第六章應(yīng)變片測試技術(shù)

第六章應(yīng)變片測試技術(shù)第一頁，共54頁。第六章、應(yīng)變片測試技術(shù)基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)要求：1.了解電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及類型；2.掌握電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換原理和應(yīng)變片靈敏系數(shù)測定；3.了解應(yīng)變片溫度補(bǔ)償及性能;4.掌握應(yīng)變片組橋及其輸出特性;5.掌握動態(tài)電阻應(yīng)變儀工作原理。機(jī)械工程測試與數(shù)據(jù)處理技術(shù)第二頁，共54頁。第六章、應(yīng)變片測試技術(shù)基礎(chǔ)6.1電阻應(yīng)變計(jì)1.定義電阻應(yīng)變計(jì)是一種測量應(yīng)變的片狀量具，簡稱應(yīng)變片。優(yōu)點(diǎn)：精度高、頻響寬、體積小、重量輕。應(yīng)用：應(yīng)力、外力、扭矩、重量、振動、壓力等第三頁，共54頁。2應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。第四頁，共54頁。構(gòu)成:

1.敏感柵:用專用材料制成的電阻柵絲.

2.基底:固定柵絲的絕緣層.

3.引線:與柵絲焊接輸出（電阻變換量）外接電橋中.

對敏感柵材料性能的要求:

電阻率高;良好的加工性能,機(jī)械性能與焊接性能;具有一定熱穩(wěn)定性,靈敏系數(shù)大.

常用材料:康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁及金屬鉑（鉑合金）等,前兩種用的多一、應(yīng)變片構(gòu)造及材料

第五頁，共54頁。有幾種常見電阻應(yīng)變片:1.單軸電阻絲片2.單軸常規(guī)箔片3.單軸半導(dǎo)體應(yīng)變片4.剪切力片(扭矩片)5.直角三軸片(直角應(yīng)變片)6.壓力片7.裂紋探測片另外還有測大變形的單軸位移片(測水泥變形);測應(yīng)力集中的應(yīng)變片;測量薄殼的彎曲應(yīng)力以及薄膜中面應(yīng)力的雙層彎曲片.測溫、測疲勞、測殘余應(yīng)力等應(yīng)變片.第六頁，共54頁。(f)單軸半導(dǎo)體應(yīng)變片；(g)二軸片；(h)裂紋探測片；(i)直角三軸片；(j)三角三軸片第七頁，共54頁。壓力片三軸片第八頁，共54頁。應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)第九頁，共54頁。材料名稱成分靈敏度電阻率溫度系數(shù)線脹系數(shù)元素含量

sg·mm2/m×10-6/°C×10-6/°C康

銅CuNi57%43%1.7~2.10.49-20~2014.9鎳鉻合金NiCr80%20%2.1~2.50.9~1.1110~15014.0鎳鉻鋁合金

(卡瑪合金)NiCrAlFe73%20%3~4%余量2.4~2.61.33-10~1013.3常用金屬電阻絲材料物理性能第十頁，共54頁?；撞牧霞罢辰觿┘埢?用紙作為基底,現(xiàn)在幾乎不用了.膠基:常用的基底材料:膠膜:環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺等.特點(diǎn):柔軟、易于粘貼.玻璃纖維布:耐高溫（450℃）多用于測中、高溫,剛度比膠膜大.金屬薄片:用不銹鋼或合金做成,用焊接法把應(yīng)變片焊接在試件上.第十一頁，共54頁。第十二頁，共54頁。電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)砂紙打磨干凈，用丙酮或酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。第十三頁，共54頁。5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。第十四頁，共54頁。第十五頁，共54頁。1)工作原理上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)6.2應(yīng)變片轉(zhuǎn)換原理金屬應(yīng)變片的電阻R為電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。第十六頁，共54頁。式中：Ml、Mb、Mh:為長、寬、厚三個方向的壓阻應(yīng)變系數(shù)有：由壓阻效應(yīng)可得到其中第十七頁，共54頁。假設(shè)εh=0,把εb=-μεl代入上式，得Kl—縱向靈敏度系數(shù)；Kb—橫向靈敏度系數(shù)假設(shè)εl=0,把εh=-μεb代入上式，得假設(shè)εl≠0,把εb

≠

0，得第十八頁，共54頁。H—橫向效應(yīng)系數(shù)由上式可知，當(dāng)應(yīng)變L方向與試件單項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)的主應(yīng)力方向一致粘貼時，，μ0為材料的泊松比該式可寫成這樣,即:

第十九頁，共54頁。當(dāng)應(yīng)變片L方向與試件單向應(yīng)力方向一致時，為-μ0，則后一項(xiàng)為零。否則不為零。

若令代入上式，并用增量形式表達(dá)可寫成：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（StrainGageFactor）出廠時，廠家給出該式可求靈敏系數(shù)若把第二十頁，共54頁。計(jì)算εl,會產(chǎn)生誤差。相對誤差為當(dāng)H=0或單向應(yīng)力狀態(tài)下時，γ=0

應(yīng)變片在實(shí)際使用時，如果應(yīng)力為單項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)時，且；或H=0，那么ΔR/R只與εl有關(guān)。否則不但與εl有關(guān)，而且還與有關(guān)。被測試件若處于雙向應(yīng)力狀態(tài)中，若按下式第二十一頁，共54頁。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)簡化為：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小;缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。式中λ—沿某晶向L的壓阻系數(shù)；ε—沿某晶向L的應(yīng)力；E—半導(dǎo)體材料的彈性模量。第二十二頁，共54頁。金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)區(qū)別金屬應(yīng)變片：是隨著試件的變形而形體改變半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)：

是隨著試件的變形而發(fā)生電阻率的變化結(jié)束第二十三頁，共54頁。第三節(jié)應(yīng)變片靈敏系數(shù)測定一、應(yīng)變片靈敏系數(shù)Ks應(yīng)變片靈敏系數(shù)Ks是由制造廠在單向應(yīng)力狀態(tài)下的梁上測定的（又稱標(biāo)定），一般采用等彎矩梁或等強(qiáng)度（應(yīng)力）梁。測定時，將應(yīng)變片粘貼在梁的等應(yīng)力區(qū)。利用千分表測出梁的撓度，或通過已知大小的作用力F，求得等應(yīng)力區(qū)的應(yīng)變ε，按下述公式求得靈敏系數(shù)Ks式中圖為等彎矩梁，在梁下表面中點(diǎn)貼應(yīng)變片R，在上表面放置三點(diǎn)式撓度計(jì)架，由千分表測出中點(diǎn)相對于L距離的撓度y。那么可以得到為梁產(chǎn)生應(yīng)變后，應(yīng)變片電阻值的變化量。第二十四頁，共54頁。如圖所示，采用等強(qiáng)度懸臂梁法。在梁上表面貼應(yīng)片R，并在距梁根部L處放置千分表，當(dāng)掛砝碼F后，測出千分表處的撓度y,按下式可計(jì)算出梁表面應(yīng)變ε值，也可以在懸臂梁上放置三點(diǎn)式撓度計(jì)架測撓度y，按式

計(jì)算應(yīng)變ε。此外也可測出梁各尺寸后，按下式計(jì)算應(yīng)變ε。對于懸臂梁

對于等彎矩梁

第二十五頁，共54頁。測量靈敏系數(shù)時，常用應(yīng)變儀來測量。將應(yīng)變片與一固定電阻（補(bǔ)償片）組成半橋后接入應(yīng)變儀，然后調(diào)零。應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)指示鈕調(diào)2.00。當(dāng)梁受力后，用應(yīng)變儀測得應(yīng)變值為s，而梁的實(shí)際應(yīng)變值為ε，可以得到靈敏系數(shù)測定應(yīng)變片Ks時，一般采用抽樣1％的方法測定。在實(shí)驗(yàn)中，采用下面公式，等彎矩梁應(yīng)變的理論計(jì)算公式應(yīng)變儀測應(yīng)變片靈敏系數(shù)等強(qiáng)度梁應(yīng)變的理論計(jì)算公式第二十六頁，共54頁。二.應(yīng)變片橫向效應(yīng)系數(shù)H的測量橫向效應(yīng)系數(shù)H的測量方法是在梁上測量的。在梁上粘貼互相垂直的兩片應(yīng)變片Ra及Rb。當(dāng)加力F后，梁沿A方向發(fā)生應(yīng)變。這時沿B方向應(yīng)變幾乎為零，若測得應(yīng)變片Ra的應(yīng)變?yōu)棣臿,Rb片的應(yīng)變?yōu)棣舃，可得

第二十七頁，共54頁。三、應(yīng)變片的主要參數(shù)

4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

1）幾何參數(shù)：絲柵長L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值（60，120，350，600，1000）歐姆。

3）靈敏系數(shù)Ks：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。第二十八頁，共54頁。一、應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償當(dāng)溫度變化時，應(yīng)變片的某些性能也會發(fā)生變化。其中對測量影響大的性能有靈敏系數(shù)變動和電阻值R的變動。使Ks變化的稱為靈敏系數(shù)溫漂；后者將影響電阻電橋的平衡，使R變化引起零指示值變動，稱為溫度零漂。下面分別討論這兩種漂移。1.

溫度零漂應(yīng)變片的溫度零漂主要是由下述兩方面原因引起的：1）電阻溫度影響：假若令是電阻溫度系數(shù)α引起的，為電阻R變動量為第四節(jié)應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償及性能第二十九頁，共54頁。2）敏感柵材質(zhì)與零件（鋼材）的膨脹系數(shù)不同，引起敏感柵產(chǎn)生變形。假若為零件的膨脹系數(shù)，為敏感柵的線膨脹系數(shù)，在溫度差下，應(yīng)變片由于受到應(yīng)變而產(chǎn)生的電阻變化為總的變化為

2.靈敏系數(shù)的溫度漂移一般情況下,可不考慮.采用高溫片測高溫狀態(tài)下的應(yīng)變時,要采取補(bǔ)償措施.

第三十頁，共54頁。補(bǔ)償溫度零漂的方法有下述三種：1）曲線修正法2）電橋電路的組橋補(bǔ)償法3）自補(bǔ)償應(yīng)變片（Ⅰ）在一個敏感柵上串聯(lián)兩種不同材質(zhì)（即溫度系數(shù)變化相反）的金屬絲；（Ⅱ）通過對敏感柵的退火溫度的控制，即3.溫度零漂補(bǔ)償二、應(yīng)變片參數(shù)與性能要求應(yīng)變片的電阻值及偏差見表6-2。表中的平均值是一批應(yīng)變片的各個阻值的平均值。溫度系數(shù)不增大，曲線見圖6-6開始第三十一頁，共54頁。2.靈敏系數(shù)：采用抽樣檢查的方法，箔式片1%，絲片5%抽檢。以公差或相對標(biāo)準(zhǔn)差表示；3.橫向效應(yīng)系數(shù)H：1%抽樣，加載到1000με4.應(yīng)變極限：0.01%抽樣，均勻慢加力，當(dāng)應(yīng)變片的輸出應(yīng)變大于機(jī)械應(yīng)變的10%時，這個應(yīng)變即為極限應(yīng)變5.疲勞壽命：抽樣0.1%，在±1500με（允許誤差-50--+100με），頻率30Hz作用下，當(dāng)輸出應(yīng)變值相差

100με或出現(xiàn)穗狀應(yīng)變波形時，應(yīng)變循環(huán)次數(shù)即為疲勞壽命6.機(jī)械滯后：抽樣0.1%，應(yīng)變片測拉壓（拉壓力相同）應(yīng)變時，試件產(chǎn)生的應(yīng)變是某一個值。但應(yīng)變片阻值ΔR/R的變化不與其對應(yīng)，由此引起輸出應(yīng)變也不相同，該差值就作為機(jī)械滯后的指標(biāo)；7.蠕變：0.01%抽樣，在一小時內(nèi)，在1000±100με條件下，輸出應(yīng)變發(fā)生的變動量作為衡量指標(biāo)；8.絕緣電阻：應(yīng)變片粘貼在試件表面后，敏感柵與零件之間的電阻；9.靈敏系數(shù)的溫度漂移：隨溫度逐漸增加到一定限度后，靈敏系數(shù)發(fā)生變化的百分比作為漂移的大??；10.溫度零漂：實(shí)際應(yīng)變?yōu)榱愕臓顟B(tài)下，當(dāng)溫度變化時，會產(chǎn)生輸出應(yīng)變；11.允許電流[Ι]：當(dāng)R=120Ω時，[Ι]=（13.5~16）適合于鋼試件S為敏感柵面積，靜態(tài)和精密測量電流取小值，動態(tài)測量電流取大值，散熱不好的材料，電流還要降低。第三十二頁，共54頁。第五節(jié)應(yīng)變片組橋及其輸出電壓

應(yīng)變片貼在零件上后，還需要組成電橋，以便將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電壓變化量。在測試中，一般可以按單臂（一片），雙臂（二片）及四臂工作組橋。電橋的和差特性：⑴當(dāng)ΔR<<R時，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。⑵相鄰橋臂：若應(yīng)變極性相同時，電橋的輸出電壓與兩應(yīng)變之差有關(guān)；若應(yīng)變極性相反時，電橋的輸出電壓與兩應(yīng)變之和有關(guān)。⑶相對橋臂：若應(yīng)變極性相同時，電橋的輸出電壓與兩應(yīng)變之和有關(guān)；若應(yīng)變極性相反時，電橋的輸出電壓與兩應(yīng)變之差有關(guān)。利用“和”的特性可以提高測量輸出的靈敏度；利用“差”的特性可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這一段采用板書形式講課第三十三頁，共54頁。五、應(yīng)變片的串并聯(lián)應(yīng)變片串聯(lián)：可提高供橋電壓、較大試件表面受力不均勻時，可起到平均測量應(yīng)變的作用；應(yīng)變片并聯(lián)：大多是為了使電橋輸入和輸出電阻與供橋電源內(nèi)阻或輸出電表內(nèi)阻匹配時用的。每臂電流是第三十四頁，共54頁。六、電橋的串并聯(lián)1、電橋的串聯(lián)

電橋的串聯(lián)如圖6-10所示，每個電橋都有單獨(dú)的供橋電壓供電。如果各橋反接，則輸出為之差第三十五頁，共54頁。若電橋電阻都相同，那么，n個并聯(lián)電橋的因此或?qū)懗?/p>

2、電橋的并聯(lián)電橋的并聯(lián)如圖6-11所示，其總輸出電流為各電橋輸出電流之和。即第三十六頁，共54頁。第六節(jié)電阻應(yīng)變儀1.用途:

電阻應(yīng)變儀是配合電阻應(yīng)變片用來測量應(yīng)變的儀器。2.應(yīng)變儀按用途分類:(1)靜態(tài)應(yīng)變儀;(2)動態(tài)應(yīng)變儀;(3)超動態(tài)應(yīng)變儀三種。3.按供橋電源性質(zhì)分類:可以分為交流或直流供橋電阻應(yīng)變儀。為了減少零漂，直流供橋的應(yīng)變儀需采用調(diào)制——解調(diào)型放大器。4.靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與動態(tài)電阻應(yīng)變儀的區(qū)別:(1)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀:具有雙電橋,一個讀數(shù)橋,一個測量橋.

測量靜態(tài)信號.(2)動態(tài)電阻應(yīng)變儀:單電橋,一個測量橋,有標(biāo)定、增益、頻帶。測量動態(tài)信號。第三十七頁，共54頁。一、靜態(tài)應(yīng)變儀圖6-12是靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，左邊部分是讀數(shù)橋，中間上面部分是測量橋。第三十八頁，共54頁。二、動態(tài)應(yīng)變儀動態(tài)應(yīng)變儀一般采用并聯(lián)電阻法標(biāo)定，見圖6-13標(biāo)定鈕。標(biāo)定時，將電阻并聯(lián)在第四臂（若并聯(lián)在第三臂將輸出負(fù)值），這時，第四臂電阻將減少，減少量為=第三十九頁，共54頁。電橋輸出電壓為

若以第四臂并聯(lián)模擬第一臂應(yīng)變,這時，第一臂應(yīng)變,使電壓輸出為

因此得

6--35把6—35式代入該式中6--36第四十頁，共54頁。一般應(yīng)變儀的標(biāo)定電阻不可能太多，在求標(biāo)定電阻與應(yīng)變關(guān)系時，令=120，=2.00，這時的應(yīng)變表示為

因此得到如下關(guān)系：

501003001000300012006002006020第四十一頁，共54頁。=2.00時，輸出大小才代表值。若，那么面板上應(yīng)變?yōu)閷?shí)際標(biāo)定時，應(yīng)變儀輸出代表的應(yīng)變是應(yīng)該是

若在第四臂并聯(lián)標(biāo)定電阻時，儀器輸出為，應(yīng)變片工作系數(shù)

在應(yīng)變儀標(biāo)定電阻旋鈕上標(biāo)明的都是應(yīng)變這時應(yīng)注意，只有

求測量應(yīng)變

測量時，儀器輸出例題

第四十二頁，共54頁。三、聯(lián)接導(dǎo)線電阻影響測量時，若聯(lián)接導(dǎo)線電阻r與R相比不能略去時，應(yīng)該考慮其影響。一般長導(dǎo)線電阻r如果在電橋各臂內(nèi)聯(lián)接，它將使儀器指示值減少。圖6-15a中的應(yīng)變片離儀器較遠(yuǎn)，通過總電阻為r=2

r0的兩根導(dǎo)線接入電橋（第一臂）。這時應(yīng)變片阻值為（R+r），若應(yīng)變?yōu)?，靈敏系數(shù)為，電橋輸出為

式中C為橋臂工作狀態(tài)系數(shù)，本例為C=1。由于導(dǎo)線電