应变电测与传感器技术的应用与发展探析

摘 要分析了应变电测技术的原理，概述了应变电测与传感器技术的应用和发展，最后就应变电测在航空航天工业中的应用做了探索。

【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动态应变计便应用于飞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.

作者单位

中航工业洪都 江西省南昌市 330024

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