电阻应变测量技术

电阻应变测量技术第一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日§3—1电阻应变片

一、应变片的构造和工作原理

1.构造第二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日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

第三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日二、应变片的类型

1．金属丝式应变片2．箔式应变片

3．半导体电阻片

4．应变花

5．应力电阻片

第四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日第五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日三、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εx之比值，即

横向效应

当材料产生纵向应变εx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εy＝-μεx，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，此种现象称为应变片的横向效应，用横向效应系数H来描述。

第六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日四、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60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、1000Ω3．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(θ)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6000με～10000με之间。

6．绝缘电阻(Rm)7．疲劳寿命(N)在测点有±1500με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100万次。8．最大工作电流第七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日五、应变片的选用

1、按工作环境选用

2．按被测物的材料性质选用

3．按被测试件的受力状态和应变性质选用

4．按测量精度选用第八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日§3—2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，直流电桥和交流电桥。电桥电路可有效地测量10-3～10-6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。第九页，共二十九页，编辑于2023年，星期日一、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，电桥的输出电压为当UBD＝0时，电桥处于平衡状态，故电桥的平衡条件为

R1R3-R2R4=0或

第十页，共二十九页，编辑于2023年，星期日桥臂四个电阻Rl＝R2＝R3＝R4＝R，此称等臂电桥。等臂电桥单臂工作时的情况：设Rl为工作应变片，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△R<<R，输出电压为：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。第十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日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，电桥电压输出为忽略二阶微量，△R·△R＝0第十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日根据三种桥臂配置情况进行分析：

①

全等臂电桥，即，Rl＝R2＝R3＝R4＝R，其电压输出为②输出对称电桥：

Rl＝R2，R3＝R4

，其电压输出与全等臂电桥相同。

③电源对称电桥：

Rl＝R4，R2＝R3

，并令

则其电压输出为

第十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日电桥的加减特性(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，对稳定影响予以补偿，从复杂受力的试件上测取某外力因素引起的应变等，所以，它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。

第十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日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／R＝kε)，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

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。第十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日二、交流电桥

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=VmSinωt当等臂电桥单臂工作时

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。第十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日当试件受静态拉伸应变ε+时，将使Rl变为Ro十△Rt，对应的电桥输出电压为

电桥电压输出的幅度与k，ε+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ε-时，将使Rl变为Ro-△Rt，对应的电桥输出电压为相位与载波电压相差π，其余与拉应变的情况相仿。第十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日当试件受如下简谐变化的应变时：

εn=εmsinΩt

输出电压它可视为由振幅相同、频率分别为(ω-Ω)、(ω+Ω)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nΩ，则此时电桥的输出频率宽度为(ω±nΩ)。为使电桥调制后不失真，载波频率ω应比应变信号频率nΩ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。第十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日三、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，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3—6(a))(2)电阻并联平衡法(图3—6(b))(3)无触点平衡法(图3—6(c))电容预调平衡方法：

(1)阻容平衡法(图3—6(d))，(图3—6(e))(2)差动电容平衡法(图3—6(f))数字式应变仪不需电桥平衡电路。第十九页，共二十九页，编辑于2023年，星期日§3-3应变应力测量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，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。第二十页，共二十九页，编辑于2023年，星期日一、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。

第二十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日二、温度补偿方法

温度补偿方法有以下两种：一、温度自补偿应变片法△Rt＝0二、桥路补偿法——补偿块补偿法、工作片补偿法。1．补偿块补偿法

2．工作片补偿法第二十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日§3—4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：静态应变仪、动态应变仪超动态应变仪。

第二十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日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：第二十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日2．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0—2kHz，可测量周期或非周期的动态应变。

第二十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日三、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△R‘1=△RP－RW+△R’1t对补偿片，有△R2=△R2t△R‘2=△R‘2t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.

第二十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

(2)全桥四片测拉压

△R1=△RP+△RW+△R1t△R2=-μ△RP－μ△RW+△R2t△R3=△RP－△RW+△R3t△R4=-μ△RP＋μ△RW+△R4t仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变数的2(1十μ)

第二十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日本章重点内容1.电阻应变效应、应变片的灵敏度、横向效应。2.电桥的加减特性及应用；3.温度补偿方法；4.半桥、全桥的接方法及应变仪读数和实际应变的