应变片测试技术

关于应变片测试技术第1页，共52页，2023年，2月20日，星期四第六章、应变片测试技术基础6.1电阻应变计1.定义

电阻应变计是一种测量应变的片状量具，简称应变片。优点：精度高、频响宽、体积小、重量轻。应用：应力、外力、扭矩、重量、振动、压力等第2页，共52页，2023年，2月20日，星期四2应变片工作原理

是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。第3页，共52页，2023年，2月20日，星期四构成:

1.敏感栅:用专用材料制成的电阻栅丝.

2.基底:固定栅丝的绝缘层.

3.引线:与栅丝焊接输出（电阻变换量）外接电桥中.

对敏感栅材料性能的要求:

电阻率高;良好的加工性能,机械性能与焊接性能;具有一定热稳定性,灵敏系数大.

常用材料:康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝及金属铂（铂合金）等,前两种用的多一、应变片构造及材料

第4页，共52页，2023年，2月20日，星期四有几种常见电阻应变片:1.单轴电阻丝片2.单轴常规箔片3.单轴半导体应变片4.剪切力片(扭矩片)5.直角三轴片(直角应变片)6.压力片7.裂纹探测片另外还有测大变形的单轴位移片(测水泥变形);测应力集中的应变片;测量薄壳的弯曲应力以及薄膜中面应力的双层弯曲片.测温、测疲劳、测残余应力等应变片.第5页，共52页，2023年，2月20日，星期四(f)单轴半导体应变片；(g)二轴片；(h)裂纹探测片；(i)直角三轴片；(j)三角三轴片第6页，共52页，2023年，2月20日，星期四压力片三轴片第7页，共52页，2023年，2月20日，星期四应变计金属应变计第8页，共52页，2023年，2月20日，星期四材料名称成分灵敏度电阻率温度系数线胀系数元素含量

sg·mm2/m×10-6/°C×10-6/°C康

铜CuNi57%43%1.7~2.10.49-20~2014.9镍铬合金NiCr80%20%2.1~2.50.9~1.1110~15014.0镍铬铝合金

(卡玛合金)NiCrAlFe73%20%3~4%余量2.4~2.61.33-10~1013.3常用金属电阻丝材料物理性能第9页，共52页，2023年，2月20日，星期四基底材料及粘接剂纸基:用纸作为基底,现在几乎不用了.胶基:常用的基底材料:胶膜:环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等.特点:柔软、易于粘贴.玻璃纤维布:耐高温（450℃）多用于测中、高温,刚度比胶膜大.金属薄片:用不锈钢或合金做成,用焊接法把应变片焊接在试件上.第10页，共52页，2023年，2月20日，星期四第11页，共52页，2023年，2月20日，星期四电阻应变片的选择、粘贴技术

1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细砂纸打磨干净，用丙酮或酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。第12页，共52页，2023年，2月20日，星期四5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。第13页，共52页，2023年，2月20日，星期四第14页，共52页，2023年，2月20日，星期四1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数6.2应变片转换原理金属应变片的电阻R为电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。第15页，共52页，2023年，2月20日，星期四式中：Ml、Mb、Mh:为长、宽、厚三个方向的压阻应变系数有：由压阻效应可得到其中第16页，共52页，2023年，2月20日，星期四假设εh=0,把εb=-μεl代入上式，得Kl—纵向灵敏度系数；Kb—横向灵敏度系数假设εl=0,把εh=-μεb代入上式，得假设εl≠0,把εb

≠

0，得第17页，共52页，2023年，2月20日，星期四H—横向效应系数由上式可知，当应变L方向与试件单项应力状态的主应力方向一致粘贴时，，μ0为材料的泊松比该式可写成这样,即:

第18页，共52页，2023年，2月20日，星期四当应变片L方向与试件单向应力方向一致时，为-μ0，则后一项为零。否则不为零。

若令代入上式，并用增量形式表达可写成：应变片的灵敏系数（StrainGageFactor）出厂时，厂家给出该式可求灵敏系数若把第19页，共52页，2023年，2月20日，星期四计算εl,会产生误差。相对误差为当H=0或单向应力状态下时，γ=0

应变片在实际使用时，如果应力为单项应力状态时，且；或H=0，那么ΔR/R只与εl有关。否则不但与εl有关，而且还与有关。被测试件若处于双向应力状态中，若按下式第20页，共52页，2023年，2月20日，星期四半导体应变计简化为：优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。式中λ—沿某晶向L的压阻系数；ε—沿某晶向L的应力；E—半导体材料的弹性模量。第21页，共52页，2023年，2月20日，星期四金属应变片与半导体应变计区别金属应变片：是随着试件的变形而形体改变半导体应变计：

是随着试件的变形而发生电阻率的变化结束第22页，共52页，2023年，2月20日，星期四第三节应变片灵敏系数测定一、应变片灵敏系数Ks应变片灵敏系数Ks是由制造厂在单向应力状态下的梁上测定的（又称标定），一般采用等弯矩梁或等强度（应力）梁。测定时，将应变片粘贴在梁的等应力区。利用千分表测出梁的挠度，或通过已知大小的作用力F，求得等应力区的应变ε，按下述公式求得灵敏系数Ks式中图为等弯矩梁，在梁下表面中点贴应变片R，在上表面放置三点式挠度计架，由千分表测出中点相对于L距离的挠度y。那么可以得到为梁产生应变后，应变片电阻值的变化量。第23页，共52页，2023年，2月20日，星期四如图所示，采用等强度悬臂梁法。在梁上表面贴应片R，并在距梁根部L处放置千分表，当挂砝码F后，测出千分表处的挠度y,按下式可计算出梁表面应变ε值，也可以在悬臂梁上放置三点式挠度计架测挠度y，按式

计算应变ε。此外也可测出梁各尺寸后，按下式计算应变ε。对于悬臂梁

对于等弯矩梁

第24页，共52页，2023年，2月20日，星期四测量灵敏系数时，常用应变仪来测量。将应变片与一固定电阻（补偿片）组成半桥后接入应变仪，然后调零。应变仪的灵敏系数指示钮调2.00。当梁受力后，用应变仪测得应变值为s，而梁的实际应变值为ε，可以得到灵敏系数测定应变片Ks时，一般采用抽样1％的方法测定。在实验中，采用下面公式，等弯矩梁应变的理论计算公式应变仪测应变片灵敏系数等强度梁应变的理论计算公式第25页，共52页，2023年，2月20日，星期四二.应变片横向效应系数H的测量横向效应系数H的测量方法是在梁上测量的。在梁上粘贴互相垂直的两片应变片Ra及Rb。当加力F后，梁沿A方向发生应变。这时沿B方向应变几乎为零，若测得应变片Ra的应变为εa,Rb片的应变为εb，可得

第26页，共52页，2023年，2月20日，星期四三、应变片的主要参数

4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

1）几何参数：丝栅长L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值（60，120，350，600，1000）欧姆。

3）灵敏系数Ks

：表示应变计变换性能的重要参数。第27页，共52页，2023年，2月20日，星期四一、应变片的温度补偿当温度变化时，应变片的某些性能也会发生变化。其中对测量影响大的性能有灵敏系数变动和电阻值R的变动。使Ks变化的称为灵敏系数温漂；后者将影响电阻电桥的平衡，使R变化引起零指示值变动，称为温度零漂。下面分别讨论这两种漂移。1.

温度零漂应变片的温度零漂主要是由下述两方面原因引起的：1）电阻温度影响：假若令是电阻温度系数α引起的，为电阻R变动量为第四节应变片的温度补偿及性能第28页，共52页，2023年，2月20日，星期四2）敏感栅材质与零件（钢材）的膨胀系数不同，引起敏感栅产生变形。假若为零件的膨胀系数，为敏感栅的线膨胀系数，在温度差下，应变片由于受到应变而产生的电阻变化为总的变化为

2.灵敏系数的温度漂移一般情况下,可不考虑.采用高温片测高温状态下的应变时,要采取补偿措施.

第29页，共52页，2023年，2月20日，星期四补偿温度零漂的方法有下述三种：1）曲线修正法2）电桥电路的组桥补偿法3）自补偿应变片（Ⅰ）在一个敏感栅上串联两种不同材质（即温度系数变化相反）的金属丝；（Ⅱ）通过对敏感栅的退火温度的控制，即3.温度零漂补偿二、应变片参数与性能要求应变片的电阻值及偏差见表6-2。表中的平均值是一批应变片的各个阻值的平均值。温度系数不增大，曲线见图6-6开始第30页，共52页，2023年，2月20日，星期四2.灵敏系数：采用抽样检查的方法，箔式片1%，丝片5%抽检。以公差或相对标准差表示；3.横向效应系数H：1%抽样，加载到1000µε4.应变极限：0.01%抽样，均匀慢加力，当应变片的输出应变大于机械应变的10%时，这个应变即为极限应变5.疲劳寿命：抽样0.1%，在±1500µε（允许误差-50--+100µε），频率30Hz作用下，当输出应变值相差

100µε或出现穗状应变波形时，应变循环次数即为疲劳寿命6.机械滞后：抽样0.1%，应变片测拉压（拉压力相同）应变时，试件产生的应变是某一个值。但应变片阻值ΔR/R的变化不与其对应，由此引起输出应变也不相同，该差值就作为机械滞后的指标；7.蠕变：0.01%抽样，在一小时内，在1000±100µε条件下，输出应变发生的变动量作为衡量指标；8.绝缘电阻：应变片粘贴在试件表面后，敏感栅与零件之间的电阻；9.灵敏系数的温度漂移：随温度逐渐增加到一定限度后，灵敏系数发生变化的百分比作为漂移的大小；10.温度零漂：实际应变为零的状态下，当温度变化时，会产生输出应变；11.允许电流[Ι]：当R=120Ω时，[Ι]=（13.5~16）适合于钢试件S为敏感栅面积，静态和精密测量电流取小值，动态测量电流取大值，散热不好的材料，电流还要降低。第31页，共52页，2023年，2月20日，星期四第五节应变片组桥及其输出电压

应变片贴在零件上后，还需要组成电桥，以便将应变转换成电压变化量。在测试中，一般可以按单臂（一片），双臂（二片）及四臂工作组桥。电桥的和差特性：⑴当ΔR<<R时，输出电压与应变呈线性关系。⑵相邻桥臂：若应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关；若应变极性相反时，电桥的输出电压与两应变之和有关。⑶相对桥臂：若应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关；若应变极性相反时，电桥的输出电压与两应变之差有关。利用“和”的特性可以提高测量输出的灵敏度；利用“差”的特性可以进行温度补偿。这一段采用板书形式讲课第32页，共52页，2023年，2月20日，星期四五、应变片的串并联应变片串联：可提高供桥电压、较大试件表面受力不均匀时，可起到平均测量应变的作用；应变片并联：大多是为了使电桥输入和输出电阻与供桥电源内阻或输出电表内阻匹配时用的。每臂电流是第33页，共52页，2023年，2月20日，星期四六、电桥的串并联1、电桥的串联

电桥的串联如图6-10所示，每个电桥都有单独的供桥电压供电。如果各桥反接，则输出为之差第34页，共52页，2023年，2月20日，星期四若电桥电阻都相同，那么，n个并联电桥的因此或写成

2、电桥的并联电桥的并联如图6-11所示，其总输出电流为各电桥输出电流之和。即第35页，共52页，2023年，2月20日，星期四第六节电阻应变仪1.用途:

电阻应变仪是配合电阻应变片用来测量应变的仪器。2.应变仪按用途分类:(1)静态应变仪;(2)动态应变仪;(3)超动态应变仪三种。3.按供桥电源性质分类:可以分为交流或直流供桥电阻应变仪。为了减少零漂，直流供桥的应变仪需采用调制——解调型放大器。4.静态电阻应变仪与动态电阻应变仪的区别:(1)静态电阻应变仪:具有双电桥,一个读数桥,一个测量桥.

测量静态信号.(2)动态电阻应变仪:单电桥,一个测量桥,有标定、增益、频带。测量动态信号。第36页，共52页，2023年，2月20日，星期四一、静态应变仪图6-12是静态电阻应变仪，左边部分是读数桥，中间上面部分是测量桥。第37页，共52页，2023年，2月20日，星期四二、动态应变仪

动态应变仪一般采用并联电阻法标定，见图6-13标定钮。标定时，将电阻并联在第四臂（若并联在第三臂将输出负值），这时，第四臂电阻将减少，减少量为=第38页，共52页，2023年，2月20日，星期四电桥输出电压为

若以第四臂并联模拟第一臂应变,这时，第一臂应变,使电压输出为

因此得

6--35把6—35式代入该式中6--36第39页，共52页，2023年，2月20日，星期四一般应变仪的标定电阻不可能太多，在求标定电阻与应变关系时，令=120，=2.00，这时的应变表示为

因此得到如下关系：

501003001000300012006002006020第40页，共52页，2023年，2月20日，星期四=2.00时，输出大小才代表值。若，那么面板上应变为实际标定时，应变仪输出代表的应变是应该是

若在第四臂并联标定电阻时，仪器输出为，应变片工作系数

在应变仪标定电阻旋钮上标明的都是应变这时应注意，只有

求测量应变

测量时，仪器输出例题

第41页，共52页，2023年，2月20日，星期四三、联接导线电阻影响测量时，若联接导线电阻r与R相比不能略去时，应该考虑其影响。一般长导线电阻r如果在电桥各臂内联接，它将使仪器指示值减少。图6-15a中的应变片离仪器较远，通过总电阻为r=2

r0的两根导线接入电桥（第一臂）。这时应变片阻值为（R+r），若应变为，灵敏系数为，电桥输出为

式中C为桥臂工作状态系数，本例为C=1。由于导线电阻的影响，应变片的实际应变