时间：2023-05-29 17:58:49
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电阻应变片，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
1电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和测量电路三部分组成,其工作原理是:被测负载作用在弹性感压装置上使其发生弹性形变;通过粘性物质使粘贴在感压装置上的电阻应变片发生形变,进而转化成应变片的阻值大小变化;通过测量电路将电阻应变片的阻值变化,转化为与负载成正比的电信号输出,电阻应变式传感器的输出电压与激励电压和传感器形变量成线性关系。
2电子天平的硬件设计
基于电阻应变式传感器的电子天平的结构框图如图(1)所示。
图(1) 电子天平的结构框图
电子天平在硬件上还包括水平调节、防风防震等辅助装置,这些在图(1)中并没有画出来。
2.1 系统的工作过程。电阻应变式传感器输出信号很小,系统中使用了两级运算放大电路,第一级选用仪表放大器AD620,AD620 是一种闭环、差动输入的运算放大器,线性度好,增益设定方便,共模抑制比高,直流漂移小,它往往用来精确放大载于高共模电压上的小差动信号;第二级运算放大电路采用低失调精密运算放大器OP07,OP07 输入失调电压只有10uV,偏置电流700pA,温漂200nV /℃,适合作二级精密放大。以上两级放大电路均采用±12V 双电源供电,以提高系统精度;称重传感器在供桥电压激励下输出的电压信号经过放大,在进入ADC 转换之前须进行滤波和负压保护处理;A/D 转换器选用了TI 公司生产的Σ-Δ转换器ADS1100,它是一款高精度自校正的差分输入转换器,16 位转换精度,内置可编程增益放大器,可选择1、2、4、8 倍的放大增益,采样速率可在8、16、32、128SPS 之间选取,低功耗电流90uA,SOT23-6 小型封装,ADS1100 的这些优点使得它广泛应用于称重仪表领域。
2.2 比例测量技术。称重传感器的桥式结构决定了其输出与激励电压息息相关,为提高精度须使用高精度的电压源作为激励,此外高精度的A/D 转换也要求使用精密电压源作为参考,若按常规方法考虑,需要两个精密电压源,实现起来难度较大,成本也高,为此我们采用了比例测量技术。所谓比例测量技术,是指ADC 参考电压与称重传感器的激励电压由同一电源提供,如图(2)所示,设ADC 输出为OUT D ,放大电路部分的总增益为A ,结合电阻应变式称重传感器的工作原理,我们有:
可见,采用比例测量方法,ADC 输出只与传感器的应变特性和运算放大电路的总增益成正比,而与ADC 的基准源和称重传感器的激励源都没有关系。
3 软件设计
3.1 电子天平的标定。用标准的重量砝码加载至称重传感器的受载端,读取A/D 转换数据,并记录下对应的标准砝码质量,标定过程中采用往复多次测量方法,即重量砝码加载时采取由小到大再由大到小,多次测量(11 次)再取平均,这样可有效消除测量过程中的人为误差。在对数据进行拟合过程中,为取得更多的有效数字,将砝码重量放大100 倍作为纵坐标,AD平均值作为横坐标,得到标定表达式为:y=0.3714x-3350.0
3.2 系统整体软件设计。系统整体流程如下:系统每次开机须先预热,开始测量后为提高ADC 输出精确度,采用均值移动算法对ADC 采样值进行数字滤波,均值移动滤波将来自输入信号许多点的值进行平均以产生每个点的输出信号,滤波器输入直接取自ADC,在对M 个数据取平均的操作中,最小采样数据和最大采样数据都从数据窗口中被滤除,对剩下的M-2 个数据求平均值。
4 提高系统精度所采取的措施
首先,高精度的模拟电路设计对器件的热稳定性提出了很高要求,因此系统在每次开机后须进行预热,经实验得知,经30 分钟预热后,系统中各器件基本稳定,此后进行测量,测结果比较准确;对系统电源进行了两级稳压,并加滤波电路,消除电源噪声对系统的。
其次,硬件上选用的Σ-Δ 结构ADC 在低更新速率时具有低噪声和高线性度,其噪声整形和数字滤波功能集成在片内;软件设计上采用了均值移动滤波算法提高了ADC 的转换精度,从而提高系统整体的精度和稳定性。最后,系统中存在着模拟信号和数字信号,数字部分的各种脉冲对模拟部分的干扰很大,因此在系统设计中应使模拟部分和数字部分在布局布线上尽量分开,并且模拟地和数字地分离,最后在一点与电源地相接;在每个集成芯片,特别是运放和A/D 器件的电源端配置去藕电容,且尽可能的靠近电源端,引脚尽量粗短。
5 结论
本文所设计电子天平量程90g,测得值与标准砝码对比,部分数据如表(1)所示。经多次实验验证,当称重小于20g 时,最大误差小于0.005g,称重在20g~90g 之间时,最大误差小于0.01g,测量结果稳定时间
6 创新点
在系统硬件结构上采用了比例测量方法,使得A/D 转换结果不受转换器的参考电压以及压力桥激励电压的影响;有效地回避了大部分电压源芯片输出精度和输出功率之间的矛盾,简化了系统的电源电路,降低了系统成本。
参考文献:
[1]苗丽霞.浅析惠斯登电桥在称重传感器中的应用.甘肃冶金,2004,26(4):52-54.
[2]王化祥,张淑英.传感器原理及应用(修订版).天津:天津大学出版社,2001.
[3]马鸿文. 基于AT89C51 单片机的电子计价秤的设计与实现. 微计算机信息,2005.
1、应变式传感器的核心部件是电阻应变片。
2、应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。
3、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件（感知应变）上粘贴电阻应变敏感元件（将应变转换为电阻变化）构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式传感器可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。
（来源：文章屋网 ）
应变式称重传感器，1938年美国加利福尼亚理工学院教授E・Simmons（西蒙斯）和麻省理工学院教授A・Ruge（鲁奇）分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，以他们名字的字头和各有二位助手命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产.1940年美国BLH公司和Revere公司总工程师A・Thurston利用SR一4型电阻应变计研制出圆柱结构的应变式负荷传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式负荷传感器的创始者.
1973年美国学者霍格斯特姆为克服正应力负荷传感器的固有缺点，提出不利用正应力，而利用与弯矩无关的切应力设计负荷传感器的理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型负荷传感器.打破了正应力负荷传感器的一统天下，形成了新的发展潮流.这是负荷传感器结构设计的重大突破.
1974年前后美国学者斯坦因和德国学者埃多姆分别提出建立弹性体较为复杂的力学模型，利用有限单元计算方法，分析弹性体的强度、刚度，应力场和位移场，求得最佳化设计.为利用现代分析手段和计算方法设计与计算负荷传感器开辟了新途径.
经历了70年代的切应力负荷传感器和铝合金小量程负荷传感器两大技术突破；80年代称重传感器与测力传感器彻底分离，制定R60国际建议和研发出数字式智能称重传感器两项重大变革；90年代在结构设计和制造工艺中不断纳入高新技术迎接新挑战，加速了称重传感器技术的发展；2000年OIML R60首次引入族和组、分配系数PL范围等新概念.
2 应变式压力传感器原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化.电阻的变化经电路处理后的以电信号的方式输出，这就是电阻应变式传感器的工作原理.
电阻丝应变片一般是粘贴在传感器的弹性体上，当传感器承受压力后，弹性体产生形变，引起粘贴在弹性体上的应变片电阻值变化.在一般情况下，传感器内都是由4个应变片组成一个测量电桥，在大多数的使用情况下，传感器内部4个应变片同时受力，并且在受压形变的作用下，2个应变片阻值增大，2个变小.
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出.因为电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以电桥在称重传感器中得到了广泛的应用.因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥.
3 应变式力学传感器应用实例-电子秤
关键词：高强钢棒异形墩预应力张拉
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1引言
高强钢棒作为新型的预应力钢材，工程实践表明其预应力效果良好。近几年来，许多工程采用高强钢棒作为预应力拉索。如：上海新国际博览中心预应力钢棒抗侧力支撑、深圳游泳跳水馆预应力钢棒拉索、深圳会议展览中心箱形钢梁预应力钢棒下弦等工程中钢棒的应用。这些都预示着高强钢棒广阔的应用前景，对钢棒的理论研究也在蓬勃发展[1]。
该桥桥段3、桥段5桥墩采用变厚度双柱式桥墩，柱顶以横梁连接，桥墩顶截面为平行四边形，底截面为不规则四边形，墩身在横桥向纵桥向皆倾斜，墩身下部设置纵桥向底梁连接墩身，普通钢筋混凝土结构。异形墩桥梁，由于斜置的墩柱和复杂的空间线形，故其几何(变形) 不但关系到结构外观、行车舒适，还直接影响到上部结构受力。为了使桥墩在各个工况下受力及变形均满足设计要求，我们用 Labview 系统软件对钢棒的张拉值进行测定。
Labview是美国国家仪器公司(National Instruments Corp, NI公司)推出的创新软件产品，基于LabVIEW的虚拟仪器是一种计算机仪器系统，即以通用计算机为硬件平台，由用户设计定义虚拟面板，由测试软件实现测试功能。该基础是计算机系统，核心则是软件技术。由此，可通过用户自定义突破传统仪器在数据采集、处理、显示及存储等方面的限制。
2工程概况
该桥与京津塘高速公路K125+970处立交，桥梁范围为：K2+601.556~K3+271.496，长669.94m；桥梁上部结构有：普通钢筋混凝土连续梁4联，预应力钢筋混凝土刚构桥3联，全桥共7联，按照设计文件的定义共7个桥段。
公路桥轴线和分孔线与道路设计线法线斜交，斜交角度-16°。桥段3、5桥墩采用变厚度双柱式桥墩，柱顶以横梁连接，桥墩顶截面为平行四边形，底截面为不规则四边形，墩身在横桥向纵桥向皆倾斜，墩身下部设置纵桥向底梁连接墩身。桥墩墩顶在纵桥向采用高强度钢棒做为拉杆。
3钢棒应变测量原理
3.1电阻应变片及其工作原理
绕线式应变片主要由敏感元件、基底、覆盖层和引出线等几部分组成。
(1)敏感丝栅是应变片的主要元件，一般由康酮、镍铬合金制成；
对材料性能要求：电阻率高、灵敏系数大、线性范围大、电阻温度系数小、易于加工成丝。
(2)基底和覆盖层一般有纸质和胶质；
对材料性能要求：基底和覆盖层起定位和保护应变片几何形状的作用，也起到与被测试试件之间电绝缘作用，因此要求厚度小而机械强度高、绝缘性能好、热稳定性能好、耐腐蚀、抗潮湿、无滞后和儒变现象、稍透明等。
金属应变片的工作原理在于导体的“电阻应变效应”。所谓电阻应变效应是指导体或半导体在机械变形(伸长或缩短)时，该工程应用的是伸长时的应变效应。其电阻随其变形而发生变化的物理现象。
（dD/D:横向应变；DL/L:纵向应变；μ：泊桑比）
上式表明，导体(如金属丝)的电阻应变效应由两方面原因造成，一是由(1±2μ)表达的几何尺寸的改变；一是电阻率也随应变发生变化。这就从机理上对电阻应变效应作了一定的说明。可惜，电阻率ρ到底依什么规律随应变变化，至今尚无圆满的解释。不过，实践表明，值与合金的成分、含杂质情况、加工成丝的工艺以及热处理过程等有很大关系，故各种材料的灵敏系数均由实验测定。
3.2高强钢棒应变测量原理
测量系统根据应变片的测量原理采用应变片单臂半桥的桥路模式进行测量桥路。
R1、R2为平衡电阻；RL为导线电阻，R3、R4为应变电阻，其中ε为由于拉杆变形引起的电阻变化量，VEX为激励电源，在测试系统中，选用3.33V的内置激励电源。根据桥路原理，应变片的变形量为：
式中，GF为应变片的精度系数；RL为导线电阻；Rg为正常的应变片电阻；ν为泊松比；νr为Vch测到的电压变化。
4钢棒安装及张拉过程控制
在施工过程中，由于施工设备、经济条件等限制，采用分批张拉是不可避免的。施工阶段结构的受力体系由于高强钢棒不断的参与工作面发生变化，钢棒中拉力也是不断变化的[2]。为了在钢棒中建立起满足设计的要求的预应力，我们需要在整个结构张拉过程中对其进行监控，以保证各批次的钢棒张拉达到要求的控制力。在充分了解张拉钢棒对结构的影响，以及充分估算了张拉过程中套筒内需要旋紧的距离，在钢棒拼接时留出足够的可调节长度，为后期顺利张拉提供必要的基础和条件。
4.1钢棒安装
（1）在异形桥墩钢筋铺设后进行模板搭设阶段，把两端固定可调节套筒安放到指定位置，模板支设完毕后，浇筑混凝土。
（2）搭设满堂脚手架，待混凝土浇筑完成后养生达到70%强度时， 用吊车把高强钢棒吊装安装就位，拧上中间锁紧套筒，安装工作初步完成。
（3）钢棒安装就位后，检查钢棒中间锁紧套筒是否安装正确，必须在正反牙的套筒内涂抹适量的黄油，以便于拧紧套筒。
4.2钢棒张拉
（1）桥墩混凝土达到可张拉强度时，安装手拉葫芦，将两端分别放置在墩顶处适当的位置上，来调整各分段钢棒因墩身外倾而引起钢棒内部应力变化。
（2）为了克服钢棒因自重引起的下挠，我们用枕木垫块垫在钢棒两侧下方进行水平调整，以便后期张拉。
4.3张拉过程中的控制与检测
（1）张拉时每根钢棒设置一个测试点，张拉前读初读数，然后依据不同的钢棒张拉值不一样，待张拉到设计的张拉值后，停止张拉。
（2）张拉过程中要尽量减少对钢棒本身的扰动，为了避免温度梯度对测试结果的影响，每根钢棒在同一时段张拉完成。
（3）根据测试结果表明，每根钢棒张拉值都达到了设计要求所需的力值，符合设计要求。
5结论
预应力钢棒拼接时，中间的套筒应留有足够的可调节空间，预留长度可以根据施工阶段结构分析估算确定。钢棒的张拉对结构的影响较大，对结构要有充分的了解，通过合理的分析，确定各个批次的张拉顺序，完成张拉工作。
参考文献
李轶.预应力钢棒张拉锚固体系的研究：（硕士学位论文）.南京：东南大学，2004
【关键词】应变电测 传感器技术 应用 发展
现代科学正沿着微观和宏观两个方向发展，两者相辅相成，缺一不可。在工业生产、航空航天、医疗体育等多方面存在着一些大型的设备或产品，其零部件多样、构造复杂，并在一定领域占据着重要的位置，其运行状态和寿命都直接关系着安全生产和经济效益。应力和应变的测试是评价设备状态的重要手段，通过对零部件、结构的受力和工作情况测试，确定应力、应变、位移、力、载荷和加速度等力学参数，从而解决工程结构和机械强度、刚度问题。
1 应变电测技术原理
当被测物产生应变式，电阻应变片的阻值会随之发生变化，电阻应变片测量应变就是基于这个原理，通常电阻应变片测量应变时会搭成桥路连接方式，这样可以消除共模信号，抵消温度系数的影响，增大灵敏度。电阻应变片属于敏感元件，共有基底、敏感栅、覆盖层和引线等四部分所组成。工作时，将电阻应变片附着在被测零件或结构表面上，一旦部件表面由于受力而产生变形，电阻应变片的基底就会立即获取应变信息，并将信息传递给敏感栅，敏感栅在感到应变后，随着部件的变化情况产生相同的变形量，进而导致应变片的阻值产生电学信息，通过电路最终将电学参数换化成应变量表达出来。其中，电阻值的变化与部件的应变量呈正比关系。
2 应变电测与传感器技术的应用
在电工电子技术与信息技术的推动下，应变测量仪器系统也向数字化和计算机网络化方向发展，成为自动数据采集系统，不但较大范畴地提高了测试系统的速度和精度，也将应变电测技术推向了一个全新的发展阶段。应变电测与传感器技术的测量系统通常由应变计、传感器和测试仪器三部分所组成。
2.1 新型特殊电阻应变计
工业技术的迅猛推进，使得应变计品种和规格都得到了较快速的发展。不仅有应用与常温环境下的应变计急剧增加，也出现了一些应用于特殊环境下的特殊应变计。例如，在高温高压下，有时会需要实时了解材料的应变性能，600～ 800密封焊接式应变计、高温900动态应变计等被应用于高温背景下的应变测试。此外还有诸如防水应变计、大应变应变计、低温-269～196应变计、复合材料专用应变计等也逐渐问世。
2.2 应变计式传感器
应变计式传感器品种更为多样，并随着电测与传感器技术的发展和成熟，其性能和质量也得到很大的改善。除各种称重、测力、位移、压力、加速度传感器等外，还有超小型土压力计、倾斜计、裂缝计、沉降计等。值得一提的是，在工业生产中出现了一类新型应变传感器，其外形和弹性元件为变截面圆环形状，该传感器实质上测量基长的变化反映该基长区的平均应变，能代替大基长的电阻应变计，可快速安装在钢或混凝土表面上，并可多次重复装卸使用，其灵敏度比一般应变计高，配合应变测试仪器使用，还可进行无线遥测。
2.3 新型数据采集仪器
面对日益发达的工业生产系统，新的数据采集仪器也需要多方面发展，主要包括两类。一是多功能多通道自动测量的数据采集仪。该类采集仪器能够对应力、应变、温度、电压等多种物理量进行测试，同时还能够与多种类型的传感器并有专用软件进行各种数据采集和处理，与微机组成自动测量分析系统。还有一类是数字动态应变仪，接计算机有专用多功能采集分析软件组成动态数据采集和分析系统，这样使结构等静、动载试验工作提高质量和效率。
3 应变电测与传感器技术在航空航天工程中应用
近年来，应变电测与传感器技术在航空航天工程中所起的作用不容小视，在航空航天工业的发展中往往占据着关键的技术地位。
3.1 飞机发动机叶片动应变测量
在某一型号飞机中涡轮转子叶片在工作时，温度通常在800～900之间，高温900动态应变计便应用机发动机叶片动应变测量中。该机在涡轮转子叶片连续6次台架动测，温度都在800以上的情况下获取了应力应变数据。
3.2 发动机摇臂动应力测试
在某型号飞机发动机摇臂上，采用了SDA-830C动态应变仪，取得了良好的效果。
3.3 发动机导管动应力测试
飞机发动机的导管是发动机供油的主要部件，对导管的应变测试直接关系着发动机的工作状态。通过应变仪监测显示，发动机导管在受到外界干扰下产生的激振反应与导管上下卡箍的位置有直接关系，经过反复试验和动态应变仪器的反复测量，最终得到导管东营利的最大频率，根据试验结果，很好地调整了卡箍的位置，使动应力达到最小。
3.4 发动机矢量喷管主要受力件载荷测量
飞机发动机中轴对称矢量喷管是靠扩张段的偏转来实现发动机排气方向的变换，因此，要真实地掌握矢量喷口上如三角拉杆、导轨等关键件在发动机各种工况下的工作载荷及其变化规律。采用应变电测技术对其关键部件的载荷情况进行测量是可行的，通过在关键件的表面布置应变计，并组成全桥电路，用电阻应变仪测量电桥输出，并提前在试验机上完成标定，最后在工况条件下对发动机矢量喷管的关键受力部件进行实测，可以为发动机的优化减重及可靠性设计提供数据支持。
3.5 模拟返回舱结构.在起吊和运输过程中应力测试
航天员训练中所采用的模拟返回舱，在起吊和运输过程中需要进行必要的应力测试。模拟返回舱一般由复合材料及金属制成，通过有限元法设计计算制成后用应变计及数据采集仪、动态应变仪等分别测量在起吊和运输过程中结构静、动态应力。由于返回舱需要具备相当的强度和高度，因此，必须要保证其应力变化在可承受范围内，应变电测技术在这一过程中的应用至关重要。
4 结论
应变传感器及数字技术的发展，为应变测试提供了更多选择，为航空航天及其它军民产品的结构强度的测试提供了先进手段。通过试验验证和数据分析，为飞机等军民品产品设计及改进改型提供了必须的数据资料。
参考文献
[1]李炳生，李斌，曹文清.电阻应变式传感器在结构试验中的应用新技术[J].结构工程师，2011（S1）.
[2]沈观林.应变电测与传感器技术的新发展及应用[J].中国测试，2011（02）.
[3]刘九卿.应变式称重传感器技术发展概况[A].称重科技暨第八届全国称重技术研讨会论文集[C].2009.
关键词：压力传感器，薄膜，敏感栅
随着社会的发展，信息处理技术、微处理器和计算机技术的快速发展和广泛应用，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。现在非电物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量、称重等技术领域[1]，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。免费论文参考网。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。传感器是信息采集系统的感应单元，所以，它是自动化系统和控制设备的关键部件，作为系统中的一个结构组成，在科技、生产自动化领域中的作用越来越重要[2]。
传感器亦称换能器，是将各种非电量（包括物理量，化学量，生物学量等）按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量（一般为电量、磁量等）的装置[3]，它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路3部分组成，有时还需加上辅助电源。免费论文参考网。其原理如图1所示。
其中：①敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；②传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件，如固态压阻式压力传感器；③测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量；④辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。
国际电工委员会IEC则将传感器定义为测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号[4]。传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测量信号输入的第一道关口。对传感器在技术方面有一定的要求，而同时亦要考虑尽可能低的零点漂移、温度漂移及蠕变等[5]。近年来，传感器有向小型化、集成化、智能化、系列化 、标准化方向发展的趋势[6]。
电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。
压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器[7]。如图2所示，将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，弹性敏感元件将产生应变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。它是目前应用较多的压力传感器之一，因具有结构简单、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。
传统的电阻应变式压力传感器的电阻敏感栅是刻录在一层绝缘脂薄膜上，而薄膜又通过粘结剂粘合到弹性基片上，由于弹性元件与粘结剂及绝缘脂膜之间的弹性模量不同，弹性元件的应变不能直接传递给敏感栅，而是要通过粘结剂、绝缘脂膜才能到达敏感栅，从而产生较大的蠕变和滞后，影响传感器的灵敏度、响应度、线性度等性能。另外，由于粘结剂不能在高温条件下使用，这也使它的应用范围受到限制。
为了消除绝缘薄膜层和粘结剂层对传感器性能的影响，可以尝试采用真空镀膜方法及光刻技术，在弹性元件上直接刻录敏感栅，弹性元件与敏感栅直接接触，以克服常规工艺导致的滞后和蠕变大的缺陷。另外，如果弹性材料和结构选择恰当，还可制成耐高温、耐腐蚀的全隔膜式薄膜压力传感器。
一、器件研制
采用真空镀膜技术在弹性基片上蒸镀一层约300nm金属栅材料的薄膜，用半导体光刻技术，在弹性基片上直接形成电阻敏感栅，最后利用耐高温、耐酸碱腐蚀的环氧树脂粘结剂，将制作好的芯片封装在工件中，组成压力传感器探头。经过热老化、电老化，待封装应力趋于稳定后，进行电性能测试。
在制作薄膜电阻应变式压力传感器中，采用的工艺流程如图3所示。
测小灯泡的额定功率所用的方法是伏安法，正确的实验电路图如图1所示。由于操作不当，常会发生一些故障，现对出现的故障及应对措施作一个全方位的扫描。
1、当连接好最后一根导线，灯泡就亮了。
分析 这是由于开关在连接的时候没有断开。在连接电路时，所有的开关都应断开，当连接完，检查没有问题后方可闭合开关。
2、闭合开关后，灯泡特别亮(或电流表示数较大)。
分析 主要是滑动变阻器的滑片没有放在阻值最大端。
3、无论如何移动滑片，电表的示数不变且灯泡较亮(暗)。
分析 这是滑动变阻器的两个接线柱都接在上(下)面了。
4、无论如何移动滑片，电压表的示数都达不到其额定电压。
分析 灯泡两端的电压不够，说明电源电压不足，电源提供的电压小于灯泡的额定电压。
5、当闭合开关后，电压表有示数，而电流表无示数。
分析 电流表测的通过灯泡的电流，它没有示数，根据欧姆定律，原因有二个：一是灯泡的电压为0：二是电路中的电阻很大。但电压表有示数，故只可能是电路中的电阻很大了。要使电路中的电阻达到一个很大的值，电压表(相当于一个很大的电阻)应串联在电路中，即灯泡处发生了断路。如图2所示。
6、当闭合开关后，电流表有示数，而电压表无示数
分析 电压表测的灯泡两端的电压，它没有示数，根据欧姆定律，原因有二个：一是通过灯泡的电流为0；二是灯泡的电阻为0。但电流表有示数，故只可能是灯泡的电阻为0了。要让灯泡的电阻为0，只能是灯泡处发生短路了，如图3所示。
7、闭合开关后，向右移动滑片，电流表示数变小，而电压表的示数也在变大。
分析 由图1可知，正常情况下，滑片向右滑时，电路中的总电阻变大，总电压不变，电流变小，电流表的示数应变小，电压表测的是灯泡两端的电压，灯泡的电阻不变，电流变小，其示数也应变小。现在电压表示数变大，说明电压表是与滑动变阻器并联了，如图4所示。
8、如果在进行实验时，电流表坏了，没有电流表可换，给你一个已知定值电阻，如何完成实验呢?
分析 当电流表坏了，可利用串联电路电流处处相等的规律来设计实验。如图5，将定值电阻与灯泡、滑动变阻器组成一个串联电路，先把电压表与灯泡并联，调滑动变阻器的滑片，使电压表的示数达到其额定电压UL：保持滑片位置不动，再把电压表与定值电阻并联，测出其两端的电压为UR。根据IL=IR= ，得P额=ULIL=UL 。
9、如果在进行实验时，电压表坏了，没有电压表可换，给你一个已知定值电阻，如何完成实验呢?
关键词：预应力；钢绞线；摩擦系数；确实
中图分类号：TU528．571
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2006)04-0148-02
收稿日期：2006-04-25
作者简介：吴顺利(1968-)，男，湖南邵阳人，工程师，从事施工技术管理。
1 前言
后张法预应力混凝土结构或构件的预应力损失主要包括预应力筋与孔道壁间的摩擦损失、锚固回缩损失、分块拼装构件接缝压密损失、分批张拉时混凝土的弹性压缩损失、预应力筋应力松驰损失以及混凝土收缩徐变损失等，其中以预应力筋与孔道壁间的摩擦损失所占比例最大。在工程实践中，对重要结构或采用新施工方法的结构往往需要通过试验来确定预应力筋的摩擦损失。本文结合三峡工程排砂洞无粘结预应力混土衬砌现场试验，对摩擦系数的确定方法包括应变片的保护方法和实测结果的修正进行了探讨。
2 钢绞线沿程摩擦损失
摩擦损失主要由孔道的弯曲和管道的偏差两部分组成，前者通常称为道摩擦损失，后者为孔道偏差损失。对无粘结预应力筋而言，弯道摩擦损失由张拉时预应力筋内侧的径向垂直挤压力所引起，后者则是由于预应力筋在绑扎时定位不；隹确所导致，有时亦称之为摆动摩擦损失。预应力混凝土梁的预应力筋大多由直线段和曲线段组成，圆环或圆筒形结构的预应力筋则呈曲线布置。取控制张拉力为Ncon时，由于摩擦损失引起的预应力损失为：
Osi=Qcon[1-e-(uQ+kl)]
式中：Qcon――张拉端控制应力；
u――预应力筋与孔壁的摩擦系数；
9――从张拉端至计算截面弯道部分的夹角(rad)；
k――孔道偏差对摩擦的影响系数；
f―从张拉端至计算截面的预应力筋长度(m)。
3 摩擦系数的现场确定方法
无粘结预应力筋由于具有不需预留孔道和回填灌浆、抗腐蚀能力强、抗震性能好、施工简便等优点，已在工程中得到广泛应用。特别是对于预应力筋曲线布置的结构，其摩擦损失小、预应力延程分布均匀的优点应更为突出。工程总长2000m的排砂洞由于采用无粘结预应力混凝土衬砌，不仅使预应力分布更均匀，而且大大加快了施工进度，保证了工程质量并显著降低了工程造价。该工程是我国首批采用无粘结预应力；昆凝土衬砌的水工隧洞，施工前就曾有结构优化设计和材料性能进行了大量试验研究。其中无粘结预应力筋摩擦损失的测定是结合现场1：1结构模型试验进行的，其目的是保证试验条件与施工条件一致性。电阻应变片的布置和保护方法如图1、2所示。
该工程所用的无粘结预应力筋为了中5高强低松弛钢绞线，双圈环绕布置(每根钢绞线的环绕角度为4丌)，采用自补偿式电阻应变片。钢绞线绑扎完成后，按下列步骤进行测试仪器的安装和保护。
3．1准确标出待测位置并小心切除待测位置钢绞线的塑料外包层，切除长度L1(见图2)，为该位置在张拉时可以有发生的位移加上适量裕度。
3．2清除切除段的防腐油脂，粘贴电阻应变片。特别要注意电阻应变片的粘贴位置和方向，若钢绞线在张拉时向左移动，电阻应变片应贴在靠右的位置，其方向则应与钢丝的轴线方向一致。
3．3为避免张拉过程中因钢绞线的移动和转动损坏应变片，应用图2所示的组合防护钢管对所贴应变片进行保护，组合防护钢管由2种直径不同的半圆形钢管组成，内侧钢管的内径应与塑料外包层的外径相同，外侧钢管的内径应与内侧钢管的外径相同。
3．4仔细固定组合防护钢管，引出应变片的导线，导线应在钢管内预留足够长度，然后用胶带进行密封处理，防止混凝土浇筑过程中浆液渗入。
3．5试验时在锁定端安装荷载传感器，用于和电阻应变片测定结果进行比较。
模型混凝土养护至规定龄期后即可进行张拉试验，张拉荷载宜采用分级加载方式，记录对应于每级荷载的应变片应变变化和荷载传感器读数变化。结果如表1所示。
对上述试验结果进行回归分析，得到所用钢绞线的孔壁摩擦系数u=0.032，摆动摩擦系数k=0．0007，均小于规范的建议值(u=0．10，k=0．0035)。
应当指出的是，测定曲线有粘结预应力筋的摩擦损失要困难得多，因为有粘结预应力筋往往成束布置，而每束又由多根钢绞线组成，在张拉过程中钢绞线不仅有沿其轴线方向的移动，而且还有转动和钢绞线之间的相互作用，每根钢绞线所受的张拉力都不可能有完全相同，这样，根据单根钢绞线确定的摩擦损失系数很难与实际情况相吻合。
对试验结果进行分析时，还应注意到所测得的应变变化并非沿受力方向的应变变化，而是沿钢绞线外层钢丝的轴向(应变片沿钢丝轴向粘贴)，由于外层钢丝的螺旋状环绕，使得钢丝长度与钢绞线长度并不相同，因而需要对所测得的应变变化乘一个折减系数p，其值的大小等于钢绞线长度与外层钢丝的长度之比。
4 结语
正确确定预应力筋的摩擦损失，对曲线形布筋的预应力结构设计具有重要意义。在用电阻应变片测定摩擦损失系数时，最重要的是对应变片的保护。张拉过程中预应力钢绞线不仅有沿其轴线方向的移动，而且还有转动，稍不注意应变片就会遭破坏或失效。采用本文所述的保护方法，可以使电阻应变片的成功率和试验结果的可靠性大大提高。
参考文献：
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关键词：静态；应变检测；房屋鉴定；检测
中图分类号：TN934.85 文献标识码：A 文章编号：
在对房屋进行安全鉴定检测的过程中，可能会遇到一些修建时间较长的建筑物，这就会给检测工作造成一定的难度，例如有些房屋的资料一出现缺失或丢失的情况，部分建材的规格号牌和类型难以确定，有些房屋即使使用结构有限元分析软建模计算，也不能鉴定出房屋的受力情况。有些建筑物在进行加固处理之后，在用传统的分析软件对其进行检测，也需要使用应变检测的方式对其进行验证，这样才能保证检测结果的准确性。
一、静态应变检测概述
对房屋安全进行鉴定检测所使用的应变检测器材主要包括：应变仪，导线，电阻应变片等。在选用应变仪进行检测时，通常都会选择动态电阻应变仪或者静态电阻应变仪。应变仪在工作时会运用到惠斯通电桥原理，检测构件上的电阻应变片可以看作电桥的四个臂，根据电阻应变片的具体连接方法，可以使用全桥、半桥和1/4桥进行连接。构件的具体行变量也会根据电阻应变片的情况来反映被检测电阻的实际变化情况。仪器内部根据具体的公式能够计算出房屋构件的应变量，会用到的公式有R1/R2=R4/R3,e=1/4.ΔR/R.E,ε=4e/E.K,其中ε表示的是应变数量，K表示的是比例常数，e表示的是输出电压，E表示的是输入电压。大多数房屋鉴定中对单点应变量进行检测时，一般都会使用1/4桥的连接方法进行测量。
二、静态应变法在房屋鉴定检测中的应用
在房屋的安全鉴定检测中，如果需要检测房屋构件的承载力是否符合安全使用的标准，就需要使用静态应变法对其进行校核。静态应变法是以实荷检验为基础，在检测过程中以设计的需求和房屋构件的具体情况来对构件施加相应的荷载，然后利用应力法检测构件所具有的刚度、承载力和抗裂方面的具体性能。如果只是针对房屋结构的一部分进行试验检测时，应该对比较薄弱的部位和存在问题的部位进行检验。在确定正常使用极限状态试验荷载值时，应该根据房屋最初设计时参照的《建筑结构荷载规范》中所规定的楼面活荷载组合值和房屋使用的具体情况来确定。
三、静态应变测试加载的案例概述
以下以广东省的某商场为例，对房屋改造工程进行分析，由于商场发展的需要，该商场要对房屋进行升级改造，在改造时需要对部分楼板的全房间进行开洞处理，这就会导致周边楼板的边界条件发生一定的改变，在对楼板进行建模验算后能够看出，经过改造的楼板中，配筋的面积出现了不足的情况。在房屋进行纤维布的粘贴加固以后，需要对房屋的加固质量和楼板的具体承载情况是否符合安全标准进行检测。检测的具体方法主要有以下几种：
（一）堆载方法。在使用堆载方法时，应该选用房屋中比较有代表性的楼板，利用均布堆砂法模拟活荷载，并将堆载的最大值设定为1.4倍标准值，并分四个等级进行逐级加载，每级之间的间隔时间为30分钟。我国现有的荷载规范中有对商场楼面荷载的具体要求，楼面标准值为3.5kN/㎡，这就说明，堆载的最大值应该是4.9kN/㎡。
（二）挠度检测法。在检测房屋挠度时，应该在楼板底部跨中位置利用膨胀螺丝固定刚性金属杆件来测定，在测定的过程中，应该保证杆件处于竖直的状态，并让杆件延伸到地面的钢砧，然后利用磁吸座将百分表和金属杆件固定在一起，百分表的上部需要顶着钢砧。在这个环节中，一定要保证钢砧、磁吸座杆件和金属杆件具有足有的刚度，当百分表的读书回到初始值时，接受钢砧检测的楼板不能再增加附加荷载。
（三）应变片测点布置。在粘贴应变片时，应该将其放置在构件应变最大的位置，这样才能显示出构件的变形受力状态，例如可以放置在连续板底边缘受压区或者板底跨中受拉区。
（四）板底钢筋应力分析。在对板底钢筋的应力进行分析时，长向钢筋和短向钢筋需要使用不同的公式进行分析，通过测试分析后可以得出，板底钢筋的应力都比强度设计中的值要小，这就说明，楼板钢筋的应力满足相关要求。纵向和横向钢筋的应力值比较接近，这一特点符合双向板两个方向的理论受力情况。在对混凝土进行应力分析后可以发现，实际测量的楼板混凝土的内应力要比混凝土轴心抗压和抗拉强度的标准值要小，在楼板应变量最大的位置，没有出现楼板裂缝等问题。对混凝土板边界条件进行分析后可以得出，混凝土处于受压的状态，从连续板的受力特点可以看出，该板边界条件为固端，如果混凝土处于受拉的状态，就说明板边界条件为简支。在混凝土构件和碳纤维布协同工作中可以看出，在经过各级加载以后，测量点的拉应变处于相近的状态，这就说明两者之间是处于协同工作的状态，从而证明加固取得较好的效果。在观察第一级加载时，可以利用这一过程来分析，如果碳纤维布的应变比混凝土构件小，就说明胶水不足或者碳纤维布没有平铺，从而使碳纤维布延后接受拉力作用。
四、房屋安全鉴定检测中的注意点
（一）对房屋进行鉴定和对新建建筑物进行鉴定具有一定的差别，在对文物或具有价值的古建筑物更需要注重鉴定的过程，不能因为加载而破坏建筑物。在房屋鉴定中，通常以年代较久或者既定的建筑房屋为主，这就使得构件的承载力有可能减弱，所以在加载极限荷载值时需要根据房屋的实际情况进行加载，如果建筑的使用条件和设计情况已经发生了一定的变化，就需要根据现有的情况和委托方的具体需求来进行加载，如果拟用的荷载值比原有的设计值小，可以适当的对试验荷载的极限荷载进行下调，但降低的范围必须满足安全使用的规定。
（二）在房屋鉴定的加载应变试验中，可能会出现计算应变或挠度比实际值大的现象，这是由于：房屋鉴定中的加载没有实现各跨荷载的最不利分布，或者是由于作用时间较短，没有使构件充分变形。
（三）如果房屋构件的表观出现缺陷时，可以适当的对其增加非等比例的荷载，也就是说加荷载的重量会根据级数的增加而出现递减的情况，这样就能够有效的减少由于荷载接近极限负荷而产生的危险，从而能够提高对房屋危险问题的警惕。同时还需要观察房屋构件接受应力最大的部位是否存在异常，或者现在已经存在的缺陷能否加重，如果有异常情况发生，应该立即停止试验，并撤掉对房屋施加的荷载。
总结：
房屋安全鉴定检测中使用静电应变法能够真实而准确的反映出构件在模拟加载中的形变和应变，也能够对计算中较为复杂的问题进行验证，从而为房屋的安全使用提供了准确的依据。
参考文献：
[1] 崔飞，袁万城，史家钧.基于静态应变及位移测量的结构损伤识别法[J].同济大学学报，2000（1）.
摘要：
在光电子器件封装中，光纤组件和阵列波导芯片之间微小位移的检测对封装效率有很大的影响。分析了目前光电子封装存在的问题，并对几种位移测量方法进行了比较，提出了基于电阻应变式一维位移传感器结构。首先，对位移传感器结构进行了理论上的分析，得到了微位移与应变的关系式；然后，采用ANSYS有限元分析软件对传感器的结构的进行仿真分析，得到位移与应变之间的仿真值；最后，把理论上的分析值与仿真得到的结果进行比较分析。结果表明，新型传感器能够检测微米级位移，通过优化弹性薄片的结构和改变施力点的位置，可以有效的提高传感器的灵敏度。
关键词：
光电子器件；传感器；ANSYS有限元分析；微位移
1引言
集成光电子技术是光纤通信的基础，其显著提高了光信息处理速度和容量，是支撑下一代光纤通信快速发展的关键器件［1］。而光电子封装是制约光电子器件发展应用的一个瓶颈［2－3］，目前的封装方法主要是采用机器视觉进行观测，并估算出相对间隙，这种方法存在以下两个问题：1）因为光学本身的原因，视觉系统本身的分辨率低，精度不够；2）视觉系统检测属于间接性的测量，无法实时的完成分析检测。因此，研究耦合界面接触时产生的微位移，对于光电子封装的效率具有重要意义，一方面可以提高了耦合封装时端面的对准精度；另一方面也可以与运动构成闭环控制，对于提高光电子封装的性能和后续封装速度具有促进作用。可见，在光电子器件中对微位移的检测是至关的重要，为了更好地实现微位移测量的实际需要，近年来也发展出了各种类型的位移传感器，比如电容位移传感器［4］，具有结构简单，分辨率高、动态反应快等特点，但是其存在寄生和分布电容、存在非线性误差等影响测量精度；电感位移传感器［5］，具有灵敏度高、测量范围广、抗干扰能力强等优点，但是其频率响应低，制作成本相对较高；光电式位移传感器［7－8］，测量精度高、工作较稳定，但是其设计的技术难度比较大，成本较高。而对于电阻应变式位移传感器［6］来说，其具有较高的灵敏度、结构简单、线性度好、工作稳定，而且设计成本较低等优点。结合光电子器件封装特点以及存在的问题，最终采用了电阻应变片位移传感器来对阵列光纤与波导芯片之间的位移进行检测，其测量基本原理是利用应变片响应的应变与位移一一对应关系，来进行标定实现其测量。
2光电子封装的基本原理
光电子封装是将输入阵列光纤、波导功能芯片和输出阵列光纤实现模场匹配的对准耦合，并釆用胶固化技术或爆接技术将各个模块精确固化，获得器件完整功能的生产过程，封装结构如图1所示。阵列光纤与波导芯片之间的耦合对准是封装过程中的关键，两者耦合间距非常小，仅为十几微米，填充的UV胶量约为几十纳升。如果耦合距离过大，会导致胶量过多进而引起耦合损耗增加，反之，耦合距离过小会导致UV胶量过少固化的强度不足，影响光电子器件的稳定性。由于耦合界面间的距离调整往往是依靠人的眼睛在显微镜下主观性的判断，偶然性较大，并且数据无法量化，调整难度大。因此，为了更好地测算出两者之间的间距，设计了一种一维微位移传感器结构，如图1安装所示，在A、B处安装传感器，在A处的传感器可以检测到波导芯片与输入阵列光纤之间的力以及微位移，同理在B处的传感器也能检测到波导芯片与阵列光纤的力以及微位移。通过传感器测量的优点体现为：一方面可以对间距进行量化，另一方面也可以实现时时检测，真正实现波导芯片与阵列光纤的间距可控。为了测量耦合界面接触压力以及微位移，可以在阵列光纤夹具上安装传感器，传统的传感器结构如图2所示。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应将应变转化为电阻变化的传感器［9］。在对传感器施加外力作用时，产生微小机械变形，应变片随着被测对象发生变化而变化，此刻应变片电阻值也发生相应改变，当测得应变片电阻值改变量为ΔR时，知道其灵敏系数便可知被测对象的应变值［10］：dLL＝εΔRR＝Kε（1）式中：R为电阻值（Ω）；K为灵敏系数；ε为金属丝材料的应变值；L为金属丝的长度（m）；dL为伸长量（m）。传统传感器是一种结构简单、应变片容易黏贴的位移传感器。但在测位移时，在传感器的末端作用点上施加一个作用力F时，会在末端产生一个很大的位移，在测量微小位移情况下，这个结构效果不是很好，为了能够提高传感器测量灵敏度，所以必须进行结构上的改进。在悬臂梁传感器的基础上进行部分优化，在悬臂梁中心处开一圆形孔，通过仿真测量计算，总体效果并不是有明显的改善。因此，为了更好地实现对微小位移的检测，提出了一种新型传感器结构。
3新型传感器结构的设计与分析
通过增加应变片的值，提高传感器的灵敏度，设计了一种新型传感器结构如图3所示，在矩形截面梁上开两端不对称的槽，在靠近施力点一端开上下对称槽，作用近似为一固定轴；在另一端设计为一薄片，为应变值最大处。在作用点施加作用力F时，使得薄片处应变最大，此处上表面受压应力，下表面受拉应力，所以在其上表面和下表面各贴一个应变片A和B，当应变梁发生形变，使得应变梁上A、B应变片电阻发生变化，桥式电路电桥平衡被打破，转化为电压信号。在图2所示的结构中，“U”型槽薄且间距短，在微小力的作用下，其位移量较小，因此在理论分析中忽略其位移变化，将其近似成一固定轴；水平刚性体相对于“U”型槽厚度及弹性体薄片较厚，相对形变较小，近似看作刚性体；弹性薄片很薄，且水平刚性体发生形变小，因此在分析受力过程中可以忽略弹性薄片对应变的影响。假设固定轴距离右侧薄板距离为L1，施力点最大位移处距离为L2，作用力为F1，最大应变处力大小为F2，Δs为最大位移量，Δy为施力点最大位移量：Δy＝L2L1•Δs（2）b为薄的弹性片宽度，h为厚度，l为长度，E为弹性模量，则最大位移变化量为公式：Δs＝4F2l3bh3E（3）薄弹性片的支撑力约为F3，方向与最大应变处力F2大小相等方向相反，l′为应变片中心点到最大位移处距离，最大贴应变片处应变公式［6］：ε＝6F3（l－l′）bh2E（4）由式（2）～（4）得式（5）：Δy＝L2L1•2l3ε3（l－l′）h（5）
4弹性体有限元仿真分析
由于实验可以布置的测点数量有限，而仿真可以得到整个结构的力学参数，故通过仿真替代实验对理论公式关于实际结构的适用性进行分析［11］。采用ANSYS有限元软件对弹性体整体结构进行有限元静态分析，在应变分析求取方面具有高度可信的仿真结果。传感器设计为85mm×10mm×10．2mm长方体结构，施力面小圆柱凸起R1＝2．5mm，高度为1mm；靠近施力面上下对称“U”型槽，切除的结构构成：长方体长宽高2mm×10mm×3．6mm，半圆R1＝1mm，离左侧固定端5mm，剩余辅助弹性体厚度为1mm；右边部分结构构成：上下四分之一半圆，半径均为5mm，薄弹性体长宽厚6mm×10mm×0．2mm。通过ANSYS有限元软件可以确定其结构应变量，同时对施力点位移变化情况进行分析，并对应变片进行精确定位贴片，更能直观地找出弹性体结构中最敏感部位。
4．1网格划分
本弹性体结构采用硬铝合金材料，硬铝合金的弹性模量为72GPa，泊松比为0．33。在ANSYS建模将实体模型转换为有限元分析模型时需要划分网格。在对弹性体结构进行网格划分时，单元类型选用SOLID95高精度实体单元，并采用智能网络划分控制，选择划分精度后由ANSYS自动划分后，对贴应变片处的敏感部位再进行精确划分。
4．2仿真计算
弹性体是梁式结构，在对弹性体进行施力仿真前，需对弹性体左侧施加面X、Y、Z轴上施加约束力，右侧施加面Y轴上施加约束力，在施力位置点施加集中载荷力F。通过求解，可得到弹性体整体变形状况以及最敏感处的应变，通过应力、应变以及位移等值线或曲线图［12］，就可以了解应力、应变以及整移的分布情况。由于应变片敏感栅具有一定的区域，不同长度、宽度处的应变值不同，因此不能使用一条在线的应变值代表整片应变片的变形量［10］，所以采用均值法求得应变。设计选用半导体应变片的敏感栅长为5mm，宽0．32mm。因此，采用路径映射将应变值映射到选定的一条路径上，即敏感栅左右边界处，每一条路径化分50个节点，即将5mm均分50等份，标示每一节点上的应变为εi，则求得一条直线上的平均应变变化值珋εn，把宽度0．32mm均分为十条直线，每条直线上的应变为珋εn，通过对10条直线上的平均应变值求解，便可得所求应变值。
4．3传感器的有限元分析
在光电子器件封装过程中，波导芯片与阵列光纤之间接触力比较小，为了实现其在同等力情况下，传感器弹性薄片应变量最大，因此在整个仿真实验中设定其厚度为0．2mm。在施力点A处施加力F时，传感器X轴应变仿真云图如图4所示，仿真应变最大值集中在弹性薄片上，与分析结果相一致。为了更好地验证传感器的性能，在传感器的施力点施加1～10N的垂直力，通过上述数据处理方法，得到在X轴上应变集中处的应变量，以及在施力点上的Z轴位移变化量，数据处理结果如表1所示。为与此结构比较，悬臂梁传感器结构长宽高均取相同值，改进型传感器圆孔处于传感器中心，半径为5mm。根据上述数据处理方法，可得X轴应变量和Z轴位移量。从图5中可以看出，在施力点产生同样的位移时，设计的新型传感器中应变量明显高于传统型悬臂梁传感器和改进型传感器，灵敏度更高。为检验弹性薄片长度l、U型槽到施力点的距离L2与均值应变与施力点最大位移的比值之间的关系，通过上述ANSYS有限元分析方法以及数据处理方法进行逐一实验验证。根据绝对误差的定义为测量的实际值与被测量的理想真值之差，相对误差的定义为绝对误差与被测量的真值之比［13］。弹性薄片长度l是变量时，假设l＝6mm为起始点每次增加0．5mm，通过理论计算以及ANSYS有限元分析实测均值应变与施力点最大位移的比值之间的关系，如表2所示。施力点位移L2是变量时，假设L2＝7mm处为起始点每次增加0．5mm，通过理论计算以及ANSYS有限元分析实测均值应变与施力点最大位移的比值之间的关系，得到如表3所示。通过ANSYS仿真实验得到表1的结果，从中可以看出，当其他条件不变时，弹性薄片长度l越长，弹性片上的均应变与施力点的最大位移比值越小，与理论分析结果相一致。除在l＝6mm时误差较大外，其他值时误差较小，也说明在理论推导条件下，l越短弹性薄片在整个结构的影响因素就越大。通过ANSYS仿真实验得到表2的结果，从中可以看出，当其他条件不变时，施力点位移L2越长，弹性片上的均应变与施力点的最大位移比值越小，与理论分析结果相一致。由于测量的实际结果与理论值之间的误差值一致，因此可以通过软件的方式减少相对误差值。
5结论
设计了一种新型的传感器结构，通过优化传感器弹性元件参数可以有效地提高传感器的灵敏度，与传统的位移传感器相比，此传感器适合于微位移的测量需求。
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关键词：扭矩；传感器；趋势
引言：
助力自行车，又称助力式电动自行车，是一种介于自行车与电动车之间的骑行工具，通过电力辅助人力提供给自行车行进中所需要的动能，它是人们追求高效、便捷、健康、环保的生活方式的产物。
目前市场上助力自行车绝大多数采用速度传感器，通过反馈速度（即人踩脚踏板的速度）的大小来控制电机的驱动力。电机输出的驱动力与速度大小成正比，进而实现助力的目的。然而，基于速度检测的助力自行车，在普通路况下有一定的助力效果。但遇到逆风或上坡等高阻力、重负荷的路况时，由于人骑行的车速本身较低，所以电机输出的驱动力也较小，无法达到助力的目的，骑行效果较差，不能被主流市场所接受。因此，最佳的方案应采用力矩传感器，通过反馈人踩脚踏板的力的大小来控制电机驱动力的大小，力矩越大，驱动力越大。目前国内外主要采用的扭矩传感器有以下几种：逆磁致伸缩效应、转矩位移转换方案、应变片检测方案、转矩磁阻转换方案。
1、逆磁致伸缩效应
物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。反过来通过外力使得物体尺寸发生变化，物质的磁场也会发生变化，此现象被称作为逆磁致伸缩效应。如图一所示作用在受力轴上的扭力将使得其上面粘贴的逆磁致伸缩材料的磁特性发生改变，再转化为电信号测得转矩。
此类型扭矩传感器，在日本欧洲市场上普遍使用，日本松下、YAMAHA在90年代就开始研发此类型扭矩传感器，用于其自主品牌的助力自行车中置电机系统；近年来德国FAG也开发了基于逆磁致伸缩效应的扭矩传感器，用于Bosch的中置电机系统上；Thun不同于以上几家，把扭矩传感器集成在中置电机系统内，Thun开发了能够安装于自行车五通内的中轴扭矩传感器，从而给使用轮毂电机的整车系统，装上扭矩传感器提供了可能，以及方面性如图二所示，但是由于此方案采用特殊材料，在国内目前没有普遍使用，由于开发难度大，开发成本高，不适合产品初期开发，但其材料及加工成本低，适合长远发展。
图一逆磁致伸缩效应示意图
图二 Thun中轴扭矩传感器示例
2、转矩位移转换
该类扭矩传感器利用受力轴受到扭力作用后在弹性原件上产生位移信号，转矩与产生位移成正比。如图三中标号9的弹簧压缩量和力矩成比例。即：转矩信号转化为位移信号，再将位移信号通过电磁转换测得转矩值。
更为具体的，该方案可以利用两对线性霍尔传感器，例如a， A当扭力轴未受到扭力的时候a和A输出信号保持同相位，当受到力矩以后a和A两个霍尔输出信号产生相位差，其相位差正比于扭矩大小，如图四所示，但是此方案对安装尺寸要求高，在初次安装时候需要严格对准a和A信号的初相位，不利于生产，并且在后期使用过程中，例如车辆倒砸，都可能会照成信号的移位，产生扭矩检测的漂移。
图三 扭矩位移示意图
图四 扭矩位移信号示意图
3、应变片方案
该方案原理是受力轴受到扭力后，粘贴在受力轴上的应变片电阻值发生变化，通过检测电阻应变桥的差分信号，即可测得受力轴上的扭矩。应变片方案又分为接触式和非接触式，接触式普遍采用导电滑环方式进行信号，以及电源传输，该方案存在最大转速以及转动寿命问题，并且随着转动次数的增加，信号的接触电阻会逐渐发生变化，影响其性能。近年来不少公司开发了非接触检测方案，通过电磁感应方式供电，无线传输信号；根据轴的剪切原理，电阻应变片一般粘贴于和成轴承45°方向，这样电阻应变片中金属丝成最大应变范围。电阻应变片方案已经广泛应用在测功机转矩测量领域，成本低且可靠性较高。
图五 电阻应变片粘贴示意图
4、转矩磁阻方案
该方案原理是受力轴受到扭力后，受力轴两端的齿轮位置发生相对变化，通过测量齿轮上的磁阻变化测得受力轴两端的应变角度变化，进而推算出受力轴上的扭矩，如图六所示。此方案已广泛应用在EPS中的转矩测量领域，可靠性高。
5、各个方案对比分析
综上所述，各个方案的扭矩传感器对比如图七所示，从短期发展来看，应变片检测方案简单易实现，成本低且可靠性较高，在产品开发初期不失为一种很好的选择，但此方案可复制性高；因此，从长远发展来看，逆磁致伸缩效应方案将是中置系统的发展趋势。
参考文献
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关键词：桥梁检测；桥梁诊断；可靠性
桥梁检测与诊断是关系到桥梁质量安全的重要部分，随着信息技术的不断发展，桥梁检测与诊断技术均在不断的发展与完善。但从其整体作用程度看，其可靠性需要进一步的证实。
1 桥梁检测
桥梁检测是检测人员采取一定的技术手段来了解桥梁的已存在或潜存的病害及其发生部位、病害级别、产生原因、影响等多种情况，从而为桥梁的病害治理及维护技术等提供科学的数据支撑，在保证桥梁安全系数的前提下保证其承载量。
1.1 电阻应变测试技术的可靠性分析
1.1.1 电阻应变测试技术
电阻应变测试技术在桥梁检测中的应用主要是通过在桥梁的钢筋砼结构的应变检测中采用电阻应变片，利用应变片、应变仪与只是记录器组成的测量系统对桥梁的具体承载量等进行检测，该项技术在桥梁、房屋建筑等土木工程建设过程中的作用愈加突出。
1.1.2 电阻应变测试技术的可靠性分析
测量速度快、灵敏度高及其在短期内性能相对稳定是电子应变测试技术在桥梁检测中应用的主要原因，其灵敏度和稳定性保证了其测量的可靠性。且电阻应变测试技术的主体是应变片，应变片的加工过程简易，桥梁施工中可以直接将其埋入桥梁结构中不影响桥梁的整体结构。在电阻应变测试技术也存在长导线电阻、潮湿环境等电阻应变测试技术发展的缺点。
随着技术的不断发展，电阻应变测量技术中材料和工艺也不断完善中，目前应变片的材料多数采用敏感栅及粘接剂材料，受环境因素的影响越来越小。随着工艺的深化，电阻应变测量技术会逐渐完善，对桥梁的相关结果的检测可靠性也会愈加稳定，适宜在道路桥梁等土木工程建设中推广、利用。
1.2 混凝土桥梁外观检测技术
1.2.1 混凝土桥梁外观检测技术
混凝土桥梁外观检测法主要是通过直观的观察混凝土结构的桥梁出现裂缝或其他病害的检测方法，此种方法是最直观的也是最常使用的检测方法。
1.2.2 混凝土桥梁外观检测技术的可靠性分析
许多桥梁的病变的是源自桥梁的内部构造，待其恶化到一定程度时才会通过外观的裂变或具体的病变表现出来，因而混凝土桥梁外观检测技术不能检测出其桥梁内部是否存在质量隐患。混凝土桥梁外观检测技术对桥梁检测确有一定的作用，但对深层次的检测考虑其可靠性低，不适宜在桥梁等影响国家或地区经济发展的重要交通建筑物上使用。
1.3 结构静载实验检测技术的可靠性分析
1.3.1 结构静载实验检测技术
结构静载实验检测技术是一种针对于识别桥梁损伤的重要检测方法，桥梁进行静载实验过程中关于桥梁的结构、性能等相关的数据会具体的表现出来。进行该项实验前检测人员要根根据实验的要求及目的对桥梁进行相关的考核，并根据桥梁的结构图纸、相关建设资料进行分析以确保可以符合该项技术的检测要求；实验过程中第一步要进行荷载实验，通过仪表观测各种数据，为桥梁的结构静载实验提供核心的数据支持；通过荷载实验得出的数据，检测人员要进行详细的数据计算与分析。主要的数据计算有截面应力值、变形值、测试试验点应力值等，检测人员通过对各种计算结果的分析可以得出实验桥梁的刚度、抗裂性及承载量等方面存在的问题或病变，为桥梁病变的治理与修护提供了方向。
1.3.2 结构静载实验检测技术的可靠性分析
结构静载实验检测技术通过对桥梁的荷载情况进行核心测量，通过数据计算和分析，检测人员可以更加具体的掌握桥梁的问题或病变情况，为桥梁的治理提供了较为精确的指导。但由于该项技术检测耗时较长，因而所需要的费用较高，普及度较低。
综合分析结构静载实验检测技术对桥梁检测的优缺点，作者认为结构静载实验是检测桥梁问题的有效方法。随着技术的不断完善，实验的时间和费用消耗会得到更加合理的控制，对推进该项技术的进一步推广有很大的受益。
2 桥梁诊断
桥梁诊断是继桥梁检测后更为具体的桥梁病变治理过程，其主要是将桥梁检测中得出各项数据进行更深层次的分析，以明确桥梁具体的病变类型和病变部位。
2.1 神经玩网络诊断方法的可靠性分析
2.1.1 神经网络诊断方法
神经网络法是测定桥梁损伤的智能诊断，其通过有限元法或能量法等，将参数的样本输入神经网络，经过运算输出的数据便是桥梁的结构缺陷，即问题所在。
2.1.2 神经网络诊断方法的可靠性分析
神经网络法的非线性放射性特征对诊断混凝土桥梁结构中潜存的损伤的效果非常明显，是对桥梁检测结果的有效的诊断，通过该方法检测人员可以最终得出关于桥梁的修护的具体方案，强化了桥梁的交通运输功能。目前从BP网络模型、RBF神经网络及模数神经网络等网络模型损伤检测模型的研发并推广程度可知，神经网络法对桥梁的诊断功能会逐渐完善，其可靠性值得肯定。
2.2 动力指纹分析法的可靠性分析
2.2.1 动力指纹分析法
动力指纹分析法是根据桥梁结构发生损伤时其结构参数的便会对动力指纹的影响而得出的对比数据，因而动力指纹分析法有为对比法。损伤检测数据库内涵盖了桥梁的具体损伤位置及程度等具体数值，通过将桥梁结构损伤检测出的精确数值与数据库资源进行比对，检测出的数值与数据库中的具体数值最为接近的便是桥梁最有可能发生病变的部位。
2.2.2 动力指纹分析法的可靠性分析
动力指纹分析法进行数据对比分析时，其主要作用的指纹包括振型及其曲率、频率、应变模型、MAC、模态柔度矩阵等。从动力指纹分析法的总体发展情况分析可知，其敏感度不足，因而在就桥梁进行结构损伤诊断时要耗费大量的时间进行数据检测以促使检测得到的数据有与数据库内的数据相接近的数值，以最终断定桥梁出现结构损伤的具置。该种诊断方法下诊断人员的工作量大，但得出的数值的精确程度有待对比分析，因而其虽在桥梁结构损伤诊断方面发挥了一定作用，但其规模化利用的可靠程度不高。
3 结束语
桥梁的检测与诊断是以精确的检测和数据计算最终判定桥梁发生病变的位置及病变程度的唯一方式。从目前桥梁病变、损伤的检测与诊断方式、方法总结可知，我国的桥梁检测与诊断技术已经取得了一定的进步。但从我国桥梁发生坍塌、裂变等其他危险事故的发生频率分析可知，我国该方面的整体技术还有很大的发展空间。
参考文献
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