电阻应变测量原理及方法

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1、目录电阻应变测量原理及方法 21. 概述 22. 电阻应变片的工作原理、构造和分类 22.1 电阻应变片的工作原理 22.2 电阻应变片的构造 42.3 电阻应变片的分类 43. 电阻应变片的工作特性及标定 63.1 电阻应变片的工作特性 63.2 电阻应变片工作特性的标定 104. 电阻应变片的选择、安装和防护 124.1 电阻应变片的选择 124.2 电阻应变片的安装 134.3 电阻应变片的防护 145.电阻应变片的测量电路 145.1 直流电桥 155.2 电桥的平衡 175.3 测量电桥的基本特性 185.4 测量电桥的连接与测量灵敏度 196.电阻应变仪 246.1 静态电阻应变仪

2、 246.2 测量通道的切换 266.3 公共补偿接线方法 277.应变-应力换算关系 287.1 单向应力状态 287.2 已知主应力方向的二向应力状态 297.3 未知主应力方向的二向应力状态 298.测量电桥的应用 318.1 拉压应变的测定 318.2 弯曲应变的测定 348.3 弯曲切应力的测定 358.4 扭转切应力的测定 368.5 内力分量的测定 37电阻应变测量原理及方法1. 概述电阻应变测量方法是实验应力分析方法中应用最为广泛的一种方法。该方法是用应变 敏感元件电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变应力关系得到构件表面的应 力状态，从而对构件进行应力分析。电阻应变片（简称

3、应变片）测量应变的大致过程如下：将应变片粘贴或安装在被测构 件表面，然后接入测量电路（电桥或电位计式线路），随着构件受力变形，应变片的敏感 栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电 路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由指示仪表或记录仪器指示或记 录。这是一种将机械应变量转换成电量的方法，其转换过程如图1所示。测量电路的输出 信号经放大、模数转换后可直接传输给计算机进行数据处理。图1 用电阻应变片测量应变的过程电阻应变测量方法又称应变电测法，之所以得到广泛应用，是因为它具有下列优点1测量灵敏度和精度高。其分辨率达1微应变（M8）, 1微应变=

4、10-6应变（8）。2测量范围广。可从1微应变测量到2万微应变。3电阻应变片尺寸小，最小的应变片栅长为0.2毫米；重量轻、安装方便，对构件无附加力，不会影响构件的应力状态，并可用于应力梯度变化较大的应变的测量。4频率响应好。可从静态应变测量到数十万赫的动态应变。5由于在测量过程中输出的是电信号，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。6可在高温、低温、高速旋转及强磁场等环境下进行测量。7可制成各种高精度传感器，测量力、位移、加速度等物理量。 该方法的缺点是：1只能测量构件表面的应变，而不能测构件内部的应变。2. 个应变片只能测定构件表面一个点沿某一个方向的应变，不能进行全域性的测量。 3只能测得电

5、阻应变片栅长范围内的平均应变值，因此对应变梯度大的应力场无法进 行测量。2. 电阻应变片的工作原理、构造和分类2.1电阻应变片的工作原理由物理学可知，金属导线的电阻值R与其长度L成正比，与其截面积A成反比，若金属导线的电阻率为 ，则用公式表示为当金属导线沿其轴线方向受力而产生变形时，其电阻值也随之发生变化，这一现象称为应变-电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，可将式(1)取对数并微分，得dRTd dL dA T T1a)式中半为金属导线长度的相对变化,可用应变表示，即dLL1b)为导线截面积的相对变化，若导线直径为D,则dATdLT1c)式中 为导线材料的泊松比。将式(lb )和)代入式(l

6、a)即可得dR dR(l 2 )2)式(2)表明，金属导线受力变形后，由于其几何尺寸和电阻率发生变化，从而使其 电阻发生变化。可以设想，若将一根金属丝粘贴在构件表面上，当构件产生变形时，金属 丝也将随之变形，利用金属丝的应变-电阻效应就可将构件表面的应变量直接转换为电阻 的相对变化量。电阻应变片就是利用这一原理制成的应变敏感元件。dR/ d /若令叫(1 2 )(3)则式(2)写成dRRKS4)KS为金属导线(或称金属丝)的灵敏系数，它表示金属导线对所承受的应变量的灵敏程度。由式（3）看出，这一系数不仅与导线材料的泊松比有关，且与导线变形后电阻率 的相对变化有关。我们希望金属导线电阻的相对变化

7、与应变量之间呈线性关系，即希望KS 为常数。实验表明，大多数金属导线在弹性范围内电阻的相对变化与应变量之间是呈线性 关系的，在金属导线的弹性范围内（1+2 ）值一般在1.41.8之间。2.2电阻应变片的构造不同用途的电阻应变片，其构造不完全相同，但一般都由敏感栅、引线、基底、盖层 和粘结组剂成，其构造简图如图2所示。敏感栅是应变片中将应变量转换成 电量的敏感部分，是用金属或 半导体材料制成的单丝或栅 状体。敏感栅的形状与尺寸直 接影响应变片的性能。敏感栅 如图3所示，其纵向中心线称 为纵向轴线，也是应变片的轴 线。敏感栅的尺寸用栅长 L 和栅宽B来表示。栅长指敏感 栅在其纵轴方向的长度，对于

8、带有圆弧端的敏感栅，该长 度为两端圆弧内侧之间的距 离，对于两端直线的敏感栅， 则为两直线内侧的距离；在 与轴线垂直的方向上敏感栅 外侧之间的距离为栅宽。栅 长与栅宽代表应变片的标称尺寸。一般应变片栅长在0.2毫米至100毫米之间。引线 用以从敏感栅引出电信号的镀银线状或镀银带状导线，一般直径在0.150.3毫 米之间。基底 用以保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置的部分，基底尺寸通常代表应变片 的外形尺寸。粘结剂用以将敏感栅固定在基底上，或者将应变片粘结在被测构件上，具有一定的电绝 缘性能。盖层 用来保护敏感栅而覆盖在敏感栅上的绝缘层。2.3电阻应变片的分类1按应变片敏感栅材料分类根据应变片

9、敏感栅所用的材料不同可分为金属电阻应变片和半导体应变片。半导体应 变片的敏感栅是由锗或硅等半导体材料制成的；金属电阻应变片则又分为金属丝式应变 片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。a. 金属丝式应变片金属丝式应变片的敏感栅是用直径为0.01 0.05毫米的镍合金或镍铬合金的金属丝丝绕式短接式图 4 金属丝式应变片制成的，它有丝绕式和短接式两种， 见图 4。前者是用一根金属丝绕制而 成，敏感栅的端部呈圆弧形；后者则 是用数根会属丝排列成纵栅，再用较 粗的金属丝与纵栅两端交错焊接而 成，敏感栅端部是平直的。丝绕式应变片敏感栅的端部呈 圆弧形，当被测构件表面存在两个方向应变时（即平面应变状态）敏感栅

10、不但感受轴线方 向的应变，同时还能感受到与轴线方向垂直的应变，这就是电阻应变片的横向效应。丝绕 式应变片的横向效应较大，测量精度较低，且端部圆弧部分形状不易保证，因此，丝绕式 应变片性能分散。短接式应变片敏感栅的端部平直且较粗，电阻值很小，故其横向效应很 小，加之制造时敏感栅形状较易保证，故测量精度较高。但由于敏感栅中焊点较多，容易 损坏，疲劳寿命较低。b. 金属箔式应变片图 5 金属箔式应变片成任意图形的敏感栅，制成小标距应变片和传感器用的特殊形状的应变片。图 6 金属箔式应变片制作流程金属箔式（简称为箔式）应变片，见图 5，是用厚 度为0.002一0.005毫米的金属箔（铜镍合金或镍铬合

11、金）作为敏感栅的材料。该应变片制作大致分为刻图、 制版、光刻、腐蚀等工艺过程，见图 6。箔式应变片制 造工艺易于实现自动化大量生产，易于根据测量要求制箔式应变片敏感栅端部的横向部分可以做成比较宽的栅条，其横向效应很小；箔栅的 厚度很薄，能较好的反映构件表面的应变，也易于粘贴在弯曲的表面上；箔式应变片蠕变 小、散热性能好、疲劳寿命长，测量精度高。由于箔式应变片具有以上诸多优点，故在各 个测量领域中得到广泛的应用。c. 金属薄膜应变片金属薄膜应变片的敏感栅是用真空蒸镀、沉积或溅射的方法将金属材料在绝缘基底上 制成一定形状的薄膜而形成的，膜的厚度由几埃到几千埃不等，有连续膜和不连续膜之分， 其性能也

12、不一样。金属薄膜应变片易于制成高温应变片，直接将应变片做在传感器弹性元 件上。2. 按应变片敏感栅结构形状分金属电阻应变片按敏感栅的结构形状可分为a.单轴应变片单轴应变片一般是指具有一个敏感栅 的应变片，见图4、图5，这种应变片可用 来测量单向应变。若把几个单轴敏感栅做在 同一个基底上，则称为平行轴多栅应变片或 同轴多栅应变片，如图7所示，这类应变片 用来测量构件表面的应变梯度。平行轴多栅应变片同轴劣栅应变片图7 单轴多栅应变片b.应变花（多轴应变片）由两个或两个以上轴线相交成一定角度的敏感栅制成的应变片称为多轴应变片，也称 为应变花，用于测量平面应变，图8所示是几种比较典型的应变花，也有应变

13、片轴线不等 夹角和敏感栅重叠在一起的应变花。(a)二轴 90(b)三轴 45(c)三轴 60(d)三轴 12 0图8 多轴应变花3. 按应变片的工作温度分 每种应变片只能在一定的工作温度范围内中使用，根据应变片的工作温度可分为： 常温应变片其工作温度为-300C至+600C。一般的常温应变片使用时温度基本保持不变，否 则会有热输出，若使用时温度变化大，则可使用常温温度自补偿应变片。中温应变片其工作温度为+6O0C至+3500CO高温应变片工作温度高于+3500C时，均为高温应变片。 低温应变片工作温度低于-3O0C时，均为低温应变片。3. 电阻应变片的工作特性及标定3.1 电阻应变片的工作特性

14、用来表达应变片的性能及特点的数据或曲线，称为应变片的工作特性。应变片使用范 围非常广泛，使用条件差异甚大，对应变片的性能要求不同，因此对不同条件下使用的应 变片，对其检测的工作特性不同，下面仅介绍常温应变片的工作特性。1.应变片电阻（R）指应变片在未经安装也不受力的情况下，室温时测定的电阻值。根据测量对象和测量 仪器的要求选择应变片的电阻值。在允许通过同样工作电流的情况下，选用较大电阻值的 应变片，这样可提高应变片的工作电压，使输出信号加大，提高测量灵敏度。用于测量构件应变的应变片阻值一般为120欧姆，这与检测仪器（电阻应变仪）的设 计有关；用于制作应变式传感器的应变片阻值一般为350、500

15、和1000欧姆。制造厂对应变片的电阻值逐个测量，按测量的应变片阻值分装成包，并注明每包应变 片电阻的平均值以及单个应变片阻值与平均值的最大偏差。2应变片灵敏系数（K）指在应变片轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化RR与安装应变片 的试件表面上轴向应变的比值，即5)应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅灵敏系数，但还与敏感栅的结构型式和几何尺寸 有关；此外，试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅的，所以应变片的灵敏系 数还与基底和粘结剂的种类及厚度有关。因此应变片的灵敏系数受到多种因素的影响，无 法由理论计算得到。应变片灵敏系数是由制造厂按应变片检定标准，抽样在专门的设备上进行标定的，并 将标定得到的灵敏系数在包装上注明。应变片灵敏系数一般在1.802.50之间。机械应变今）举图9 应变片的机械滞后指示应变喷洋3. 机械滞后（Z/指在恒定温度下，对安装有应变片的试件加载 和卸载，以试件的机械应变（试件受力产生的应变） 为横坐标