第三章电阻应变测量技术

1、第三章第三章 电阻应变测量技术电阻应变测量技术 基本原理：弹性元件受力变形应变片电阻改变测量电路（应变仪）应变 应变片：将弹性材料的变形（应变）转变为电阻变化的传感器。 主要特点：灵敏度和精度高；测量范围广；输出为电信号；容易掌握。31 电阻应变片电阻应变片 一、应变片的构造和工作原理一、应变片的构造和工作原理 1.构造2.工作原理金属丝的电阻应变效应： 金属丝的电阻相对变化率与应变成正比。k0 为金属丝对应变的灵敏度 0kRdR二、应变片的类型二、应变片的类型 1金属丝式应变片 丝绕式、短接式 直径0.020.05mm的镍铬合金或康铜(Ni,Cu)丝经丝绕机绕成栅状。短接式敏感栅轴向为平行排

2、列的电阻丝，横向是由粗宽而电阻率小的金属丝焊接而成。2箔式应变片 在厚度0.0030.01mm的合金箔的一面涂胶形成胶基，另一面涂感光材料，经照相制版、光刻腐蚀法形成敏感栅，最后在表面涂一层胶膜保护层制成。 形状尺寸精密，箔材宽平易于粘贴，散热性好，横向系数小。3半导体电阻片 用锗或硅等半导体材料根据其压阻效应制成。灵敏系数大，横向系数小，体积小、机械滞后小，频率响应高、频带宽。用于微小应变、高频超高频动态应变测量。热稳定性差。 压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化。 d/=e=eE4应变花 在一个基底上按一定角度排列几个敏感栅制成的应变片。用于测量一点几个方向

3、的应变，从而获得平面应力状态下一点的主应变和方向。5应力电阻片 应变片的横向应变与纵向应变之比设计成材料的泊松比，应变仪读数既为纯纵向应变，乘以弹模E可得应力。三、应变片的灵敏系数和横向效应三、应变片的灵敏系数和横向效应 应变片灵敏系数(即灵敏度)k定义为：把应变片粘贴在处于单向应力状态的试件表面，使其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x之比值，即 横向效应 当材料产生纵向应变x时，由于横向效应，将在其横向产生一个与纵向应变符号相反的横向应变y-x，因此，应变片上横向部分的线栅与纵向部分的线栅产生的电阻变化符号相反，使应变片的总电阻变化量减小，此种现象称为

4、应变片的横向效应，用横向效应系数H来描述。 RdRk 四、应变片的工作特性四、应变片的工作特性 1应变片的尺寸 栅长栅宽 基长基宽 2应变片的电阻 标称电阻60、120、350、500、1000 3机械滞后量(Zf) 加载和卸载时对于同一载荷的应变差。 4零点漂移(p)和蠕变() 外载不变，温度不变而应变随时间改变的现象。 5应变极限 在常温下能正确反映测点应变的最大值。一般应变极限值在600010000之间。 6绝缘电阻(Rm) 7疲劳寿命(N) 在测点有1500 交应变作用下，应变片连续工作不损坏的最高循环次数。一般106次。 8最大工作电流五、应变片的选用五、应变片的选用 1、按工作环境

5、选用 温度（低温、常温、高温）；湿度；使用时间 2按被测物的材料性质选用 材料的粗糙度（玻璃、混泥土）与基长有关 3按被测试件的受力状态和应变性质选用 单向受力、复杂受力（应变花）；应变场变化梯度；长时动态应变（选高阻值短基长应变片以提高信噪比和频率响应特性） 4按测量精度选用 一般选纸基片；要求高时选胶基片；测试线路中有电阻随机源时选高阻值片32 应变测量电路应变测量电路 第一次转换应变片将应变信号转换成电阻相对变化量。 第二次转换应变基本测量电路则是将电阻相对变化量再转换成电压或电流信号，以便显示、记录和处理。 电阻应变仪 应变测量电路 ：通常转换后的信号很微弱，必须经调制、放大、解调、滤

6、波等变换环节才能获得所需的信号 。 惠斯登电桥电路 按电源供电方式分，分直流电桥和交流电桥。电桥电路可有效地测量10-310-6数量级的微小电阻变化率，且精度很高，稳定性好，易于进行温度补偿，所以，在电阻应变仪和应变测量中应用极广。 一、直流电桥 由四个电阻Rl，R2， R3，R4，组成四个桥臂；A，C为供桥端，接电压为E的直流电源，B，D为输出端，电桥的输出电压为 ERRRRRRRRUBD.)(43214231当UBD0时，电桥处于平衡状态，故电桥的平衡条件为 R1R3-R2R4=0或 3241RRRR桥臂四个电阻RlR2R3R4R，此称等臂电桥。 等臂电桥单臂工作时的情况 ： 设Rl为工作

7、应变片，当试件受力作用产生应变时，其阻值有一增量R，此时，桥路就不平衡，产生输出电压，由于RR ，输出电压为：EkERRUBD41.4基本关系式表明：等臂电桥的输出电压与应变在一定范围内成线性关系。 非等臂电桥四臂工作时： 设电桥四臂均为工作应变片，其电阻为Rl，R2，R3，R4，当应变片未受力时，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为零。当受力后，电桥四臂都产生电阻变化分别为R1, R2, R3及R4，电桥电压输出为ERRRRRRRRRRRRUBD)(432124134231忽略二阶微量，R R 0 根据三种桥臂配置情况进行分析： 全等臂电桥，即，RlR2R3R4R， 其电压输出为)(4)(443

8、2144332211kERRRRRRRREUBD 输出对称电桥： RlR2，R3R4 ，其电压输出与全等臂电桥相同。 电源对称电桥： RlR4，R2R3 ，并令 4312RRRR则其电压输出为 )()1 ()()1 (43212443322112kERRRRRRRREUBD电桥的加减特性(或和差特性) 相邻桥臂的应变极性一致(即同为拉应变或同为压应变)时，输出电压为两者之差；极性不一致(即一为拉应变，另一为压应变)时，输出电压为两者之和。而相对桥臂则与上述规律相反。 该特性对于交流电桥也完全适用。 利用该特性，可提高电桥的灵敏度，对温度影响予以补偿，从复杂受力的试件上测取某外力因素引起的应变等

9、，所以，它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。 用电桥测量电阻变化的测量方法偏位法是在表的刻度盘上刻出R，或直接刻出应变值(根据R Rk)，由指针偏转直接指示应变值，或者送到记录器直接记录。 零位测量法 电桥原始平衡后，如R1变成R1+R，则电桥失去平衡，电表指针偏转，此时，人为调节可变电阻r，改变D点电位，使之与B点电位相同，电桥重新平衡，电表又重新指零，这时，可在可变电阻器刻度盘上直接读出r值，便可测出R1变化R时所对应的应变值 kRr2 零位测量法与电源电压无关，电源电压变化不影响测量结果，故测量精度较高，但测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静态测试 。二、交流电桥二、交流电桥

10、 应变仪多用正弦交流电压作供桥电源。 半桥工作：ab、bc臂接应变片R1,R2。 忽略电容C1、C2,供桥端电压Uac=VmSint当等臂电桥单臂工作时 tVRRRRRRRRUmBDsin)(43214231tVRRUmBDsin41 交流电桥的输出电压信号是对桥压的调幅信号，称为调幅波。当试件受静态拉伸应变+时，将使Rl变为Ro十R t，对应的电桥输出电压为 tVktVRRUmmtBDsin41sin410电桥电压输出的幅度与k，+及Vm成正比，其频率和相位都和载波电压一样。 当试件受静态压缩应变-时，将使Rl变为Ro-R t，对应的电桥输出电压为)sin(41sin410tVktVRRUm

11、mtBD相位与载波电压相差，其余与拉应变的情况相仿 。 当试件受如下简谐变化的应变时： n =msint 输出电压tVktVktVRRUmmmmmmBD)cos(81)cos(81sin410 它可视为由振幅相同、频率分别为(-)、(+)两个谐波叠加而成。但实际应变的变化频率多为非正弦的，其中有不可忽略的高次谐波频率n，则此时电桥的输出频率宽度为(n)。为使电桥调制后不失真，载波频率应比应变信号频率n大十倍。当动、静应变同时存在时，则电桥的输出相当于静态应变和动态应变两种情况的叠加。交流电桥起到了调幅作用 。三、电桥的平衡三、电桥的平衡 任意两个应变片的电阻值不等 ，接触电阻和导线电阻也有差异

12、 ，交流电桥中，应变片引出导线间和应变片与构件间都存在着分布电容，造成电桥初始不平衡。 电阻预调平衡方法： (1)电阻串联平衡法(图36(a) (2)电阻并联平衡法(图36(b) (3)无触点平衡法(图36(c)电容预调平衡方法： (1)阻容平衡法(图36(d) ，(图36(e) (2)差动电容平衡法(图36(f)数字式应变仪不需电桥平衡电路。3-3 应变应力测量应变应力测量 测量的具体工作是：选择测点和布置应变片和合理接桥 。 布片和接桥的一般原则如下： (1)首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应变最大、最能反映其力学规律的点贴片； (2)利用结构的对称性布点，利用应变电桥的加减特性

13、，合理选择贴片位置、方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、提高灵敏度、降低非线性误差和消除其它影响因素的目的； (3)当测量荷载时，应尽量避开应力应变的非线性区贴片； (4)在应力已知的部位安排适当的测点，以便测量时进行监视和检验试验结果的可靠性。应变片的粘贴 1.贴前准备工作 应变片检查、挑选。同批阻值相差0.5以内 2.测点位置清洗、划线定位 3.涂胶贴片 4.焊接引线和导线到接线端子。 5.干燥，测绝缘电阻大于500M 。 6.防潮、保护处理 一、布片和接桥方法 半桥接法： 用两个电阻应变片作电桥的相邻臂，另外两臂为应变仪电桥盒中精密无感电阻所组成的电桥。 全桥接法： 电桥四个臂全由电阻应变

14、片构成，它可以消除连接导线电阻影响和降低接触电阻的影响，灵敏度也可提高。 二、温度补偿方法二、温度补偿方法 温度对应变测量的影响有两方面，应变片敏感栅材料的电阻R随温度而改变，可用电阻温度系数来衡量；另一影响因素是应变片电阻丝和受力构件材料线膨胀系数不一致产生的虚应变。温度虚应变 t t/k+(g-y)t温度补偿方法有以下两种：一、温度自补偿应变片法 Rt0 二、桥路补偿法补偿块补偿法 、工作片补偿法。34 应变仪应变仪 应变仪是将应变电桥的输出信号转换和放大，最后用应变的标度指示出来或输出相应 的信号推动显示和记录仪器。 二次仪表一、应变仪的分类和特点 按应变仪的工作频率相应范围分： 静态应

15、变仪、 动态应变仪 超动态应变仪。 1静态电阻应变仪 应变仪组成 ：测量桥、读数桥、振荡器 、放大器、 相敏检波 、平衡指示仪 、电源 双桥零读法 工作原理：构件受力，测量桥工作片电阻值产生变化，经载波调幅，测量桥输出微弱电压信号（调幅波，振幅与应变成正比），经放大器放大、检波器解调后接电表，引起电表指针偏转。调节读数桥的桥臂电阻（读数盘旋钮）使指针回零，从读数盘刻度读出相应的应变。注意：应变仪按单臂工作时刻度，即：EkERRUBD41.42动态电阻应变仪 动态应变仪可与各种记录器配合测量动态应变，测量的工作频率可达02kHz，可测量周期或非周期的动态应变。 三、各种应力状态下的应力应变测量三

16、、各种应力状态下的应力应变测量 1单向应力状态下的应力应变测量 (1)半桥四片补偿块补偿法测拉压 对工作片，有 R1=RP+RW+R1t R1=RPRW+R1t对补偿片，有 R2=R2t R2=R2tRRVRRRRRRRRRRVUptttWptwpBD41)22(412211由上式可以看出，仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变，消除了偏心的影响，同时也可以看出，串联应变片虽不能提高电桥灵敏度，但可以增加桥压，提高电桥的输出. (2)全桥四片测拉压 R1=RP+ RW+R1tR2=-RP RW+R2tR3=RP RW+R3tR4=-RP RW+R4t仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变数的2(1十) RRVRRRRRRRRVUpBD)1 (241)(414321本章重点内容 1.电阻应变效应、应变片的灵敏度、横向效应。 2