转换提供抗混叠滤波器,并缓冲输出以减少进入信号路径的噪声。顶级仪器还可以提供分路量程(shunt range)校准和远程检测功能,即采用一对独立的引线,确保对桥电压的精密控制。如果仪器可以激励一个AC桥,则仪器还必须能够对激励作检波,得到DC信号。如果边上有一位正在打手机的实验技师,可能造成无法解释的传感器信号。Vishay公司的Rummage称:“你可以将放大器处的引线屏蔽接地,而让部件处开路。这是最普遍采用的方法。”

  Rummage还建议说,如果你的设计有噪声问题,那么就将部件处接地,而让仪器这边的屏蔽开路。你可能还想尝试将电缆屏蔽层两端都接地。与应变计的安装与选择一样,测量也必须尝试去控制所有变化因素。一旦选定了某款应变计,并将其连接到放大器上,就必须控制测量环境,或至少要进行能得到良好数据的实验。要将应变计和放大器都保持在各自规定的温度范围内。

  很多地方都会产生误差与非线性,从而降低测量精度的等级。要经常进行受控校准。如果可以用昂贵的称重传感器和经NIST认证的放大器来验证应变计的读数,就可以在各种温度、湿度和任何可能影响所测材料的条件下进行测量。一旦有了这些数据,就可以在软件中校准应变计的原始读数,这些软件如The MathWorks公司的Matlab或National Instruments公司的LabView。在测量前和测量后都作一次校正,以确认没有损坏应变计、固定胶或待测部件。校正工作能抵消掉大多数二阶或三阶影响,如箔片应变计的横向灵敏度。横向灵敏度的产生原因是箔片应变计无法抑制与之垂直方向上的所有应变。


图6,这个应变计电路可以检测身体内血液的流动,以及精确到0.01 lb的体重(Linear Technology公司提供)。

  Linear Technology公司与Analog Devices公司都能为工程师提供资料,使他们有足够的勇气设计出自己的桥式激励与放大电路(参考文献5与参考文献6,图6)。如果你正要做一种需要应变计的低价产品,就可能不得不自己设计电路。对于那些应变测量是产品开发周期一部分的工程师,应依靠于一些专业的测量公司,如Omega、Vishay和National Instruments。记住:测试设备与电路都无法补偿错误选择或安装的应变计。要选择适当的应变材料和型号。然后,决定是采用全桥、半桥还是四分之一桥结构。选择正确的安装位置与环氧胶。注意那些可能会使你的测量变得毫无意义的捕获应力。然后,确认应变计信号进入了放大器。可能情况下,将仪器的引线与应变计焊在一起。任何非镀金的连接器都会造成测量的总误差。要采用一级测试设备,并了解桥式测量电路的设计原理。经常对自己的系统作校准,确认FEA与真实世界中应变测量的匹配。

  电子工程师与机械工程师都对计算机仿真抱有过份的信任,他们认为计算机不会犯错。FEA工程师通常会坚信仿真是准确的,结果却会发现部件中的捕获应力或仿真中的网格选择失误会得到错误的结果。Vishay公司的Rummage表示:“很多人都相信,一个有限元模型能告诉他们应变的方向和大小。实际上这些是他们做的假设,必须作验证。”如果你小心地作测量,并且了解有关应变测量的方方面面,你就应坚持自己反对仿真的立场。

参考文献

1. IPC Association Connecting Electronics Industries/JEDEC (Joint Electron Device Council)-9704, “Printed Wiring Board Strain Gage Test Guideline,” June 2005.
2. Padhye, Swapnil, “Using IPC/JEDEC-9704 & 9702 Standards for Strain Gage Testing of Your Printed Wiring Boards,” National Instruments.
3. Mark, Robert, Experiments in Gothic Structure, MIT Press, April 1982, ISBN-10: 0-262-13170-6, ISBN-13: 978-0-262-13170-4.
4. Ellis, Greer, “Method of Determining Strain Concentration in Rigid Articles,” US Patent Office, Sept 8, 1942.
5. Williams, Jim, “Bridge Circuits: Marrying Gain and Balance,” Linear Technology Corp, Application Note 43, June 1990.
6. Kester, Walt, “Practical design techniques for sensor signal conditioning,” Analog Devices Corp, 1999.

(来源:网络)

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