第3-1章电阻应变片(电阻应变测量技术)

1、第三章 电阻应变测量技术 Sichuan UniversitySichuan University2 2 熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握电电阻应变的测量电路阻应变的测量电路，以及应用电阻应变技，以及应用电阻应变技术进行应力和应变测量。术进行应力和应变测量。学习要求 Sichuan UniversitySichuan University3 33-0 3-0 概述概述1 1）电阻应变测试技术的优点：）电阻应变测试技术的优点： （1 1）测量范围广、灵敏度和精确度高；）测量范围广、灵敏度和精确度高；（2 2）应变片尺寸小、重量轻、惯性小，对被测试件工作状态和应力状

2、）应变片尺寸小、重量轻、惯性小，对被测试件工作状态和应力状态影响极小；态影响极小；（3 3）频率响应快，机械滞后小；）频率响应快，机械滞后小；（4 4）适用范围广；）适用范围广；（5 5）能实现远距离测量，易实现测试工作自动化。）能实现远距离测量，易实现测试工作自动化。2 2）电阻应变测试技术的缺点：）电阻应变测试技术的缺点： （1 1）测出的是平均应变；）测出的是平均应变；（2 2）贴片技术要求高；）贴片技术要求高；（3 3）测试仪表结构复杂，不易掌握使用和维修；）测试仪表结构复杂，不易掌握使用和维修；（4 4）普通应变片输出信号小，在强电磁场中易受干扰。）普通应变片输出信号小，在强电磁场中

3、易受干扰。 Sichuan UniversitySichuan University4 43-0 3-0 概述概述电阻应变测量基本原理电阻应变测量基本原理: : 电阻应变片：待测非电量电阻应变片：待测非电量应变值应变值 电阻变化电阻变化R R电阻应变仪：测量电阻应变仪：测量R Rl将应变片的将应变片的 R R U U或或 I Il放大器放大器l输出到显示和记录设备输出到显示和记录设备 Sichuan UniversitySichuan University5 5电阻应变效应电阻应变效应公式公式(金属丝泊松比；金属丝泊松比；金属丝纵向应变金属丝纵向应变)3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片L A

4、 r r Sichuan UniversitySichuan University6 6说明：说明：3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片理论分析理论分析l大应变时，大应变时， K Ks s通常不是常数；通常不是常数；l但对于康铜等少数几种电阻丝而言，但对于康铜等少数几种电阻丝而言， KsKs 基 本 为 定 值基 本 为 定 值 , , 因 此 它 们 可 用 于 大 应 变因 此 它 们 可 用 于 大 应 变（800010000）的量测的量测。实际情形：实际情形：电阻应变片的实际灵敏度电阻应变片的实际灵敏度KKKKS S。l电阻丝端头横向变形；电阻丝端头横向变形；l基底传递变形的影响基底传

5、递变形的影响 应变敏感系数应变敏感系数 Sichuan UniversitySichuan University7 73-1 电阻应变片电阻应变片例题：例题：等强度梁等强度梁静态应变测试静态应变测试 等强度钢梁，钢梁的等强度钢梁，钢梁的=0.285=0.285，L=150mm,L=150mm,室温、单向受力状态，室温、单向受力状态，应变片丝栅方向与最大主应变方应变片丝栅方向与最大主应变方向一致，采用砝码在梁一端施加向一致，采用砝码在梁一端施加作用力作用力P=0.1KNP=0.1KN，测得挠度为，测得挠度为1.5mm1.5mm，实测量得电阻由，实测量得电阻由120120变变为为120.12120

6、.12，求得应变片的实际，求得应变片的实际灵敏度灵敏度K K。梁高梁高h=5mmh=5mm 梁长梁长L=150mmL=150mmP P Sichuan UniversitySichuan University8 8 等强度梁等强度梁： 截面按一定规律变化，距作用力任何截面按一定规律变化，距作用力任何距离的截面上的应力相等。距离的截面上的应力相等。hblF2266bhFl)bhFl/(M/WFhEbl206截面弯矩截面惯性系数 Sichuan UniversitySichuan University9 93-1 电阻应变片电阻应变片梁高梁高h=5mmh=5mm 梁长梁长L=150mmL=150m

7、mP P解：解： R/R :R/R =（120.12-120）/120=0.001: = E =Mh / 2I (1) y = -ML2 / 3EI (2)= -hy / L2 =0.0005=500微应变微应变K:K= (R/R)/ =2 Sichuan UniversitySichuan University10102 2 构造：构造：电阻丝电阻丝 基底与覆盖层基底与覆盖层 引线引线3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University11112 2 构造构造（1 1）电阻丝：）电阻丝：敏感材料，关键性部分。敏感材料，关键性部分。要求

8、：要求：电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小，电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小，可加工性能（压延性）好。可加工性能（压延性）好。材料：材料：铜镍、镍铬、铁铬铝等高阻合金。铜镍、镍铬、铁铬铝等高阻合金。 （2 2）基底与覆盖层：）基底与覆盖层：定位，传力，保护定位，传力，保护要求：要求：绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，热稳定，温度应变小。热稳定，温度应变小。材料：材料：纸基、胶基、纸浸胶基纸基、胶基、纸浸胶基（3 3）引线：）引线：0.15-0.180.15-0.18的镀锡（铱、银）软铜线。的镀锡（铱、银）软铜线。3-1 3-1

9、 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University12123 3 分类分类3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University13133 3 分类分类(1)(1)金属类金属类金属丝式应变片：丝绕式、短接式金属丝式应变片：丝绕式、短接式0.01-0.03mm 0.01-0.03mm ，响应时间为，响应时间为1010-7-7s s，散热效果差，许用电流低。散热效果差，许用电流低。圆角线栅，横向效应大；圆角线栅，横向效应大；直角线栅，制作复杂直角线栅，制作复杂。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片

10、 Sichuan UniversitySichuan University14143 3 分类分类箔式应变片箔式应变片3- 10m3- 10m厚的康铜或其它合金膜，厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷。光刻印刷。照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的一种传感器。一种传感器。横向效应小，散热好于丝式。横向效应小，散热好于丝式。薄膜式应变片：薄膜式应变片：800800厚度厚度0.1m0.1m的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等特殊条件特殊条件3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan Universi

11、tySichuan University15153-1 3-1 电阻应变片电阻应变片（2 2）半导体式应变片（压阻效应）半导体式应变片（压阻效应）半导体材料，根据压阻效应制成。半导体材料，根据压阻效应制成。 灵敏系数高，灵敏系数高，K100K100，可直接用万用表，可直接用万用表测应变测应变响应时间仅有响应时间仅有1010-11-11s s热稳性能差；大应变时，非线形较大，热稳性能差；大应变时，非线形较大，多用于测量多用于测量500500以下的小应变。以下的小应变。 Sichuan UniversitySichuan University16163-1 电阻应变片电阻应变片3 3 分类分类（3

12、 3）应变花）应变花: : 在一个基底上有几个按一定角度排列的在一个基底上有几个按一定角度排列的敏感栅的应变片。敏感栅的应变片。测量主应力方向未知条件下平面应力状态。测量主应力方向未知条件下平面应力状态。自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件 Sichuan UniversitySichuan University17174 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（1 1）灵敏系数）灵敏系数 单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之行时，应变片电阻值的相

13、对变化与沿其纵向的应变之比值。比值。XRRk3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University18184 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（2 2）横向效应）横向效应 由于横向应变使得应变片的总电阻变化量减小的由于横向应变使得应变片的总电阻变化量减小的现象，降低灵敏度，称横向效应。横向效应用横向现象，降低灵敏度，称横向效应。横向效应用横向效应系数效应系数H H描述。描述。 H H通过实际测定，一般较小，只有高精度测量才考通过实际测定，一般较小，只有高精度测量才考虑修正。虑修正。xy3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片

14、Sichuan UniversitySichuan University19194 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（2 2）横向效应的测量误差）横向效应的测量误差不不考虑考虑H H考虑考虑H H：标定的灵敏度标定的灵敏度K K)1(XXKRR)2()(YXXHKRR)3(1HKHKRRKXXXXXX3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University20204 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（2 2）横向效应的影响）横向效应的影响设此时测点的真实应变为设此时测点的真实应变为x x 、y y，实测应变为

15、，实测应变为x x ，由式，由式2 2、3 3得。得。)4(11HHHKHKKRRYXXYXXX相对误差为相对误差为)5(11XYXXYXXXXHHHHH3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University21214 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性例：设例：设H=0.03H=0.03，0.285单向应力状态下横向效应误差估计：单向应力状态下横向效应误差估计： y y=-=-x x%9.0285.0285.003.0103.01XYHHH平面受力条件横向效应误差估计：双向受压的混凝土梁，设：平面受力条件横向效应误差估计：

16、双向受压的混凝土梁，设： x x / /y y=1=1，估计横向效应产生的误差。估计横向效应产生的误差。解：解：%41285.0285.003.0103.0)5(1XYHHH3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University22224 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（3 3）应变片的规格）应变片的规格几何参数几何参数应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积，积，S=LS=L* *b b。 L-L-栅长标距栅长标距 b-b-栅宽栅宽注意：注意：尽量选用尽量选用L L大、大、

17、 b b小的应变片。小的应变片。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University23234 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（4 4）应变片电阻值）应变片电阻值: :指应变片在未安装、不受外力、室温指应变片在未安装、不受外力、室温 条件下的电阻值。条件下的电阻值。单片阻值：单个应变片的标定电阻值。单片阻值：单个应变片的标定电阻值。标准名义阻值标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一定值，如：人为规定的生产标准，为一定值，如120120、240240。一般应变仪是按一般应变仪是按120120应变片要求设计的应变片要求设

18、计的。平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如求公差。如120 120 0.5%0.5%或或1201200.60.6。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University24244 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（5 5）机械滞后量：）机械滞后量：恒温时，在加、卸载过程中对各个应力恒温时，在加、卸载过程中对各个应力水平分别测得的指示应变量的最大差值水平分别测得的指示应变量的最大差值。产生产生原因原因: :金属丝、粘贴计、基底等的残余变形，在测金属丝、粘贴

19、计、基底等的残余变形，在测试时尚未完全释放。试时尚未完全释放。消除消除方法：方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。如用于制造传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影如用于制造传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影响。响。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University25254 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（6 6） 零漂、蠕变零漂、蠕变零漂：零漂：不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变化。化。蠕变蠕变：恒温恒温情况下，受恒定

20、力的作用时应变测量值随时情况下，受恒定力的作用时应变测量值随时间而变化。间而变化。产生产生原因：原因：应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产生的热电势造成的。生的热电势造成的。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University26264 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（7 7）应变极限：）应变极限：应变片最大应变测量值。应变片最大应变测量值。 一般规定：应变片显示的值与机械应变的一般规定：应变片显示的值与机械应变的相对误差达到相对误差达到规定标准（一般规定标准（一般10%10%）

21、时的机械应变即为应变极限。此时，时的机械应变即为应变极限。此时，认为应变片失去了工作能力。认为应变片失去了工作能力。（8）绝缘电阻：）绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。电阻值。 应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。一般应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。一般 2M2M欧，欧，高精度测试高精度测试50M50M欧。欧。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University27274 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（9 9）动态测量时的特性）动态测量时的特性疲劳寿命：疲劳寿命：应变片

22、承受特定的交变荷载至破坏（脱片、应变片承受特定的交变荷载至破坏（脱片、断栅等）时的使用次数。断栅等）时的使用次数。频率响应：频率响应：应变波由试件传递到应变片所需时间为动态应变波由试件传递到应变片所需时间为动态频率响应时间，金属丝式频率响应时间，金属丝式为为1010-7-7s s，半导体式，半导体式为为1010- -1111s s，可以认为应变片是基本没有惯性的。，可以认为应变片是基本没有惯性的。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University28284 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（1010）应变片的许用电流）

23、应变片的许用电流: :不影响工作特性的最大电流。不影响工作特性的最大电流。 控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由厂家提供。厂家提供。一般丝式应变片许用电流为一般丝式应变片许用电流为202025mA25mA，测动态时可达，测动态时可达7575100mA100mA。箔式应变片散热性能好，可达。箔式应变片散热性能好，可达200mA200mA以上。以上。3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University29295 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与应变片粘结工艺(1) (1) 应

24、变片选用：应变片选用：1 工作环境工作环境温度保证、地下工程中防潮特性好温度保证、地下工程中防潮特性好2 被测物的材料性质被测物的材料性质弹模高，基长小；粗晶粒岩石混凝土选用基长长弹模高，基长小；粗晶粒岩石混凝土选用基长长3 按被测试件受力状态和应变性质：应变花按被测试件受力状态和应变性质：应变花变化大选用基长小，变化小选用基长大变化大选用基长小，变化小选用基长大4 按测量精度：按测量精度：材料材料 电阻值、灵敏度电阻值、灵敏度3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University30305 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与

25、应变片粘结工艺(2)(2)应变片粘结工艺：应变片粘结工艺：1 1 应变片检查应变片检查: :外观检查、电阻值检查外观检查、电阻值检查2 2 表面处理表面处理: :刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干机烘干3 3 贴片与固化贴片与固化: :画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶4 4 粘贴质量检查粘贴质量检查: :外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查查、连接电阻应变仪检查5 5 连接导线连接导线: :导线固定、导线焊接导线固定、导线焊接6 6 防潮处理防潮处理: :凡士林、石蜡等凡士林、石蜡等3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片 Sichuan UniversitySichuan University3131为何要使用应变仪？为何要使用应变仪？1应变对应的电阻变化？应变对应的电阻变化？00024. 012010222/10166RRRRRR小极了！小极