謝 靈，岑羽喬, 方 舒，林長(zhǎng)生, 劉 健，林金城，龔開霞，劉子煜

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006，China)

1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

從人才能力結(jié)構(gòu)的組成來(lái)看，基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶[1]，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生在扎實(shí)的理論基礎(chǔ)上拓寬知識(shí)面，培養(yǎng)較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和分析、解決問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2-4]是對(duì)理論知識(shí)和原理的應(yīng)用，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)、創(chuàng)新能力、科研能力的培養(yǎng)具有獨(dú)特的作用。知識(shí)在應(yīng)用中才能存在，在應(yīng)用中才有價(jià)值[5]。為了讓學(xué)生掌握好電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù)與傳感器知識(shí)，提出了以壓力傳感器為載體的一項(xiàng)實(shí)踐性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生去體驗(yàn)、去探索，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化[6-8]，并使這種轉(zhuǎn)化和體驗(yàn)運(yùn)用到日后的實(shí)際工作中去，從而為日后的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)帶來(lái)最優(yōu)的個(gè)人業(yè)績(jī)。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)機(jī)械加工圖

傳感器構(gòu)件首要考慮的是彈性敏感問(wèn)題。由于作為傳感元件的電阻應(yīng)變片的尺寸可以很小，最小標(biāo)距可為0.2 mm，可粘貼到構(gòu)件的很小部位上以測(cè)取局部應(yīng)變，因此為了增加構(gòu)件的彈性并考慮到壓桿穩(wěn)定，構(gòu)件的機(jī)械設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)鋼。對(duì)于傳感器選用的材料首先要考慮的是材料的力學(xué)性能問(wèn)題，A3碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號(hào)為Q235[9]碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q代表的是這種材質(zhì)的屈服極限，后面的235是指這種材質(zhì)的屈服值在235 MPa左右，并會(huì)隨著材質(zhì)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(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，學(xué)生在基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)也接觸過(guò)，比較熟識(shí)，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(shè)計(jì)

在測(cè)試中，應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件上，若溫度發(fā)生變化，因應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)與構(gòu)件的并不相同，且應(yīng)變片的電阻也隨溫度變化而改變，所測(cè)得的應(yīng)變將包含溫度應(yīng)變；另外實(shí)測(cè)時(shí)，如果構(gòu)件稍有彎曲，或荷載略有偏心，所測(cè)得的應(yīng)變將包含附加彎曲應(yīng)變，因此橋路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素是布片原則與溫度補(bǔ)償。作為傳感器布片原則，要考慮溫度變化產(chǎn)生不可忽略的附加應(yīng)變和受力時(shí)可能產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)變。所以只有合理的布片與正確的溫度補(bǔ)償才能真實(shí)反映構(gòu)件因受力引起的應(yīng)變。作為學(xué)生設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目，為了加深其理解，拓寬其思路，應(yīng)讓學(xué)生進(jìn)行反復(fù)的探索和訓(xùn)練，因此對(duì)下面3種方案進(jìn)行探究，以確定可行的方案。

2.3.1 方案一

如果溫度補(bǔ)償塊在構(gòu)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(shè)εN為荷載應(yīng)變，εW為彎曲應(yīng)變，εt為溫度應(yīng)變，εds為測(cè)量應(yīng)變，μ為泊松系數(shù)，ε1、ε2、ε3、ε4為4個(gè)電阻各自產(chǎn)生的應(yīng)變，假設(shè)R1受壓，那么，R1的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

R1：ε1=εN+εt-εW

(1)

由于

ε2=εt；ε3=ε4=0

根據(jù)

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(yīng)變消除了，但附加彎曲應(yīng)變?chǔ)臰沒(méi)有消除，因此，該方案不可取。

2.3.2 方案二

溫度補(bǔ)償塊R2在構(gòu)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(yīng)變和方案一相同，這時(shí)

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(yīng)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(yīng)變?chǔ)臰沒(méi)有消除，因此還是不能采用。

2.3.3 方案三

在圖1構(gòu)件上的前后兩對(duì)稱平面的彈性敏感部位的縱向和橫向各對(duì)稱粘貼上4個(gè)電阻應(yīng)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(gè)電阻應(yīng)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(dāng)構(gòu)件受圖3所示的壓力時(shí)，設(shè)貼應(yīng)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(guān)系式可知，這樣的布片和電橋連接，它們的溫度影響自動(dòng)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(dāng)構(gòu)件受力時(shí)，構(gòu)件產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生改變，從而使加在4個(gè)電阻連接成的測(cè)量電橋上的電壓UBD(如圖4所示)發(fā)生變化，它們的關(guān)系式為

式中U為電壓，K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，ε1、ε2、ε3、ε4為4個(gè)電阻各自產(chǎn)生的應(yīng)變，這些應(yīng)變和UBD成線性。應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生(ε1-ε2+ε3-ε4)的阻值變化通常較小，這時(shí)把應(yīng)變片以全橋的橋路方式連接到電阻應(yīng)變儀上，由應(yīng)變儀表放大器進(jìn)行放大，利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，將構(gòu)件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片的電阻變化量[12]，達(dá)到壓力測(cè)量的目的。

4 實(shí)驗(yàn)研究

(1) 貼片。敏感部位的尺寸高為22 mm，寬為8 mm，應(yīng)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(duì)中軸線，用502膠將應(yīng)變片對(duì)稱貼于構(gòu)件的前后兩對(duì)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(shù)和屈服極限的測(cè)定。用預(yù)選準(zhǔn)備好的另外一個(gè)試樣通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和電阻應(yīng)變儀測(cè)定。先測(cè)試構(gòu)件是否穩(wěn)定平衡，用2 kN以下的力進(jìn)行3次加卸載試驗(yàn)，觀察應(yīng)變能否恢復(fù)到原來(lái)的位置，然后再進(jìn)行測(cè)試。測(cè)得彈性模量為200.36 Gpa，泊松系數(shù)為0.26，屈服極限為239 MPa。

(4) 實(shí)驗(yàn)測(cè)試。把應(yīng)變片按全橋方式接到電阻應(yīng)變儀上，將構(gòu)件放在自行設(shè)計(jì)好的反力架下固定，裝上電子秤，對(duì)試件給予同一增量的載荷進(jìn)行加載。加載的最大載荷不超3 kN, 以保證構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)加載。數(shù)據(jù)記錄如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算 kN

在表1中由加載輸出和卸載輸出的數(shù)據(jù)可知構(gòu)件為穩(wěn)定平衡，而且表中數(shù)據(jù)也完全符合軸向拉伸和壓縮的結(jié)論，試件沒(méi)有附加彎曲變形，相對(duì)誤差遠(yuǎn)小于10%，達(dá)到了理論和實(shí)踐相互驗(yàn)證的教學(xué)目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

電阻應(yīng)變式壓力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，是“知識(shí)與行動(dòng)”的統(tǒng)一，是以目標(biāo)性與操作性有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生通過(guò)3種不同溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案的體驗(yàn)探索和實(shí)驗(yàn)研究，最終能使學(xué)生把握電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù) 與傳感器知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新素質(zhì)，提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，符合創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)教育呼喚“實(shí)踐教學(xué)與能力為本” 的指導(dǎo)思想。

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