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1、电阻应变测量,电阻应变测量技术是一种确定结构及构件表面应力状态的实验分析方法。目前这是实验应力分析中广泛应用的一种测试手段。,将电阻应变计粘贴在被测构件表面，当构件受力变形时，应变计随着构件一起变形，此时应变计的电阻值发生相应的变化。通过电阻应变仪测定应变计中电阻的改变并转换成应变值，在应变仪上显示，或输出与应变成正比的电信号，用仪器记录下来，就能得到被测点的应变及应力。应变电阻变化电流（电压）变化放大记录电阻应变片 电阻应变仪 记录器,工 作 原 理,工 作 原 理,早在1856年，英国人W.Thomson在铺设海底电缆时发现电缆的电阻值随海水深度不同而变化。 用铜丝和铁丝进行拉伸试验，得出
2、：铜丝和铁丝的应变与其电阻变化成不同的函数关系，且由于应变而产生的微小电阻变化可用惠斯顿电桥测量。 即：应变可转换成电阻变化并用电学方法测量,工 作 原 理,1938年，美国生产出第一批纸基丝式电阻应变计。 1952年，英国制出第一批箔式电阻应变计。 1957年，制出第一批半导体电阻应变计,优点,实物测量，简单，快捷，准确，周期短。 测量精度高。 1=10 测量范围广。 1 10万 频率响应好。测动应力 0 1 10赫 复杂环境下测量。高温，低稳，强磁场等。 易实现实验数字化，自动化及无线电遥测。 通用性好，可制成各类高精度传感器。,缺点,逐点测量，不易得到构件的全域应力应变场及应力分布。 一
3、般只能测量构件的表面的应变。 测量值是应变计敏感栅内的平均应变，在应力梯度大的情况下误差较大。,一 电阻应变计 1.电阻应变计的构造,普通的电阻应变计是由敏感栅，基底，粘结计，覆盖层，引线组成。引线 敏感栅 基底,1 电阻应变计的构造,箔式应变计的制造工艺流程 康铜薄膜 1800烘干制光刻胶膜离心机 照相制版接引线 外形检验 腐蚀 显定影 调整电阻值（120） 覆盖胶膜,一 电阻应变计的构造,敏感栅金属材料需满足： 1 灵敏系数大，且能在相当大的应变范围内保持不变。 2 电阻率高。 3 电阻温度系数小。 4 易于加工。,1 电阻应变计的构造,基底材料需满足： 1 厚度小，机械强度高，可挠性好。
4、 2 与粘结剂的粘合能力好。 3 绝缘强度高。 4 热稳定性好。 5 抗潮湿。 6 无滞后和蠕变现象。 7 稍透明，便于观察应变片的安装质量。 常温应变计一般用有机聚合物做为基底，常用的有环氧树脂，聚酰亚胺等。,2 应变计的工作原理,先考查金属导线的电阻应变效应P P,2 应变计的工作原理,金属丝原始电阻值为：金属的电阻率L金属丝的长度A 金属丝的横截面积,2 应变计的工作原理,当金属丝沿轴向受力变形时，电阻值发生变化，对上式微分：其中 为金属丝长度的相对改变，,2 应变计的工作原理,同时金属丝直径由D变为D， D= D（1-） 导线面积改变为因为 所以,2 应变计的工作原理,代入上式得研究表
5、明，金属丝受力变形时，在弹性范围内，因而电阻的相对变化率 与金属丝的线应变成正比。 在塑性范围内， 常量。,2 应变计的工作原理,令 代入上式得这就是电阻应变计的工作原理。 其中 为金属丝的灵敏系数。与金属丝的成分，加工工艺，热处理等有很大关系，需由实验测定。,3 应变计的各项工作特性,工作特性的好坏直接影响应变测量的精度。电阻应变计国家标准GB/T13992-92 对各项工作特性指标规定A,B,C,D四等。,3 应变计的各项工作特性,1 应变计的灵敏系数 2 横向效应系数 3 热输出 4 应变计电阻 5 应变计零点漂移 6 机械滞后,3 应变计的各项工作特性,7 蠕变 8 应变极限 9 绝缘
6、电阻 10 疲劳寿命 11 灵敏系数随温度变化 12 热滞后和瞬间热输出,4 电阻应变计的类型,按敏感栅材料可分为：金属电阻应变计半导体电阻应变计 根据敏感栅的结构分为： 单轴应变计:只有一个敏感栅,测量一个方向的应变. 多轴应变计(应变花):二个以上敏感栅,测量平面应变. 复式应变计:各种传感器用栅行。,4 电阻应变计的类型,根据安装方式分为：粘贴式： 常规的粘接计焊接式： 金属基底高温下喷涂式： 临时基底埋入式： 混凝土，塑料中测量内部应变,4 电阻应变计的类型,根据工作温度分为： 常温应变计: -30 C +60 C. 低温应变计: -30 C 以下. 中温应变计: -30 C 350C
7、 高温应变计: 350 C以上。,5 应变计的粘贴与防护,常温应变计的安装是用粘贴剂粘贴在被测构件表面上。 安装应变计是靠手工操作， 规范操作，准确粘贴 是实验成功的关键之一。,5 应变计的粘贴与防护,应变胶的种类和性能：固化后要有较强的粘接能力；抗剪强度高；蠕变小；受温度，湿度影响小；胶层与构件热膨胀系数相近；绝缘电阻大；对敏感栅无腐蚀；固化快。,应变胶的种类和性能：,5 应变计的粘贴与防护,应变计的粘贴技术 1 检查，分选 2 被测构件表面处理 3 贴片 4 固化 5 检查外观，测量应变计电阻及绝缘电阻 6 固定导线 7 防护处理,二. 测量电路,测量电路的作用就是将应变计的阻值变化转化为
8、电压或电流的信号。直流桥式电路（惠斯顿电桥）：B 各桥臂为R1, R2, R3, R4，AC为输入端，输入电压UAC，BD为输出端，输出电压UBD R1 R2首先分析 UBD的大小， A C 在ABC半桥，AC间电压为 UACUBD R1 的电流为R4 R3D I1= R1二端电压为UAC UAB= I1 R1=,同理，在 ADC半桥中， R4二端的电流为I4= R4二端电压为UAD= I1 R4= 电桥输出电压为：UBD= UAB -UAD = - = UAC,二. 测量电路,当输出 电压 UBD=0，R1 R3= R2 R4 电桥平衡 初始状态 工作时,各桥臂电阻变化,增量为R1 R2 R
9、3 R4时UBD= UAC代入R1 R3= R2 R4 ,略去高阶微量整理后得UBD= UAC,二. 测量电路,二. 测量电路,令R1= R2 =R3 =R4 等臂电桥 上式为UBD= 四臂都是应变计,灵敏系数相等,代入UBD= 输出电压与应变成线性关系。 相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同。,二. 测量电路,电桥平衡:1. 电阻平衡B R5为电位器,可在小范围内调节电阻值。R1 R2 因此, R1 R2 R3 R4 的阻值不能相差太大. A C 2. 电容平衡R4 R3 由于交流供电或导线的长度等原因，桥路存在分布电容,并联一个电容,调节电桥的电容平衡D.,三.电阻应变仪,电阻应变仪的功能是
10、配合应变计组成电桥,并将应变电桥的输出电压放大,以便得出应变值.动态电阻应变仪 应变随时间变化 按频率响应 静态电阻应变仪 应变不随时间变化,三.电阻应变仪,交流电桥,放大器,相敏 检波器,稳压 电源,振荡器,滤波器,指示仪表 记录仪器,三.电阻应变仪,1. 交流电桥将应变计电阻变化转换成电流或电压信号.振荡器产生的正弦波交流电压作为电桥的供桥电压.由信号电压对它进行调幅,输出一窄频带的调幅电压信号送入放大器. 2. 放大器将电桥送来的微弱信号进行不失真放大,输出足够的功率. 3. 相敏检波器检波是将调幅波还原成放大的信号电压,相敏是分辨信号电压的极性,反映其伸长或缩短的应变.,三.电阻应变仪
11、,4. 滤波器对动态测量,将相敏检波后的信号波形上的高频成分滤掉,使波形平滑. 5. 指示仪表,记录仪器静态应变仪的数字显示表;动态应变仪的磁带记录仪,X-Y记录仪.目前常用的电脑. 6. 振荡器产生正弦电压供给电桥,同时供给相敏检波器作参考电压,其频率为测量频率的十倍左右.,四.温度效应的补偿,贴有应变计的构件总是处在某一温度场.温度变化时应变计敏感栅电阻会随之变化.当电阻丝材料与构件材料的热膨胀系数不同时,阻丝受到附加的拉伸或压缩,产生虚假应变.这种现象就叫温度效应.实验表明,低碳钢材料温度 5C有约30个虚假微应变产生.因此在测量中必须消除温度效应的影响,进行温度补偿.,四.温度效应的补偿,由前面的等臂电桥输出电压：UBD= =因此,应变仪的读数d 为： d= 1-2+ 3- 4 相邻桥臂电阻的应变值相减，相对桥臂电阻的应变值相加。 温度补偿正是利用电桥的这一特性。,四.温度效应的补偿,1. 补偿块补偿法将一应变计（补偿片）贴在一块与构件材料相同但不受力的试件（补偿块）上，并将此块放在与被测构件同一温度场中。将工作片与补偿片分别接入电桥的相邻两臂,因为： B d= 1-2+ 3- 4代入得 R1 Rt d=（ 1p+ 1t ）-2t+( 3p+ 3t)- 4tA C = 1p + 3pRt R3D,
