工程實驗力學第2章-電阻應變計的原理及使用課件

1、工程實驗力學 主編第2章電阻應變計的原理及使用2.1電阻應變計的工作原理2.2電阻應變計的結構2.3電阻應變計的分類2.4電阻應變計的工作特性2.5電阻應變計工作特性的標定2.6電阻應變計的粘結劑2.7電阻應變計的常規(guī)使用技術2.1電阻應變計的工作原理2.1電阻應變計的工作原理2.2電阻應變計的結構圖2-1電阻應變計的結構電阻應變計主要由敏感柵、基底、覆蓋層及引線所組成，敏感柵用粘結劑粘在基底和覆蓋層之間。一種絲繞式應變計的典型結構如圖2-1所示。2.2電阻應變計的結構2.2.1敏感柵2.2.2基底2.2.3引線2.2.4覆蓋層2.2.1敏感柵通常對制造應變計敏感柵的材料的要求主要是：1)靈敏

2、系數(shù)Ks高，而且在較大的應變范圍內(nèi)保持為常數(shù)。2)敏感柵材料的彈性極限要高于被測構件材料的彈性極限，以免在測試中因敏感柵先出現(xiàn)塑性變形而影響測試精度。3)電阻率高，分散度小，隨時間變化小。4)電阻溫度系數(shù)小，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持不變；分散度小，對溫度循環(huán)有完全的重復性；有足夠的穩(wěn)定性，以減小由溫度變化而引起的測量誤差。5)伸長率高，耐腐蝕性好，疲勞強度高。6)焊接性能好，易熔焊和電焊；對引線的熱電勢小。7)加工性能好，以便制成細絲或箔片。2.2.1敏感柵圖2-2敏感柵的尺寸表2-1應變計常用金屬材料的物理性能2.2.1敏感柵2.2.2基底(1)紙用紙作為應變計基底的優(yōu)點是柔軟并易于粘貼，應變

3、極限大和價格低廉；缺點是耐濕性和耐久性差。(2)膠膜環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂和聚酰亞胺等有機類粘結劑均可制成薄膜，用做應變計的基底。(3)玻璃纖維布無堿玻璃纖維布的耐濕性、機械強度和電絕緣性能都很好，并且耐化學藥品、耐高溫(400450)，多用做中溫或高溫應變計的基底，由它制成的應變計的剛度比膠膜基底要大。(4)金屬薄片不銹鋼及耐高溫合金等金屬薄片或金屬網(wǎng)可作為焊接式應變計的基底。2.2.3引線電阻應變計的引線是從敏感柵引出的絲狀或帶狀金屬導線。通常，在制造應變計時就將引線和敏感柵連接好，使其成為應變計的一部分，但也有某些箔式應變計在出廠時不帶引線。引線應具有低的和穩(wěn)定的電阻率以及小的電阻

4、溫度系數(shù)。常溫應變計的引線材料多用純銅，為了便于焊接，可在純銅引線的表面鍍錫。中溫應變計、高溫應變計的引線可以在純銅引線的表面鍍銀、鍍鎳、鍍不銹鋼，或者采用銀、鎳鉻(或改良型)、鎳、鐵鉻鋁、鉑或鉑鎢等作引線。高疲勞壽命的應變計可采用鈹青銅作引線。2.2.4覆蓋層電阻應變計的覆蓋層是用來保護敏感柵使其避免受到機械損傷或防止高溫下氧化。常用制作基底的膠膜或浸含有機膠液(例如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)的玻璃纖維布作為覆蓋層，也可以在敏感柵上涂敷制片時所用粘結劑作為保護層。覆蓋層的材料包括紙、膠膜及玻璃纖維布等。2.3電阻應變計的分類根據(jù)許用的工作溫度范圍可分為常溫、中溫、高溫及低溫應變計：1)高溫應變計

5、：許用工作溫度在350以上。2)中溫應變計：許用工作溫度在60350之間。3)常溫應變計：許用工作溫度在-3060之間。4)低溫應變計：許用工作溫度在-30以下。根據(jù)基底材料可分為：紙基、膠膜基底(縮醛膠基、酚醛基、環(huán)氧基、聚酯基、聚烯亞胺基等)、玻璃纖維增強基底、金屬基底及臨時基底等。根據(jù)安裝方式可分為粘貼式、焊接式和噴涂式三類。根據(jù)敏感柵材料可分為金屬、半導體及金屬或金屬氧化物漿料等三類： (1)金屬應變計包括絲式(絲繞式、短接式)應變計、箔式應變計和薄膜應變計。(2)半導體應變計包括體型半導體應變計、擴散型半導體應變計和薄膜半導體應變計。(3)金屬或金屬氧化物漿料應變計主要是厚膜應變計。

6、2.3電阻應變計的分類2.3電阻應變計的分類2.3.1金屬絲式應變計2.3.2金屬箔式應變計2.3.3薄膜應變計2.3.4半導體應變計2.3.5幾種特殊的應變計2.3.1金屬絲式應變計1.絲繞式應變計2.短接式應變計2.3.1金屬絲式應變計圖2-3絲繞式應變計2.3.1金屬絲式應變計圖2-4短接式應變計1.絲繞式應變計絲繞式應變計的疲勞壽命和應變極限較高，可作為動態(tài)測試用傳感器的應變轉換元件。絲繞式應變計多用紙基底和紙蓋層，其造價低，容易安裝。但由于這種應變計敏感柵的橫向部分是圓弧形，其橫向效應較大，測量精度較差，而且其端部圓弧部分制造困難，形狀不易保證相同，使應變計性能分散，故在常溫應變測量

7、中正逐步被其他片種代替。2.短接式應變計短接式應變計也有紙基和膠基等種類。短接式應變計由于在橫向用粗銅導線短接，因而橫向效應系數(shù)很小(0.1%)，這是短接式應變計的最大優(yōu)點。另外，在制造過程中敏感柵的形狀較易保證，故測量精度高。但由于它的焊點多，焊點處截面變化劇烈，因而這種應變計疲勞壽命短。2.3.2金屬箔式應變計與絲繞式應變計相比，箔式應變計的優(yōu)點是：1)敏感柵很薄，且箔材與粘合層的接觸面積要比絲材的大，粘貼牢固，有利于變形傳遞，因而它所感受的應變狀態(tài)與試件表面的應變狀態(tài)更為接近，測量精度高。2)敏感柵薄而寬，在相同的橫截面積條件下，箔柵的表面積比絲柵的要大，散熱性好，故允許通過較大的電流，

8、因而可以輸出較強的信號，以提高測量靈敏度。3)敏感柵的橫向端部為較寬的柵條，故橫向效應較小。4)箔式片能保證尺寸準確，線條均勻，故靈敏系數(shù)分散性小。5)箔式應變計的蠕變小、疲勞壽命長。2.3.2金屬箔式應變計6)加工性能好，能制成為各種形狀和尺寸的應變計，尤其可以制造柵長很小的或敏感柵圖案特殊的應變計7)制造工藝自動化，可成批生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。2.3.2金屬箔式應變計圖2-5金屬箔式應變計a)單軸應變計b)測扭矩應變計c)多軸應變計(應變花)金屬電阻應變計還可以按敏感柵的結構形狀分為下述幾類：(1)單軸應變計單軸應變計一般是指具有一個敏感柵的應變計(圖、圖2-4、圖2-5a)。(2)單軸多柵應

9、變計把幾個單軸敏感柵粘貼在同一個基底上，可構成平行軸多柵和同軸多柵，如圖2-6所示。(3)應變花(多軸應變計)具有兩個或兩個以上軸線相交成一定角度的敏感柵制成的應變計稱為多軸應變計，也稱為應變花，如圖2-5c、圖2-7所示。2.3.2金屬箔式應變計圖2-6單軸多柵應變計a)平行軸多柵b)同軸多柵2.3.2金屬箔式應變計圖2-7應變花a)二軸90b)三軸45c)三軸60d)三軸1202.3.2金屬箔式應變計2.3.3薄膜應變計薄膜應變計的“薄膜”不是指用機械壓延法所得到的薄膜，而是用諸如真空蒸發(fā)、濺射、等離子化學氣相淀積等薄膜技術得到的薄膜。它是通過物理方法或化學/電化學反應，以原子、分子或離子

10、顆粒形式受控地凝結于一個固態(tài)支撐物(即基底)上所形成的薄膜固體材料。其厚度約在數(shù)十埃()至數(shù)微米(m)之間。薄膜若按其厚度可分為非連續(xù)金屬膜、半連續(xù)膜和連續(xù)膜。2.3.4半導體應變計半導體應變計的優(yōu)點是：1)靈敏系數(shù)大，比金屬絲式、金屬箔式大幾十倍，因而輸出的信號大。2)橫向效應系數(shù)小。3)機械滯后小。4)本身的體積小，便于制作小型傳感器。半導體應變計的缺點是： 1)電阻值和靈敏系數(shù)的溫度穩(wěn)定性差。2)壓阻系數(shù)離散，故靈敏系數(shù)的離散度較大，而且拉伸和壓縮時的靈敏系3)在大應變情況下，靈敏系數(shù)的非線性大。圖2-8半導體應變計a)單軸半導體應變計b)自補償應變計c)互補償應變計2.3.4半導體應變

11、計2.3.5幾種特殊的應變計1.裂紋擴展應變計2.疲勞壽命應變計3.大應變量應變計4.雙層應變計5.防水應變計6.屏蔽式應變計1.裂紋擴展應變計圖2-9裂紋擴展應變計2.疲勞壽命應變計疲勞壽命應變計是由經(jīng)過退火處理的康銅箔制成的敏感柵夾在兩層浸過環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布中間形成。當應變計粘貼在承受交變載荷的構件上時，應變計絲柵在交變載荷作用下發(fā)生冷作硬化，而使電阻發(fā)生變化，電阻變化值與交變應力的大小、循環(huán)次數(shù)成比例，通?？捎脤嶒灧椒▉斫⒔?jīng)驗公式。使用時可由電阻變化來推算交變應變的大小及循環(huán)次數(shù)，從而預測構件的疲勞壽命。3.大應變量應變計圖2-10大應變量應變計4.雙層應變計在進行薄殼、薄板應變的

12、測量時，需要在殼和板的內(nèi)、外表面對稱貼片。而對于體積小或密封的結構在內(nèi)表面貼片幾乎是無法進行的。雙層應變計為解決這些問題提供了條件，在不太厚的塑料上、下表面粘貼應變計，并在應變計表面涂環(huán)氧樹脂保護層。使用時將此雙層應變計粘貼在被測構件的外表面，利用彎曲應變線性分布及軸向應變均勻分布特點，同時測出彎曲及軸向應變。5.防水應變計在潮濕環(huán)境或水下，特別在高水壓作用下，應采用防水應變計。常溫短期水下應變測量可在箔式應變計表面涂防護層(如水下環(huán)氧樹脂)。長期測量可用熱塑方法將應變計夾在兩塊薄塑料板中間，或采用防水、防霉、防腐蝕的特種膠材料作為應變計的基底和覆蓋層制成防水應變計。6.屏蔽式應變計屏蔽式應變

13、計的上、下兩面均有銅箔構成屏蔽層，常用于電流變化幅度大的環(huán)境中的應變測量，如在電焊機旁或電氣化機車軌道應變的測量。在強磁場中，若采用鎳鉻敏感材料，可減小磁致效應。2.4電阻應變計的工作特性2.4.1應變計的電阻值2.4.2應變計的靈敏系數(shù)2.4.3應變計的橫向效應系數(shù)2.4.4應變計的機械滯后2.4.5應變計的零點漂移和蠕變2.4.6應變計的應變極限2.4.7應變計的疲勞壽命2.4.8應變計的絕緣電阻2.4.9應變計的溫度特性2.4.10最大工作電流2.4.1應變計的電阻值應變計的電阻是指應變計在室溫環(huán)境、未經(jīng)安裝且不受力的情況下，測定的電阻值。應變計電阻值的選定主要根據(jù)測量對象和測量儀器的要

14、求。推薦的應變計電阻的系列為60、120、200、350、500、1000。在允許通過同樣工作電流的情況下，選用較大的應變計電阻，就可以提高應變計的工作電壓，以達到較高的測量靈敏度。由于電阻應變儀和其他常用應變測量儀器測量電橋的橋臂電阻習慣上按120設計，故120的應變計為最常用。2.4.2應變計的靈敏系數(shù)應變計的靈敏系數(shù)主要取決于敏感柵材料的靈敏系數(shù)，但兩者又不相等，這主要有兩個原因：以絲式應變計為例，由于橫柵的存在，使制成敏感柵之后的靈敏系數(shù)小于絲材的靈敏系數(shù)，差別的大小與敏感柵的結構形式和幾何尺寸有關；試件表面的變形是通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵，由于端部過渡區(qū)的影響又使應變計的靈敏系數(shù)

15、小于敏感柵的靈敏系數(shù)，此差數(shù)不僅與基底和粘結劑的種類及其厚度有關，還受粘結劑的固化程度以及應變計安裝質(zhì)量的影響。2.4.3應變計的橫向效應系數(shù)2.4.4應變計的機械滯后造成應變計機械滯后的主要原因有：1)粘合劑受潮變質(zhì)，或過期失效，或固化處理不良。2)粘貼技術不佳，比如部分脫落或粘合層太厚。3)基底材料性能差。4)試件的殘余應力以及應變計敏感柵在制造和粘貼過程中產(chǎn)生的殘余應力。2.4.4應變計的機械滯后圖2-11應變計機械滯后2.4.5應變計的零點漂移和蠕變在溫度恒定的條件下，即使被測構件未承受應力，應變計的指示應變也會隨時間的增加而逐漸變化，這一變化稱為零點漂移，簡稱零漂。如果溫度恒定，且應

16、變計承受恒定的機械應變，這時指示應變隨時間的變化則稱為蠕變。零漂和蠕變所反映的是應變計的性能隨時間的變化規(guī)律，只有當應變計用于較長時間測量時才起作用。實際上，零漂和蠕變是同時存在的，在蠕變值中包含著同一時間內(nèi)的零漂值。2.4.6應變計的應變極限在一般情況下，決定應變極限大小的主要因素是：1)粘結劑和基底材料傳遞應變的性能。2)引線與敏感柵焊點的布置形式。3)應變計的安裝質(zhì)量。2.4.7應變計的疲勞壽命應變計的疲勞壽命是指應變計在恒定幅值的交變應力作用下連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)。當應變計出現(xiàn)以下三種情形之一者，即可認為是疲勞損壞：敏感柵或引線發(fā)生斷路；應變計輸出幅值變化10%；應變

17、計輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。疲勞損壞的原因是，在動態(tài)應力測量時，應變計在交變應變的作用下，經(jīng)過若干循環(huán)次數(shù)之后，其靈敏系數(shù)將隨應變循環(huán)次數(shù)的增加而有所改變。這主要是由于敏感柵的缺陷(柵條上的針孔和裂隙)、內(nèi)焊點接觸電阻的變化、粘結劑強度下降以及應變計安裝質(zhì)量不好等因素所造成。要提高應變計的疲勞壽命，需特別注意引線與敏感柵之間的連接方式和焊點質(zhì)量。2.4.8應變計的絕緣電阻應變計的絕緣電阻是指敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。絕緣電阻過低，會造成應變計與試件之間漏電而產(chǎn)生測量誤差。當安裝在試件上的應變計通入工作電流以后，絕緣電阻可認為是每段柵絲與“地”之間許多小電阻的并聯(lián)值。由于并聯(lián)電路的分流作

18、用，使通過敏感柵的電流變小。絕緣電阻越低，分流作用就越大，通過敏感柵上的電流就越小，致使測量靈敏度降低，直接影響測量結果。2.4.9應變計的溫度特性1.熱輸出2.熱滯后1.熱輸出1)應變計敏感柵材料本身的電阻隨溫度而改變。2)由于敏感柵材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同，使敏感柵產(chǎn)生了附加變形。2.熱滯后如果應變計是在升溫和降溫情況下循環(huán)工作，則發(fā)現(xiàn)在室溫和極限工作溫度之間增加或減少溫度時，應變計的升溫熱輸出曲線和降溫熱輸出曲線并不重合。即在某一溫度下，升溫的曲線和降溫的曲線之間有一個差值，此差值即為應變計的熱滯后。2.4.10最大工作電流應變計接入測量線路，敏感柵中便通過一定的電流，一部分能量轉

19、換為熱能而使應變計產(chǎn)生溫升。增加工作電流，雖然能夠增大應變計的輸出信號而提高測量靈敏度，但如果由此產(chǎn)生太大的溫升，不僅會使應變計的靈敏系數(shù)發(fā)生變化，零漂和蠕變值明顯地增加，有時還會將應變計燒壞。應變計的最大工作電流是指允許通過其敏感柵而不影響工作特性的最大電流值。表2-2常溫應變計的工作特性指標2.4.10最大工作電流2.5電阻應變計工作特性的標定2.5.1靈敏系數(shù)、機械滯后及蠕變的標定2.5.2橫向效應系數(shù)的標定2.5.3疲勞壽命的標定2.5.4熱輸出與熱滯后的標定2.5.1靈敏系數(shù)、機械滯后及蠕變的標定1.靈敏系數(shù)的標定2.機械滯后的標定3.蠕變的標定1.靈敏系數(shù)的標定圖2-12純彎曲梁標

20、定裝置2.機械滯后的標定機械滯后可以與靈敏系數(shù)在同一試驗中進行標定，可采用載荷回零時的滯后值，即相鄰兩次載荷為零時指示應變之差，以其中絕對值最大者作為該批應變計的機械滯后值。3.蠕變的標定蠕變的標定是在溫度恒定的條件下，保持應變計承受恒定的機械應變，記錄指示應變隨時間變化的規(guī)律。標定應變計的蠕變，允許采用標定靈敏系數(shù)的試件，試驗可以在標定靈敏系數(shù)之前，也可以在其之后進行，但標定蠕變前必須保證應變計在4h內(nèi)未曾承受機械應變。2.5.2橫向效應系數(shù)的標定1.橫向效應系數(shù)的標定2.應變計的橫向效應對應變測量的影響1.橫向效應系數(shù)的標定圖2-13橫向效應系數(shù)標定裝置2.應變計的橫向效應對應變測量的影響

21、2.5.3疲勞壽命的標定標定應變計的疲勞壽命多采用等強度懸臂梁裝置。梁承受交變的單向應力，被測應變計安裝在標定梁的上下表面，它們的軸線與單向應力方向平行。用電壓表記錄應變計的輸出電平，并用示波器觀察輸出波形的變化。疲勞壽命的大小除了取決于應變計的性能外，還與標定試驗時交變應變的幅值和頻率有很大關系，通常規(guī)定梁表面應變的幅值為(100050)，振動頻率在2050s-1之間。當標定條件需要改變時，應作特別的說明。2.5.4熱輸出與熱滯后的標定標定熱輸出應在均勻溫度場內(nèi)進行，溫度的不均勻度不大于2。試件尺寸通常取寬度約為50mm，長度約為100mm，厚度為23mm。試件如太薄，升溫時易變形，試件太大

22、則易造成溫度不均勻。安裝試件時，試件應能夠自由膨脹，不致產(chǎn)生附加的應力。應變計與測量儀器的連接，要注意消除導線對熱輸出的影響。測量溫度的熱電偶要與試件表面緊密接觸。如無特殊說明，對于高溫和中溫應變計，熱輸出的標定只在升溫過程中進行，升溫速率為35/min。熱滯后的標定則在升溫與降溫過程中連續(xù)進行。表2-3應變計的粘結劑分類一覽表2.6電阻應變計的粘結劑2.7電阻應變計的常規(guī)使用技術2.7.1電阻應變計的選擇2.7.2電阻應變計的粘貼2.7.3電阻應變計的防護2.7.1電阻應變計的選擇1.根據(jù)測試的環(huán)境條件選用應變計2.根據(jù)被測構件的應變狀態(tài)選用應變計3.根據(jù)被測構件的材料性質(zhì)選用應變計4.根據(jù)

23、應變計的尺寸選用應變計5.根據(jù)應變計的電阻值選用應變計6.根據(jù)測試精度選用應變計1.根據(jù)測試的環(huán)境條件選用應變計(1)環(huán)境溫度測量時應根據(jù)構件的溫度選擇合適的應變計，使得在給定的試驗溫度范圍內(nèi)，應變計能正常工作。(2)環(huán)境濕度潮濕對應變計性能影響極大，會出現(xiàn)絕緣電阻降低、粘結強度下降等現(xiàn)象，嚴重時則無法進行測量。(3)磁場環(huán)境應變計在強磁場作用下，敏感柵會伸長或縮短，使應變計產(chǎn)生輸出。2.根據(jù)被測構件的應變狀態(tài)選用應變計(1)應變分布梯度應變計測出的應變值是應變計柵長范圍內(nèi)的平均應變值。(2)應變性質(zhì)對于靜態(tài)應變測量，溫度變化是產(chǎn)生誤差的重要原因，如有條件，可針對具體試件材料選用溫度自補償應變

24、計。3.根據(jù)被測構件的材料性質(zhì)選用應變計1)若被測構件的材料為彈性模量較高的均質(zhì)材料(如金屬材料)，則對應變計無特殊要求。2)若被測構件的材料為非均質(zhì)材料(如木材、混凝土等)，則應選用柵長較大的應變計，以消除因材料不均勻而帶來的影響。4.根據(jù)應變計的尺寸選用應變計應變計尺寸的選擇，是根據(jù)試件的材料和應力狀態(tài)，以及允許粘貼應變計的面積而定。例如，對于混凝土、鑄鐵、木材等表面粗糙、不勻的材料，選用柵長較大的應變計。對于表面光滑、均勻的材料，選用柵長較小的應變計。對于試件表面應力分布均勻或變化不大，且允許粘貼面較大的情況下，選用柵長較大的應變計。若在試件的應力集中區(qū)域，或允許粘貼面積很小的情況下，選

25、用柵長1mm的應變計。對于塑料等導熱性差的材料，一般選用柵長大的應變計。5.根據(jù)應變計的電阻值選用應變計應變計電阻值的選擇，一般根據(jù)測試儀器對應變電阻值和測量應變靈敏度的要求，以及測試條件等而定。例如，應力分析測試常用的電阻應變儀通常是按應變計電阻值為(1205)進行設計的。因此，應力分析測試時，普遍選用電阻值為120的應變計。而傳感器上通常選用高電阻值(如350、500、1000，甚至5000)的應變計，因為這樣可以提高其穩(wěn)定性或輸出靈敏度。有時為了減少應變計引線和連接導線的電阻對應變計應變靈敏度的衰減作用，或為了提高動態(tài)應變測量的信噪比，也選用高電阻值的應變計。6.根據(jù)測試精度選用應變計一般認為以膠膜為基底、以銅鎳合金和鎳鉻合金材料為敏感柵的應變計性能較好，它具有精度高、長時間穩(wěn)定性好以及防潮性能好等優(yōu)點。2.7.2電阻應變計的粘貼1.檢查和分選應變計2.粘貼表面的準備3.貼片4.固化5.測量導線的焊接與固定6.檢查1.檢查和分選應變計貼片前應對應變計進行外觀檢查和阻值測量。檢查應變計的敏感柵有無銹斑、基底和覆蓋層有無破損、引線是否牢固等。阻值測量的目的是檢查應變計是否有斷路、短路情況，并按阻值進行分選，以保證使用同一溫度補償片的一組應變計的