应力应变测试技术

1、第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 第一节第一节 电阻应变片电阻应变片 电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式金属电阻应变片式与半导体应变片式半导体应变片式两类。第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝式丝式和箔式箔式两种。其工作原理都是

2、基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。 金属丝电阻应变片(又 称电阻丝应变片)出现得 较早，现仍在广泛采用。 其典型结构如图所示。把 一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等，直径0.025mm左右)绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺箔栅系用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约寸准确，阻值

3、一致性好。箔片厚约110m110m，散热好，粘结，散热好，粘结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。式应变片。第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 RlA 当每一可变因素分别有一增量当每一可变因素分别有一增量dl、dA和和d时，所时，所引起的电阻增量为引起的电阻增量为: 式中：式中：A=r2，r为电阻丝半径，为电阻丝半径，dRdAARdllRdRdrdrldlRdrldrrldlrdR22222r3第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技

4、术 电阻的相对变化率电阻的相对变化率 式中式中 -电阻丝轴线相对变形，或称纵向应变电阻丝轴线相对变形，或称纵向应变 -电阻丝轴线相对变形，或称横向应变电阻丝轴线相对变形，或称横向应变drdrldlRdR2ldl /rdr / 当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为 式中式中电阻丝材料的泊松比；电阻丝材料的泊松比； d电阻丝电阻率电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。有关。ldlrdr第一节第一节 电阻应变片电阻应变片Ed第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 式中式中 E E

5、电阻丝材料的弹性模量；电阻丝材料的弹性模量； 压阻系数，与材质有关。压阻系数，与材质有关。从而得到：从而得到：)(E21E2RdR 第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术(1(1十十2)2)项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电阻材料，阻材料，1 1十十22是常数。是常数。EE项是由电阻丝的电阻率随应变项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，EE是很小的，可忽是很小的，可忽略。上式可简化为：略。上式可简化为：)(21RdR 上式表明了电阻相对变化

6、率与应变成正比上式表明了电阻相对变化率与应变成正比 电阻应变片的应变系数或灵敏度电阻应变片的应变系数或灵敏度。 用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度S S，多在，多在1.73.61.73.6之间。之间。 一般市售电阻应变片的标准阻值有一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600和和1000等。其中以等。其中以120为最常用。应变为最常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。片的尺寸可根据使用要求来选定。 第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术常数 21RdRS第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应

7、力应变测试技术应力应变测试技术 二、半导体应变片二、半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。 所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用力作用时，时， 其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 从半导体物理可知，半导体在压力、从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率温度及光辐射作用下，能使其电阻率发生很大变化。发生很大变化。 分析表明，单晶半导体在外力作用下，分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流原子点

8、阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。起电阻率的变化。 分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。化，从而引起电阻率的变化。 (1(1十十2)2)项是由几何尺寸变化引起的，项是由几何尺寸变化引起的，EE是由于是由于电阻率变化而引起的。对半导体面言，后者远远大于前电阻率变化而引起的。对半导体面言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分，故上式可

9、者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分，故上式可简化为简化为 第一节第一节 电阻应变片电阻应变片)(E21RdR 第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术ERdR第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 半导体应变片灵敏度半导体应变片灵敏度 这一数值比金属丝电阻应变片大这一数值比金属丝电阻应变片大50一一70倍。倍。ERdRS半导体应变片半导体应变片优点优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等。：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等。缺点缺点：温度稳定性能差、灵敏度分散度大：温度稳定性能差、灵敏度分散度大( (由于晶向、杂质由于晶向、

10、杂质等因素的影响等因素的影响) )以及在较大应变作用下，非线性误差大等，以及在较大应变作用下，非线性误差大等，这些缺点给使用带来一定困难。这些缺点给使用带来一定困难。 应变片的后续电路为电桥电路。应变片的后续电路为电桥电路。第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性一一 横向效应横向效应二二 温度误差及其补偿温度误差及其补偿第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术（一）横向效应（一）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变，电阻

11、圆弧段：沿轴向压应变r 电阻 KrbOlrrdld0第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章

12、 应力应变测试技术应力应变测试技术（二）温度误差及其补偿（二）温度误差及其补偿 1 1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化变化t t 时，敏感栅材料电阻温度系数为时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起，则引起的电阻相对变化为的电阻相对变化为2 2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t t时，时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 tKRKRRsgt

13、t)(0000tRRRRtt00温度温度误差误差 第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术相应的虚假应变输出相应的虚假应变输出tKtKRRsgtt)(/000可得由于温度变化而引起的总电阻变化为可得由于温度变化而引起的总电阻变化为tKRtRRRRsgttt)(000第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术温度补偿温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术

14、 R1 +RRb -RU0R1RR4R3URbR被测试件补偿块第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术电桥补偿法电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好，优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。响补偿效果。第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变粘贴在被测部

15、位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。法称为应变片自补偿法。a. a. 选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片b. b. 双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术a. a. 选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片 实现温度补偿的条件为实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试

16、件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立使下式成立 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKtsgt)(0sgK优点：容易加工，成本低，优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术b. b. 双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 R1R2组合自补偿法组合自补偿法选用两者

17、具有不同符号的电阻温度系数选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整调整R1和和R2的比例，使温度变化时产生的的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足电阻变化满足 t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达的温度自补偿，可达0.45m/的高精度的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U = Ui - URtK第五节第五节 电阻应变片的应用电

18、阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 一、拉弯联合作用下弯矩或拉力的测量一、拉弯联合作用下弯矩或拉力的测量 杆件受拉力杆件受拉力P P和弯矩和弯矩M M联合作用，在弹性范围内工作，联合作用，在弹性范围内工作， P P、M M的联合作用可看成是的联合作用可看成是P P、M M单独作用的叠加。单独作用的叠加。 杆件在杆件在P P、M M单独作用下其上下表面的应变为：单独作用下其上下表面的应变为： A 杆件的截面积杆件的截面积； W 杆件的

19、抗弯截面系数杆件的抗弯截面系数 E 被测件材料的弹性模量被测件材料的弹性模量EWMEAPMP ；第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 根据叠加原理，杆件在根据叠加原理，杆件在P P、M M联合作用下，其上表面和下表面的联合作用下，其上表面和下表面的应变为：应变为：MPMP 21；第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用MMPMPKRKRKRRRR 2)()(21210 MMKRKRRR 2200 第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 1、弯矩、弯矩M的测量的测量 测弯矩的贴片与接桥如右图所示，测弯矩的贴片与接桥如右图所示，

20、R1=R2=R，电阻增量，电阻增量R0：相对电阻的增量为：相对电阻的增量为：仪器的应变读数为：仪器的应变读数为：)(2/00KKKRRM取 2MMEWEWM具有温度补偿功能具有温度补偿功能第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用PMPMPKRKRKRRRR2)()( 11 110PPKRKRRR2200PKRR00/第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 2、拉力、拉力P的测量的测量温度补偿需在补偿板上另贴两温度补偿需在补偿板上另贴两片月片月R R2 2、R R2 2”串联组成补偿桥串联组成补偿桥臂臂EAPP第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试

21、技术应力应变测试技术 二、其他测量实例二、其他测量实例（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒； 第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 2 2 梁式力传感器梁式力传感器等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷 b0h 等截面悬臂梁EbhlF26第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术

22、b0h 等强度悬臂梁 EhblF206第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 双端固定梁EbhlF243第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 21)2/(32EbhhRF在外力作用下，各点的应力差别较大在外力作用下，各点的应力差别较大 第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 BK-2SBK-2S称重传感器称重传感器产品详细介绍产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用

23、于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度 -10+50 第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 BKBK4 4轮辐式传感器系列轮辐式传感器系列 采用轮辐式结构，高度低，抗偏采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、子衡器和各种力

24、值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤轨道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供桥电压 12VDC 灵敏度 152mV/V 输入阻抗 73020 非线性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 输出阻抗 70010 重复性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 绝缘电阻 2000M 滞后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作温度 -10+50 允许过负荷 120%FS 热零点偏移（%FS/10） 第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 4. 4. 应变式压力传感器应变式压力传感器tr

25、膜片R1R2 R3R4膜片式压力传感器 R4R3R1R2 UU0第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 5. 5. 筒式压力传感器筒式压力传感器 测较大压力测较大压力 机床液压系统的压力（106107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定 第五节第五节 电阻应变片的应用电阻应变片的应用第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 6.6.组合式压力传感器组合式压力传感器应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。第五节第五节 电阻应变片的应