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1、应变测试技术 同济大学汽车实验室 同济大学汽车实验室应变测试技术v什么是应变测试技术？ 应变测试技术主要解决汽车结构件及零部件的强度问题 利用此技术制作成各类测量用传感器。应 变 片 同济大学汽车实验室 同济大学汽车实验室（基底）（敏感栅）同济大学汽车实验室概述v应变片的基本构造 敏感元件 ：感受试件的变形，将机械变形转换成电阻变化，其材料一般为电阻丝或半导体材料。 基底和复盖层：固定和保护敏感元件；通过粘结剂传递机械变形到敏感元件。 引线 根据不同的温度要求有纸质基底应变片、胶质基底应变片和合金基底应变片。同济大学汽车实验室概述v应变片的使用形式 应变片用粘贴或点焊方式，使其贴在试件上并随试
2、件受力变形时，贴在试件上的应变片敏感栅也获得同样的变形，从而使敏感栅的电阻随之变化，这电阻变化能与试件变形有一定的规律，因此用受力后应变片电阻的变化来反映试件的受力。 同济大学汽车实验室概述v应变片的基本功用 直接通过应变片测量结构件或零部件的应力或应变； 用应变片配合各类不同的弹性元件，如梁、柱、筒、环等构成能测量各种机械参数的传感器，如力、压力、荷重、加速度、流量、扭矩等传感器。同济大学汽车实验室概述v 应变片测量的特点1. 分辨率高 2. 误差小 3. 尺寸小，重量轻 ，测量附加影响小4. 测量范围大，利用各种应变片可进行材料的弹性区塑性区断裂的测量 5. 静动态性能好6. 具有电气测量
3、的优点，测量结果便于传递、记录、综合计算等 7. 利用特种应变片能在严酷的环境条件下工作8. 价格低廉，品种多样，便于选择和使用同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室实际应变片同济大学汽车实验室工作原理导线的电阻R导线电阻值；l导线长度；A导线横截面；r导线半径；材料的电阻率。 在测量中所用应变片的工作基础为电阻应变效应。同济大学汽车实验室工作原理v电阻应变效应：金属导体的电阻随着它所受的机械变形（伸长或缩短）的大小而发生变化的现象。 当导线受力后
4、会产生机械变形，导线的l、 A、 r、 都会随之变化，从而引起R的变化； 此变化可用函数方式表达为： 受力后的电阻变化可表达为： 用电阻的相对变化量表达：即：同济大学汽车实验室工作原理又材料的泊松比；导线的相对长度变化量，称此为应变。同济大学汽车实验室工作原理 由上式可知：受力后材料的电阻相对变化与材料的尺寸变化有关；与电阻率的相对变化率有关。 通常测量中使用的应变片中： 金属电阻应变片的工作以几何变形为主，即主要取决于+2； 半导体应变片则以电阻率的相对变化为主即主要取决于 。同济大学汽车实验室工作原理v 材料受力的灵敏度可用下式表达： 此表达式只能定性的表达机械变形和电阻变化的关系，真正所
5、使用的制作应变片的材料都经过大量的试验获得其关系。 从试验中可以知道金属电阻应变丝的K0值是一常数，所以通常在使用中将应变与电阻的关系式表示成： 由此方程可知：应变丝电阻的相对变化量与应变（长度相对变化量） 成正比；应变丝可将机械变化转换成电阻变化。同济大学汽车实验室实际应变片的基本特性v应变片传递应变的特性 应变片在使用时粘贴在试件上，它以剪切形式传递试件变形，其剪应力分布如图所示。两端大中间小,而轴向力则两端小。 因此在粘贴应变片时要注意，不但应变片中部要粘住，而且两端也必须粘住。 同济大学汽车实验室实际应变片的基本特性v应变片的灵敏系数 在前面的讨论中已讨论了应变丝的灵敏系数K0，而由于
6、应变片为了保证其具有一定的阻值，将其在基底上以栅状形式制成，所有其灵敏度可表达为: 因为用应变丝制成粘结在基底上的应变片存在丝和基底间胶体传递变形失真，存在应变丝制成栅状后横向段的不敏感，所以应变片的灵敏系数K总是小于应变丝的灵敏系数K0。或同济大学汽车实验室实际应变片的基本特性应变片的灵敏系数K值是通过对一批应变片中抽样，在一专用测量装置上实验获得，获得的条件为：1. 单向应力状态;2. 应变片的轴向与主应力方向一致（即沿主应力方向贴片）；3. 试件的泊松比0.285。获得K值后，就可以简单的用电阻变化量的测量来反映机械的变形了。但在实际的应变片应用中往往不能满足以上对K值标定的条件，这样就
7、会给测量带来误差，所以在实际应用中尽可能满足和接近应变片的标定条件。如不能满足条件则应采取修正措施，如修正也不能解决问题则需重新考虑试验条件。同济大学汽车实验室实际应变片的基本特性v应变片的横向效应同济大学汽车实验室实际应变片的基本特性 横向效应: 电阻应变片在按片长方向进行测量时，由于横向段的存在，感受横向应变而使电阻变化率减少并降低灵敏度的现象。 横向效应随各种应变片形式不同而不同，目前广泛应用的箔式应变片的横向效应要大大地小于线绕式的应变片。在使用应变片时应注意此项指标。同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性v应变片的温度特性 应变片的热输出: 如果把电阻应变片贴在一个可以自由膨胀的试件
8、上，此试件不受任何外力的作用，在环境温度的影响下应变片的阻值会发生变化，也就是说应变片会有输出。 应变片产生热输出的原因: 一个是制成应变片敏感栅材料的电阻本身随温度发生变化； 另一个是由于试件与应变片敏感栅材料的膨胀系数不一致，产生电阻变化。同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性 敏感栅电阻本身随温度发生变化，其表达式为:式中：R0应变片在温度为t0时的阻值； R温度为t时应变片本身的阻值。 式中：R温度变化t时应变片的电阻变化量； t环境温度变化量； f 敏感栅的电阻温度系数。同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性 敏感栅式中： 温度为时的敏感栅初始长
9、度； 敏感栅在温度t时的自由膨胀长度； 敏感栅的膨胀量； 敏感栅的线膨胀系数； 温度变化量。同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性 试件式中： 试件材料在温度t时的自由膨胀长度； 试件材料的膨胀量； 试件材料的线膨胀系数。同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性 如果由于膨胀系数不同引起的应变片敏感栅被迫伸长量用表示，则 如用应变表示，则 用电阻相对变化表示，则 温度引起的总电阻变化为相对变化为同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性v应变片温度影响的消除 恒温试验法: 将试件放置在一个严格控制温度的恒温室内进行试验。 自补偿法： 将应变片的敏感栅按以下的规律做，即 由温度引起的敏感栅自身的影响和
10、膨胀系数不同引起 的影响相互抵消做成温度自补偿的补偿应变片。不同的试件材料要选择不同的自补偿应变片。同济大学汽车实验室实际应变片的温度特性 电桥补偿法： 由于通常应变测量都是通过电桥进行的，可利用电桥的特性进行温度补偿。 热敏电阻补偿法： 利用热敏电阻补偿都是结合电桥补偿进行的，在电桥 补偿的基础上，在某一范围里进行“精补”。 一般都用于传感器中，一般结构应力测量很少采用。同济大学汽车实验室应变片的线性极限应变lim是在理想测量值和实际测量值之间相对误差达到10时应变值。即:在应变片的实际使用中应变片敏感栅材料可能超过弹性范围；粘结剂随着试件应变的增大时不能很好地传递变形等诸多因素可能引起应变
11、片的非线性，见图。在实际使用时严格控制在小于10范围下工作。同济大学汽车实验室应变片的动态特性 动态应变测量时，试件的动态应变是以波的形式在材料中传播，其传播的速度对钢材来说V5000m/s。 应变片在进行动态测量时，因为它有一定的长度不是一个点,因此应变片动态测量时所反映的是应变片基底长度内的平均应变，而不是某一时刻应变波的瞬时值，所测得应变波的波幅将低于实际的波幅，测量将带来误差，见图。图中： 应变波的波长； 0应变波的瞬时值； 应变片反映的应变 波幅值（基长内的平均值） x1 x2时间座标内积分上、下限； l应变片的片长。同济大学汽车实验室应变片的动态特性如上图应变片所反映的应变为:所以
12、应变片在进行动态测量时的误差为:同济大学汽车实验室应变片的动态特性 从以上的误差表达式中可以看出，动态误差与波长和应变片片长有关，如图。当/l=16-20时，误差1.6%-0.4%。同济大学汽车实验室应变片的动态特性 所以如何根据工作频率（波长）选用不同长度的应变片是控制误差的重要手段。在物理学知识里知道: 波长= 即 为了讨论方便，令 式中：n常数。 被测试件的频率与材料传播动应变的速度和应变片基长的关系可表达为同济大学汽车实验室应变片的动态特性 通过此关系式就可以得到不同材料为满足动态应力测量时所选应变片的长度。例如对于钢材其波速v =5000米/秒，为满足误差0， 当常数，且0， 当同济
13、大学汽车实验室测量电桥同济大学汽车实验室测量电桥v 交流电桥的特征：1. 所有形式的输出均以交流调制形式输出，真正的信号是其包络线；2. 电桥输出波形的幅度反映了被测应变的大小；3. 电桥输出波形的相位反映了被测应变的正负；4. 要获得理想的包络线，交流供桥电压的频率f必须要远大地大于被测试件的频率f；5. 电桥输出的调制波形还需相敏检波和滤波后才能还原。同济大学汽车实验室应变仪v应变仪的一些其他装置 由于应变片的制造很难保证各应变片初始电阻完全相等，另外还由于粘贴引线等原因也可能使应变片阻值不等；各桥臂的分布电容也不相等。这样测量时往往不能满足交流桥的平衡条件，就需要有一套调整电桥电阻、电容
14、平衡的装置。 同济大学汽车实验室应变仪1. 电阻调平衡装置：n串联调零法 平衡条件为为： R1R3R2R4通过在桥臂R1、R2间调零可变电阻器RW的电刷滑动， 使 由此来进行电阻平衡同济大学汽车实验室应变仪n并联调零法通过在电桥A、C点并联接一可变电阻Rb,在可变电阻Rb和B点间连接一固定电阻Rv，构成调零回路。Rb和Rv可通过Y（星三角）等效变换后成为两个并联在桥臂R1、R2上的可调的等效电阻。以此来满足电阻的平衡条件。二个等效并联电阻可表达为：ABCRV同济大学汽车实验室应变仪2. 电容调平衡装置： 电阻电容法 与电阻调平衡装置中并联调零法相似将电容C和可调电阻RW经过Y等效变换后，相当于
15、并联在电桥桥臂R1、R2二个可调的等效阻抗。其表达式为：Rw同济大学汽车实验室应变仪v动态应变的标定 在应变测量中有对应变片进行标定（灵敏度K），有对仪器进行标定（线性、频宽等），在这儿是对记录曲线进行标定。 曲线标定:给一个已知标准应变，对测量量实行应变换算。 一般标定法 给出标定应变，实现应变的换算。 上式可以表达为被测应变是单位高度的应变乘上曲线的高度，这高度可以是所记录曲线的尺寸值，也可以是模拟曲线的电量值。同济大学汽车实验室应变仪 电模拟标定法利用在桥臂上并联已知标定电阻R标，产生当量的标准应变标，并联后产生 或 根据上式可以根据不同要求的标用配上不同的R标经过电模拟标定来实现。因为
16、电桥的相邻臂符号相异，所以在R1,R2两个桥臂上并电阻，就会有“”、“”的标输出，以此来实现对动态的信号标定。同济大学汽车实验室应变测量的测点布置v试验类型与要求v 鉴定性试验-是否安全可靠,符合设计要求;v 研究性试验-验证假设和近似,为建立合理的v 数学模型提供依据.v试验工况v 依据试验规范v 借助专业知识具体分析同济大学汽车实验室应变测量的测点布置v原则:v试验对象的最薄弱、最危险的部位(强度控制点)v最薄弱、最危险的部位的选择:v1.工作状态;v2.受力特点;v3.截面特性;v4.应力集中.同济大学汽车实验室应变测量的测点布置v 常用选点方法计算法： 通过力学计算获得危险部位。此方法广泛应用，利用计算指导布点，利用测量结果校核计算。脆性涂层法： 适用于复杂的结构系统，可进行定性的布点指导。逼近法： 靠多点布片、逐步逼近，此方法较全面，但工作量很大。模型法： 适用于新设计、破坏性试验、不易改动的地方（如造桥先用模型做试验）。同济大学汽车实验室测点布置v 在确定应变测点时还应该注意以下几点：充分利用对称性（大大减少测点数）；灵活运用电桥的加减特性（力学关系一定要明确）；要适当布置
