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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電阻應變片，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
1電阻應變式傳感器的工作原理
電阻應變式傳感器由感壓裝置、電阻應變片和測量電路三部分組成,其工作原理是:被測負載作用在彈性感壓裝置上使其發生彈性形變;通過粘性物質使粘貼在感壓裝置上的電阻應變片發生形變,進而轉化成應變片的阻值大小變化;通過測量電路將電阻應變片的阻值變化,轉化為與負載成正比的電信號輸出,電阻應變式傳感器的輸出電壓與激勵電壓和傳感器形變量成線性關系。
2電子天平的硬件設計
基于電阻應變式傳感器的電子天平的結構框圖如圖(1)所示。
圖(1) 電子天平的結構框圖
電子天平在硬件上還包括水平調節、防風防震等輔助裝置,這些在圖(1)中并沒有畫出來。
2.1 系統的工作過程。電阻應變式傳感器輸出信號很小,系統中使用了兩級運算放大電路,第一級選用儀表放大器AD620,AD620 是一種閉環、差動輸入的運算放大器,線性度好,增益設定方便,共模抑制比高,直流漂移小,它往往用來精確放大載于高共模電壓上的小差動信號;第二級運算放大電路采用低失調精密運算放大器OP07,OP07 輸入失調電壓只有10uV,偏置電流700pA,溫漂200nV /℃,適合作二級精密放大。以上兩級放大電路均采用±12V 雙電源供電,以提高系統精度;稱重傳感器在供橋電壓激勵下輸出的電壓信號經過放大,在進入ADC 轉換之前須進行濾波和負壓保護處理;A/D 轉換器選用了TI 公司生產的Σ-Δ轉換器ADS1100,它是一款高精度自校正的差分輸入轉換器,16 位轉換精度,內置可編程增益放大器,可選擇1、2、4、8 倍的放大增益,采樣速率可在8、16、32、128SPS 之間選取,低功耗電流90uA,SOT23-6 小型封裝,ADS1100 的這些優點使得它廣泛應用于稱重儀表領域。
2.2 比例測量技術。稱重傳感器的橋式結構決定了其輸出與激勵電壓息息相關,為提高精度須使用高精度的電壓源作為激勵,此外高精度的A/D 轉換也要求使用精密電壓源作為參考,若按常規方法考慮,需要兩個精密電壓源,實現起來難度較大,成本也高,為此我們采用了比例測量技術。所謂比例測量技術,是指ADC 參考電壓與稱重傳感器的激勵電壓由同一電源提供,如圖(2)所示,設ADC 輸出為OUT D ,放大電路部分的總增益為A ,結合電阻應變式稱重傳感器的工作原理,我們有:
可見,采用比例測量方法,ADC 輸出只與傳感器的應變特性和運算放大電路的總增益成正比,而與ADC 的基準源和稱重傳感器的激勵源都沒有關系。
3 軟件設計
3.1 電子天平的標定。用標準的重量砝碼加載至稱重傳感器的受載端,讀取A/D 轉換數據,并記錄下對應的標準砝碼質量,標定過程中采用往復多次測量方法,即重量砝碼加載時采取由小到大再由大到小,多次測量(11 次)再取平均,這樣可有效消除測量過程中的人為誤差。在對數據進行擬合過程中,為取得更多的有效數字,將砝碼重量放大100 倍作為縱坐標,AD平均值作為橫坐標,得到標定表達式為:y=0.3714x-3350.0
3.2 系統整體軟件設計。系統整體流程如下:系統每次開機須先預熱,開始測量后為提高ADC 輸出精確度,采用均值移動算法對ADC 采樣值進行數字濾波,均值移動濾波將來自輸入信號許多點的值進行平均以產生每個點的輸出信號,濾波器輸入直接取自ADC,在對M 個數據取平均的操作中,最小采樣數據和最大采樣數據都從數據窗口中被濾除,對剩下的M-2 個數據求平均值。
4 提高系統精度所采取的措施
首先,高精度的模擬電路設計對器件的熱穩定性提出了很高要求,因此系統在每次開機后須進行預熱,經實驗得知,經30 分鐘預熱后,系統中各器件基本穩定,此后進行測量,測結果比較準確;對系統電源進行了兩級穩壓,并加濾波電路,消除電源噪聲對系統的。
其次,硬件上選用的Σ-Δ 結構ADC 在低更新速率時具有低噪聲和高線性度,其噪聲整形和數字濾波功能集成在片內;軟件設計上采用了均值移動濾波算法提高了ADC 的轉換精度,從而提高系統整體的精度和穩定性。最后,系統中存在著模擬信號和數字信號,數字部分的各種脈沖對模擬部分的干擾很大,因此在系統設計中應使模擬部分和數字部分在布局布線上盡量分開,并且模擬地和數字地分離,最后在一點與電源地相接;在每個集成芯片,特別是運放和A/D 器件的電源端配置去藕電容,且盡可能的靠近電源端,引腳盡量粗短。
5 結論
本文所設計電子天平量程90g,測得值與標準砝碼對比,部分數據如表(1)所示。經多次實驗驗證,當稱重小于20g 時,最大誤差小于0.005g,稱重在20g~90g 之間時,最大誤差小于0.01g,測量結果穩定時間
6 創新點
在系統硬件結構上采用了比例測量方法,使得A/D 轉換結果不受轉換器的參考電壓以及壓力橋激勵電壓的影響;有效地回避了大部分電壓源芯片輸出精度和輸出功率之間的矛盾,簡化了系統的電源電路,降低了系統成本。
參考文獻:
[1]苗麗霞.淺析惠斯登電橋在稱重傳感器中的應用.甘肅冶金,2004,26(4):52-54.
[2]王化祥,張淑英.傳感器原理及應用(修訂版).天津:天津大學出版社,2001.
[3]馬鴻文. 基于AT89C51 單片機的電子計價秤的設計與實現. 微計算機信息,2005.
1、應變式傳感器的核心部件是電阻應變片。
2、應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產生的應變的一種傳感器。電阻應變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感元件。
3、應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件（感知應變）上粘貼電阻應變敏感元件（將應變轉換為電阻變化）構成。當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起敏感元件的阻值變化，通過轉換電路將其轉變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變式傳感器可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。
（來源：文章屋網 ）
應變式稱重傳感器，1938年美國加利福尼亞理工學院教授E?Simmons（西蒙斯）和麻省理工學院教授A?Ruge（魯奇）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應變計，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產.1940年美國BLH公司和Revere公司總工程師A?Thurston利用SR一4型電阻應變計研制出圓柱結構的應變式負荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應變式負荷傳感器的創始者.
1973年美國學者霍格斯特姆為克服正應力負荷傳感器的固有缺點，提出不利用正應力，而利用與彎矩無關的切應力設計負荷傳感器的理論，并設計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負荷傳感器.打破了正應力負荷傳感器的一統天下，形成了新的發展潮流.這是負荷傳感器結構設計的重大突破.
1974年前后美國學者斯坦因和德國學者埃多姆分別提出建立彈性體較為復雜的力學模型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應力場和位移場，求得最佳化設計.為利用現代分析手段和計算方法設計與計算負荷傳感器開辟了新途徑.
經歷了70年代的切應力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術突破；80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離，制定R60國際建議和研發出數字式智能稱重傳感器兩項重大變革；90年代在結構設計和制造工藝中不斷納入高新技術迎接新挑戰，加速了稱重傳感器技術的發展；2000年OIML R60首次引入族和組、分配系數PL范圍等新概念.
2 應變式壓力傳感器原理
將電阻應變片粘貼在彈性元件特定表面上，當力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時，會導致元件應力和應變的變化，進而引起電阻應變片電阻的變化.電阻的變化經電路處理后的以電信號的方式輸出，這就是電阻應變式傳感器的工作原理.
電阻絲應變片一般是粘貼在傳感器的彈性體上，當傳感器承受壓力后，彈性體產生形變，引起粘貼在彈性體上的應變片電阻值變化.在一般情況下，傳感器內都是由4個應變片組成一個測量電橋，在大多數的使用情況下，傳感器內部4個應變片同時受力，并且在受壓形變的作用下，2個應變片阻值增大，2個變小.
檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出.因為電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用.因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋.
3 應變式力學傳感器應用實例-電子秤
關鍵詞：高強鋼棒異形墩預應力張拉
中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號：
1引言
高強鋼棒作為新型的預應力鋼材，工程實踐表明其預應力效果良好。近幾年來，許多工程采用高強鋼棒作為預應力拉索。如：上海新國際博覽中心預應力鋼棒抗側力支撐、深圳游泳跳水館預應力鋼棒拉索、深圳會議展覽中心箱形鋼梁預應力鋼棒下弦等工程中鋼棒的應用。這些都預示著高強鋼棒廣闊的應用前景，對鋼棒的理論研究也在蓬勃發展[1]。
該橋橋段3、橋段5橋墩采用變厚度雙柱式橋墩，柱頂以橫梁連接，橋墩頂截面為平行四邊形，底截面為不規則四邊形，墩身在橫橋向縱橋向皆傾斜，墩身下部設置縱橋向底梁連接墩身，普通鋼筋混凝土結構。異形墩橋梁，由于斜置的墩柱和復雜的空間線形，故其幾何(變形) 不但關系到結構外觀、行車舒適，還直接影響到上部結構受力。為了使橋墩在各個工況下受力及變形均滿足設計要求，我們用 Labview 系統軟件對鋼棒的張拉值進行測定。
Labview是美國國家儀器公司(National Instruments Corp, NI公司)推出的創新軟件產品，基于LabVIEW的虛擬儀器是一種計算機儀器系統，即以通用計算機為硬件平臺，由用戶設計定義虛擬面板，由測試軟件實現測試功能。該基礎是計算機系統，核心則是軟件技術。由此，可通過用戶自定義突破傳統儀器在數據采集、處理、顯示及存儲等方面的限制。
2工程概況
該橋與京津塘高速公路K125+970處立交，橋梁范圍為：K2+601.556~K3+271.496，長669.94m；橋梁上部結構有：普通鋼筋混凝土連續梁4聯，預應力鋼筋混凝土剛構橋3聯，全橋共7聯，按照設計文件的定義共7個橋段。
公路橋軸線和分孔線與道路設計線法線斜交，斜交角度-16°。橋段3、5橋墩采用變厚度雙柱式橋墩，柱頂以橫梁連接，橋墩頂截面為平行四邊形，底截面為不規則四邊形，墩身在橫橋向縱橋向皆傾斜，墩身下部設置縱橋向底梁連接墩身。橋墩墩頂在縱橋向采用高強度鋼棒做為拉桿。
3鋼棒應變測量原理
3.1電阻應變片及其工作原理
繞線式應變片主要由敏感元件、基底、覆蓋層和引出線等幾部分組成。
(1)敏感絲柵是應變片的主要元件，一般由康酮、鎳鉻合金制成；
對材料性能要求：電阻率高、靈敏系數大、線性范圍大、電阻溫度系數小、易于加工成絲。
(2)基底和覆蓋層一般有紙質和膠質；
對材料性能要求：基底和覆蓋層起定位和保護應變片幾何形狀的作用，也起到與被測試試件之間電絕緣作用，因此要求厚度小而機械強度高、絕緣性能好、熱穩定性能好、耐腐蝕、抗潮濕、無滯后和儒變現象、稍透明等。
金屬應變片的工作原理在于導體的“電阻應變效應”。所謂電阻應變效應是指導體或半導體在機械變形(伸長或縮短)時，該工程應用的是伸長時的應變效應。其電阻隨其變形而發生變化的物理現象。
（dD/D:橫向應變；DL/L:縱向應變；μ：泊桑比）
上式表明，導體(如金屬絲)的電阻應變效應由兩方面原因造成，一是由(1±2μ)表達的幾何尺寸的改變；一是電阻率也隨應變發生變化。這就從機理上對電阻應變效應作了一定的說明。可惜，電阻率ρ到底依什么規律隨應變變化，至今尚無圓滿的解釋。不過，實踐表明，值與合金的成分、含雜質情況、加工成絲的工藝以及熱處理過程等有很大關系，故各種材料的靈敏系數均由實驗測定。
3.2高強鋼棒應變測量原理
測量系統根據應變片的測量原理采用應變片單臂半橋的橋路模式進行測量橋路。
R1、R2為平衡電阻；RL為導線電阻，R3、R4為應變電阻，其中ε為由于拉桿變形引起的電阻變化量，VEX為激勵電源，在測試系統中，選用3.33V的內置激勵電源。根據橋路原理，應變片的變形量為：
式中，GF為應變片的精度系數；RL為導線電阻；Rg為正常的應變片電阻；ν為泊松比；νr為Vch測到的電壓變化。
4鋼棒安裝及張拉過程控制
在施工過程中，由于施工設備、經濟條件等限制，采用分批張拉是不可避免的。施工階段結構的受力體系由于高強鋼棒不斷的參與工作面發生變化，鋼棒中拉力也是不斷變化的[2]。為了在鋼棒中建立起滿足設計的要求的預應力，我們需要在整個結構張拉過程中對其進行監控，以保證各批次的鋼棒張拉達到要求的控制力。在充分了解張拉鋼棒對結構的影響，以及充分估算了張拉過程中套筒內需要旋緊的距離，在鋼棒拼接時留出足夠的可調節長度，為后期順利張拉提供必要的基礎和條件。
4.1鋼棒安裝
（1）在異形橋墩鋼筋鋪設后進行模板搭設階段，把兩端固定可調節套筒安放到指定位置，模板支設完畢后，澆筑混凝土。
（2）搭設滿堂腳手架，待混凝土澆筑完成后養生達到70%強度時， 用吊車把高強鋼棒吊裝安裝就位，擰上中間鎖緊套筒，安裝工作初步完成。
（3）鋼棒安裝就位后，檢查鋼棒中間鎖緊套筒是否安裝正確，必須在正反牙的套筒內涂抹適量的黃油，以便于擰緊套筒。
4.2鋼棒張拉
（1）橋墩混凝土達到可張拉強度時，安裝手拉葫蘆，將兩端分別放置在墩頂處適當的位置上，來調整各分段鋼棒因墩身外傾而引起鋼棒內部應力變化。
（2）為了克服鋼棒因自重引起的下撓，我們用枕木墊塊墊在鋼棒兩側下方進行水平調整，以便后期張拉。
4.3張拉過程中的控制與檢測
（1）張拉時每根鋼棒設置一個測試點，張拉前讀初讀數，然后依據不同的鋼棒張拉值不一樣，待張拉到設計的張拉值后，停止張拉。
（2）張拉過程中要盡量減少對鋼棒本身的擾動，為了避免溫度梯度對測試結果的影響，每根鋼棒在同一時段張拉完成。
（3）根據測試結果表明，每根鋼棒張拉值都達到了設計要求所需的力值，符合設計要求。
5結論
預應力鋼棒拼接時，中間的套筒應留有足夠的可調節空間，預留長度可以根據施工階段結構分析估算確定。鋼棒的張拉對結構的影響較大，對結構要有充分的了解，通過合理的分析，確定各個批次的張拉順序，完成張拉工作。
參考文獻
李軼.預應力鋼棒張拉錨固體系的研究：（碩士學位論文）.南京：東南大學，2004
【關鍵詞】應變電測 傳感器技術 應用 發展
現代科學正沿著微觀和宏觀兩個方向發展，兩者相輔相成，缺一不可。在工業生產、航空航天、醫療體育等多方面存在著一些大型的設備或產品，其零部件多樣、構造復雜，并在一定領域占據著重要的位置，其運行狀態和壽命都直接關系著安全生產和經濟效益。應力和應變的測試是評價設備狀態的重要手段，通過對零部件、結構的受力和工作情況測試，確定應力、應變、位移、力、載荷和加速度等力學參數，從而解決工程結構和機械強度、剛度問題。
1 應變電測技術原理
當被測物產生應變式，電阻應變片的阻值會隨之發生變化，電阻應變片測量應變就是基于這個原理，通常電阻應變片測量應變時會搭成橋路連接方式，這樣可以消除共模信號，抵消溫度系數的影響，增大靈敏度。電阻應變片屬于敏感元件，共有基底、敏感柵、覆蓋層和引線等四部分所組成。工作時，將電阻應變片附著在被測零件或結構表面上，一旦部件表面由于受力而產生變形，電阻應變片的基底就會立即獲取應變信息，并將信息傳遞給敏感柵，敏感柵在感到應變后，隨著部件的變化情況產生相同的變形量，進而導致應變片的阻值產生電學信息，通過電路最終將電學參數換化成應變量表達出來。其中，電阻值的變化與部件的應變量呈正比關系。
2 應變電測與傳感器技術的應用
在電工電子技術與信息技術的推動下，應變測量儀器系統也向數字化和計算機網絡化方向發展，成為自動數據采集系統，不但較大范疇地提高了測試系統的速度和精度，也將應變電測技術推向了一個全新的發展階段。應變電測與傳感器技術的測量系統通常由應變計、傳感器和測試儀器三部分所組成。
2.1 新型特殊電阻應變計
工業技術的迅猛推進，使得應變計品種和規格都得到了較快速的發展。不僅有應用與常溫環境下的應變計急劇增加，也出現了一些應用于特殊環境下的特殊應變計。例如，在高溫高壓下，有時會需要實時了解材料的應變性能，600～ 800密封焊接式應變計、高溫900動態應變計等被應用于高溫背景下的應變測試。此外還有諸如防水應變計、大應變應變計、低溫-269～196應變計、復合材料專用應變計等也逐漸問世。
2.2 應變計式傳感器
應變計式傳感器品種更為多樣，并隨著電測與傳感器技術的發展和成熟，其性能和質量也得到很大的改善。除各種稱重、測力、位移、壓力、加速度傳感器等外，還有超小型土壓力計、傾斜計、裂縫計、沉降計等。值得一提的是，在工業生產中出現了一類新型應變傳感器，其外形和彈性元件為變截面圓環形狀，該傳感器實質上測量基長的變化反映該基長區的平均應變，能代替大基長的電阻應變計，可快速安裝在鋼或混凝土表面上，并可多次重復裝卸使用，其靈敏度比一般應變計高，配合應變測試儀器使用，還可進行無線遙測。
2.3 新型數據采集儀器
面對日益發達的工業生產系統，新的數據采集儀器也需要多方面發展，主要包括兩類。一是多功能多通道自動測量的數據采集儀。該類采集儀器能夠對應力、應變、溫度、電壓等多種物理量進行測試，同時還能夠與多種類型的傳感器并有專用軟件進行各種數據采集和處理，與微機組成自動測量分析系統。還有一類是數字動態應變儀，接計算機有專用多功能采集分析軟件組成動態數據采集和分析系統，這樣使結構等靜、動載試驗工作提高質量和效率。
3 應變電測與傳感器技術在航空航天工程中應用
近年來，應變電測與傳感器技術在航空航天工程中所起的作用不容小視，在航空航天工業的發展中往往占據著關鍵的技術地位。
3.1 飛機發動機葉片動應變測量
在某一型號飛機中渦輪轉子葉片在工作時，溫度通常在800～900之間，高溫900動態應變計便應用機發動機葉片動應變測量中。該機在渦輪轉子葉片連續6次臺架動測，溫度都在800以上的情況下獲取了應力應變數據。
3.2 發動機搖臂動應力測試
在某型號飛機發動機搖臂上，采用了SDA-830C動態應變儀，取得了良好的效果。
3.3 發動機導管動應力測試
飛機發動機的導管是發動機供油的主要部件，對導管的應變測試直接關系著發動機的工作狀態。通過應變儀監測顯示，發動機導管在受到外界干擾下產生的激振反應與導管上下卡箍的位置有直接關系，經過反復試驗和動態應變儀器的反復測量，最終得到導管東營利的最大頻率，根據試驗結果，很好地調整了卡箍的位置，使動應力達到最小。
3.4 發動機矢量噴管主要受力件載荷測量
飛機發動機中軸對稱矢量噴管是靠擴張段的偏轉來實現發動機排氣方向的變換，因此，要真實地掌握矢量噴口上如三角拉桿、導軌等關鍵件在發動機各種工況下的工作載荷及其變化規律。采用應變電測技術對其關鍵部件的載荷情況進行測量是可行的，通過在關鍵件的表面布置應變計，并組成全橋電路，用電阻應變儀測量電橋輸出，并提前在試驗機上完成標定，最后在工況條件下對發動機矢量噴管的關鍵受力部件進行實測，可以為發動機的優化減重及可靠性設計提供數據支持。
3.5 模擬返回艙結構.在起吊和運輸過程中應力測試
航天員訓練中所采用的模擬返回艙，在起吊和運輸過程中需要進行必要的應力測試。模擬返回艙一般由復合材料及金屬制成，通過有限元法設計計算制成后用應變計及數據采集儀、動態應變儀等分別測量在起吊和運輸過程中結構靜、動態應力。由于返回艙需要具備相當的強度和高度，因此，必須要保證其應力變化在可承受范圍內，應變電測技術在這一過程中的應用至關重要。
4 結論
應變傳感器及數字技術的發展，為應變測試提供了更多選擇，為航空航天及其它軍民產品的結構強度的測試提供了先進手段。通過試驗驗證和數據分析，為飛機等軍民品產品設計及改進改型提供了必須的數據資料。
參考文獻
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[3]劉九卿.應變式稱重傳感器技術發展概況[A].稱重科技暨第八屆全國稱重技術研討會論文集[C].2009.
關鍵詞：壓力傳感器，薄膜，敏感柵
隨著社會的發展，信息處理技術、微處理器和計算機技術的快速發展和廣泛應用，都需要在傳感器的開發方面有相應的進展。現在非電物理量的測試與控制技術，已越來越廣泛地應用于航天、航空、常規武器、船舶、交通運輸、冶金、機械制造、化工、輕工、生物醫學工程、自動檢測與計量、稱重等技術領域[1]，而且也正在逐步引入人們的日常生活中。免費論文參考網。可以說測試技術與自動控制技術水平的高低，是衡量一個國家科學技術現代化程度的重要標志。傳感器是信息采集系統的感應單元，所以，它是自動化系統和控制設備的關鍵部件，作為系統中的一個結構組成，在科技、生產自動化領域中的作用越來越重要[2]。
傳感器亦稱換能器，是將各種非電量（包括物理量，化學量，生物學量等）按一定的規律轉換成便于處理和傳輸的另外一種物理量（一般為電量、磁量等）的裝置[3]，它能把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路3部分組成，有時還需加上輔助電源。免費論文參考網。其原理如圖1所示。
其中：①敏感元件直接感受被測物理量，如在應變式傳感器中為彈性元件；②傳感元件將感受到的非電量直接轉換成電量，是轉換元件，如固態壓阻式壓力傳感器；③測量電路是將傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、控制和處理的有用電信號的電路，使用較多的是電橋電路。由于傳感器元件輸出的信號一般較小，大多數的測量電路還包括放大電路，有的還包括顯示器，直接在傳感器上顯示出所測量的物理量；④輔助電源是供給傳感元件和測量電路工作電壓和電流的器件。
國際電工委員會IEC則將傳感器定義為測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號[4]。傳感器是傳感器系統的一個組成部分，是被測量信號輸入的第一道關口。對傳感器在技術方面有一定的要求，而同時亦要考慮盡可能低的零點漂移、溫度漂移及蠕變等[5]。近年來，傳感器有向小型化、集成化、智能化、系列化 、標準化方向發展的趨勢[6]。
電阻式傳感器的工作原理是將被測的非電量轉換成電阻值，通過測量此電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應變式和電位計式。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數。
壓力傳感器是將壓力這個物理量轉換成電信號的一種電阻應變式傳感器。傳統的電阻應變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來的傳感器[7]。如圖2所示，將應變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當彈性敏感元件受到外施壓力作用時，彈性敏感元件將產生應變，電阻應變片將它們轉換成電阻變化，再通過電橋電路及補償電路輸出電信號。它是目前應用較多的壓力傳感器之一，因具有結構簡單、使用方便、測量速度快等特點而廣泛應用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫學等諸多領域。
傳統的電阻應變式壓力傳感器的電阻敏感柵是刻錄在一層絕緣脂薄膜上，而薄膜又通過粘結劑粘合到彈性基片上，由于彈性元件與粘結劑及絕緣脂膜之間的彈性模量不同，彈性元件的應變不能直接傳遞給敏感柵，而是要通過粘結劑、絕緣脂膜才能到達敏感柵，從而產生較大的蠕變和滯后，影響傳感器的靈敏度、響應度、線性度等性能。另外，由于粘結劑不能在高溫條件下使用，這也使它的應用范圍受到限制。
為了消除絕緣薄膜層和粘結劑層對傳感器性能的影響，可以嘗試采用真空鍍膜方法及光刻技術，在彈性元件上直接刻錄敏感柵，彈性元件與敏感柵直接接觸，以克服常規工藝導致的滯后和蠕變大的缺陷。另外，如果彈性材料和結構選擇恰當，還可制成耐高溫、耐腐蝕的全隔膜式薄膜壓力傳感器。
一、器件研制
采用真空鍍膜技術在彈性基片上蒸鍍一層約300nm金屬柵材料的薄膜，用半導體光刻技術，在彈性基片上直接形成電阻敏感柵，最后利用耐高溫、耐酸堿腐蝕的環氧樹脂粘結劑，將制作好的芯片封裝在工件中，組成壓力傳感器探頭。經過熱老化、電老化，待封裝應力趨于穩定后，進行電性能測試。
在制作薄膜電阻應變式壓力傳感器中，采用的工藝流程如圖3所示。
測小燈泡的額定功率所用的方法是伏安法，正確的實驗電路圖如圖1所示。由于操作不當，常會發生一些故障，現對出現的故障及應對措施作一個全方位的掃描。
1、當連接好最后一根導線，燈泡就亮了。
分析 這是由于開關在連接的時候沒有斷開。在連接電路時，所有的開關都應斷開，當連接完，檢查沒有問題后方可閉合開關。
2、閉合開關后，燈泡特別亮(或電流表示數較大)。
分析 主要是滑動變阻器的滑片沒有放在阻值最大端。
3、無論如何移動滑片，電表的示數不變且燈泡較亮(暗)。
分析 這是滑動變阻器的兩個接線柱都接在上(下)面了。
4、無論如何移動滑片，電壓表的示數都達不到其額定電壓。
分析 燈泡兩端的電壓不夠，說明電源電壓不足，電源提供的電壓小于燈泡的額定電壓。
5、當閉合開關后，電壓表有示數，而電流表無示數。
分析 電流表測的通過燈泡的電流，它沒有示數，根據歐姆定律，原因有二個：一是燈泡的電壓為0：二是電路中的電阻很大。但電壓表有示數，故只可能是電路中的電阻很大了。要使電路中的電阻達到一個很大的值，電壓表(相當于一個很大的電阻)應串聯在電路中，即燈泡處發生了斷路。如圖2所示。
6、當閉合開關后，電流表有示數，而電壓表無示數
分析 電壓表測的燈泡兩端的電壓，它沒有示數，根據歐姆定律，原因有二個：一是通過燈泡的電流為0；二是燈泡的電阻為0。但電流表有示數，故只可能是燈泡的電阻為0了。要讓燈泡的電阻為0，只能是燈泡處發生短路了，如圖3所示。
7、閉合開關后，向右移動滑片，電流表示數變小，而電壓表的示數也在變大。
分析 由圖1可知，正常情況下，滑片向右滑時，電路中的總電阻變大，總電壓不變，電流變小，電流表的示數應變小，電壓表測的是燈泡兩端的電壓，燈泡的電阻不變，電流變小，其示數也應變小。現在電壓表示數變大，說明電壓表是與滑動變阻器并聯了，如圖4所示。
8、如果在進行實驗時，電流表壞了，沒有電流表可換，給你一個已知定值電阻，如何完成實驗呢?
分析 當電流表壞了，可利用串聯電路電流處處相等的規律來設計實驗。如圖5，將定值電阻與燈泡、滑動變阻器組成一個串聯電路，先把電壓表與燈泡并聯，調滑動變阻器的滑片，使電壓表的示數達到其額定電壓UL：保持滑片位置不動，再把電壓表與定值電阻并聯，測出其兩端的電壓為UR。根據IL=IR= ，得P額=ULIL=UL 。
9、如果在進行實驗時，電壓表壞了，沒有電壓表可換，給你一個已知定值電阻，如何完成實驗呢?
關鍵詞：預應力；鋼絞線；摩擦系數；確實
中圖分類號：TU528．571
文獻標識碼：B
文章編號：1008-0422(2006)04-0148-02
收稿日期：2006-04-25
作者簡介：吳順利(1968-)，男，湖南邵陽人，工程師，從事施工技術管理。
1 前言
后張法預應力混凝土結構或構件的預應力損失主要包括預應力筋與孔道壁間的摩擦損失、錨固回縮損失、分塊拼裝構件接縫壓密損失、分批張拉時混凝土的彈性壓縮損失、預應力筋應力松馳損失以及混凝土收縮徐變損失等，其中以預應力筋與孔道壁間的摩擦損失所占比例最大。在工程實踐中，對重要結構或采用新施工方法的結構往往需要通過試驗來確定預應力筋的摩擦損失。本文結合三峽工程排砂洞無粘結預應力混土襯砌現場試驗，對摩擦系數的確定方法包括應變片的保護方法和實測結果的修正進行了探討。
2 鋼絞線沿程摩擦損失
摩擦損失主要由孔道的彎曲和管道的偏差兩部分組成，前者通常稱為道摩擦損失，后者為孔道偏差損失。對無粘結預應力筋而言，彎道摩擦損失由張拉時預應力筋內側的徑向垂直擠壓力所引起，后者則是由于預應力筋在綁扎時定位不；隹確所導致，有時亦稱之為擺動摩擦損失。預應力混凝土梁的預應力筋大多由直線段和曲線段組成，圓環或圓筒形結構的預應力筋則呈曲線布置。取控制張拉力為Ncon時，由于摩擦損失引起的預應力損失為：
Osi=Qcon[1-e-(uQ+kl)]
式中：Qcon――張拉端控制應力；
u――預應力筋與孔壁的摩擦系數；
9――從張拉端至計算截面彎道部分的夾角(rad)；
k――孔道偏差對摩擦的影響系數；
f―從張拉端至計算截面的預應力筋長度(m)。
3 摩擦系數的現場確定方法
無粘結預應力筋由于具有不需預留孔道和回填灌漿、抗腐蝕能力強、抗震性能好、施工簡便等優點，已在工程中得到廣泛應用。特別是對于預應力筋曲線布置的結構，其摩擦損失小、預應力延程分布均勻的優點應更為突出。工程總長2000m的排砂洞由于采用無粘結預應力混凝土襯砌，不僅使預應力分布更均勻，而且大大加快了施工進度，保證了工程質量并顯著降低了工程造價。該工程是我國首批采用無粘結預應力；昆凝土襯砌的水工隧洞，施工前就曾有結構優化設計和材料性能進行了大量試驗研究。其中無粘結預應力筋摩擦損失的測定是結合現場1：1結構模型試驗進行的，其目的是保證試驗條件與施工條件一致性。電阻應變片的布置和保護方法如圖1、2所示。
該工程所用的無粘結預應力筋為了中5高強低松弛鋼絞線，雙圈環繞布置(每根鋼絞線的環繞角度為4丌)，采用自補償式電阻應變片。鋼絞線綁扎完成后，按下列步驟進行測試儀器的安裝和保護。
3．1準確標出待測位置并小心切除待測位置鋼絞線的塑料外包層，切除長度L1(見圖2)，為該位置在張拉時可以有發生的位移加上適量裕度。
3．2清除切除段的防腐油脂，粘貼電阻應變片。特別要注意電阻應變片的粘貼位置和方向，若鋼絞線在張拉時向左移動，電阻應變片應貼在靠右的位置，其方向則應與鋼絲的軸線方向一致。
3．3為避免張拉過程中因鋼絞線的移動和轉動損壞應變片，應用圖2所示的組合防護鋼管對所貼應變片進行保護，組合防護鋼管由2種直徑不同的半圓形鋼管組成，內側鋼管的內徑應與塑料外包層的外徑相同，外側鋼管的內徑應與內側鋼管的外徑相同。
3．4仔細固定組合防護鋼管，引出應變片的導線，導線應在鋼管內預留足夠長度，然后用膠帶進行密封處理，防止混凝土澆筑過程中漿液滲入。
3．5試驗時在鎖定端安裝荷載傳感器，用于和電阻應變片測定結果進行比較。
模型混凝土養護至規定齡期后即可進行張拉試驗，張拉荷載宜采用分級加載方式，記錄對應于每級荷載的應變片應變變化和荷載傳感器讀數變化。結果如表1所示。
對上述試驗結果進行回歸分析，得到所用鋼絞線的孔壁摩擦系數u=0.032，擺動摩擦系數k=0．0007，均小于規范的建議值(u=0．10，k=0．0035)。
應當指出的是，測定曲線有粘結預應力筋的摩擦損失要困難得多，因為有粘結預應力筋往往成束布置，而每束又由多根鋼絞線組成，在張拉過程中鋼絞線不僅有沿其軸線方向的移動，而且還有轉動和鋼絞線之間的相互作用，每根鋼絞線所受的張拉力都不可能有完全相同，這樣，根據單根鋼絞線確定的摩擦損失系數很難與實際情況相吻合。
對試驗結果進行分析時，還應注意到所測得的應變變化并非沿受力方向的應變變化，而是沿鋼絞線外層鋼絲的軸向(應變片沿鋼絲軸向粘貼)，由于外層鋼絲的螺旋狀環繞，使得鋼絲長度與鋼絞線長度并不相同，因而需要對所測得的應變變化乘一個折減系數p，其值的大小等于鋼絞線長度與外層鋼絲的長度之比。
4 結語
正確確定預應力筋的摩擦損失，對曲線形布筋的預應力結構設計具有重要意義。在用電阻應變片測定摩擦損失系數時，最重要的是對應變片的保護。張拉過程中預應力鋼絞線不僅有沿其軸線方向的移動，而且還有轉動，稍不注意應變片就會遭破壞或失效。采用本文所述的保護方法，可以使電阻應變片的成功率和試驗結果的可靠性大大提高。
參考文獻：
[1]李國平．預應力混凝土結構設計原理[M]．北京：人民交通出版社，2000．
[2]房貞政．無粘結與部分預應力結構[M]．北京：人民交通出版社，1999．
[3]俞祥榮，李小萍，亢景付．雙圈環繞無粘結預應力混凝土襯砌施工技術[M]．北京：中國水利水電出版社，2000．
關鍵詞：靜態；應變檢測；房屋鑒定；檢測
中圖分類號：TN934.85 文獻標識碼：A 文章編號：
在對房屋進行安全鑒定檢測的過程中，可能會遇到一些修建時間較長的建筑物，這就會給檢測工作造成一定的難度，例如有些房屋的資料一出現缺失或丟失的情況，部分建材的規格號牌和類型難以確定，有些房屋即使使用結構有限元分析軟建模計算，也不能鑒定出房屋的受力情況。有些建筑物在進行加固處理之后，在用傳統的分析軟件對其進行檢測，也需要使用應變檢測的方式對其進行驗證，這樣才能保證檢測結果的準確性。
一、靜態應變檢測概述
對房屋安全進行鑒定檢測所使用的應變檢測器材主要包括：應變儀，導線，電阻應變片等。在選用應變儀進行檢測時，通常都會選擇動態電阻應變儀或者靜態電阻應變儀。應變儀在工作時會運用到惠斯通電橋原理，檢測構件上的電阻應變片可以看作電橋的四個臂，根據電阻應變片的具體連接方法，可以使用全橋、半橋和1/4橋進行連接。構件的具體行變量也會根據電阻應變片的情況來反映被檢測電阻的實際變化情況。儀器內部根據具體的公式能夠計算出房屋構件的應變量，會用到的公式有R1/R2=R4/R3,e=1/4.ΔR/R.E,ε=4e/E.K,其中ε表示的是應變數量，K表示的是比例常數，e表示的是輸出電壓，E表示的是輸入電壓。大多數房屋鑒定中對單點應變量進行檢測時，一般都會使用1/4橋的連接方法進行測量。
二、靜態應變法在房屋鑒定檢測中的應用
在房屋的安全鑒定檢測中，如果需要檢測房屋構件的承載力是否符合安全使用的標準，就需要使用靜態應變法對其進行校核。靜態應變法是以實荷檢驗為基礎，在檢測過程中以設計的需求和房屋構件的具體情況來對構件施加相應的荷載，然后利用應力法檢測構件所具有的剛度、承載力和抗裂方面的具體性能。如果只是針對房屋結構的一部分進行試驗檢測時，應該對比較薄弱的部位和存在問題的部位進行檢驗。在確定正常使用極限狀態試驗荷載值時，應該根據房屋最初設計時參照的《建筑結構荷載規范》中所規定的樓面活荷載組合值和房屋使用的具體情況來確定。
三、靜態應變測試加載的案例概述
以下以廣東省的某商場為例，對房屋改造工程進行分析，由于商場發展的需要，該商場要對房屋進行升級改造，在改造時需要對部分樓板的全房間進行開洞處理，這就會導致周邊樓板的邊界條件發生一定的改變，在對樓板進行建模驗算后能夠看出，經過改造的樓板中，配筋的面積出現了不足的情況。在房屋進行纖維布的粘貼加固以后，需要對房屋的加固質量和樓板的具體承載情況是否符合安全標準進行檢測。檢測的具體方法主要有以下幾種：
（一）堆載方法。在使用堆載方法時，應該選用房屋中比較有代表性的樓板，利用均布堆砂法模擬活荷載，并將堆載的最大值設定為1.4倍標準值，并分四個等級進行逐級加載，每級之間的間隔時間為30分鐘。我國現有的荷載規范中有對商場樓面荷載的具體要求，樓面標準值為3.5kN/㎡，這就說明，堆載的最大值應該是4.9kN/㎡。
（二）撓度檢測法。在檢測房屋撓度時，應該在樓板底部跨中位置利用膨脹螺絲固定剛性金屬桿件來測定，在測定的過程中，應該保證桿件處于豎直的狀態，并讓桿件延伸到地面的鋼砧，然后利用磁吸座將百分表和金屬桿件固定在一起，百分表的上部需要頂著鋼砧。在這個環節中，一定要保證鋼砧、磁吸座桿件和金屬桿件具有足有的剛度，當百分表的讀書回到初始值時，接受鋼砧檢測的樓板不能再增加附加荷載。
（三）應變片測點布置。在粘貼應變片時，應該將其放置在構件應變最大的位置，這樣才能顯示出構件的變形受力狀態，例如可以放置在連續板底邊緣受壓區或者板底跨中受拉區。
（四）板底鋼筋應力分析。在對板底鋼筋的應力進行分析時，長向鋼筋和短向鋼筋需要使用不同的公式進行分析，通過測試分析后可以得出，板底鋼筋的應力都比強度設計中的值要小，這就說明，樓板鋼筋的應力滿足相關要求。縱向和橫向鋼筋的應力值比較接近，這一特點符合雙向板兩個方向的理論受力情況。在對混凝土進行應力分析后可以發現，實際測量的樓板混凝土的內應力要比混凝土軸心抗壓和抗拉強度的標準值要小，在樓板應變量最大的位置，沒有出現樓板裂縫等問題。對混凝土板邊界條件進行分析后可以得出，混凝土處于受壓的狀態，從連續板的受力特點可以看出，該板邊界條件為固端，如果混凝土處于受拉的狀態，就說明板邊界條件為簡支。在混凝土構件和碳纖維布協同工作中可以看出，在經過各級加載以后，測量點的拉應變處于相近的狀態，這就說明兩者之間是處于協同工作的狀態，從而證明加固取得較好的效果。在觀察第一級加載時，可以利用這一過程來分析，如果碳纖維布的應變比混凝土構件小，就說明膠水不足或者碳纖維布沒有平鋪，從而使碳纖維布延后接受拉力作用。
四、房屋安全鑒定檢測中的注意點
（一）對房屋進行鑒定和對新建建筑物進行鑒定具有一定的差別，在對文物或具有價值的古建筑物更需要注重鑒定的過程，不能因為加載而破壞建筑物。在房屋鑒定中，通常以年代較久或者既定的建筑房屋為主，這就使得構件的承載力有可能減弱，所以在加載極限荷載值時需要根據房屋的實際情況進行加載，如果建筑的使用條件和設計情況已經發生了一定的變化，就需要根據現有的情況和委托方的具體需求來進行加載，如果擬用的荷載值比原有的設計值小，可以適當的對試驗荷載的極限荷載進行下調，但降低的范圍必須滿足安全使用的規定。
（二）在房屋鑒定的加載應變試驗中，可能會出現計算應變或撓度比實際值大的現象，這是由于：房屋鑒定中的加載沒有實現各跨荷載的最不利分布，或者是由于作用時間較短，沒有使構件充分變形。
（三）如果房屋構件的表觀出現缺陷時，可以適當的對其增加非等比例的荷載，也就是說加荷載的重量會根據級數的增加而出現遞減的情況，這樣就能夠有效的減少由于荷載接近極限負荷而產生的危險，從而能夠提高對房屋危險問題的警惕。同時還需要觀察房屋構件接受應力最大的部位是否存在異常，或者現在已經存在的缺陷能否加重，如果有異常情況發生，應該立即停止試驗，并撤掉對房屋施加的荷載。
總結：
房屋安全鑒定檢測中使用靜電應變法能夠真實而準確的反映出構件在模擬加載中的形變和應變，也能夠對計算中較為復雜的問題進行驗證，從而為房屋的安全使用提供了準確的依據。
參考文獻：
[1] 崔飛，袁萬城，史家鈞.基于靜態應變及位移測量的結構損傷識別法[J].同濟大學學報，2000（1）.
摘要：
在光電子器件封裝中，光纖組件和陣列波導芯片之間微小位移的檢測對封裝效率有很大的影響。分析了目前光電子封裝存在的問題，并對幾種位移測量方法進行了比較，提出了基于電阻應變式一維位移傳感器結構。首先，對位移傳感器結構進行了理論上的分析，得到了微位移與應變的關系式；然后，采用ANSYS有限元分析軟件對傳感器的結構的進行仿真分析，得到位移與應變之間的仿真值；最后，把理論上的分析值與仿真得到的結果進行比較分析。結果表明，新型傳感器能夠檢測微米級位移，通過優化彈性薄片的結構和改變施力點的位置，可以有效的提高傳感器的靈敏度。
關鍵詞：
光電子器件；傳感器；ANSYS有限元分析；微位移
1引言
集成光電子技術是光纖通信的基礎，其顯著提高了光信息處理速度和容量，是支撐下一代光纖通信快速發展的關鍵器件［1］。而光電子封裝是制約光電子器件發展應用的一個瓶頸［2－3］，目前的封裝方法主要是采用機器視覺進行觀測，并估算出相對間隙，這種方法存在以下兩個問題：1）因為光學本身的原因，視覺系統本身的分辨率低，精度不夠；2）視覺系統檢測屬于間接性的測量，無法實時的完成分析檢測。因此，研究耦合界面接觸時產生的微位移，對于光電子封裝的效率具有重要意義，一方面可以提高了耦合封裝時端面的對準精度；另一方面也可以與運動構成閉環控制，對于提高光電子封裝的性能和后續封裝速度具有促進作用。可見，在光電子器件中對微位移的檢測是至關的重要，為了更好地實現微位移測量的實際需要，近年來也發展出了各種類型的位移傳感器，比如電容位移傳感器［4］，具有結構簡單，分辨率高、動態反應快等特點，但是其存在寄生和分布電容、存在非線性誤差等影響測量精度；電感位移傳感器［5］，具有靈敏度高、測量范圍廣、抗干擾能力強等優點，但是其頻率響應低，制作成本相對較高；光電式位移傳感器［7－8］，測量精度高、工作較穩定，但是其設計的技術難度比較大，成本較高。而對于電阻應變式位移傳感器［6］來說，其具有較高的靈敏度、結構簡單、線性度好、工作穩定，而且設計成本較低等優點。結合光電子器件封裝特點以及存在的問題，最終采用了電阻應變片位移傳感器來對陣列光纖與波導芯片之間的位移進行檢測，其測量基本原理是利用應變片響應的應變與位移一一對應關系，來進行標定實現其測量。
2光電子封裝的基本原理
光電子封裝是將輸入陣列光纖、波導功能芯片和輸出陣列光纖實現模場匹配的對準耦合，并釆用膠固化技術或爆接技術將各個模塊精確固化，獲得器件完整功能的生產過程，封裝結構如圖1所示。陣列光纖與波導芯片之間的耦合對準是封裝過程中的關鍵，兩者耦合間距非常小，僅為十幾微米，填充的UV膠量約為幾十納升。如果耦合距離過大，會導致膠量過多進而引起耦合損耗增加，反之，耦合距離過小會導致UV膠量過少固化的強度不足，影響光電子器件的穩定性。由于耦合界面間的距離調整往往是依靠人的眼睛在顯微鏡下主觀性的判斷，偶然性較大，并且數據無法量化，調整難度大。因此，為了更好地測算出兩者之間的間距，設計了一種一維微位移傳感器結構，如圖1安裝所示，在A、B處安裝傳感器，在A處的傳感器可以檢測到波導芯片與輸入陣列光纖之間的力以及微位移，同理在B處的傳感器也能檢測到波導芯片與陣列光纖的力以及微位移。通過傳感器測量的優點體現為：一方面可以對間距進行量化，另一方面也可以實現時時檢測，真正實現波導芯片與陣列光纖的間距可控。為了測量耦合界面接觸壓力以及微位移，可以在陣列光纖夾具上安裝傳感器，傳統的傳感器結構如圖2所示。電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應將應變轉化為電阻變化的傳感器［9］。在對傳感器施加外力作用時，產生微小機械變形，應變片隨著被測對象發生變化而變化，此刻應變片電阻值也發生相應改變，當測得應變片電阻值改變量為ΔR時，知道其靈敏系數便可知被測對象的應變值［10］：dLL＝εΔRR＝Kε（1）式中：R為電阻值（Ω）；K為靈敏系數；ε為金屬絲材料的應變值；L為金屬絲的長度（m）；dL為伸長量（m）。傳統傳感器是一種結構簡單、應變片容易黏貼的位移傳感器。但在測位移時，在傳感器的末端作用點上施加一個作用力F時，會在末端產生一個很大的位移，在測量微小位移情況下，這個結構效果不是很好，為了能夠提高傳感器測量靈敏度，所以必須進行結構上的改進。在懸臂梁傳感器的基礎上進行部分優化，在懸臂梁中心處開一圓形孔，通過仿真測量計算，總體效果并不是有明顯的改善。因此，為了更好地實現對微小位移的檢測，提出了一種新型傳感器結構。
3新型傳感器結構的設計與分析
通過增加應變片的值，提高傳感器的靈敏度，設計了一種新型傳感器結構如圖3所示，在矩形截面梁上開兩端不對稱的槽，在靠近施力點一端開上下對稱槽，作用近似為一固定軸；在另一端設計為一薄片，為應變值最大處。在作用點施加作用力F時，使得薄片處應變最大，此處上表面受壓應力，下表面受拉應力，所以在其上表面和下表面各貼一個應變片A和B，當應變梁發生形變，使得應變梁上A、B應變片電阻發生變化，橋式電路電橋平衡被打破，轉化為電壓信號。在圖2所示的結構中，“U”型槽薄且間距短，在微小力的作用下，其位移量較小，因此在理論分析中忽略其位移變化，將其近似成一固定軸；水平剛性體相對于“U”型槽厚度及彈性體薄片較厚，相對形變較小，近似看作剛性體；彈性薄片很薄，且水平剛性體發生形變小，因此在分析受力過程中可以忽略彈性薄片對應變的影響。假設固定軸距離右側薄板距離為L1，施力點最大位移處距離為L2，作用力為F1，最大應變處力大小為F2，Δs為最大位移量，Δy為施力點最大位移量：Δy＝L2L1•Δs（2）b為薄的彈性片寬度，h為厚度，l為長度，E為彈性模量，則最大位移變化量為公式：Δs＝4F2l3bh3E（3）薄彈性片的支撐力約為F3，方向與最大應變處力F2大小相等方向相反，l′為應變片中心點到最大位移處距離，最大貼應變片處應變公式［6］：ε＝6F3（l－l′）bh2E（4）由式（2）～（4）得式（5）：Δy＝L2L1•2l3ε3（l－l′）h（5）
4彈性體有限元仿真分析
由于實驗可以布置的測點數量有限，而仿真可以得到整個結構的力學參數，故通過仿真替代實驗對理論公式關于實際結構的適用性進行分析［11］。采用ANSYS有限元軟件對彈性體整體結構進行有限元靜態分析，在應變分析求取方面具有高度可信的仿真結果。傳感器設計為85mm×10mm×10．2mm長方體結構，施力面小圓柱凸起R1＝2．5mm，高度為1mm；靠近施力面上下對稱“U”型槽，切除的結構構成：長方體長寬高2mm×10mm×3．6mm，半圓R1＝1mm，離左側固定端5mm，剩余輔助彈性體厚度為1mm；右邊部分結構構成：上下四分之一半圓，半徑均為5mm，薄彈性體長寬厚6mm×10mm×0．2mm。通過ANSYS有限元軟件可以確定其結構應變量，同時對施力點位移變化情況進行分析，并對應變片進行精確定位貼片，更能直觀地找出彈性體結構中最敏感部位。
4．1網格劃分
本彈性體結構采用硬鋁合金材料，硬鋁合金的彈性模量為72GPa，泊松比為0．33。在ANSYS建模將實體模型轉換為有限元分析模型時需要劃分網格。在對彈性體結構進行網格劃分時，單元類型選用SOLID95高精度實體單元，并采用智能網絡劃分控制，選擇劃分精度后由ANSYS自動劃分后，對貼應變片處的敏感部位再進行精確劃分。
4．2仿真計算
彈性體是梁式結構，在對彈性體進行施力仿真前，需對彈性體左側施加面X、Y、Z軸上施加約束力，右側施加面Y軸上施加約束力，在施力位置點施加集中載荷力F。通過求解，可得到彈性體整體變形狀況以及最敏感處的應變，通過應力、應變以及位移等值線或曲線圖［12］，就可以了解應力、應變以及整移的分布情況。由于應變片敏感柵具有一定的區域，不同長度、寬度處的應變值不同，因此不能使用一條在線的應變值代表整片應變片的變形量［10］，所以采用均值法求得應變。設計選用半導體應變片的敏感柵長為5mm，寬0．32mm。因此，采用路徑映射將應變值映射到選定的一條路徑上，即敏感柵左右邊界處，每一條路徑化分50個節點，即將5mm均分50等份，標示每一節點上的應變為εi，則求得一條直線上的平均應變變化值珋εn，把寬度0．32mm均分為十條直線，每條直線上的應變為珋εn，通過對10條直線上的平均應變值求解，便可得所求應變值。
4．3傳感器的有限元分析
在光電子器件封裝過程中，波導芯片與陣列光纖之間接觸力比較小，為了實現其在同等力情況下，傳感器彈性薄片應變量最大，因此在整個仿真實驗中設定其厚度為0．2mm。在施力點A處施加力F時，傳感器X軸應變仿真云圖如圖4所示，仿真應變最大值集中在彈性薄片上，與分析結果相一致。為了更好地驗證傳感器的性能，在傳感器的施力點施加1～10N的垂直力，通過上述數據處理方法，得到在X軸上應變集中處的應變量，以及在施力點上的Z軸位移變化量，數據處理結果如表1所示。為與此結構比較，懸臂梁傳感器結構長寬高均取相同值，改進型傳感器圓孔處于傳感器中心，半徑為5mm。根據上述數據處理方法，可得X軸應變量和Z軸位移量。從圖5中可以看出，在施力點產生同樣的位移時，設計的新型傳感器中應變量明顯高于傳統型懸臂梁傳感器和改進型傳感器，靈敏度更高。為檢驗彈性薄片長度l、U型槽到施力點的距離L2與均值應變與施力點最大位移的比值之間的關系，通過上述ANSYS有限元分析方法以及數據處理方法進行逐一實驗驗證。根據絕對誤差的定義為測量的實際值與被測量的理想真值之差，相對誤差的定義為絕對誤差與被測量的真值之比［13］。彈性薄片長度l是變量時，假設l＝6mm為起始點每次增加0．5mm，通過理論計算以及ANSYS有限元分析實測均值應變與施力點最大位移的比值之間的關系，如表2所示。施力點位移L2是變量時，假設L2＝7mm處為起始點每次增加0．5mm，通過理論計算以及ANSYS有限元分析實測均值應變與施力點最大位移的比值之間的關系，得到如表3所示。通過ANSYS仿真實驗得到表1的結果，從中可以看出，當其他條件不變時，彈性薄片長度l越長，彈性片上的均應變與施力點的最大位移比值越小，與理論分析結果相一致。除在l＝6mm時誤差較大外，其他值時誤差較小，也說明在理論推導條件下，l越短彈性薄片在整個結構的影響因素就越大。通過ANSYS仿真實驗得到表2的結果，從中可以看出，當其他條件不變時，施力點位移L2越長，彈性片上的均應變與施力點的最大位移比值越小，與理論分析結果相一致。由于測量的實際結果與理論值之間的誤差值一致，因此可以通過軟件的方式減少相對誤差值。
5結論
設計了一種新型的傳感器結構，通過優化傳感器彈性元件參數可以有效地提高傳感器的靈敏度，與傳統的位移傳感器相比，此傳感器適合于微位移的測量需求。
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關鍵詞：扭矩；傳感器；趨勢
引言：
助力自行車，又稱助力式電動自行車，是一種介于自行車與電動車之間的騎行工具，通過電力輔助人力提供給自行車行進中所需要的動能，它是人們追求高效、便捷、健康、環保的生活方式的產物。
目前市場上助力自行車絕大多數采用速度傳感器，通過反饋速度（即人踩腳踏板的速度）的大小來控制電機的驅動力。電機輸出的驅動力與速度大小成正比，進而實現助力的目的。然而，基于速度檢測的助力自行車，在普通路況下有一定的助力效果。但遇到逆風或上坡等高阻力、重負荷的路況時，由于人騎行的車速本身較低，所以電機輸出的驅動力也較小，無法達到助力的目的，騎行效果較差，不能被主流市場所接受。因此，最佳的方案應采用力矩傳感器，通過反饋人踩腳踏板的力的大小來控制電機驅動力的大小，力矩越大，驅動力越大。目前國內外主要采用的扭矩傳感器有以下幾種：逆磁致伸縮效應、轉矩位移轉換方案、應變片檢測方案、轉矩磁阻轉換方案。
1、逆磁致伸縮效應
物質有熱脹冷縮的現象。除了加熱外，磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復原來的長度，這種現象稱為磁致伸縮現象（或效應）。反過來通過外力使得物體尺寸發生變化，物質的磁場也會發生變化，此現象被稱作為逆磁致伸縮效應。如圖一所示作用在受力軸上的扭力將使得其上面粘貼的逆磁致伸縮材料的磁特性發生改變，再轉化為電信號測得轉矩。
此類型扭矩傳感器，在日本歐洲市場上普遍使用，日本松下、YAMAHA在90年代就開始研發此類型扭矩傳感器，用于其自主品牌的助力自行車中置電機系統；近年來德國FAG也開發了基于逆磁致伸縮效應的扭矩傳感器，用于Bosch的中置電機系統上；Thun不同于以上幾家，把扭矩傳感器集成在中置電機系統內，Thun開發了能夠安裝于自行車五通內的中軸扭矩傳感器，從而給使用輪轂電機的整車系統，裝上扭矩傳感器提供了可能，以及方面性如圖二所示，但是由于此方案采用特殊材料，在國內目前沒有普遍使用，由于開發難度大，開發成本高，不適合產品初期開發，但其材料及加工成本低，適合長遠發展。
圖一逆磁致伸縮效應示意圖
圖二 Thun中軸扭矩傳感器示例
2、轉矩位移轉換
該類扭矩傳感器利用受力軸受到扭力作用后在彈性原件上產生位移信號，轉矩與產生位移成正比。如圖三中標號9的彈簧壓縮量和力矩成比例。即：轉矩信號轉化為位移信號，再將位移信號通過電磁轉換測得轉矩值。
更為具體的，該方案可以利用兩對線性霍爾傳感器，例如a， A當扭力軸未受到扭力的時候a和A輸出信號保持同相位，當受到力矩以后a和A兩個霍爾輸出信號產生相位差，其相位差正比于扭矩大小，如圖四所示，但是此方案對安裝尺寸要求高，在初次安裝時候需要嚴格對準a和A信號的初相位，不利于生產，并且在后期使用過程中，例如車輛倒砸，都可能會照成信號的移位，產生扭矩檢測的漂移。
圖三 扭矩位移示意圖
圖四 扭矩位移信號示意圖
3、應變片方案
該方案原理是受力軸受到扭力后，粘貼在受力軸上的應變片電阻值發生變化，通過檢測電阻應變橋的差分信號，即可測得受力軸上的扭矩。應變片方案又分為接觸式和非接觸式，接觸式普遍采用導電滑環方式進行信號，以及電源傳輸，該方案存在最大轉速以及轉動壽命問題，并且隨著轉動次數的增加，信號的接觸電阻會逐漸發生變化，影響其性能。近年來不少公司開發了非接觸檢測方案，通過電磁感應方式供電，無線傳輸信號；根據軸的剪切原理，電阻應變片一般粘貼于和成軸承45°方向，這樣電阻應變片中金屬絲成最大應變范圍。電阻應變片方案已經廣泛應用在測功機轉矩測量領域，成本低且可靠性較高。
圖五 電阻應變片粘貼示意圖
4、轉矩磁阻方案
該方案原理是受力軸受到扭力后，受力軸兩端的齒輪位置發生相對變化，通過測量齒輪上的磁阻變化測得受力軸兩端的應變角度變化，進而推算出受力軸上的扭矩，如圖六所示。此方案已廣泛應用在EPS中的轉矩測量領域，可靠性高。
5、各個方案對比分析
綜上所述，各個方案的扭矩傳感器對比如圖七所示，從短期發展來看，應變片檢測方案簡單易實現，成本低且可靠性較高，在產品開發初期不失為一種很好的選擇，但此方案可復制性高；因此，從長遠發展來看，逆磁致伸縮效應方案將是中置系統的發展趨勢。
參考文獻
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關鍵詞：橋梁檢測；橋梁診斷；可靠性
橋梁檢測與診斷是關系到橋梁質量安全的重要部分，隨著信息技術的不斷發展，橋梁檢測與診斷技術均在不斷的發展與完善。但從其整體作用程度看，其可靠性需要進一步的證實。
1 橋梁檢測
橋梁檢測是檢測人員采取一定的技術手段來了解橋梁的已存在或潛存的病害及其發生部位、病害級別、產生原因、影響等多種情況，從而為橋梁的病害治理及維護技術等提供科學的數據支撐，在保證橋梁安全系數的前提下保證其承載量。
1.1 電阻應變測試技術的可靠性分析
1.1.1 電阻應變測試技術
電阻應變測試技術在橋梁檢測中的應用主要是通過在橋梁的鋼筋砼結構的應變檢測中采用電阻應變片，利用應變片、應變儀與只是記錄器組成的測量系統對橋梁的具體承載量等進行檢測，該項技術在橋梁、房屋建筑等土木工程建設過程中的作用愈加突出。
1.1.2 電阻應變測試技術的可靠性分析
測量速度快、靈敏度高及其在短期內性能相對穩定是電子應變測試技術在橋梁檢測中應用的主要原因，其靈敏度和穩定性保證了其測量的可靠性。且電阻應變測試技術的主體是應變片，應變片的加工過程簡易，橋梁施工中可以直接將其埋入橋梁結構中不影響橋梁的整體結構。在電阻應變測試技術也存在長導線電阻、潮濕環境等電阻應變測試技術發展的缺點。
隨著技術的不斷發展，電阻應變測量技術中材料和工藝也不斷完善中，目前應變片的材料多數采用敏感柵及粘接劑材料，受環境因素的影響越來越小。隨著工藝的深化，電阻應變測量技術會逐漸完善，對橋梁的相關結果的檢測可靠性也會愈加穩定，適宜在道路橋梁等土木工程建設中推廣、利用。
1.2 混凝土橋梁外觀檢測技術
1.2.1 混凝土橋梁外觀檢測技術
混凝土橋梁外觀檢測法主要是通過直觀的觀察混凝土結構的橋梁出現裂縫或其他病害的檢測方法，此種方法是最直觀的也是最常使用的檢測方法。
1.2.2 混凝土橋梁外觀檢測技術的可靠性分析
許多橋梁的病變的是源自橋梁的內部構造，待其惡化到一定程度時才會通過外觀的裂變或具體的病變表現出來，因而混凝土橋梁外觀檢測技術不能檢測出其橋梁內部是否存在質量隱患。混凝土橋梁外觀檢測技術對橋梁檢測確有一定的作用，但對深層次的檢測考慮其可靠性低，不適宜在橋梁等影響國家或地區經濟發展的重要交通建筑物上使用。
1.3 結構靜載實驗檢測技術的可靠性分析
1.3.1 結構靜載實驗檢測技術
結構靜載實驗檢測技術是一種針對于識別橋梁損傷的重要檢測方法，橋梁進行靜載實驗過程中關于橋梁的結構、性能等相關的數據會具體的表現出來。進行該項實驗前檢測人員要根根據實驗的要求及目的對橋梁進行相關的考核，并根據橋梁的結構圖紙、相關建設資料進行分析以確保可以符合該項技術的檢測要求；實驗過程中第一步要進行荷載實驗，通過儀表觀測各種數據，為橋梁的結構靜載實驗提供核心的數據支持；通過荷載實驗得出的數據，檢測人員要進行詳細的數據計算與分析。主要的數據計算有截面應力值、變形值、測試試驗點應力值等，檢測人員通過對各種計算結果的分析可以得出實驗橋梁的剛度、抗裂性及承載量等方面存在的問題或病變，為橋梁病變的治理與修護提供了方向。
1.3.2 結構靜載實驗檢測技術的可靠性分析
結構靜載實驗檢測技術通過對橋梁的荷載情況進行核心測量，通過數據計算和分析，檢測人員可以更加具體的掌握橋梁的問題或病變情況，為橋梁的治理提供了較為精確的指導。但由于該項技術檢測耗時較長，因而所需要的費用較高，普及度較低。
綜合分析結構靜載實驗檢測技術對橋梁檢測的優缺點，作者認為結構靜載實驗是檢測橋梁問題的有效方法。隨著技術的不斷完善，實驗的時間和費用消耗會得到更加合理的控制，對推進該項技術的進一步推廣有很大的受益。
2 橋梁診斷
橋梁診斷是繼橋梁檢測后更為具體的橋梁病變治理過程，其主要是將橋梁檢測中得出各項數據進行更深層次的分析，以明確橋梁具體的病變類型和病變部位。
2.1 神經玩網絡診斷方法的可靠性分析
2.1.1 神經網絡診斷方法
神經網絡法是測定橋梁損傷的智能診斷，其通過有限元法或能量法等，將參數的樣本輸入神經網絡，經過運算輸出的數據便是橋梁的結構缺陷，即問題所在。
2.1.2 神經網絡診斷方法的可靠性分析
神經網絡法的非線性放射性特征對診斷混凝土橋梁結構中潛存的損傷的效果非常明顯，是對橋梁檢測結果的有效的診斷，通過該方法檢測人員可以最終得出關于橋梁的修護的具體方案，強化了橋梁的交通運輸功能。目前從BP網絡模型、RBF神經網絡及模數神經網絡等網絡模型損傷檢測模型的研發并推廣程度可知，神經網絡法對橋梁的診斷功能會逐漸完善，其可靠性值得肯定。
2.2 動力指紋分析法的可靠性分析
2.2.1 動力指紋分析法
動力指紋分析法是根據橋梁結構發生損傷時其結構參數的便會對動力指紋的影響而得出的對比數據，因而動力指紋分析法有為對比法。損傷檢測數據庫內涵蓋了橋梁的具體損傷位置及程度等具體數值，通過將橋梁結構損傷檢測出的精確數值與數據庫資源進行比對，檢測出的數值與數據庫中的具體數值最為接近的便是橋梁最有可能發生病變的部位。
2.2.2 動力指紋分析法的可靠性分析
動力指紋分析法進行數據對比分析時，其主要作用的指紋包括振型及其曲率、頻率、應變模型、MAC、模態柔度矩陣等。從動力指紋分析法的總體發展情況分析可知，其敏感度不足，因而在就橋梁進行結構損傷診斷時要耗費大量的時間進行數據檢測以促使檢測得到的數據有與數據庫內的數據相接近的數值，以最終斷定橋梁出現結構損傷的具置。該種診斷方法下診斷人員的工作量大，但得出的數值的精確程度有待對比分析，因而其雖在橋梁結構損傷診斷方面發揮了一定作用，但其規模化利用的可靠程度不高。
3 結束語
橋梁的檢測與診斷是以精確的檢測和數據計算最終判定橋梁發生病變的位置及病變程度的唯一方式。從目前橋梁病變、損傷的檢測與診斷方式、方法總結可知，我國的橋梁檢測與診斷技術已經取得了一定的進步。但從我國橋梁發生坍塌、裂變等其他危險事故的發生頻率分析可知，我國該方面的整體技術還有很大的發展空間。
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