2 第2章-1 電阻應變測試技術(shù)20150914

1GaoSuGongLu第二章電阻應變測試技術(shù)SACE22.1.1應變片基本構(gòu)造與工作原理一、基本結(jié)構(gòu)敏感柵電阻率大，應變電阻系數(shù)大，溫度電阻系數(shù)小，壓延性好。銅鎳、鎳鉻、鐵鉻鋁等高阻合金基底、粘接劑、覆蓋層作用：定位，傳力，保護；要求：絕緣，強度大，易粘貼，蠕變小，滯后小，防潮，熱穩(wěn)定，溫度應變小。材料：紙基、膠基、紙浸膠基引線§2-1電阻應變片絲式箔式3二、工作原理金屬絲的電阻值R(Ω)和它的長度L(m)、橫截面面積A(mm2)、電阻率ρ（Ω·mm2/m）,它們之間的關(guān)系為：§2-1電阻應變片

4

對于金屬應變片:對于半導體應變片:§2-1電阻應變片

決定了材料的選擇！且：康銅、鎳鉻合金5

定義金屬絲的“靈敏系數(shù)”為：對于金屬應變片:

對于半導體應變片:

說明：康銅金屬絲，故理論上；對于半導體應變片，一般；上述只是“金屬絲”而非“應變片”的靈敏系數(shù)。§2-1電阻應變片26§2-1電阻應變片00:01應變計型號電阻值/Ω絲柵尺寸/mm靈敏系數(shù)應變極限BXC120-10AA1202×102.17±0.5%2%7§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型分類依據(jù)：

工作溫度

敏感柵制造方法

敏感柵結(jié)構(gòu)

基底材料

安裝方法

用途8§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型按工作溫度分類分類依據(jù)應變片種類備注工作溫度常溫-30~60℃低溫低于-30℃中溫60~350℃高溫高于350℃9§2-1電阻應變片10§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型按敏感柵制造方法分類分類依據(jù)應變片種類直徑或厚度備注敏感柵制造方法絲式應變片0.012~0.05mm

散熱差，橫向效應大，干擾多箔式應變片0.003~0.006mm散熱好，橫向效應小，應用范圍廣

薄膜式應變片<0.1μm11§2-1電阻應變片

箔式應變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵,其厚度一般在0.003～0.01mm。12§2-1電阻應變片與絲式應變片相比較，箔式應變片有如下優(yōu)點：①金屬箔柵很薄，所感受的應力狀態(tài)與試件表面的應力狀態(tài)更為接近；接觸面積大；箔柵端部較寬，橫向效應較小，測量精度高。②箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大電流，可輸出較大信號，提高了測量靈敏度。③箔柵的尺寸準確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應變花和小標距應變片提供了條件，使用范圍大。④便于成批生產(chǎn)。缺點：電阻值分散性大，有的相差幾十Ω，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復雜，因引出線的焊點采用錫焊，不適于高溫環(huán)境下測量；此外價格較貴。13§2-1電阻應變片

薄膜式應變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬薄膜敏感柵,然后再加上保護層。它的優(yōu)點是應變靈敏度系數(shù)大,允許電流密度大,工作范圍廣。14§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型按敏感柵結(jié)構(gòu)分類分類依據(jù)應變片種類備注敏感柵結(jié)構(gòu)單軸應變片

主應力方向已知多軸應變片(應變花)

平面應力測試復式應變片多用于傳感器單軸應變片多軸應變片(應變花)復式應變片15§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型按基底材料分類分類依據(jù)應變片種類備注基底材料紙基應變片

膠基應變片

浸膠玻璃纖維基應變片

金屬基應變片粘貼或焊接臨時基底應變片粘貼或焊接16§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型按安裝方法分類分類依據(jù)應變片種類備注安裝方法粘貼式應變片

焊接式應變片金屬基噴涂式應變片臨時基底埋入式應變片埋入混凝土中測量內(nèi)部應變17§2-1電阻應變片2.1.2電阻應變片的類型按用途分類分類依據(jù)應變片種類備注用途一般用途應變片應力應變分析、傳感器用特殊用途應變片大應變、殘余應力或特殊環(huán)境中使用傳感器專用應變片彈模自補償、蠕變自補償?shù)葢兤?82.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片1.應變片的尺寸標距(柵長)，L;柵寬，B;敏感柵工作面積：S=L*B。2.電阻值未粘貼，未受力，室溫下；標稱名義電阻值(生產(chǎn)標準)；出廠:平均電阻，最大偏差。如60Ω、120Ω等電阻絲引線正視圖

接線端子BLL≤（1/20）λ或

L≤（1/20）V/F動態(tài)測試時——信號波長與標距選擇202.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片3.應變片的靈敏系數(shù)K

確定方法：

5%抽樣，實驗測定

確定過程：FF應力儀測出εxμ=0.285的鋼件應變片電位差計測出應變片的靈敏系數(shù)K不同于單根金屬絲的靈敏系數(shù)Ks例題：等強度梁靜態(tài)應變測試采用等強度鋼梁，室溫、單向受力狀態(tài)，應變片絲柵方向與最大主應變方向一致，采用砝碼在梁一端施加作用力，測得撓度為2.25mm，實測量得電阻由120Ω變?yōu)?20.12Ω，試求應變片的實際靈敏度K。梁高h=5mm

梁長b=150mm撓度f=2.25mm應變片P解：⑴△R/R:△R/R=（120.12Ω-120Ω）/120Ω=0.001⑵ε:

σ=Eε=Mh/2I (1)f=-Mb2/2EI(2)由上式：ε=-hf/b2=500e-6=500μ?⑶K:K=△R/R/ε=2梁高h=5mm

梁長b=150mm撓度y=2.25mm應變片P每個微應變對應的阻值變化約為0.12Ω/500μ?=0.00024Ω/μ?2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片

敏感柵是由n條直線段和（n－1）個半徑為r的半圓組成,若該應變片承受軸向應力而產(chǎn)生軸向拉應變

時,則各直線段的電阻將增加,但在半圓弧段則受到從到之間變化的應變，即從軸向拉應變過渡到橫向壓應變，會使應變片電阻減小。4.橫向效應

定性分析

應變片這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。FF2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片4.橫向效應①加長敏感柵柵長l，縮短柵寬b，加寬圓弧處柵線，采用短接式或直角式橫柵。②采用箔式和薄膜式應變片，其橫向效應可忽略。

減小橫向效應的措施：單向應力與應變計軸向一致電阻絲引線正視圖

接線端子BL因環(huán)境溫度變化引起的虛假應變。①電阻絲的電阻溫度系數(shù)αs的影響

。②應變片膨脹系數(shù)βs與試件膨脹系數(shù)βsh的不同造成的誤差①②△R/R=αs

△T+K（βsh－βs）△Tεt=αs

△T/K+（βsh－βs）△T2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片5.應變片的溫度誤差2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片6.機械滯后（Zj）

指粘貼在試件的應變片，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量（輸出）的差值。0指示應變εi機械應變卸載加載

一般要求

實測前應通過多次重復預加、卸載，來減小機械滯后帶來的誤差。2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片7.零點漂移（P0）與蠕變（

θ

）0指示應變εit

試件初始空載，溫度恒定時，應變片的指示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂（P0）

。測試中零漂問題的處理。

在恒溫恒載情況下，應變片的指示值隨時間變化的情況稱為蠕變(θ)

。通常要求。2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片8.應變極限0指示應變εi真實應變室溫條件下試件加載試驗，應變片的最大形變量，超過這個形變量應變片內(nèi)部電阻絲就會斷裂導致開路，從而無法繼續(xù)使用。2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片9.絕緣電阻敏感柵、引線與被測試件之間的電阻值（鋼結(jié)構(gòu)、潮濕混凝土構(gòu)件尤其注意）；絕緣電阻下降導致零漂、測量誤差。在靜態(tài)測量中，一般要求絕緣電阻大于30MΩ；動態(tài)測量時應大于50MΩ。***絕緣電阻***對于一端接地的應變片，應變片的等效電阻：絕緣電阻變化在測試中體現(xiàn)為零漂。常溫應變片要求50-100兆歐長期測試或潮濕條件下＞1000兆歐通常＞2兆歐例題：若測試前后絕緣電阻分別為50兆歐和2兆歐，應變片電阻為120歐姆，求因為絕緣電阻變化帶來的虛假應變εf

。解：RM1=50兆歐，RM2=2兆歐，△R=R2

–R1=R2（1/RM1

–1/RM2

）/3εf=△R/R/K=R（1/RM1

–1/RM2

）/6=9.6με32§2-1電阻應變片33§2-1電阻應變片34§2-1電阻應變片2.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片10.疲勞壽命（N）疲勞壽命指貼有應變片的試件在恒定幅值的交變應力作用下，應變片連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)，通長可達106~107次。11.最大工作電流是允許通過應變片而不影響其工作特性的最大電流，通常為幾十毫安。長期靜態(tài)測量時，為提高測量精度，通過應變片的電流應小一些；短期動態(tài)測量時，為增大輸出功率，電流可大一些。362.1.3電阻應變片的主要參數(shù)與特點§2-1電阻應變片

導線、應變片——溫度補償?！?-1電阻應變片2.1.4應變片的選用與應變片粘結(jié)工藝

(1)應變片選用按工作環(huán)境：溫度保證、地下工程中防潮特性好按被測物的材料性質(zhì)：彈模高，基長??；粗晶粒巖石混凝土選用基長大者按被測試件受力狀態(tài)和應變性質(zhì)：應變花變化大選用基長小，變化小選用基長大按測量精度：標距、電阻值、靈敏度§2-1電阻應變片

(2)應變片粘貼工藝應變片檢查：外觀檢查、電阻值檢查表面處理：刮刀除銹、砂布打磨、脫脂棉擦洗、烘干貼片與固化：畫線、涂膠、用玻璃紙壓、調(diào)整、補膠粘貼質(zhì)量檢查：外觀、電阻值、絕緣電阻、連接電阻應變儀檢查連接導線：導線固定、導線焊接；防潮處理：凡士林、石蠟等§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意40§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）41§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）42§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）43§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）44§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）機械式管內(nèi)應變片粘貼裝置(發(fā)明人：柏東良博士）全景圖機械臂托覺定位粘貼效果引線處理?100mm46§2-1電阻應變片47§2-1電阻應變片(3)應變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）習題2-1：康銅絲αs=20×10-6/℃，βs=15×10-6/℃，碳素鋼試件的βsh=11×10-6/℃，試件彈性模量E=2×106公斤/厘米2，K=2.0，當△T=±1℃時，求應變片的溫度應變εt？解：按（8）式可求得：溫度升高1℃，△T=+1℃εt=αs

△T/K+（βsh-

βs）△T

=20×10-6×1/2+

（11×10-6

-15×10-6

）×

1=6×10-6

σ=12公斤/厘米2=1.2Mpa，造成被測物體受拉假象。每攝氏度的溫度波動帶來的虛假應變約為6-10μ?溫度補償?shù)?種方法：1、應變片自補償：令：εt=αs

△T/K+（βsh-

βs）△T=0αs

=K（βsh-

βs）卡馬合金、伊文合金測鋼材。2、加入熱敏元件補償：高溫適用3、橋路補償：最為常用加減特性2、組合式補償法3、橋路補償§2-2測量電路作用：信號二次轉(zhuǎn)換(電阻應變儀)常用：惠思登電橋（直流、交流）一、直流電橋1.電橋的平衡條件2.應變片的幾種接入方式單片等臂電橋全橋——加減特性二、交流電橋（自學）§2-2測量電路1.電橋的平衡條件電橋組成：橋臂；輸入端(供橋端)；輸出端.B、D點電壓：惠思登電橋§2-2測量電路1.電橋的平衡條件則輸出電壓：惠思登電橋平衡狀態(tài)：或電橋平衡條件：

全等臂電橋：R1=R2=R3=R4=R

輸出對稱電橋：R1=R2=R，R3=R4=R’

電源對稱電橋：R1=R3=R，R2=R4=R’

電橋幾種形式——開始時應該是平衡的單片半橋全橋應變片的接入方式：單片等臂電橋的應變分析等臂：各橋臂電阻均為R單片：R1為工作片，受力變形，產(chǎn)生阻值增量ΔR，代入輸出電壓公式為：將當ΔR<<R時，設(shè)定應變儀的讀數(shù)為則：全橋等臂電橋的應變分析令則：全橋輸出對稱電橋：R1=R2=R，R3=R4=R’同樣可獲得：全橋電源對稱電橋亦可使：相鄰相減，相對相加相鄰相減：應變極性相同，輸出電壓相減；應變極性相反，輸出電壓相加；相對相加：與以上規(guī)律相反。

加減特性非常有用：1）提高電橋靈敏度；2）溫度補償；3）復雜受力試件上測試某外力因素引起的應變等。重要結(jié)論：電橋的加減特性回顧：熱電阻的三線制接法熱電阻導線電阻兩線制接法,會受導線熱電阻效的影響！三線制接法將導線電阻引入相鄰橋臂，利用加減特性，可消除導線溫度變化帶來的影響。！61§2-3應變應力測量關(guān)鍵環(huán)節(jié)：分析被測對象的應力應變狀態(tài)選擇測點

→布設(shè)應變片

→合理接橋一、現(xiàn)場應變測量1.布片和接橋的一般原則2.常用的接橋方法二、電阻應變片的溫度誤差及補償三、各種應力狀態(tài)下的應力應變測量62§2-3應變應力測量一、現(xiàn)場應變測量（1）布片和接橋的一般原則：位置：選擇主應變大、最能反映力學規(guī)律的點貼片；組橋：利用結(jié)構(gòu)的對稱性、電橋加減特性，合理選擇貼片位置、方位、組橋方式，可提高靈敏度，消除干擾因素；回避：測量荷載時，避開應力—應變非線性區(qū)貼片；校驗：在已知應力部位布設(shè)測點，檢驗結(jié)果的可靠性。§2-3應變應力測量（2）常用的接橋方法半橋接法：兩個應變片作電橋相鄰臂，另兩臂用應變儀電橋盒中精密無感電阻。全橋接法：電橋四個臂均由應變片構(gòu)成，可消除導線電阻的影響，提高靈敏度。半橋全橋?qū)嵨飿蚵费a償3.1補償塊補償串聯(lián)后，橋臂電阻為原來的2倍，則有：根據(jù)加減特性，可得：如果接全橋呢？橋路補償3.2工作片補償接入相鄰橋臂，根據(jù)加減特性，可得：丁字片補償(請推導5min）工作片補償如果接全橋呢？66§2-3應變應力測量三、各種應力狀態(tài)下的應力應變測量（1）單向應力狀態(tài)下的應力應變測量（2）主應力方向已知的平面應力測量（3）主應力方向未知的平面應力測量三、各種應力狀態(tài)下的應力應變測量（1）單向應力狀態(tài)下的應力應變測量必須消除溫度影響；必須考慮消除偏心受力的影響。①半橋四片補償塊補償法測拉壓對稱布置兩個工作片；溫度補償片另設(shè)，補償片與工作片性能相同。§3-3應變應力測量68由等臂電橋電壓輸出公式得:可得結(jié)論：儀器讀數(shù)為由拉伸(壓縮)引起的真實應變，消除偏心的影響，串聯(lián)應變片可以增加橋壓，提高電橋的輸出。§3-3應變應力測量69

②全橋四片測拉壓下圖（a）為圓柱體偏心受拉貼片圖，接成全橋如下圖（b）:電壓輸出為即儀器讀數(shù)為由拉伸（壓