應(yīng)變片及其原理

1、應(yīng)力與應(yīng)變的概念應(yīng)力所謂“應(yīng)力”，是在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力。如圖1所示：在圓柱體的項(xiàng)部向其垂直施加外力p的時(shí)候，物體為了保持原形在內(nèi)部產(chǎn)生抵抗外力的力內(nèi)力。該內(nèi)力被物體（這里是單位圓柱體）的截面積所除后得到的值即是“應(yīng)力”，或者簡(jiǎn)單地可概括為單位截面積上的內(nèi)力，單位為pa（帕斯卡）或n/m2。例如，圓柱體截面積為a(m2),所受外力為p(n牛頓)，由外力=內(nèi)力可得，應(yīng)力：（pa或者n/m2）這里的截面積a與外力的方向垂直，所以得到的應(yīng)力叫做垂直應(yīng)力。圖1應(yīng)變當(dāng)單位圓柱體被拉伸的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形l，那么圓柱體的長(zhǎng)度則變?yōu)閘+l。這里，由伸長(zhǎng)量l和原長(zhǎng)l的比值所表示的伸長(zhǎng)率（或壓縮

2、率）就叫做“應(yīng)變”，記為。與外力同方向的伸長(zhǎng)(或壓縮)方向上的應(yīng)變稱為“軸向應(yīng)變”。應(yīng)變表示的是伸長(zhǎng)率（或壓縮率），屬于無(wú)量綱數(shù)，沒有單位。由于量值很小(110-6百萬(wàn)分之一)，通常單位用“微應(yīng)變”表示，或簡(jiǎn)單地用e表示。而單位圓柱體在被拉伸的狀態(tài)下，變長(zhǎng)的同時(shí)也會(huì)變細(xì)。直徑為d0的棒產(chǎn)生d的變形時(shí)，直徑方向的應(yīng)變?nèi)缦率剿荆哼@種與外力成直角方向上的應(yīng)變稱為“橫向應(yīng)變”。軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比稱為泊松比，記為。每種材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系各種材料的應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)定。圖2所示為一種普通鋼材（軟鐵）的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖。根據(jù)胡

3、克定律，在一定的比例極限范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成線性比例關(guān)系。對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱為比例極限。圖2或者 應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)e 被稱為彈性系數(shù)或揚(yáng)氏模量，不同的材料有其固定的揚(yáng)氏模量。綜上所述，雖然無(wú)法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行直接的測(cè)量，但是通過測(cè)量由外力影響產(chǎn)生的應(yīng)變可以計(jì)算出應(yīng)力的大小。應(yīng)變片的構(gòu)造及原理應(yīng)變片的構(gòu)造應(yīng)變片有很多種類。一般的應(yīng)變片是在稱為基底的塑料薄膜（15-16m）上貼上由薄金屬箔材制成的敏感柵（3-6m），然后再覆蓋上一層薄膜做成迭層構(gòu)造。應(yīng)變片的原理將應(yīng)變片貼在被測(cè)定物上，使其隨著被測(cè)定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長(zhǎng)或縮短。很多金屬在機(jī)械性地伸長(zhǎng)或縮短時(shí)其電阻會(huì)隨之變化。

4、 應(yīng)變片就是應(yīng)用這個(gè)原理，通過測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。即：其中，r：應(yīng)變片原電阻值（歐姆）r：伸長(zhǎng)或壓縮所引起的電阻變化（歐姆）k：比例常數(shù)(應(yīng)變片常數(shù))：應(yīng)變不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)k。銅鉻合金的k值約為2。這樣，應(yīng)變的測(cè)量就通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為對(duì)電阻變化的測(cè)量。但是由于應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻變化也是極其微小的。要精確地測(cè)量這么微小的電阻變化是非常困難的，一般的電阻計(jì)無(wú)法達(dá)到要求。為了對(duì)這種微小電阻變化進(jìn)行測(cè)量，我們使用帶有惠斯通電橋的專用應(yīng)變測(cè)量?jī)x?；菟雇姌蚋攀龌菟雇姌蚧菟雇姌蜻m用于檢

5、測(cè)電阻的微小變化，應(yīng)變片的電阻變化就用該電路來測(cè)量。如圖1所示，惠斯通電橋由四個(gè)同等阻值的電阻組合而成。如果:或 則無(wú)論輸入多大電壓，輸出電壓總為0，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。如果平衡被破壞，就會(huì)產(chǎn)生與電阻變化相對(duì)應(yīng)的輸出電壓。如圖2所示:將這個(gè)電路中的r1與應(yīng)變片相連，有應(yīng)變（形變）產(chǎn)生時(shí)，記應(yīng)變片電阻的變化量為r，則輸出電壓的計(jì)算公式如下所示:，即：上式中除了均為已知量，所以如果測(cè)出電橋的輸出電壓就可以計(jì)算出應(yīng)變的大小。圖1圖2雙應(yīng)變片法（半橋）如圖3,4所示，在電橋中連接了兩枚應(yīng)變片，共有兩種聯(lián)入方法。圖3圖4四條邊中有兩條邊的電阻發(fā)生變化，根據(jù)上面的四應(yīng)變片法的算法可得輸出電壓的公式。圖3

6、為：或圖4為：或也就是說當(dāng)聯(lián)入兩枚應(yīng)變片時(shí)，根據(jù)聯(lián)入方式的不同，兩枚應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變或加或減。四應(yīng)變片法（全橋）四應(yīng)變片法是橋路的四邊全部聯(lián)入應(yīng)變片，在電子行業(yè)的應(yīng)變測(cè)量中不經(jīng)常使用，但常用于橋梁、建筑中，如下圖所示。當(dāng)四條邊上的應(yīng)變片的電阻分別引起如r1+r1、r2+r2、r3+r3、r4+r4的變化時(shí)：若四枚應(yīng)變片完全相同，比例常數(shù)為k，且應(yīng)變分別為1、2、3、4,則上面的式子可寫成下面的形式:應(yīng)變片（半橋）用途如圖1 所示，同時(shí)對(duì)懸臂梁施加使其彎曲和伸長(zhǎng)的兩個(gè)作用力，在梁的上下表面對(duì)應(yīng)的位置分別貼上一枚應(yīng)變片，再聯(lián)入橋路的相鄰邊或相對(duì)邊就可以測(cè)知分別由彎曲和伸長(zhǎng)所產(chǎn)生的應(yīng)變。由于懸臂梁

7、的彎曲，在應(yīng)變片上產(chǎn)生拉伸應(yīng)變（正），在應(yīng)變片上產(chǎn)生壓縮應(yīng)變（負(fù)）。因?yàn)閮擅稇?yīng)變片與梁的末端距離相同，所以雖然二者的正負(fù)不同，但絕對(duì)值的大小相同。這樣，如果只想測(cè)量由于彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變，則如圖2所示，將，聯(lián)入電橋的相鄰邊。圖1圖2輸出電壓為：因?yàn)楫?dāng)拉伸作用在應(yīng)變片，上時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生大小相等的正應(yīng)變，所以上述公式括號(hào)中的項(xiàng)等于零。另一方面，由于彎曲變形而在應(yīng)變片，上產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，符號(hào)相反，從數(shù)學(xué)角度看括號(hào)中的項(xiàng)變?yōu)槊棵稇?yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變的2倍，從而可以測(cè)得由于彎曲而產(chǎn)生的應(yīng)變。若如圖c 所示，將應(yīng)變片聯(lián)入橋路的相對(duì)邊，則輸出電壓與上例相反，這種情況下，由于彎曲應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓為零，由于拉

8、伸應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓變?yōu)槊棵稇?yīng)變片所產(chǎn)生的電壓的2倍。也就是說如圖c所示聯(lián)接即可測(cè)得僅由拉伸作用所產(chǎn)生的應(yīng)變。溫度補(bǔ)償在應(yīng)變測(cè)量中會(huì)遇到一個(gè)問題，那就是溫度對(duì)應(yīng)變的影響。因?yàn)楸粶y(cè)定物都有自己的熱膨脹系數(shù)，所以會(huì)隨著溫度的變化伸長(zhǎng)或縮短。因此如果溫度發(fā)生變化，即使不施加外力貼在被測(cè)定物上的應(yīng)變片也會(huì)測(cè)到應(yīng)變。為了解決這個(gè)問題，可以應(yīng)用溫度補(bǔ)償法。動(dòng)態(tài)模擬法（雙應(yīng)變片法）這是使用兩枚應(yīng)變片的雙應(yīng)變片法。如圖a 所示，在被測(cè)物上貼上應(yīng)變片（a）,在與被測(cè)物材質(zhì)相同的材料上貼上應(yīng)變片（d）,并將其置于與被測(cè)物相同的溫度環(huán)境里。如圖所示，將兩枚應(yīng)變片聯(lián)入橋路的相鄰邊，這樣因?yàn)椋╝）,（d）處于相同的溫

9、度條件下，由溫度引起的伸所量相同，即由溫度引起的應(yīng)變相同，所以由溫度引起的輸出電壓為零。自我溫度補(bǔ)償法從理論上講，動(dòng)態(tài)模擬法是最理想的溫度補(bǔ)償法。但是粘貼兩枚應(yīng)變片所費(fèi)勞力和模擬物的放置場(chǎng)所的選擇等問題。為了解決這個(gè)問題，可以使用只用一枚應(yīng)變片即可進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)淖晕覝囟妊a(bǔ)償應(yīng)變片。這種方法根據(jù)被測(cè)物材料的熱膨脹系數(shù)的不同來調(diào)節(jié)應(yīng)變片敏感柵，因此使用適合被測(cè)物材料的應(yīng)變片就可以僅用一枚應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，且不受溫度的影響。除了特殊的情況，現(xiàn)在基本上都使用自我溫度補(bǔ)償型應(yīng)變片。圖1自我溫度補(bǔ)償片的原理在熱膨脹系數(shù)為s的被側(cè)物表面貼上敏感柵熱膨脹系數(shù)為g的應(yīng)變片。則溫度每變化1，其所表現(xiàn)出來的應(yīng)變

10、t如下式所示：其中，：電阻元件的溫度系數(shù)；k5： 應(yīng)變片的應(yīng)變片常數(shù)上式中，k5為由敏感柵材料決定的應(yīng)變片常數(shù)，s、g分別為由各自材料決定的被測(cè)物與敏感柵的熱膨脹系數(shù)，這三項(xiàng)均為定值，則通過調(diào)整就可以使由溫度引起的應(yīng)變變?yōu)榱?。此時(shí)，在箔材的制作過程中可以通過熱處理對(duì)的值進(jìn)行控制。而且它是與特定的被測(cè)物的熱膨脹系數(shù)s相對(duì)應(yīng)的，如果用在不適用的被測(cè)物時(shí)，不僅不會(huì)補(bǔ)償溫度引起的應(yīng)變還會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。導(dǎo)線的溫度補(bǔ)償使用自我溫度補(bǔ)償片可以解決應(yīng)變片所受的溫度影響問題。但是從應(yīng)變片到測(cè)量?jī)x之間的導(dǎo)線也會(huì)受到溫度的影響，這個(gè)問題并沒有解決。如圖a所示單應(yīng)變片雙線的聯(lián)接方式將導(dǎo)線的電阻全部串聯(lián)入了應(yīng)變片

11、中。導(dǎo)線較短時(shí)不會(huì)有太大的問題，但如果導(dǎo)線較長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生影響。為了減小導(dǎo)線的影響，可以使用3 線聯(lián)接法。如圖b所示，在應(yīng)變片導(dǎo)線的一根上再聯(lián)上一根導(dǎo)線，用3根導(dǎo)線使橋路變長(zhǎng)。這種聯(lián)接方式與雙線式不同的地方是導(dǎo)線的電阻分別由電橋的相鄰兩邊所分擔(dān)。圖b 中，導(dǎo)線電阻r1串聯(lián)入了應(yīng)變片電阻rg，r2串聯(lián)入了r2，r3成為電橋的輸出端。這樣，就幾乎不會(huì)產(chǎn)生什么影響了。應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片的粘貼方法根據(jù)應(yīng)變片，粘貼劑，使用環(huán)境的不同而不同。這里以常溫室內(nèi)測(cè)量為例。選用普通型應(yīng)變片（帶有導(dǎo)線的kfg 應(yīng)變片），速干性粘貼劑（氰基丙烯酸鹽酸粘合劑系列cc-33a），低碳鋼試驗(yàn)片。1、選擇應(yīng)變片 根據(jù)被測(cè)物與目的選

12、擇應(yīng)變片的種類及長(zhǎng)度，參考應(yīng)變片熱膨脹系數(shù)，選擇適用于被測(cè)物的應(yīng)變片。 2、除銹，保護(hù)膜 將應(yīng)變片所要粘貼的部位（ 范圍要大于應(yīng)變片的面積）用砂布（#200300）打磨，直到除去涂漆，銹跡及鍍金等。 3、確定粘貼位置 在需要測(cè)量應(yīng)變的位置沿著應(yīng)變的方向做好記號(hào)。使用4h 以上的硬質(zhì)鉛筆或劃線器，注意在使用劃線器時(shí)，不要留下深的刻痕。 4、對(duì)粘貼面的脫脂和清潔 用工業(yè)用薄紙蘸丙酮溶液對(duì)要粘貼應(yīng)變片部位進(jìn)行清潔。在清潔過程中，沿著一個(gè)方向用力擦拭，然后再沿著相同方向擦拭。如果來回擦拭會(huì)使污物反復(fù)附著，無(wú)法擦拭干凈。5、涂粘貼劑 首先要確認(rèn)好應(yīng)變片的正反面。向應(yīng)變片的背面滴一滴粘貼劑（cc-33a）

13、。如果涂抹粘貼劑的話，先涂抹部分的粘貼劑會(huì)出現(xiàn)硬化，使粘性下降。因此不使用涂抹的方式。6、粘貼 將滴有粘貼劑的應(yīng)變片立即粘在所作記號(hào)的中心位置。7、加壓在置于粘貼位置的應(yīng)變片上面蓋上附帶的聚乙烯樹脂片，并在上面用手指加壓。 步驟5，6，7要連貫快速地進(jìn)行。將放好的應(yīng)變片取下調(diào)整位置重新粘貼時(shí)會(huì)使粘性極大地下降。 8、完成 加壓一分鐘左右，取下聚乙烯樹脂片，確認(rèn)是否已粘貼牢固。 這樣整個(gè)粘貼過程結(jié)束。為了達(dá)到更好的效果，最好將應(yīng)變片放置60 分鐘左右等粘貼劑完全硬化后再使用。 章和電氣應(yīng)變片規(guī)格參數(shù):應(yīng)變片描述圖片型號(hào)阻值()應(yīng)變因子尺寸規(guī)格(mm)漆包線長(zhǎng)(cm)pvc線長(zhǎng)(cm)備注柵長(zhǎng)基底

14、長(zhǎng)寬長(zhǎng)寬jsak120-1-c11-p003m-v2m1202.111.14.82.40.3200單軸jsak120-3-d17-11p03-v07m1202.111.153070三軸0/45/90jsak120-3-d17-11p03-v05m1202.111.153050jsak120-3-d17-11p05-v05m1202.111.155050jsm 機(jī)箱式應(yīng)力信號(hào)采集儀 在采集的同時(shí)進(jìn)行分析處理（fft解析、頻率分析），能夠通過畫面來實(shí)時(shí)確認(rèn)輸入監(jiān)視器和處理后的結(jié)果。采用模塊化方式，每個(gè)應(yīng)變/電壓模塊有8個(gè)采集通道，整機(jī)完整配置共64通道，可多機(jī)箱級(jí)連。通過usb接口連接，能夠在主機(jī)

15、硬盤上存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。能進(jìn)行主應(yīng)變、切應(yīng)變、應(yīng)變速率、極點(diǎn)圖、fft、數(shù)學(xué)運(yùn)算等分析。最高采樣率為10khz（64通道同時(shí)采樣）。操作菜單以對(duì)話框形式，簡(jiǎn)單快速。 概述：章和電氣提供的jsm系列應(yīng)變測(cè)試儀是能夠與多種類型的傳感器相連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)定、顯示、記錄、處理等多種功能，應(yīng)用廣泛且具有延伸擴(kuò)展性的高性能動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器。章和jsm系列應(yīng)變測(cè)試儀器主要有三大類型，分別為機(jī)箱式多通道類型，便攜式低密度類型和車載多通道類型。機(jī)箱式多通道類型，主要由機(jī)箱和采集模塊組成。每個(gè)模塊可以連接8個(gè)通道的應(yīng)變輸入信號(hào)，每個(gè)控制器機(jī)箱可以最多插入8個(gè)模塊，提供64通道的并行采集。機(jī)箱通過usb和電腦連接，通過

16、軟件strainmaster進(jìn)行分析，可支持多機(jī)箱級(jí)聯(lián), 支持上千通道同時(shí)采集。技術(shù)規(guī)范：型號(hào)：型號(hào)*最大輸入通道測(cè)量阻值單模塊通道數(shù)jsm-a641208jsm-b643508*型號(hào)描述規(guī)則：輸入通道數(shù)目模塊數(shù)單模塊通道數(shù)例：jsm-48-a為a型（120）6個(gè)模塊，輸入通道為48通道的機(jī)箱型應(yīng)變測(cè)試設(shè)備。單模塊通道數(shù)：8個(gè)模擬輸入通道最大采樣率：640ks/s/機(jī)箱采樣模式：多通道同步采樣adc分辨率：24位adc類型：delta-sigma（帶模擬預(yù)濾波）支持應(yīng)變式傳感器電阻值：jsm-a系列支持120，jsm-b系列支持350支持惠斯通電橋類型：1/4 橋轉(zhuǎn)換精度：3.5062nv/v

17、/lsb精度增益誤差：0.02%（已校準(zhǔn)，常規(guī)測(cè)量條件25,5）全量程范圍：29.4mv/v（+62500ue/-55500ue）端子間過壓保護(hù)：30v穩(wěn)定性：增益漂移6ppm/數(shù)字濾波器：用戶自定義低通濾波機(jī)箱接口類型：usb2.0高速輸入供電電源：11到30vdc，220vac工作溫度：-4070，工作濕度：10%90% rh，無(wú)凝結(jié)存儲(chǔ)溫度：-4085，存儲(chǔ)濕度：5%90% rh，無(wú)凝結(jié)防護(hù)等級(jí)：ip 40前面板接頭端子：lpt快速插拔接頭jsm 便攜式應(yīng)力信號(hào)采集儀 概述： jsm便攜式應(yīng)力信號(hào)采集儀為4通道無(wú)線應(yīng)力信號(hào)測(cè)量分析硬件設(shè)備，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線式應(yīng)力多通道測(cè)量分析和進(jìn)一步的故

18、障源探測(cè)。它可與章和電氣自主研發(fā)的高性能的專業(yè)應(yīng)力測(cè)試分析軟件strainmaster搭配使用，并且結(jié)合章和電氣提供的應(yīng)變片系列，構(gòu)成一套成熟完整的應(yīng)力測(cè)試分析系統(tǒng)。 該用戶解決方案已經(jīng)應(yīng)用于多家大型企業(yè)，可直接使用進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行。 主要規(guī)格參數(shù)： 輸入通道：4 系統(tǒng)最大采樣率：50ks/s/通道，高速同步采集 全量程精度：0.01% 隔離類型：通道-接地隔離，1,000 vrms瞬態(tài)隔離 支持應(yīng)變片類型：120歐姆或者350歐姆 支持橋路類型：半橋、全橋，可編程半橋和全橋電阻 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：24位分辨率，delta-sigma型 數(shù)字濾波器：用戶自定義高通/低通/帶通/帶阻濾波器 i/o連接器：

19、配有rj50連接器的25 mv模擬輸入 ieee 802.11b/g (wi-fi)無(wú)線和以太網(wǎng)通信接口 內(nèi)部激勵(lì)可達(dá)10 v，兼容智能傳感器 (teds) 128位aes數(shù)據(jù)加密和ieee 802.11i (wpa2)支持確保的高安全性 供電電源：930vdc 工作溫度：-40到70攝氏度 工作濕度：10%90% rh,無(wú)凝結(jié)儲(chǔ)存濕度 存儲(chǔ)溫度：-40到85攝氏度 長(zhǎng)寬高：214mm95mm102mm 符合中國(guó)rohs標(biāo)準(zhǔn)，符合iec60068-2-64振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) 電磁兼容性： 產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合以下測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用途的 emc標(biāo)準(zhǔn)： en 61326 (iec 61326): class a

20、放射標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)抗擾度標(biāo)準(zhǔn) en 55011 (cispr 11): group 1, class a放射標(biāo)準(zhǔn) as/nzs clspr 11: group 1, class a放射標(biāo)準(zhǔn) fcc 47 cfr part 15b: class a放射標(biāo)準(zhǔn) ice-001: class a放射標(biāo)準(zhǔn) ce規(guī)范： 產(chǎn)品已達(dá)到現(xiàn)行歐盟產(chǎn)品規(guī)范的基本要求，并附有 ce標(biāo)志。如下所示： 2006/95/ec；低電壓規(guī)范（安全性） 2004/108/ec；電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)(emc) 安全標(biāo)準(zhǔn)： iec 61010-1, en 61010-1 ul 61010-1, csa 61010-1 命名規(guī)則： jsm-usb-04 usb 4通道應(yīng)力采集儀 jsm-wls-04 無(wú)線網(wǎng) 4通道應(yīng)力采集儀 jsm-enet-04 以太網(wǎng) 4通道應(yīng)力采集儀strainmaster 專業(yè)應(yīng)力測(cè)試軟件 strainmaster是一套用于應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量及分析的