現(xiàn)代工業(yè)的神經(jīng)元細(xì)胞

摘 要:通過(guò)對(duì)電測(cè)技術(shù)的論述，初步闡述了電阻應(yīng)變片的工作原理，使人們深刻的認(rèn)識(shí)到作為現(xiàn)在工業(yè)的神經(jīng)元細(xì)胞的電阻應(yīng)變片，會(huì)在人們生活和工作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛、越來(lái)越重要。

關(guān)鍵詞:應(yīng)變 電阻應(yīng)變計(jì) 敏感柵

中圖分類號(hào):TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(a)-0101-01

當(dāng)你走進(jìn)現(xiàn)代化的試驗(yàn)室，一個(gè)個(gè)大型的構(gòu)件表面布滿了一個(gè)個(gè)小巧的測(cè)量元件，在構(gòu)件受到力的作用時(shí)，測(cè)量?jī)x器上很靈敏的測(cè)出構(gòu)件上每個(gè)部位的輕微變化時(shí)，當(dāng)裝滿貨物的卡車通過(guò)汽車衡很方便的稱量出所載貨物的重量的時(shí)候，當(dāng)你看到一個(gè)個(gè)小巧的機(jī)器人靈活的運(yùn)轉(zhuǎn)著小小的身軀，等等。你可曾想到這些使用方便便捷的儀器里使用了什么元件，如此輕松的改變了我們的生活。這就是電阻應(yīng)變計(jì)，通過(guò)惠斯通電橋，精確地計(jì)量出我們所需要的每一個(gè)數(shù)值，也可以這么說(shuō)，是電阻應(yīng)變計(jì)改變了我們的生活，成了現(xiàn)代工業(yè)中最小的神經(jīng)元。

1 什么是電阻應(yīng)變計(jì)

電阻應(yīng)變計(jì)(resistance strain gage)能將工程構(gòu)件上的應(yīng)變，即尺寸變化轉(zhuǎn)換成為電阻變化的變換器(又稱電阻應(yīng)變片)，簡(jiǎn)稱為應(yīng)變計(jì)。一般由敏感柵、引線、粘結(jié)劑、基底和蓋層組成。

將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面，構(gòu)件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形(伸長(zhǎng)或縮短)，會(huì)使應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之變形，應(yīng)變計(jì)的電阻就發(fā)生變化，其變化率和安裝應(yīng)變計(jì)處構(gòu)件的應(yīng)變?chǔ)懦杀壤?。測(cè)出此電阻的變化，即可按公式算出構(gòu)件表面的應(yīng)變，以及相應(yīng)的應(yīng)力。敏感柵的柵長(zhǎng)一般為 0.2～100mm，電阻為60～1000Ω(最常用的為120Ω和350Ω)，測(cè)量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬(wàn)微應(yīng)變(με，1微應(yīng)變=10-6mm/mm)。

按敏感柵的材料，電阻應(yīng)變計(jì)分為絲式片和箔式片兩類。

1.1 絲式應(yīng)變計(jì)

這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵最常見(jiàn)的有絲繞式和短接線式兩種。①絲繞式的敏感柵由金屬絲連續(xù)繞制而成，一般選用直徑為0.015～0.05mm的金屬絲。端部是半圓形。安裝了應(yīng)變計(jì)的構(gòu)件表面如果出現(xiàn)了兩個(gè)方向的應(yīng)變，此圓弧端不僅產(chǎn)生縱向應(yīng)變，還產(chǎn)生橫向應(yīng)變(橫向效應(yīng))。為使測(cè)量精度準(zhǔn)確可靠，應(yīng)考慮橫向效應(yīng)的影響并進(jìn)行修正。②短接線式的敏感柵采用較粗的橫絲，將平行排列的一組直徑為0.015～0.05mm的金屬縱絲交錯(cuò)連接而成，端部是平直的。它的橫向效應(yīng)很小，耐疲勞性卻差于絲繞式。

1.2 箔式應(yīng)變計(jì)

這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵是金屬箔采用刻圖、制版、及腐蝕等工藝過(guò)程制成。金屬箔的厚度一般為0.002～0.005mm。這種方法便于制出多種形狀和尺寸的應(yīng)變計(jì)。箔柵優(yōu)點(diǎn):①箔柵薄，有利于變形傳遞，測(cè)量精度高;②橫向端部可制成較寬的柵條，減小橫向效應(yīng);③制造柵長(zhǎng)很小的應(yīng)變計(jì);④可成批生產(chǎn)。因此，在各個(gè)測(cè)量領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

2 電阻應(yīng)變計(jì)的工作系統(tǒng)

電阻應(yīng)變儀采用電橋或電位差計(jì)的測(cè)量線路，將電阻應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)的變化，并經(jīng)放大后輸出一般應(yīng)變測(cè)量技術(shù)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)可分為靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)深悺?/p>

2.1 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量工作過(guò)程

應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量常溫下的靜態(tài)應(yīng)變時(shí)，可達(dá)到較高的靈敏度和精度，其最小應(yīng)變讀數(shù)為1微應(yīng)變，一般精度為1%～2%，應(yīng)變測(cè)量范圍從1微應(yīng)變到2萬(wàn)微應(yīng)變，特殊的大應(yīng)變電阻應(yīng)變計(jì)可測(cè)到結(jié)果為20％的應(yīng)變值。常溫箔式電阻應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)可短到0.178mm，適于測(cè)量應(yīng)力梯度較大的構(gòu)件的應(yīng)變。采用應(yīng)變花，可方便地測(cè)定平面應(yīng)變狀態(tài)下構(gòu)件上一點(diǎn)的應(yīng)變。多點(diǎn)巡回的測(cè)量裝置，可在數(shù)分鐘內(nèi)自動(dòng)記錄上千個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)。如果采用存儲(chǔ)器，由于每秒可存儲(chǔ)數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，適合測(cè)量測(cè)點(diǎn)較多的大型構(gòu)件的應(yīng)變。

環(huán)境溫度變化時(shí)，安裝在可自由膨脹的構(gòu)件上的電阻應(yīng)變計(jì)，由于敏感柵的電阻溫度效應(yīng)，以及敏感柵和被測(cè)構(gòu)件材料的線脹系數(shù)不同，電阻應(yīng)變計(jì)的電阻將發(fā)生變化，溫度的變化使電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生的指示應(yīng)變值，稱為熱輸出(或稱視應(yīng)變)，它和所需測(cè)定的應(yīng)變無(wú)關(guān)，必須消除。消除的方法:①采用補(bǔ)償塊線路補(bǔ)償法。在一塊和構(gòu)件材料相同但不受力的補(bǔ)償塊上，安裝一個(gè)和工作電阻應(yīng)變計(jì)的規(guī)格性能相同的電阻應(yīng)變計(jì)(稱為補(bǔ)償應(yīng)變計(jì))，將補(bǔ)償塊和構(gòu)件置于溫度相同的環(huán)境中，并將工作應(yīng)變計(jì)和補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)分別接入電橋的相鄰橋臂，利用惠斯頓電橋特性消除熱輸出。②采用特殊的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。③采用熱輸出曲線修正法，將和工作應(yīng)變計(jì)規(guī)格性能相同的應(yīng)變計(jì)，安裝在材料和被測(cè)構(gòu)件相同的試件上，在和實(shí)測(cè)相似的熱循環(huán)情況下，測(cè)取應(yīng)變計(jì)的熱輸出和溫度的關(guān)系曲線。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量應(yīng)變的同時(shí)，測(cè)定相應(yīng)的溫度。根據(jù)上述曲線對(duì)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。④采用溫差電偶補(bǔ)償法。在直流的電橋電路中，用溫差電偶的熱電動(dòng)勢(shì)將熱輸出的電壓變化預(yù)先抵消。一般在常溫條件下測(cè)量應(yīng)變時(shí)，采用第一種方法;在高溫或低溫條件下測(cè)量應(yīng)變時(shí)，采用第一、第二或第四種方法，也可在用第二種方法之后，再用第三種方法將前法測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)修正。

另外，在使用長(zhǎng)導(dǎo)線及與電阻應(yīng)變儀的電阻不匹配或靈敏系數(shù)不相同的應(yīng)變計(jì)時(shí)，對(duì)測(cè)量結(jié)果要進(jìn)行修正。

2.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量工作過(guò)程

電阻應(yīng)變計(jì)的頻率響應(yīng)時(shí)間約為10s，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可達(dá)10-11s，構(gòu)件應(yīng)變的變化幾乎立即傳遞給敏感柵，但由于應(yīng)變計(jì)有一定柵長(zhǎng)，當(dāng)構(gòu)件的應(yīng)變波沿柵長(zhǎng)方向傳播時(shí)，應(yīng)變計(jì)的瞬時(shí)應(yīng)變讀數(shù)為應(yīng)變波在柵長(zhǎng)間距內(nèi)的應(yīng)變平均值。這會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。假設(shè)應(yīng)變波為正弦波，其傳播速度與聲波在材料中傳播速度相同，若采用柵長(zhǎng)1mm的應(yīng)變計(jì)對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量，則當(dāng)應(yīng)變頻率達(dá)25萬(wàn)赫時(shí)，應(yīng)變測(cè)量誤差小于2％。一般機(jī)械的應(yīng)變頻率都不超過(guò)25萬(wàn)赫，應(yīng)變測(cè)量誤差也不超出上值。高頻應(yīng)變測(cè)量的范圍，主要受電阻應(yīng)變儀和記錄器的限制，在測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，要根據(jù)被測(cè)應(yīng)變的頻率，對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定及選擇合適的電阻應(yīng)變儀和記錄器。對(duì)于隨機(jī)應(yīng)變信號(hào)，采用數(shù)據(jù)處理裝置，可大大減少整理工作的時(shí)間。

電阻應(yīng)變計(jì)被黏貼在所測(cè)的構(gòu)件上，和外力同步，準(zhǔn)確地測(cè)出我們所需要的量，形象的稱之為神經(jīng)元細(xì)胞并不為過(guò)，我相信在以后的科技發(fā)展中，電阻應(yīng)變計(jì)還將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 電阻應(yīng)變儀測(cè)試技術(shù).北京:科學(xué)出版社.1980.