應變片的粘貼與應變測試練習

1、實驗項目名稱：應變片的粘貼與應變測試練習一、實驗目的1 .學習并掌握常溫電阻應變片的粘貼技術。2 .在結構上粘貼應變片，測量該位置的應變應力值，并與理論值比較。二、實驗儀器1 .電阻應變片，接線端子；2 .數字萬用電表，測量導線；3 .懸臂梁、祛碼、溫度補償塊等；4 .砂布、丙酮、藥棉等清洗器材；5 .502膠、防潮劑、玻璃紙及膠帶；6 .劃針、鐐子、電烙鐵、剪刀等；7 .靜態(tài)電阻應變儀；三.實驗原理應變電測法是工程中用于測量構件或結構在靜、動載荷作用下產生應變量大小的一種重要測試方法。此方法技術成熟可靠，測量時，將應變片用專用膠水牢固地粘貼在研究對象表面，組成橋路，反映測點的應變量大小。應變

2、片的結構電阻應變片（簡稱應變片）是由很細的電阻絲繞成柵狀（如圖3-1（a）所示）或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀（如圖3-1（b）所示），并用膠水粘貼固定在兩層絕緣薄片中制成。應變片種類繁多、形式多樣，但基本構造大體相同?，F以絲繞式應變片為例說明。絲繞式應變片的結構如圖3-1（a）所示，它以直徑為0.025mm左右的、高電阻率的合金電阻絲2,繞成形如柵欄的敏感柵。敏感柵為應變片的敏感元件，作用是敏感應變。敏感柵粘結在基底1上，基底除能固定敏感柵外，還有絕緣作用，敏感柵上面粘貼有覆蓋層，敏感柵電阻絲兩端焊接引出線3,用以和外接導線相連。電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理，是基于金屬導體的應變效應

3、，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化的現象。由歐姆定理可知，金屬絲的電阻與其材料的電阻率及其幾何尺寸（長度和截面積）有關，而金屬絲在承受機械變形的過程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。由物理學可知，金屬絲的電阻為：(3-1)式中，R金屬絲的電阻（）;金屬絲的電阻率（L金屬絲的長度（m）S一為金屬絲的截面積（2,、m/m);m2)。取如圖3-2所示一段金屬絲，當金屬絲受拉而伸長dL時，其橫截面積將相應減小dS,L-圖3-2金屬導體的電阻應變效應dRdL-LdSLdSS2S以R除左式，L/S除右式，得dRdLdSRLS設金

4、屬絲半徑為r,有dSdr2-Sr(3-2)(3-3)(3-4)令，ex=dL/L為金屬絲的軸向應變；軸向伸長，沿徑向縮短，二者之間的關系為£y=dr/r為金屬絲的徑向應變。金屬絲受拉時，沿電阻率則因金屬晶格發(fā)生變形等因素的影響也將改變d,則有金屬絲電阻變化量dR為(3-5)式中，一金屬材料的泊松系數。將式（3-4）、式（3-5）代入式（3-3）得dR(12)xdR/R或(3-6)(3-7)Ks稱為金屬絲的靈敏系數，表征金屬絲產生單位變形時，電阻相對變化的大小。顯然，Ks越大，單位變形引起的電阻相對變化越大。由式（3-7）可看出，金屬絲的靈敏系數Ks受兩個因素影響：第一項（1+2是由于

5、金屬絲受拉伸后，幾何尺寸發(fā)生變化而引起的；第二項d/x是由于材料發(fā)生變形時，其自由電子的活動能力和數量均發(fā)生了變化的緣故。由于d/x還不能用解析式來表示，所以KS只能靠實驗求得。實驗證明，在彈性范圍內，應變片電阻相對變化dR/R與應變x成正比，Ks為一常數，可表示為dRKsx(3-8)應該指出，將直線金屬絲做成敏感柵之后，電阻一應變特性與直線時不同，相關標準需重新進行實驗測定。實驗表明，應變片的dR/R與£x的關系在很大范圍內具有很好的線性關系，即dR/R(3-9)x式中，K電阻應變片的靈敏系數。由于橫向效應的影響，應變片的靈敏系數K恒小于同一材料金屬絲的靈敏度系數Ks。靈敏度系數是

6、通過抽樣測定得到的，一般每批產品中按一定比例（一般為5%）的應變片測定靈敏系數K值，再取其平均值作為這批產品的靈敏系數，這就是產品包裝盒上注明的“標稱靈敏系數”。用應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面發(fā)生微小機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因而應變片的電阻也發(fā)生相應的變化，如用儀器測出應變片的電阻值變化dR,則根據式（3-9）可得到被測對象的應變值£x,而根據應力一應變關系可得到應力值（To(3-10)式中，（T一試件的應力；一試件的應變。電阻應變片的種類電阻應變片的種類繁多，分類方法各異。1）按敏感柵形狀分類按敏感柵形

7、狀分為：單軸、平行多軸、同軸多柵、二軸120°等。2）按應變片工作溫度分類90°、三軸45°、三軸60°、三軸按工作溫度分常溫應變片-30oC60oC中溫應變片60oC350oC高溫應變片3500c以上低溫應變片-30oC以下3）按敏感柵材料分類金屬電阻應變片按材料分<.半導體應變片金屬絲應變片金屬箔應變片金屬薄膜應變片4）幾種特殊的應變片為了適應工程實際和某些力學實驗的需求，還有一些特殊形狀的應變片，主要有以下幾種形式。裂紋擴展應變片裂紋擴展應變片敏感柵是由平行柵條組成。用于斷裂力學實驗時，檢測構件在載荷作用下裂紋擴展的過程及擴展的速率。實驗時粘

8、貼在構件裂紋尖端處，隨著裂紋的擴展，柵條依次被拉斷，應變片的電阻逐級增加。根據事先作出的斷裂順序與電阻變化曲線，可推斷裂紋的擴展情況。根據各柵條斷裂的時間，即可計算出裂紋的擴展速率。疲勞壽命應變片疲勞壽命應變片是由經過退火處理的康銅箔制成的敏感柵夾在兩浸過環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布中間形成。當應變片粘貼在承受交變載荷的構件上時，應變片絲柵在交變載荷作用下發(fā)生冷作硬化，而使電阻發(fā)生變化，電阻變化值與交變應力的大小、循環(huán)次數成比例，通?？捎脤嶒灧椒▉斫⒔涷灩?。使用時可由電阻變化來推算交變應變的大小及循環(huán)次數，從而預測構件的疲勞壽命。大應變量應變片用于量測5%-20%大應變或超彈性范圍應變用的。為避免

9、絲柵與粗引線間的應力集中，中間采用細引線過渡。箔式應變片的引線應彎成弧形，然后再焊接，敏感柵是由經過獲得大變形及退火處理的康銅制成，基底可用浸過增塑劑的紙（應變5%-12%）或聚酰亞胺（應變20%）,粘結劑可用環(huán)氧樹脂、聚氨酯填加增塑劑制成。這種應變片受壓時敏感柵會發(fā)生軸向屈曲，故承受的拉應變遠大于壓應變。因此，當用于交變應變量測時，量測范圍不應超過允許的壓應變界限。雙層應變片在進行薄殼、薄板應變的測量時，需要在殼和板的內、外表面對稱貼片。而對于體積小或密封的結構在內表面貼片幾乎是無法進行的。雙層應變片為解決這些問題提供了條件，在不太厚的塑料上、下表面粘貼應變片，并在應變片表面涂環(huán)氧樹脂保護層

10、。使用時將此雙層應變片粘貼在被測構件的外表面，利用彎曲應變線性分布及軸向應變均勻分布特點，同時測出彎曲及軸向應變。防水應變片在潮濕環(huán)境或水下，特別在高水壓作用下，應采用防水應變片。常溫短期水下應變量測可在箔式應變片表面涂防護層（如水下環(huán)氧樹脂）。長期測量可用熱塑方法將應變片夾在兩塊薄塑料板中間，或采用防水、防霉、防腐蝕的特種膠材料作為應變片的基底和覆蓋層制成防水應變片。屏蔽式應變片屏蔽式應變片的上、下兩面均有銅箔構成屏蔽層，常用于電路變化幅度大的環(huán)境中的應變測量，如在電焊機旁或電氣化機車軌道應變的測量。在強磁場中，若采用饃銘敏感材料，可減小磁致效應。電阻應變片的材料1）敏感柵材料制造應變片時，

11、對敏感柵材料的要求：靈敏系數Ks和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率R/R與機械應變之間應具有良好而寬廣的線性關系，即要求Ks在很大范圍內為常數；電阻溫度系數小，電阻-溫度間的線性關系和重復性好；機械強度高，碾壓及焊接性能好，與其它金屬之間接觸熱電勢?。豢寡趸?、耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后。敏感柵常用的材料有康銅、饃銘合金、鐵銘鋁合金、鐵饃銘合金、貴金屬（鉗、鉗鴇合金等）材料等。2）應變片基底材料應變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基取代，因膠基性能各方面都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚約0.030.05mm。基底材料性能有如下要求：機械強度好，撓性好；

12、粘貼性能好；絕緣性能好；熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院?；無滯后和蠕變。3）引線材料康銅絲敏感柵應變片，引線采用直徑為0.050.18mm的銀銅絲，采用點焊焊接。其它類型敏感柵多采用直徑與上述相同的銘?zhàn)x、鐵銘鋁金屬絲作為引線，與敏感柵點焊相接。應變片的主要工作參數1）應變片的尺寸如圖3-2所示，順著應變片軸向敏感柵兩端車t向處之間的距離稱為標距L,電阻絲式一般為5180mm,箔式的一般為0.3180mm。敏感柵的橫向尺寸稱為柵寬，以B表示。小柵長的應變片對制造要求高，對粘貼的要求亦高，且應變片的蠕變、滯后及橫向效應也大。因此應盡量選要柵長大一些的片子，應變片的柵寬也以小一些的為好。2）應變片的電阻值應變片的

13、電阻值指應變片沒有安裝且不受力的情況下，在室溫時測定的電阻值。應變片的標準名義電阻值通常為60、120、350、500、1000五種。用得最多的為120和350兩種。應變片在相同的工作電流下，電阻值愈大，允許的工作電壓亦愈大，可提高測量靈敏度。3）機械滯后對已安裝的應變片，在恒定的溫度環(huán)境下，加載和卸載過程中同一載荷下指示應變的最大差數，稱為機械滯后。造成此現象的原因很多，如應變片本身特性不好；試件本身的材質不好；粘結劑選擇不當；固化不良；粘接技術不佳，部分脫落和粘結層太厚等。在測量過程中，為了減小應變片的機械滯后給測量結果帶來的誤差，可對新粘貼應變片的試件反復加、卸載35次。4）熱滯后在室溫

14、與極限工作溫度之間增加這主要由粘結層的殘余應力、干燥“二次固化處理”可使熱滯后值減對已安裝的應變片試件可自由膨脹而并不受外力作用,或減少溫度，同一溫度下指示應變的差數，稱為熱滯后。程度、固化速度和屈服點變化等引起。應變片粘貼后進行小。5）零點漂移對已安裝的應變片，在溫度恒定、試件不受力的條件下，指示應變隨時間的變化稱為零點漂移（簡稱零漂）。這是由于應變片的絕緣電阻過低及通過電流而產生熱量等原因造成。6）蠕變對已安裝的應變片，在溫度恒定并承受恒定的機械應變時，指示應變隨時間的變化稱為蠕變。這主要是由膠層引起，如粘結劑種類選擇不當、粘貼層較厚或固化不充分及在粘結劑接近軟化溫度下進行測量等。7）應變

15、極限溫度不變時使試件的應變逐漸加大，應變片的指示應變與真實應變的相對誤差（非線性誤差）小于規(guī)定值（一般為10%）情況下所能達到的最大應變值為該應變片的應變極限。8）絕緣電阻應變片引線和安裝應變片的試件之間的電阻值稱為絕緣電阻。此值常作為應變片粘結層固化程度和是否受潮的標志。絕緣電阻下降會帶來零漂和測量誤差，尤其是不穩(wěn)定絕緣電阻會導致測試失敗。9）疲勞壽命對已安裝的應變片在一定的交變機械應變幅值下，可連續(xù)工作而不致產生疲勞損壞的循環(huán)次數，稱為疲勞壽命。疲勞壽命的循環(huán)次數與動載荷的特性及大小有密切的關系。一般情況下循環(huán)次數可達106107。10）最大工作電流允許通過應變片而不影響其工作特性的最大電

16、流值，稱為最大工作電流。該電流和外界條件有關，一般為幾十毫安，箔式應變片有的可達500mA。流過應變片的電流過大，會使應變片發(fā)熱引起較大的漂零，甚至將應變片燒毀。靜態(tài)測量時，為提高測量精度，流過應變片的電流要小一些；短期動測時，為增大輸出功率，電流可大一些。電阻應變片的粘貼在應變測量時，粘合劑所形成的膠層起著非常重要的作用，應準確無誤地將試件或彈性元件的應變傳遞到應變片的敏感柵上去。對粘合劑有如下要求：有一定的粘結強度；能準確傳遞應變；蠕變小；機械滯后?。荒推谛阅芎?、韌性好；長期穩(wěn)定性好；具有足夠的穩(wěn)定性能；對彈性元件和應變片不產生化學腐蝕作用；有適當的貯存期；有較大的使用溫度范圍。選用粘合

17、劑時要根據應變片的工作條件、工作溫度、潮濕程度、有無化學腐蝕、穩(wěn)定性要求，加溫加壓、固化的可能性，粘貼時間長短要求等因素考慮，并注意粘合劑的種類是否與應變片基底材料相適應。四、實驗方法和步驟1）應變片的篩選應變片的外觀檢查，要求其基底、覆蓋層無破損折曲；敏感柵平直、排列整齊；無銹斑、霉點、氣泡；引出線焊接牢固。可在放大鏡下檢查，不致于微小庇病的遺漏。應變片阻值與絕緣電阻的檢查，用萬用電表檢查應變片的初始電阻值，對于同一測區(qū)的應變片阻值之差應小于土0.5歐姆，剔除短路、斷路的應變片。2）測點表面處理和測點定位為了使應變片牢固地粘貼在構件表面，需對測點表面進行處理。測點表面處理是在測點范圍內的試件

18、表面上，用機械方法，粗砂紙打磨，除去氧化層、銹斑、涂層、油塔使其平整光潔。再用細砂紙沿應變片軸線方向成45度角打磨，以保證應變片受力均勻。然后，用脫脂棉球蘸丙酮或酒精沿同一方向清洗貼片處，直至棉球上看不見污跡為止。構件表面處理的面積應大于電阻應變片的面積。測點定位，用劃針或鉛筆在測點處劃出縱橫中心線，縱線方向應與應變方向一致。3）應變片粘貼應變片粘貼，即將電阻應變片準確可靠地粘貼在試件的測點上。分別在構件預貼應變片處及電阻應變片底面涂上一薄層膠水（如502瞬時膠），將應變片準確地貼在預定的劃線部位上，墊上玻璃紙，以防膠水糊在手指上；然后用拇指沿一方向輕輕滾壓，擠去多余膠水和膠層的氣泡；用手指按

19、住應變片12分鐘，待膠水初步固化后，即可松手。粘貼好的應變片應位置準確；膠層薄而均勻，密實而無氣泡。對室溫固化粘結劑完成上述工序后，即可自然干燥固化，一般時間為24小時，502膠水粘結時，采用自然干燥固化。有時為促進固化，提高粘結強度，可在貼好的應變片上墊海綿后用重物壓?。粸榱思涌炷z層硬化速度，可以用紫外線燈光烘烤。4）導線焊接與固定23.1.應變片2.接線端子3.測量導線圖3-3導線焊接與固定導線是將應變片的感受信息傳遞給測試儀表的過渡線，其一端與應變片的引出線相連線，另一端與測試儀表（如電阻應變儀）相連接。應變片的引出線很細，且引出線與應變片電阻絲的連接強度較低，很易被拉斷。所以，導線與應

20、變片之間通過接線端子連接，如圖3-4所示。接線端子粘貼在測量導線及應變片端頭，不應有間距。將應變片引出線焊接到接線端子的一端，然后將接線端子的另一端與導線焊接。所有連接必須用錫焊焊接，以保證測試線路導電性能的質量，焊點要小而牢固，防止燒壞應變片或虛焊。引線至測量儀器間的導線規(guī)格、長度應一致，排列要整齊，分段固定。導線的固定可采用醫(yī)用膠布，704膠及橡皮泥等。5）應變片粘貼質量檢查。用放大鏡觀察粘合層是否有氣泡，整個應變片是否全部粘貼牢固，有無造成短路、斷路等部位。檢查應變片粘貼的位置是否正確，其中線是否與測點預定方向重合。用萬用電表檢查應變片的電阻值，一般粘貼前后不應有大的變化。若發(fā)生明顯變化，應檢查焊點質量或者斷線。應變片與試件之間的絕緣電阻應大于200兆歐。6）應變片的防護處理為了防止應變片受機械損傷或受外界的水、蒸氣等介質的影響，應變片需加以保護，短期防護可用烙鐵熔化石蠟復蓋應變片區(qū)域，長期防護可涂上一層保護膠，如502膠、環(huán)氧等，502膠可以防潮、環(huán)氧可以抵抗機械力。根據試驗條件和要求采