電阻應(yīng)變測量及方法

關(guān)于電阻應(yīng)變測量及方法第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日概述電阻應(yīng)變測量技術(shù)是用電阻應(yīng)變片測量構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實驗應(yīng)力分析方法。1、用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的過程第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日3、應(yīng)變測量工作溫度可分為五個區(qū)段：2、電阻應(yīng)變測試技術(shù)分類（1）靜態(tài)測量：對永遠(yuǎn)恒定的載荷或短時間穩(wěn)定的載荷的測量。（2）動態(tài)測量：對載荷在2～1200HZ范圍內(nèi)變化的測量。（1）常溫應(yīng)變測量：工作溫度（2）中溫應(yīng)變測量：工作溫度（3）高溫應(yīng)變測量：工作溫度在以上（4）低溫應(yīng)變測量：工作溫度（5）超低溫應(yīng)變測量：工作溫度以下。第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日4、電阻應(yīng)變測量方法的優(yōu)點（3）頻率響應(yīng)好?？梢詼y量從靜態(tài)到數(shù)十萬赫的動態(tài)應(yīng)變。（4）應(yīng)變片尺寸小，重量輕。最小的應(yīng)變片柵長可短到0.178毫米，安裝方便，不會影響構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。（5）測量過程中輸出電信號，可制成各種傳感器。（6）可在各種復(fù)雜環(huán)境下測量。如高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)、強磁場等環(huán)境測量（1）測量靈敏度和精度高。其最小應(yīng)變讀數(shù)為（微應(yīng)變，）在常溫測量時精度可達。（2）測量范圍廣?？蓽y。第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日5、電阻應(yīng)變測量方法的缺點（1）只能測量構(gòu)件的表面應(yīng)變，而不能測構(gòu)件的內(nèi)部應(yīng)變。（2）一個應(yīng)變片只能測構(gòu)件表面一個點沿某個方向的應(yīng)變，而不能進行全域性測量。第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日電阻應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變片的工作原理由物理學(xué)可知：金屬導(dǎo)線的電阻率為其中：導(dǎo)線材料電阻率導(dǎo)線長度導(dǎo)線橫截面積第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日當(dāng)金屬導(dǎo)線沿其軸線方向受力變形時（伸長或縮短），電阻值會隨之發(fā)生變化（增大或減?。?，這種現(xiàn)象就稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。將上式取對數(shù)并微分，得：式中：為金屬導(dǎo)線長度的相對變化；為導(dǎo)線橫截面積的相對變化。第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日若導(dǎo)線直徑為D，則式中：為導(dǎo)線材料泊松比。第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、電阻應(yīng)變片的構(gòu)造電阻應(yīng)變片由敏感柵、引線、基底、蓋層、粘結(jié)劑組成。其構(gòu)造如圖所示：第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日敏感柵：用合金絲或合金箔制成的柵。柵長L：指兩端圓弧內(nèi)側(cè)或兩端橫柵內(nèi)側(cè)之間的距離，一般為0.2~100mm。柵寬B：敏感柵外側(cè)之間的距離。應(yīng)變片軸線：敏感柵縱柵的中心線。引線：用來由敏感柵引出電信號的金屬導(dǎo)線。用鍍錫銅線（通常）制成基底：用來保持敏感柵的幾何形狀和相對位置。蓋層：用來保護敏感柵，常用材料有紙、膠膜、玻璃纖維等。粘結(jié)劑：將敏感柵固定在基底上，常用環(huán)氧樹脂類和酚醛樹脂類粘結(jié)劑。作用：將第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日三、電阻應(yīng)變片的主要性能（一）應(yīng)變片電阻（R）（二）靈敏系數(shù)（K）指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝、不受力的情況下，于室溫時測定的電阻值。常用的應(yīng)變電阻值在單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的電阻相對變化與試件表面沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變之比值，稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，即：第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日（二）靈敏系數(shù)（K）在單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的電阻相對變化與試件表面沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變之比值，稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，即：注意：K值是應(yīng)變片的主要參數(shù)，它取決于敏感柵的材料、型式、幾何尺寸、基底、粘結(jié)劑等多種因素。通常由制造廠在專用設(shè)備上標(biāo)定給出K值。常用的K=2.0~2.4第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日（三）橫向效應(yīng)系數(shù)（H）應(yīng)變片的敏感柵除有縱柵外，還有圓弧或直線形的橫柵。橫柵主要對垂直于應(yīng)變片軸線方向的橫向應(yīng)變敏感，因而應(yīng)變片指示應(yīng)變中包含有橫向應(yīng)變的影響，這就是應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。將應(yīng)變片置于平面應(yīng)變場中，沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變?yōu)?，垂直于軸線方向的橫向應(yīng)變，應(yīng)變片敏感柵電阻相對變化為：第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日式中：分別為和引起的敏感柵電阻的相對變化。分別為應(yīng)變片軸向和橫向靈敏系數(shù)。橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)的比值稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H。第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日將應(yīng)變片安裝在自由膨脹的構(gòu)件上，無外力作用，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，則輸出一定的指示應(yīng)變，稱為熱輸出，用表示。（四）熱輸出（）產(chǎn)生原因：（1）由于溫度變化，敏感柵材料的電阻率發(fā)生變化（溫度效應(yīng)）；（2）敏感柵材料與被測構(gòu)件材料之間的線膨脹系數(shù)不同。第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日設(shè)溫度變化為，且應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K隨溫度變化可略去，則應(yīng)變片的熱輸出為式中：敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；被測材料的線膨脹系數(shù)。敏感柵材料的線膨脹系數(shù)；需要說明的是：我們希望應(yīng)變片的指示應(yīng)變反映的是構(gòu)件因受力所產(chǎn)生的應(yīng)變，而不是環(huán)境溫度變化所引起的，否則會帶來很大誤差。因此在測量中必須設(shè)法消除溫度變化的影響。第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日（五）穩(wěn)定性它是反映應(yīng)變片長期靜態(tài)工作能力的重要性能，常用電阻漂移值和蠕變大小來表示。（1）應(yīng)變片的電阻值漂移指在工作溫度恒定，安裝在未受外力作用的構(gòu)件上，其應(yīng)變片電阻值隨時間的變化。產(chǎn)生漂移原因：由于敏感柵、基底、粘結(jié)劑等材料在應(yīng)變片的制造或安裝過程中，內(nèi)部形成的應(yīng)力緩慢釋放所致。（2）應(yīng)變片的蠕變指在工作溫度恒定，安裝在承受外力，但變形恒定的構(gòu)件上的應(yīng)變片電阻值隨時間的變化。產(chǎn)生原因：粘結(jié)劑與基底在傳遞應(yīng)變時出現(xiàn)滑動所致。第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日在恒定溫度下，對安裝有應(yīng)變片的試件加載—卸載。以試件的機械應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，應(yīng)變片的指示應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)繪成曲線，加載與卸載曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為機械滯后。（六）機械滯后（）機械滯后量：以加載曲線與卸載曲線中兩個指示應(yīng)變的最大差值來表示。產(chǎn)生原因：敏感柵、基底和粘結(jié)劑在承受機械應(yīng)變后產(chǎn)生殘余變形所致。消除：在正式測試前，反復(fù)加—卸載n次。第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日（七）應(yīng)變極限（）在恒定溫度下，對安裝有應(yīng)變片的試件逐漸加載，直至應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的機械應(yīng)變的相對誤差達到10%。此時，機械應(yīng)變即作為該應(yīng)變片的應(yīng)變極限。一般情況下，（八）絕緣電阻（）應(yīng)變片的絕緣電阻時指應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。為使提高，可選用絕緣性能好的粘結(jié)劑和基底材料。一般情況下，兆歐。第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日（九）疲勞壽命（N）在幅值恒定的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變片連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)，稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。疲勞損壞：（1）敏感柵或引線發(fā)生斷路；（2）應(yīng)變片輸出幅值變化達到10%；（3）應(yīng)變片輸出波形上出現(xiàn)尖峰。第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日四、電阻應(yīng)變片工作特性的標(biāo)定（一）靈敏系數(shù)的標(biāo)定（1）單向應(yīng)力狀態(tài)——故采用純彎梁；（2）應(yīng)變片軸線應(yīng)平行單向應(yīng)力——注意貼片方向；注意：（3）標(biāo)定材料為鋼梁——標(biāo)定梁泊松比為。第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日標(biāo)定思路：（1）由三點撓度儀測（2）由惠斯頓電橋測第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日根據(jù)材料力學(xué)公式和幾何關(guān)系，求出純彎曲上下表面的軸向應(yīng)變?yōu)椋浩渲校篺為由三點撓度儀上千分表測出的撓度值；得應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：標(biāo)定K值時，取。若電阻應(yīng)變儀靈敏系數(shù)和讀數(shù)應(yīng)變分別為和表示，則：第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日（二）橫向效應(yīng)系數(shù)的標(biāo)定設(shè)想造成一種單向應(yīng)變場。設(shè)計專用裝置，其頂部工作區(qū)試件很?。?mm），兩邊尺寸較大。使試件僅沿x方向產(chǎn)生應(yīng)變，y方向應(yīng)變很小，接近于零。在試件上貼有一個電阻應(yīng)變片，其中：電阻變化量：由于第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日電阻變化量：電阻變化量：將兩個應(yīng)變片分別組成兩個半臂半橋接入電阻應(yīng)變儀，則兩應(yīng)變片電阻變化量的比值：第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日五、電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片按敏感柵材料不同可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。本課僅介紹金屬電阻應(yīng)變片。（一）絲繞式應(yīng)變片敏感柵是用直徑為0.01~0.05毫米的銅鎳合金或鎳鉻繞制而成。缺點：其橫向效應(yīng)大，測量精度較差，應(yīng)變片性能分散。優(yōu)點：基底、蓋層均為紙做成，價格便宜，易安裝。第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日（二）短接式應(yīng)變片將金屬絲平行排成柵狀，端部用粗絲焊接而成。優(yōu)點：橫向效應(yīng)小，制造時敏感柵形狀易保證，測量精度高。缺點：焊點多，疲勞壽命較低。第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日（三）箔式應(yīng)變片敏感柵采用的是0.002~0.005毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖制板、光刻及腐蝕等工藝制作。優(yōu)點：橫向效應(yīng)較小，易安裝，散熱性好，疲勞壽命長，測試精度較高。第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日敏感柵型式單軸應(yīng)變片—敏感柵只有一根軸線。用于測量單向應(yīng)變。應(yīng)變花：雙軸—二軸三軸—三軸用于測量平面應(yīng)力狀態(tài)。第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日六、電阻應(yīng)變片的常規(guī)使用技術(shù)（一）電阻應(yīng)變片的選擇1、測試環(huán)境：溫度、濕度、磁場4、測試精度2、應(yīng)變性質(zhì)靜態(tài)應(yīng)變—選擇H小的應(yīng)變片動態(tài)應(yīng)變—選擇疲勞壽命好的應(yīng)變片。