第三章 电阻应变测量技术

1、第三章 电阻应变测量技术 基本原理：用电阻应变片作为传感元件，将应变片粘贴或安置在构件表面上，随着构件的变形，应变片敏感栅也相应变形，将被测对象表面指定点的应变转换成电阻变化。电阻应变仪将电阻变化转换成电压或电流信号，经放大器放大后由指示仪器显示或记录。 电阻应变测量方法的优点（3）频率响应好。可以测量从静态到数十万赫的动态应变。（4）应变片尺寸小，重量轻。最小的应变片栅长可短到0.178毫米，安装方便，不会影响构件的应力状态。（5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。（6）可在各种复杂环境下测量。如高、低温、高速旋转、强磁场等环境测量。（1）测量灵敏度和精度高。其最小应变读数为 （微应变

2、， ）在常温测量时精度可达 。11 2%611 10 （2）测量范围广。可测 。1 200003-1 电阻应变片一、应变片的构造和基本原理由物理学可知：金属导线的电阻率为LR=A其中： 导线材料电阻率导线长度L导线横截面积A3-1 电阻应变片当金属导线沿其轴线方向受力变形时（伸长或缩短），电阻值会随之发生变化（增大或减小），这种现象就称为电阻应变效应。dRddLdARLA将上式取对数并微分，得：式中： 为金属导线长度的相对变化；dLL为导线横截面积的相对变化。dAA若导线直径为D，则dAdDdL22()2ADL dRd(12 )R 式中： 为导线材料泊松比。3-1 电阻应变片电阻应变片的构造电

3、阻应变片由敏感栅、引线、基底、盖层、粘结剂组成。其构造如图所示：3-1 电阻应变片敏感栅：用合金丝或合金箔制成的栅。栅长L：指两端圆弧内侧或两端横栅内侧之间的距离，一般为0.2100mm。栅宽B：敏感栅外侧之间的距离。应变片轴线：敏感栅纵栅的中心线。引线：用来由敏感栅引出电信号的金属导线。用镀锡铜线（通常）制成基底：用来保持敏感栅的几何形状和相对位置。盖层：用来保护敏感栅，常用材料有纸、胶膜、玻璃纤维等。粘结剂：将敏感栅固定在基底上，常用环氧树脂类和酚醛树脂类粘结剂。作用：将R R 二、电阻应变片的分类电阻应变片按敏感栅材料不同可分为金属电阻应变片和半导体应变片。本课仅介绍金属电阻应变片。（一

4、）丝绕式应变片敏感栅是用直径为0.010.05毫米的铜镍合金或镍铬绕制而成。缺点：其横向效应大，测量精度较差，应变片性能分散。优点：基底、盖层均为纸做成，价格便宜，易安装。3-1 电阻应变片（二）短接式应变片将金属丝平行排成栅状，端部用粗丝焊接而成。优点：横向效应小，制造时敏感栅形状易保证，测量精度高。缺点：焊点多，疲劳寿命较低。3-1 电阻应变片（三）箔式应变片敏感栅采用的是0.0020.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图制板、光刻及腐蚀等工艺制作。优点：横向效应较小，易安装，散热性好，疲劳寿命长，测试精度较高。3-1 电阻应变片敏感栅型式单轴应变片敏感栅只有一根轴线。用于测量

5、单向应变。应变花：双轴二轴90三轴三轴45用于测量平面应力状态。3-1 电阻应变片三、应变片的灵敏系数和横向效应3-1 电阻应变片（一）灵敏系数（K）R RK=在单向应力作用下，应变片的电阻相对变化 与试件表面沿应变片轴线方向的应变 之比值，称为应变片的灵敏系数，即：R R注意：K值是应变片的主要参数，它取决于敏感栅的材料、型式、几何尺寸、基底、粘结剂等多种因素。通常由制造厂在专用设备上标定给出K值。常用的K=2.02.4（二）横向效应系数（H）应变片的敏感栅除有纵栅外，还有圆弧或直线形的横栅。横栅主要对垂直于应变片轴线方向的横向应变敏感，因而应变片指示应变中包含有横向应变的影响，这就是应变片

6、的横向效应。将应变片置于平面应变场中，沿应变片轴线方向的应变为 ，垂直于轴线方向的横向应变 ，应变片敏感栅电阻相对变化为：xyxyxxyyRRR()()KKRRRyx轴线横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数H。xyKH100%K3-1 电阻应变片四、应变片的工作特性3-1 电阻应变片（一）应变片电阻（R）指应变片在未经安装、不受力的情况下，于室温时测定的电阻值。常用的应变电阻值R120在恒定温度下，对安装有应变片的试件加载卸载。以试件的机械应变 为横坐标，应变片的指示应变 为纵坐标绘成曲线，加载与卸载曲线不重合，这种现象称为机械滞后。ji（二）机械滞后（ ）jZ（1）电阻值漂移指在

7、工作温度恒定，安装在未受外力作用的构件上，其应变片电阻值随时间的变化。产生漂移原因：由于敏感栅、基底、粘结剂等材料在应变片的制造或安装过程中，内部形成的应力缓慢释放所致。（2）蠕变指在工作温度恒定，安装在承受外力，但变形恒定的构件上的应变片电阻值随时间的变化。3-1 电阻应变片（三）零点漂移和蠕变（四）应变极限在恒定温度下，对安装有应变片的试件逐渐加载，直至应变片的指示应变与试件的机械应变的相对误差达到10%。3-1 电阻应变片（五）绝缘电阻（ ）mR一般情况下， 兆欧。mR500应变片的绝缘电阻时指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。（六）疲劳寿命（N）在幅值恒定的交变应力作用下，应变片连续

8、工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。（七）最大工作电流五、电阻应变片选用1、测试环境：温度、湿度、磁场4、测试精度2、应变性质静态应变选择H小的应变片动态应变选择疲劳寿命好的应变片。3、应变梯度应变场均匀对应变片栅长没要求，可 选栅长大的应变片，容易贴。应变梯度变化大选栅长小的应变片。3-1 电阻应变片3-2 应变测量电路R1R2R4R3ACBEDIoRLUo第一次转换第二次转换惠斯登电桥433211RRRRRREUo当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R34321RRRR或此为电桥平衡原理3-2 应变测量电路布片和桥接方法单臂接法半桥接法：用两个电阻应变片作电桥

9、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片构成。半桥加温度补偿块接法R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R43-4 应变仪 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。 应变仪的分类： 静态电阻应变仪 动态电阻应变仪YJ-25型静态电阻应变仪测量原理仪i)(4321仪1234静态电阻应变仪的读数与各桥臂应变片的应变值有下列关系： 分别为各桥臂上应变片的应变值。 式中：1.半桥接线与测量如果应变片R1接于应变仪AB的接线柱，温度补

10、偿应变片R2接于BC接线柱，则构成外半桥，如图1。另内半桥由应变仪内部两个无感绕线电阻构成。应变仪读出的应变值：1仪图 1 弯曲应变半桥补偿接线与测量图 2 弯曲应变半桥互补偿接线与测量YJ-25型静态电阻应变仪测量原理若梁上同一截面处的压区和拉区分别贴应变片R1和R2，接于AB与BC接线柱，则构成外半桥，如图2，两电阻应变片既属测量片又互为补偿，应变仪读出应变值为： 21仪又因 21所以有： 12仪2.全桥接线与测量YJ-25型静态电阻应变仪测量原理如果梁上同一截面的压区贴片R1、R3接于AB、CD接线柱，温度补偿应变片R2、R4接于BC、DA接线柱，构成全桥，如图3。应变仪读出应变值为： 图 3 弯曲应变全桥单补偿接线与测量 图 4 弯曲应变全桥互补偿接线与测量31仪因 31故有： 12仪若梁上同一截面的压区应变片R1、R3仍接于AB和CD接线柱上，而拉区贴应变片R2、R4接于BC和DA接线柱组成全桥，如图4。则应变仪读出应变值为： YJ-25型静态电阻应变仪测量原