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1、机械工程测试技术 第六章 第一节、电阻应变计 第二节、应变片转换原理第四节、应变片的温度补偿及性能第三节、应变片灵敏系数测定第六章 应变片测试技术基础第五节、应变片组桥及其输出电压第六节、电阻应变仪1第六章 应变片测试技术基础在本章学习要求：1.了解电阻应变片结构及类型，掌握电阻应变片转换原理和应变片灵敏系数测定；2.了解应变片温度补偿及性能，掌握应变片组桥及其输出电压，动态电阻应变仪原理。2第一节 电阻应变计电阻应变计是一种测量应变的片状量具,简 称为应变片.采用应变片测量的优点:精度高、频响宽、体积小、重量轻 应用的方面：应力、外力、扭矩、重量、振动、压力等.一 .应变片构造及材料 构成:
2、 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. lb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.常温工作片:-30 70 温片:70300 应变片按工作温度不同分为 高温片: 300以上低温片: -30以下应变片按断面形状可分:丝状（圆断面）:用电阻丝绕制成一定形状,上下覆盖基底制成的.叫应变丝片.箔状（扁断面）:用510m厚的箔材料在基底材料上经过光刻腐蚀后制成的.叫应变箔片. 应
3、变片按敏感栅丝材质不同可分:金属栅丝应变片半导体栅丝应变片几种常见的电阻应变片: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.裂纹探测片此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.二 .基底材料及粘接剂材料如下: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
4、6j22合金做成,用焊接法把应 变片焊接在试件上.常用的粘接剂:酚醛类:酚醛一缩醛胶.环氧树脂胶(A、B胶)聚酰亚胺类氰基丙烯酸胶:（又称快干胶）有机硅粘接剂磷酸盐粘接剂氧化物喷涂氯丁橡胶（硅橡胶）:702、703、704、705 等三 .应变片粘贴（介绍一种常温贴片方法）除锈; 去油污; 划线; 涂胶; 粘贴; 放薄塑料纸加压（常温粘贴）等.第二节 应变片转换原理 应变片粘贴在试件上,当试件变形时应变片随之而变形.这时应变片栅的电阻值也发生变化. 设应变片一根栅丝的长度为l,断面积为B X h（ 宽X高）,栅丝电阻率为,其阻值为 R. (6-1) 当应变片敏感栅丝为试件变形时,可以把、l、
5、b、h 都看成独立微小变动的变量.对上式进行全微分:(6- 2)上式可写成:(6- 3)由压阻效应可以得到, 与应力成正比.即:(6-4) 式中: 、 、 分别为长宽厚三个方向 的压阻应变系数. 把（6-4）代入（6-3）中得:(6-5)当我们把应变片粘贴在试件上,试件在外 力 作用下产生变形,如果我们假设h方向应变,再把 代入（6-5）式,得:若只考虑b方向有应变 ,得 :当考虑l、b方向都有应变时,可得:（6-6）式中: 为纵向灵敏系数为横向灵敏系数令 H为横向效应系数 （6-7 ） 则（6-6）可写成:（6-8）由上式可知,当应变片方向与试件单向应 力 状态的主应力方向一致粘贴时, （为
6、材料泊桑比） 这样 即:（6-9）若令代入（6-9）中,并用增量表示为应变片的灵敏系数若把 代入(6-8)式得（6-11） 式中应变片的灵敏系数一般由厂家提供, 其值大小是由单向应力状态的梁,按公式(6- 10) 求得的(具体见实验).在实际应用中,如果零件应力为单向应力状态且 或H=0，那么 。否则不但与 有关，而且还与 有关。试件若处于双向应力状态中,如果仍按（6-10 ）求出 ,这时会产生误差,相对误差为:（6-12） 当H0,或单向应力状态下 时，例如：当H=0.05，若 若若第三节 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
7、的（又称标定），一般采用等弯 矩梁或等强度（应力）梁进行测定。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.按下述公式求得灵敏系数Ks（6-13）式中 R为梁产生应变后应变片电阻值的变化量。图6-3为等弯矩梁，在梁 的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 （6-14） 图6-4式为等强度悬臂梁。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,按式（6-14）可计算出梁表面应变值，也可以在悬臂梁上放置三点式挠度计架测挠度y，按式（
8、6-14）计算应变。此外也可测出梁各尺寸后，按下式计算应变。对于悬臂梁 （6-15） 对于等弯矩梁 （6-16） 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，可以得到灵敏系数（6-17） 测定应变片灵敏系数Ks时，一般采用抽样1的方法测定（参看第六节电阻应变仪）。二. 应变片横向效应系数测量横向效应系数H的测量方法是在单向应变梁上进行测量的。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
9、变片Ra的应变为a, Rb片的应变为b，可得 （6-18） 第四节 应变片的温度补偿及性能 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。前者称为灵敏系数温度漂移，后者将影响电阻电桥的平衡，使零指示值变动，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）电阻温度系数影响：假若令 是电阻温 度系数， 为温度突变量，那么，由 引 起的电阻R变动量为（6-19） 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
10、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（6-20） 总的电阻变化为:（6-21） 2. 灵敏系数的温度漂移灵敏系数Ks随温度变动也会发生变化,当温 度升高1度 Ks 升高 Ks,变动不大.3. 温度零漂补偿补偿温度零漂的方法有下述三种：1）曲线修正法2）电桥电路的差动(相邻片)补偿法3）自补偿应变片法（6-22） 二、应变片参数与性能要求应变片的电阻值及偏差 灵敏系数Ks横向效应系数H应变极限疲劳寿命机械滞后蠕变绝缘电阻温度零漂允许电流第五节 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）工作，双
11、臂（二片）工作及四 臂（四片）工作组桥。1.将R转换为Ud组桥目的 2.提高电桥输出灵敏度3.消除非测因素影响一、单臂工作单臂工作就是指在零件上贴一片应变片，如图所示FFR1UdU0abcdR1R0R0R0I2I1分析： 非线性误差不为零； 受温度变化的影响 不能消除弯矩的影响电桥输出为: = = （6-24 ）实际应用中，采用下面这种形式： R2FFR1UdU0abcdR1R2R0R0I2I1R2为补偿片，贴在不受力的 地方或者同材料的补偿块上。不改变输出但同时可以补偿 温度变化的影响。FR1R1UdU0abcdR1R0R0R0I2I1等强度梁 等应力梁 等应变梁=R1R2UdU0abcdR
12、1R2R0R0I2I1R2补偿片的粘贴方法，一方面可以消除温 度变化的影响，另一方 面非线性误差为0。二、双臂工作双臂工作是指在零件上贴两片应变片， 如图6-8（b）所示。对于圆轴沿轴向贴1#及3#片或悬臂梁上 贴1#、3#片（相对臂）或悬臂梁上贴1#、 2#片（相邻臂），电桥输出 为对于圆轴表面，贴1#及2#片（相邻片）= （6-26） 图6-8 应变片组桥1.同值同号FFR1R2UdU0abcdR1R0R0R2I2I1UyU0abcdR1R2R0R0I2I12.同值异号成比例FFR1R2要求正确组桥FFR1R2UdU0abcdR1R0R0R2I2I13.同值异号 FR1、R3-R1R2-U
13、dU0abcdR1R2R0R3I2I1三、四臂工作 四臂工作是指在零件上贴四片应变片1.同值同号R1、 (R3)R2、 (R4)FR1R3UdU0abcdR1R2R4R3I2I12.同值异号成比例FFR1R4R2R3FFR2 (R4)R1 (R3)UdU0abcdR1R2R4R3I2I1从上述讲解中可以清楚地看到，不同的布片方法和组 桥方法对灵敏度、温度补偿情况是不同的。原则：优先选用输出电压大、能实现温度补偿 、 粘贴方便和便于分析的方案。 如图6-8（b）及6-8（c）所示。对于圆柱拉伸： = (6-27)对于悬臂梁弯曲： = （6-28） 四、全等臂电桥输出电压全等臂电桥为 R1=R2=
14、R3=R4=R 各应变片R1、R2、R3、R4的应变分别为1、2、3、4 可得=上式可改写成= （6-30） 应变片工作状态系数的取法：单臂工作：沿轴向贴1片 C=1双臂工作：沿轴向贴2片 C=2四臂工作：沿轴向贴4片 C=4沿轴向贴1片，垂直轴向贴1片 C=1+ 沿轴向贴2片，垂直轴向贴2片 C=2(1+) 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使用。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。= (6-32)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= 或写成
