第三章 电阻应变测量技术主要内容1 概 述 2 电阻应变片 3 应变测量电路 4 应变应力测量 5 电阻应变仪§3-1 §3-1 概概 述述一、电阻应变测试原理用电阻应变片作为传感元件，将应变片粘贴或安置在构件表面上，随着构件的变形，应变 片敏感栅也相应变形，将被测对象表面指定点 的应变转换成电阻变化电阻应变仪将电阻变 化转换成电压（或电流）信号，经放大器放大 后由指示仪表显示或记录仪记录，也可输入到 计算机等装置进行数据处理，将最后结果打印 或显示出来§3-1 概 述二、静态测量与动态测量按载荷性质，电阻应变测量可分为静态测量 与动态测量1. 静态测量对恒定的载荷或短时稳定的载荷的测量2. 动态测量对频率在2-5000Hz范围内变化的动态应变 测量§3-1 概 述三、电阻应变测量的优缺点1. 优点（1）测量范围广、灵敏度和精确度高；（2）频率响应快，机械滞后很小；（3）对被测物体性状影响小；（4）适用范围广；（5）能实现远距离测量和自动记录2. 缺点（1）常规应变片在大应变状态下非线性明显；（2）应变片输出信号小，在强电磁场内易受干扰；（3）测量的是平均应变；（4）使用仪器复杂，易出故障，且排除技术难掌握。
§3-2 §3-2 电阻应变片电阻应变片1. 构造一、应变片的构造和工作原理电阻丝引线基底覆盖层正视图侧视图接线端 子§3-2 电阻应变片2. 工作原理取对数并求导，§3-2 电阻应变片• 康铜（弹性和塑性区）m=1k0 =2k0—金属材料对应变的敏感系数§3-2 电阻应变片灵敏系数（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Px二、应变片的参数（灵敏系数和横向效应）§3-2 电阻应变片当材料产生纵向应变 时，由于丝栅弯头的存 在，将在栅宽方向产生一个与纵向应变符号相 反的横向应变 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 §3-2 电阻应变片三、应变片类型§3-2 电阻应变片1. 金属丝式应变 片短接式（a)：横向 电阻和横向效应很 小，精度高（形状 容易保证），但疲 劳寿命短(焊点多） 丝绕式(b)：制造易 ，成本低，但横向 效应较大。
四、常见应变片§3-2 电阻应变片2. 箔式应变片（照相腐蚀成形法制作）3- 10μm厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷，几何形状和尺寸非常精密，横向效应系数较低散热性能好（电阻丝为平而薄的矩形面）§3-2 电阻应变片3. 半导体应变 片半导体材料，压阻 效应灵敏系数很 高，K>100，可直 接用万用表测；横 向效应几乎为0； 机械滞后和体积小 ;频响高、频带宽 —用于微小应变 、高频和超高频动 态测量§3-2 电阻应变片4. 应变花在一个基底上有几个按一定角度排列的敏感栅 的应变片，用于测量一个点上几个方向的应变§3-2 电阻应变片5. 应力电阻片两段电阻丝串联起来对称于轴布置§3-2 电阻应变片五、应变片的工作特性1. 应变片的尺寸栅长（标距）l栅宽 b使用面积 b·l 注意：尽量选用l大、 b小的应变片电阻丝引线正视图接线端子bl§3-2 电阻应变片2. 应变片的电阻值指应变片在没有粘贴、未受力时，在室温下所测定 的电阻值标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一 定值，如60、120、200、350、500、1000Ω 一般应 变仪是按120Ω应变片要求设计的。
3. 机械滞后Zf机械滞后：恒温时，在加、卸载过程中对同一机械 应变分别测得的指示应变间的最大差值 产生原因:金属丝、粘贴计、基底等的残余变形，在 测试时尚未完全释放 消除方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工 艺如用于制造传感器，标定前应作循环加载以 消除滞后影响§3-2 电阻应变片4. 零点漂移P和蠕变θ零漂：指温度恒定，被测试件在不受力时，应变片的 指示应变随时间的变化蠕变：指温度恒定，应变片承受恒定的机械应变时指 示应变随时间的变化它包括零漂产生原因：应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产 生的热电势造成的§3-2 电阻应变片5. 应变极限指室温条件下对贴有应变片的试件加载，应变片的 指示应变与机械应变的相对误差达到10%时的机械应 变6. 绝缘电阻Rm指敏感栅及引线与被测试件之间的电阻应变片粘 结层固化程度和是否受潮的标志7. 疲劳寿命N指在交变应力作用下，试件上的应变片连续工作至 疲劳损坏时的循环次数8. 最大工作电流指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流 §3-2 电阻应变片9. 动态测量时的特性疲劳寿命：应变片承受特定的交变荷载至破坏 （脱片、断栅等）时的使用次数。
频率响应：应变波由试件传递到应变片所需时 间为动态频率响应时间，金属丝式τ为10-7s， 半导体式τ为10-11s，可以认为应变片是基本 没有惯性的§3-2 电阻应变片六、应变片的选用1. 工作环境温度、湿度（胶基应变片）；2. 被测物的材质弹模高的均质体，基长较小；粗晶粒岩石和混凝土等非均质 体，选用基长较长的应变片（颗粒粒径4倍以上）3. 被测试件的受力状态和应变性质应变梯度（大小）、长期观测（胶基片、箔式）、动/静态观 测（疲劳寿命应变片、温度自补偿片）、应变性质（平面应变-应 变花）；4. 测量精度一般测量（纸基片）、高精度测量（胶基片）尽量选用工 作电阻为120Ω的应变片§3-2 电阻应变片七、应变片的粘贴工艺1、应变片检查 – 外观检查、电阻值检查 2、表面处理 – 刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干 3、贴片与固化 – 画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶 4、粘贴质量检查 – 外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查 5、连接导线 – 导线固定、导线焊接 6、防潮处理 – 凡士林、石蜡等PP应变测量电路调制、放大、解调、 滤波等变换偏位法零位法应 变 片电阻相对 变化量电压或电 流信号电阻变 化量应变值电阻应变仪电阻应变仪§3-3 §3-3 应变测量电路应变测量电路§3-3 应变测量电路一、直流电桥电桥平衡时，即UBD=0时，有或UBD§3-3 应变测量电路对于等臂电桥，设R1为工作应变片，且R1→R+ΔR，则若四个桥臂均为工作应变片，受力后分别产生ΔR1、ΔR2 、ΔR3、ΔR4，则1、对于全等臂电桥， §3-3 应变测量电路2、对于输出对称电桥， R1=R2，R3=R43、对于电源对称电桥， R1=R4，R2=R3 ， R2/R1=R3/R4=a电桥重要特性：加减特性—相邻桥臂应变极性同则相减 ，应变极性异则相加；——是提高灵敏度、进行温度补偿、从复合应力情况下测取某一 应力应变成分的理论依据。
构件上布片和接桥时遵循的基本原则§3-3 应变测量电路二、交流电桥试件受静态拉伸应变时，频率和相位都和载波电压一样；试件受静态压缩 应变时, R1→R0-ΔRt§3-3 应变测量电路当试件受如下简谐变化的应变作用时,则实际工作时要求:ω>10nΩ上次课复习• 1 电阻应变片的概念和基本原理 • 2 电阻应变片的构造 • 3 电阻应变片的分类 • 4 电阻应变片的工作参数灵敏系数、横向效应、几何参数、电 阻值、机械滞后、零漂蠕变、应变极限、 绝缘电阻 • 5惠斯登电桥，电桥的加减特性§3-3 应变测量电路三、电桥平衡1. 电阻预调平衡法（1）电阻串联平衡法（2）电阻并联平衡法（3）无触点平衡法2. 电容预调平衡法（1）阻容平衡法（2）差动电容平衡法1 电阻预调平衡法电阻串联平衡 法串联小电阻r1 电阻预调平衡法电阻并联平衡 法并联大阻值电阻器1 电阻预调平衡法无触点平衡 法调节螺钉，使梁变形，改 变应变片阻值2 电容预调平衡法阻容平衡法（先并联W，后调节电容平衡）2 电容预调平衡法差动电容平衡 法§3-4 §3-4 应变应力测量应变应力测量一、布片原则（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）利用结构对称性和电桥加减性选择贴片位置、 方位和组桥方式，可达到稳定补偿、提高灵敏度、 降低非线性误差和消除不利影响等目的；（3）测量荷载时应避开应力—应变的非线性区贴片 ;（4）在应力已知处布点，以便测量时进行监视和检 验试验结果的可靠性。
§3-4 应变应力测量二、接桥方法 （1）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§3-4 应变应力测量（2）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§3-4 应变应力测量三、温度补偿方法 • 温度自补偿应变片法改变敏感栅材料和制造工艺，使一定温度范 围内电阻变化为0，用于中、高温下的应变 测量 • 桥路补偿法（常温）通过布片和接桥来消除温度影响§3-4 应变应力测量桥路补偿法（1）补偿块补偿法：工作片：补偿片：§3-4 应变应力测量（2）工作片补偿法：工作片R1：工作片R2：§3-4 应变应力测量四、应变值的测试用电桥测量应变值有偏位法 和零位法两种 （1）偏位法 在表的刻度盘上刻出ΔR，或直接 刻出应变值，由指针偏转直接指 示应变值，或送到记录器直接记 录受电源电压影响，用于动态测试（2）零位法 见右图与电源电压无关，精度高，电桥 需平衡，用于静态测试零位法R3R4§3-4 应变应力测量五、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)半桥四片补偿片法测拉压U§3-4 应变应力测量工作片：补偿片：消除了偏心影响§3-4 应变应力测量(2)全桥四片测拉压U圆柱体偏心受拉§3-4 应变应力测量§3-4 应变应力测量2. 主应力方向已知的平面应力测量（1）单向应力状态，贴主应力方向（2）二向应力状态应力方向已知，R1和R2工作片，R3、R4补偿快§3-4 应变应力测量3. 主应力方向未知的平面应力测量在同一部位三个方向布设应变片，测出ε ，并由下面的一系列公式计算出σ和θ。
γ§3-4 应变应力测量从而求出主应力及其方向§3-4 应变应力测量3. 主应力方向未知的平面应力测量（1）等角应变花 （2）直角应变花§3-4 应变应力测量（1）等角应变花（钻孔应力解除法）§3-4 应变应力测量（2）直角应变花（钻孔应力解除法）§3-5 §3-5 电阻应变仪电阻应变仪一、应变仪的结构 将电桥输出信号转换和放大 ，用应变标度指示出来电桥放大器相敏检波器指示器稳压电源振荡器§3-5 电阻应变仪1-电桥 2-放大器 3-相敏检波器 4-低通滤波器 5-稳压电源 6-振荡器§3-5 电阻应变仪二、应变仪的分类和特点（静态、动态、超动态 ）1. 静态电阻应变仪（测量不随时间变化的应变 ）§3-5 电阻应变仪1—测量 桥 2—读数 桥 3—放大 器 4—相敏 检波器 5—指示 器双桥电路零位法测量原理:345UBDUB’D’B’A’C’D’BCDARRbU0U0’12§3-5 电阻应变仪测量前两电桥都平衡，电表指针指零 测量时应变片 R感受应变ε而产生电阻增量ΔR，则测量桥的输出电压为此时读数桥仍为平衡状态（UB’D’=0），双桥电路的输 出电压UB’D’=UBD，电表指针偏转。
调节读数桥上的可 变电阻Rb，读数桥失去平衡，产生输出电压§3-5 电阻应变仪当UB’D’和UBD的大小相等方向相反时，双桥电路的输出电压为于是，电表指针重新回零这时可根据从Rb。