1、第五章應力、應變測試精1本章主要內容應力、應變測試方法應力、應變測試原理電阻應變片的特性及應用電阻應變片的信號調理電路電阻應變儀精2應力、應變測試方法 測量應力、應變的目的 為了研究機械結構、橋梁、建筑等某構件在工作狀態下的受力、變形情況，通過測試測得構件的拉、壓應力、扭矩及彎矩，為結構設計、應力校核或構件破壞的預測等提供可靠的測試數據。 應力、應變及其關系 在桿件受到拉伸（或壓縮）的情況下，只有一個主應力 1，它的方向與外加載荷F的方向平行，該方向的應變為 1，并且有 E為材料彈性模量精3常用測試方法應力、應變測試方法 電阻應變測量 脆性涂層法 云紋方法 激光全息干涉法 激光散班干涉法 聲彈

2、性 X光衍射法光測彈性力學精4應力、應變測試方法電阻應變測量特點非線性小，電阻的變化同應變成線性關系；應變片尺寸小，重量輕，慣性小，具有良好的動態特性，頻率響應 好；貼在試件上對其工作狀態和應力分布基本上沒有影響。適用于靜態測量和動態測量。測量應變的靈敏度和精度高，動態測試精度可達1%，靜態為0.1%。測量范圍大，變形范圍1%2%。 利用電阻應變片將應變轉換為電參量進行測試。測試時，將電阻應變片粘貼在被測物體表面， 隨零部件變形即可產生成比例的電阻變化。廣泛應用于工程測量和科學實驗中。精5應力測試系統應力、應變測試方法應變片電橋盒應變儀記錄儀應變片能將試件上的應變變化轉換成電阻變化的傳感元件，

3、其轉換原理基于金屬電阻絲的電阻應變效應電橋盒將電阻微小的變化進行處理的測量電路。應變儀用于將電橋的輸出信號進行放大的高增益放大器。應變儀還具有阻抗變換的作用。精6電阻應變片的結構及分類應變片的結構精7電阻應變片的結構及分類金屬應變片半導體應變片體型薄膜型薄膜型體型擴散型應變片箔式絲式PN結及其他形式 應變片的分類精8應變片的分類電阻應變片的結構及分類 金屬絲式應變片 電阻絲式應變片的敏感元件是絲柵狀的金屬絲。電阻絲是應變片受力后引起電阻值變化的關鍵部件，它是一根具有很高電阻率的金屬細絲，直徑約為0.010.05mm。常用材料有銅鎳合金、捏鉻合金、鉑、鉑鉻合金、鉑鎢合金等 U型V型H型精9應變片

4、的分類電阻應變片的結構及分類絲質應變片紙基應變片：制造簡單，便宜，易于粘貼。耐熱性 和耐潮性差。適合短期室內實驗室使 用，使用溫度在70以下紙浸膠基應變片：具有一定耐潮濕性，適合長期使用。 使用溫度為180膠基應變片：耐蝕性和絕緣性能好，彈性系數高， 使用溫度在-50+170 要求電阻絲材料具有電阻溫度系數小、溫度穩定性良好、電阻率大等特性，同時，金屬電阻絲的相對靈敏系數要大，且能在相當大的應變范圍內保持常數 。精10電阻應變片的結構及分類 金屬箔式應變片 金屬絲經高溫液化后，高壓高速噴射，而后霧化沉積在基片上，形成310m層，再用光刻腐蝕法形成電路。 優點：橫向效應很小 ，允許電流大 ，柔性

5、好、蠕變小、疲勞壽命長 ，生產效率高 。精11電阻應變片的結構及分類 半導體式應變片是以半導體單晶硅條作敏感元件的 ，工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。即施加一定載荷產生應力時，電阻率會發生一定的變化。 優點：靈敏度高、頻率響應范圍寬、體積小、橫向效應小 。缺點：溫度系數大、靈敏度離散大以及在較大變形下非線性比較嚴重。 半導體式應變片精12應力、應變電測法原理電阻應變效應 導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應發生變化。這種現象稱“應變效應”。金屬導線受拉變化圖原始電阻值受力拉伸后電阻值的變化精13縱向應變 橫向應變 應力、應變電測法原理軸向應力金屬絲電阻率K為單根金屬

6、絲的靈敏度。當金屬絲發生單位長度的變化時，電阻變化率與其應變的比值，即單位應變的電阻變化率。應變為泊松比壓阻系數 E彈性模量精14電阻的相對變化量由兩方面因素決定：1）對于金屬材料，電阻的變化主要由金屬絲幾何尺寸的改變引起；電阻絲靈敏度系數（dR/R）/ 為（1+2 ）。2）對于半導體材料，其工作原理基于半導體的壓阻效應，材料受力后， 材料的電阻率發生變化。其靈敏度系數為（dR/R）/ 為 E。應力、應變電測法原理 用應變片測量應變或應力時，根據上述特點，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發生相同的變化，同時應變片電阻值也發生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為R時，便可得到被

7、測對象的應變值，根據應力與應變的關系，得到應力值 精15電阻應變片的特性及應用應變片的主要參數幾何尺寸1）基長l：應變片的敏感元件在縱軸方向的長度。在應變變化梯度大的場合，應使用小基長的應變片，但基長很小時，橫向靈敏度大。 2）基寬b ：在與應變片縱軸垂直方向，應變片敏感元件外側之間的距離。基寬以較小為佳，但是太小會影響散熱。精16 應變片絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50100 M以上。絕緣電阻過低，會造成應變片與試件之間漏電，使應變片的指示應變產生誤差。Rm取決于粘結劑及基底材料的種類及固化工藝。在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施，而在中溫或高溫

8、條件下，要注意選取電絕緣性能良好的粘結劑和基底材料。 電阻應變片的特性及應用 絕緣電阻精17電阻應變片的特性及應用 電阻值R 應變片的阻值指應變片沒有粘貼也不受力時，在室溫下測定的電阻值。應變片阻值也有一個系列，如60、120、350、600和1000，其中以120最為常用。阻值大，承受電壓大，輸出信號大；但同時敏感柵尺寸也大。 精18電阻應變片的特性及應用 最大工作電流 工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。 但工作電流過大會使應變片過熱，靈敏系數產生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。 工作電流的選取要根據試件的導熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。通常靜態測量時取25mA左右。 動態測量時

9、可取75100mA。 最大工作電流是指已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。精19電阻應變片的特性及應用 靈敏度系數K 根據理論和實驗，在一定應變范圍內電阻的變化與應變的關系滿足下式 ：則為應變片的靈敏度。精20電阻應變片的特性及應用 橫向效應 將直的金屬絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應變狀態不同，應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因而靈敏系數有所降低，這種現象稱為應變片的橫向效應。 精21電阻應變片的特性及應用 應變極限 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）小于規定值（一般為10%）情況下所能達到的最大應變值為

10、該應變片的應變極限 。 如果超過這個限度值，就認為應變片已經開始失去工作能力。精22電阻應變片的特性及應用 機械滯后 機械滯后：對已安裝的應變片， 在恒定的溫度環境中， 加載和卸載過程中同一載荷下指示應變的最大差數。 產生的原因：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；粘結技術不佳，部分脫落和粘結層太厚等等。采取的措施：為了減小應變片的機械滯后個測量結果帶來的誤 差，可對新粘貼應變片的試件反復加、卸載35次。精23電阻應變片的特性及應用 零點漂移 零漂：對于已安裝好的應變片，在一定溫度下，不承受機械應變時，其指示應變隨時間的變化而變化的現象。 產生的原因：由于應變片

11、的絕緣電阻過低及通過電流而產生熱量等原因造成。精24 蠕變： 在一定溫度下，使其承受一恒定的機械應變時，指示應變隨時間的變化而變化的現象，稱為應變片的蠕變。其實蠕變值中已包含了零漂。 蠕變電阻應變片的特性及應用 產生的原因：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以及在粘結劑接近軟化溫度下進行測量。精25應變片的動態響應特性 電阻應變片在測量頻率較高的動態應變時，應變是以應變波的形式在材料中傳播的，它的傳播速度與聲波相同，對于鋼材v5000 m/s。 應變波由試件材料表面，經粘合層、基片傳播到敏感柵。由于應變片的敏感柵相對較長，當應變波在縱柵長度方向上傳播時，只有在應變

12、波通過敏感柵全部長度后，應變片所反映的波形經過一定時間的延遲，才能達到最大值。 從應變波的傳播過程可以看出，影響應變片頻率響應特性的主要因素是應變片的基長和應變波在試件材料中的傳播速度。 精26 當應變波按正弦規律變化時，由于應變片具有一定的長度，在同一瞬間沿基長方向的各點上所感受的應變是不同的。當應變片所反應的平均應變值與應變片中心點處的真實應變相差太大時，就會使測量失真，產生測量誤差。 實驗可知，當允許誤差及應變波的傳播速度v為一定時，所測應變的極限頻率（最高工作頻率）是由基長來決定的。一般取基長為應變波波長的1/101/20，即應變片的動態響應特性應變片基長/mm1235101520最高

13、工作頻率/kHz25012583.3502516.612.5 應變波為正弦波精27應變片的動態響應特性 應變波為階躍波 應變波為階躍波時，由于應變波通過敏感柵全部長度需要一定的時間，所以應變片所反應的波形要經過一定的時間延遲，才能達到最大值。 可測頻率f =0.35/tk，此時應變計的極限工作頻率可近似為：精28應變片的粘貼應變片的工作情況 試件表面的變形（應變）是通過膠層、基底以剪力的形式傳給電阻絲的。當試件沿x方向變形時，膠層下表面與試件一起移動，和基底粘合的上表面是被動的，基底被帶動，膠層發生剪應力1。基底發生剪應力2將應變傳到電阻絲上。剪應力分布規律如圖（b）：應變片兩端剪應力最大，中

14、間最小。因此在粘貼應變片時應注意將應變片的兩端貼牢固。 精29應變片的粘貼工藝應變片的粘貼 粘貼應變片位置的選擇 應變片應貼在零件變形最大(即應力最大)和需要測試的地方。 被測零件表面處理 清理零件的表面 清洗被測零件表面上油污等等。 打磨 焊片 再次清洗 畫粘貼應變片的定位線 精30 應變片檢查外觀檢查電阻值檢查 修整應變片 在應變片的覆蓋片上標出中心線。 在室外試驗時，預先可在應變片的引出線上焊接一根較細軟的長度約100、150mm 的短導線，以便固定應變片。 應變片的粘貼精31應變片的粘貼 應變片粘貼質量檢查 外觀檢查：用放大鏡觀察粘合層是否有氣泡。 電阻值檢查 絕緣電阻檢查： 引出線的

15、固定保護 應變片的防潮處理 應變片粘貼固化好之后要進行防潮處理，以免潮濕引起絕緣電阻和粘合強度降低，影響測試精度。精32電阻應變片的信號調理電路電橋 由于將應變等機械量轉換為電阻的變化，此變化的數量是微弱的，因此必須采用高精度的測量電路電橋測量電路。根據電橋采用電源不同分直流電橋和交流電橋。按輸出方式分：功率電橋和電壓電橋。精33電阻應變片的信號調理電路直流電橋平衡條件：此時稱電橋達到了平衡。= 平衡條件精34電阻應變片的信號調理電路 工作原理 在利用電橋處理應變片的信號時，只要將橋臂的任意一個電阻用應變片代替，當有應變時，應變片電阻的阻值發生變化，破壞了橋路的平衡條件，通過電橋的輸出電壓就可

16、以換算出應變的量值。精35電阻應變片的信號調理電路 半橋單臂電路半橋單臂 上式對另外三臂也適用。 分母中有微小電阻，存在一定非線性。精36電阻應變片的信號調理電路 半橋雙臂電路當有對稱應變點可用兩片應變片 靈敏度提高一倍 線性度改善了，分母中無微小電阻。精37 全橋電路電阻應變片的信號調理電路精38圖2-9為一應變片直流電橋，其中E=4V，R1=R2=R3=R4=120，試求（1）R1為金屬應變片，其余為固定電阻，當R1增量 時，電橋輸出電壓 （2）R1、R2為應變片，且批號相同，感受應變片的極性和大小都相同，R3、R4為固定電阻，問能否進行應變測量？（3）在題（2）中，如R1和R2感受應變片

17、的極性相反，且 ，問輸出電壓？（4）由題（1）題（3）能否得出什么結論精39圖 2.9 精40電阻應變片的信號調理電路 輸出電壓靈敏度K 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但提高電源電壓使應變片和橋臂電阻功耗增加，溫度誤差增大，所以要作適當選擇。一般電源電壓取36V為宜；電橋電壓靈敏度與參與工作的橋臂數有關，全橋電路的靈敏度最大，半橋單臂電路的靈敏度最小。 當相鄰橋臂為異號或相對橋臂為同號的電阻變化時，電橋的輸出可相加，當相鄰橋臂為同號或相對橋臂為異號的電阻變化時，電橋的輸出應相減。精41電阻應變片的信號調理電路交流電橋平衡條件： 根據直流電橋分析可知，由于應

18、變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。 精42電阻應變片的信號調理電路 電容電橋平衡條件 當被測應力變化引起Z1=Z10+Z、 Z2=Z20-Z變化時，電橋輸出為精43應變片的溫度補償電阻應變片的信號調理電路 溫度誤差及其產生原因 由于測量現場環境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差，消除由溫度變化引起的虛假應變或對它進行修正，求出僅由載荷作用引起的真實應變的方法，就是溫度補償。可以通過溫度補償可提高測試的精度。 精44 電阻溫度系數的影響 電阻應變片的信號調理電路 其中：Rt溫度t時的電阻值；R0為溫度t0時的電阻值；

19、t為溫度的變化值； Rta為溫度變化t時的電阻變化；為敏感柵材料的電阻溫度系數。將溫度變化t折合成應變精45電阻應變片的信號調理電路 材料線膨脹系數的影響 試件材料與敏感柵材料膨脹系數不同， 使應變片產生附加應變。 如粘貼在試件上一段長度為l0的應變絲，當溫度變化t時，應變絲受熱膨脹至lt1，而應變絲l0下的試件伸長lt2。l0為溫度為t0時應變絲的長度；lt1為溫度為t時的應變絲的長度；lt2為溫度t時應變絲下試件的長度；絲，試為應變絲和試件的線膨脹系數； lt1 lt2為溫度變化 t應變絲和試件膨脹量。精46 若絲試，lt1和lt2也就不等 。應變絲和試件又是粘結在一起的，則應變絲被迫從l

20、t1拉長至lt2，這就使應變絲產生附加變形lt 折算成應變為電阻應變片的信號調理電路引起電阻的變化值為精47電阻應變片的信號調理電路 兩個因素同時作用于應變片時，由于溫度變化t而引起的總電阻變化為 ：總附加虛假應變量為在一般常溫下，上述兩個因素是造成應變片溫度誤差的主要原因。 精48溫度補償的方法 電阻應變片的信號調理電路 橋路補償法 R1為工作片，用于應變測試 ，貼在試件用于測量應變的地方。R2為補償片，進行溫度補償 ，粘貼在不受力的與試件相同的地方。R3、R4為固定電阻。采用原理：電橋的相鄰相減原則。優點：簡單， 方便， 在常溫下溫度補償效果好。缺點：在溫度變化梯度較大的情況下， 很難做到

21、工作片與補償片處于溫度完全一致的情況。精49電阻應變片的信號調理電路對于電橋的輸出電壓 當溫度升高或降低t=t-t0時，兩個應變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態。即，兩應變片由于溫度的影響產生的電阻變化相等， 精50電阻應變片的信號調理電路 電橋的輸出為0，即溫度的變化不會對橋的輸出產生影響，也就是通過加入補償片可消除溫度誤差的影響。 若此時被測試件有應變的作用，則工作應變片電阻R1又有新的增量R1=R1K，而補償片因不承受應變，故不產生新的增量， 此時電橋輸出電壓為 ：精51電阻應變片的信號調理電路 應變片自補償法溫度補償的方法 粘貼在被測部位上的是一種特殊的溫度自補償應變片，當溫度變化時，產生的附加應變為零或相互抵消，從而實現溫度補償。實現溫度自補償的條件是 1）選擇式自補償應變片精52電阻應變片的信號調理電路2）雙金屬敏感柵自補償應變片 應變片絲柵用兩種溫度系數不同的電阻絲串聯制成 （一個為正，一個為負） 若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產生的電阻變化R1t和R2t，大小