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1、 实验应变分析实验应变分析主要的测试方法主要的测试方法主要的测试方法主要的测试方法电测法电测法电测法电测法包括电阻、电容、电感测试法包括电阻、电容、电感测试法包括电阻、电容、电感测试法包括电阻、电容、电感测试法 电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测量，易于实现数字化、自动化；可用于不同环境下的量，易于实现数字化、自动化；可用于不同环境下的量，易于实现数字化、自动化；可用于不同环境下的量，易于实现数字化、自动化；可用于不同环境下的测量；成本低廉。缺点
2、是只能点测量固定方向应变，测量；成本低廉。缺点是只能点测量固定方向应变，测量；成本低廉。缺点是只能点测量固定方向应变，测量；成本低廉。缺点是只能点测量固定方向应变，不能全域测量。不能全域测量。不能全域测量。不能全域测量。光测法光测法光测法光测法 包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等 光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折射效光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折射效光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折射效光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有
3、双折射效应的透明受力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应的透明受力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应的透明受力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应的透明受力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部边界应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部边界应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部边界应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部边界应力测量。但周期长、成本高。应力测量。但周期长、成本高。应力测量。但周期长、成本高。应力测量。但周期长、成本高。机械测试法机械测试法机械测试法机械测试法利用引伸仪测定试件变形需经过放大。有杠杆式和齿利用引伸仪测定试件变形需经
4、过放大。有杠杆式和齿利用引伸仪测定试件变形需经过放大。有杠杆式和齿利用引伸仪测定试件变形需经过放大。有杠杆式和齿轮式两种。轮式两种。轮式两种。轮式两种。电阻应变片的发展与应用电阻应变片的发展与应用电阻应变片测量技术起源于电阻应变片测量技术起源于电阻应变片测量技术起源于电阻应变片测量技术起源于19191919世纪。世纪。世纪。世纪。1856185618561856年，汤姆逊对金属丝进行了拉伸试验，发现金属年，汤姆逊对金属丝进行了拉伸试验，发现金属年，汤姆逊对金属丝进行了拉伸试验，发现金属年，汤姆逊对金属丝进行了拉伸试验，发现金属丝的应变和电阻的变化有一定的函数关系；之后，人丝的应变和电阻的变化有
5、一定的函数关系；之后，人丝的应变和电阻的变化有一定的函数关系；之后，人丝的应变和电阻的变化有一定的函数关系；之后，人们利用惠斯登电桥来精确地测量电阻的变化。们利用惠斯登电桥来精确地测量电阻的变化。们利用惠斯登电桥来精确地测量电阻的变化。们利用惠斯登电桥来精确地测量电阻的变化。1938193819381938年，年，年，年，EEEE西门斯（西门斯（西门斯（西门斯（E E E ESimmonsSimmonsSimmonsSimmons）和）和）和）和AAAA鲁（鲁（鲁（鲁（A A A ARuseRuseRuseRuse），），），），制出了第一批实用的纸基丝绕形式电阻应变制出了第一批实用的纸基丝绕
6、形式电阻应变制出了第一批实用的纸基丝绕形式电阻应变制出了第一批实用的纸基丝绕形式电阻应变片。片。片。片。40404040年代，出现了可调节的由年代，出现了可调节的由年代，出现了可调节的由年代，出现了可调节的由测量电桥测量电桥测量电桥测量电桥和和和和放大器放大器放大器放大器组成的组成的组成的组成的电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪，使电阻应变测量技术在工程技术和科学，使电阻应变测量技术在工程技术和科学，使电阻应变测量技术在工程技术和科学，使电阻应变测量技术在工程技术和科学实验领域内获得广泛的应用。实验领域内获得广泛的应用。实验领域内获得广泛的应用。实验领域内获得广泛的应用。19531953
7、19531953年年年年PPPP杰克逊利用光刻技术，首次制成了箔式应杰克逊利用光刻技术，首次制成了箔式应杰克逊利用光刻技术，首次制成了箔式应杰克逊利用光刻技术，首次制成了箔式应变片，随着微光刻技术的进展，这种应变计的栅长可变片，随着微光刻技术的进展，这种应变计的栅长可变片，随着微光刻技术的进展，这种应变计的栅长可变片，随着微光刻技术的进展，这种应变计的栅长可短至短至短至短至0.178mm0.178mm0.178mm0.178mm1954195419541954年史密斯发现半导体材料具有的压阻效应。年史密斯发现半导体材料具有的压阻效应。年史密斯发现半导体材料具有的压阻效应。年史密斯发现半导体材料
8、具有的压阻效应。 为了克服直流放大器信息的漂移和线性精度度差等缺为了克服直流放大器信息的漂移和线性精度度差等缺为了克服直流放大器信息的漂移和线性精度度差等缺为了克服直流放大器信息的漂移和线性精度度差等缺点，传统的电阻应变仪都采用交流放大器以载波放点，传统的电阻应变仪都采用交流放大器以载波放点，传统的电阻应变仪都采用交流放大器以载波放点，传统的电阻应变仪都采用交流放大器以载波放大方式传递信号这种仪器的性能稳定，其精度能满大方式传递信号这种仪器的性能稳定，其精度能满大方式传递信号这种仪器的性能稳定，其精度能满大方式传递信号这种仪器的性能稳定，其精度能满足一般的测试要求，但它的工作频率受载波频率的限
9、足一般的测试要求，但它的工作频率受载波频率的限足一般的测试要求，但它的工作频率受载波频率的限足一般的测试要求，但它的工作频率受载波频率的限制，而且存在电容制，而且存在电容制，而且存在电容制，而且存在电容, , , ,电感影响，测量精度等问题。电感影响，测量精度等问题。电感影响，测量精度等问题。电感影响，测量精度等问题。 1957195719571957年，年，年，年，W.P.MasonW.P.MasonW.P.MasonW.P.Mason，等研制出半导体应变片，其灵等研制出半导体应变片，其灵等研制出半导体应变片，其灵等研制出半导体应变片，其灵敏系数比金属丝应变片高敏系数比金属丝应变片高敏系数比
10、金属丝应变片高敏系数比金属丝应变片高50505050倍，现已用于不同环境、倍，现已用于不同环境、倍，现已用于不同环境、倍，现已用于不同环境、条件下各种类型的电阻应变片，还有用于测量残余应条件下各种类型的电阻应变片，还有用于测量残余应条件下各种类型的电阻应变片，还有用于测量残余应条件下各种类型的电阻应变片，还有用于测量残余应力和应力集中等的特殊应变片力和应力集中等的特殊应变片力和应力集中等的特殊应变片力和应力集中等的特殊应变片60606060年代，出现了采用直流放大器的电阻应变仪。年代，出现了采用直流放大器的电阻应变仪。年代，出现了采用直流放大器的电阻应变仪。年代，出现了采用直流放大器的电阻应变
11、仪。 近来，朝着数字化、自动化方向发展，现已有数字式测近来，朝着数字化、自动化方向发展，现已有数字式测近来，朝着数字化、自动化方向发展，现已有数字式测近来，朝着数字化、自动化方向发展，现已有数字式测量动、静态数据采集处理系统。目前，各种不同规格、量动、静态数据采集处理系统。目前，各种不同规格、量动、静态数据采集处理系统。目前，各种不同规格、量动、静态数据采集处理系统。目前，各种不同规格、不同品种的电阻应变片已有二万多种不同品种的电阻应变片已有二万多种不同品种的电阻应变片已有二万多种不同品种的电阻应变片已有二万多种电阻测量技术可分为电阻测量技术可分为电阻测量技术可分为电阻测量技术可分为静态应变静
12、态应变静态应变静态应变测量和测量和测量和测量和动态应变动态应变动态应变动态应变测量两类。测量两类。测量两类。测量两类。恒定的载荷或短时稳定的载荷的测量，称为静态测量；恒定的载荷或短时稳定的载荷的测量，称为静态测量；恒定的载荷或短时稳定的载荷的测量，称为静态测量；恒定的载荷或短时稳定的载荷的测量，称为静态测量；对载荷在对载荷在对载荷在对载荷在2-1200Hz2-1200Hz2-1200Hz2-1200Hz范围内变化的测量，称为动态测量。范围内变化的测量，称为动态测量。范围内变化的测量，称为动态测量。范围内变化的测量，称为动态测量。不同的工作温度对电阻应变片和导线等有不同的要求，不同的工作温度对电
13、阻应变片和导线等有不同的要求，不同的工作温度对电阻应变片和导线等有不同的要求，不同的工作温度对电阻应变片和导线等有不同的要求，一般将应变测量按工作温度分为五个区段：一般将应变测量按工作温度分为五个区段：一般将应变测量按工作温度分为五个区段：一般将应变测量按工作温度分为五个区段： 常温应变测量：常温应变测量：常温应变测量：常温应变测量： 30303030一一一一60C60C60C60C0 0 0 0 中温应变测量：中温应变测量：中温应变测量：中温应变测量： 60606060一一一一300C300C300C300C0 0 0 0 高温应变测量：高温应变测量：高温应变测量：高温应变测量： 300C3
14、00C300C300C0 0 0 0 低温应变测量：低温应变测量：低温应变测量：低温应变测量： -30-30-30-30一一一一-l00C-l00C-l00C-l00C0 0 0 0 超低温应变测量：超低温应变测量：超低温应变测量：超低温应变测量： -l00C-l00C-l00C-l00C0 0 0 0线性度线性度线性度线性度要求输入与输出的关系是线性；要求输入与输出的关系是线性；要求输入与输出的关系是线性；要求输入与输出的关系是线性；灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度输出的变化量与输入变化量的比值；输出的变化量与输入变化量的比值；输出的变化量与输入变化量的比值；输出的变化量与输入变化量的比值；滞后现象
15、滞后现象滞后现象滞后现象输入量增、减时，输出量不同，出明显滞后现象；输入量增、减时，输出量不同，出明显滞后现象；输入量增、减时，输出量不同，出明显滞后现象；输入量增、减时，输出量不同，出明显滞后现象；灵敏度与分辨率灵敏度与分辨率灵敏度与分辨率灵敏度与分辨率当输入量由零增大时，能够测量到的最小值称为灵当输入量由零增大时，能够测量到的最小值称为灵当输入量由零增大时，能够测量到的最小值称为灵当输入量由零增大时，能够测量到的最小值称为灵敏度；敏度；敏度；敏度；零飘与温飘零飘与温飘零飘与温飘零飘与温飘输入量不变，环境温度不变，输出量随时间变化成输入量不变，环境温度不变，输出量随时间变化成输入量不变，环境
16、温度不变，输出量随时间变化成输入量不变，环境温度不变，输出量随时间变化成为零飘；外界温度变化所引起的变化成为温飘；为零飘；外界温度变化所引起的变化成为温飘；为零飘；外界温度变化所引起的变化成为温飘；为零飘；外界温度变化所引起的变化成为温飘；测量的基本概念测量的基本概念电阻测量应变原理及方法电阻测量应变原理及方法电阻测量应变原理及方法电阻测量应变原理及方法 电阻应变片测量技术电阻应变片测量技术电阻应变片测量技术电阻应变片测量技术是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应力
17、应变关系式，确定构件表面应力状态的一种力应变关系式，确定构件表面应力状态的一种力应变关系式，确定构件表面应力状态的一种力应变关系式，确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。实验应力分析方法。实验应力分析方法。实验应力分析方法。测试过程：测试过程：测试过程：测试过程：被测部件被测部件被测部件被测部件 应变片应变片应变片应变片 测量电路测量电路测量电路测量电路 放大线路放大线路放大线路放大线路 显示记录显示记录显示记录显示记录惠斯登电桥惠斯登电桥电阻应变片测量应变电阻应变片测量应变电阻应变片电阻应变片应变片的工作原理应变片的工作原理 因绝大部分金属丝受到拉伸或缩短时，电阻值会因绝大部分金属丝受
18、到拉伸或缩短时，电阻值会增大增大( (或减小或减小) )，这种，这种电阻值随形变发生变化电阻值随形变发生变化的现的现象，叫做象，叫做电阻应变效应电阻应变效应 电阻应变片就是基于金属导体的电阻应变效应制电阻应变片就是基于金属导体的电阻应变效应制成的。成的。 电阻应变片电阻应变片当电阻丝受到拉伸、压缩时有下式存在当电阻丝受到拉伸、压缩时有下式存在当电阻丝受到拉伸、压缩时有下式存在当电阻丝受到拉伸、压缩时有下式存在电阻应变片电阻应变片称为单根金属丝应变灵敏系数。可见二者存在称为单根金属丝应变灵敏系数。可见二者存在线性关系。线性关系。常有电阻应变片的灵敏系数常有电阻应变片的灵敏系数电阻应变片电阻应变片
19、电阻应变片的构造电阻应变片的构造电阻值下限：电阻值下限：单用一根金属丝作为敏感元件来测量应变，在理单用一根金属丝作为敏感元件来测量应变，在理单用一根金属丝作为敏感元件来测量应变，在理单用一根金属丝作为敏感元件来测量应变，在理论上是可能的。然而，为了防止电源超载，并使论上是可能的。然而，为了防止电源超载，并使论上是可能的。然而，为了防止电源超载，并使论上是可能的。然而，为了防止电源超载，并使金属丝中电流所产生的热量不过大，金属丝的电金属丝中电流所产生的热量不过大，金属丝的电金属丝中电流所产生的热量不过大，金属丝的电金属丝中电流所产生的热量不过大，金属丝的电阻值不能太小，对金属丝的阻值绐定一个下限
20、：阻值不能太小，对金属丝的阻值绐定一个下限：阻值不能太小，对金属丝的阻值绐定一个下限：阻值不能太小，对金属丝的阻值绐定一个下限：约为约为约为约为100100100100比如：若用直径为比如：若用直径为比如：若用直径为比如：若用直径为0.025mm0.025mm0.025mm0.025mm、电阻为电阻为电阻为电阻为1000 1000 1000 1000 的金属丝制造一个的金属丝制造一个的金属丝制造一个的金属丝制造一个100 100 100 100 的应变计，就要求单根的应变计，就要求单根的应变计，就要求单根的应变计，就要求单根丝长为丝长为丝长为丝长为100mm100mm100mm100mm。应变
21、测量时，往往要求测量构件表应变测量时，往往要求测量构件表应变测量时，往往要求测量构件表应变测量时，往往要求测量构件表面一点处的应变。把电阻丝做成栅状，直接粘贴面一点处的应变。把电阻丝做成栅状，直接粘贴面一点处的应变。把电阻丝做成栅状，直接粘贴面一点处的应变。把电阻丝做成栅状，直接粘贴于构件表面，就能使电阻丝长度问题及应变片安于构件表面，就能使电阻丝长度问题及应变片安于构件表面，就能使电阻丝长度问题及应变片安于构件表面，就能使电阻丝长度问题及应变片安装问题得到解决。装问题得到解决。装问题得到解决。装问题得到解决。电阻应变片的构造电阻应变片的构造 电阻应变片主要由电阻应变片主要由电阻应变片主要由电
22、阻应变片主要由敏感栅敏感栅敏感栅敏感栅、基底基底基底基底、引线引线引线引线、粘结剂粘结剂粘结剂粘结剂和和和和覆盖层覆盖层覆盖层覆盖层五部分组成。五部分组成。五部分组成。五部分组成。电阻应变片的构造电阻应变片的构造电阻应变片性能参数电阻应变片性能参数应变片电阻应变片电阻应变片电阻应变片电阻在无受力及室温测定下的电阻值。在无受力及室温测定下的电阻值。在无受力及室温测定下的电阻值。在无受力及室温测定下的电阻值。通常：通常：通常：通常：120120120120；250250250250；300300300300；500500500500；1000 1000 1000 1000 灵敏系数灵敏系数灵敏系数
23、灵敏系数轴向受力，应变片电阻值的变化与沿轴向应轴向受力，应变片电阻值的变化与沿轴向应轴向受力，应变片电阻值的变化与沿轴向应轴向受力，应变片电阻值的变化与沿轴向应 变的比值。变的比值。变的比值。变的比值。电阻应变片性能参数电阻应变片性能参数K 是反映电阻应变片对构件表面单位是反映电阻应变片对构件表面单位应变应变所产生所产生的的电阻相对变化量电阻相对变化量。它的大小主要取决于敏感栅。它的大小主要取决于敏感栅材料的灵敏系数材料的灵敏系数KsKs，但两者又不相等。但两者又不相等。 原因原因: : 1. 1.由于横栅的存在，使制成敏感栅之后的灵敏系由于横栅的存在，使制成敏感栅之后的灵敏系数小于丝材的灵敏
24、系数数小于丝材的灵敏系数, ,差别的大小与敏感栅的结差别的大小与敏感栅的结构形式和几何尺寸有关。构形式和几何尺寸有关。 2.2.试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅的感栅的, ,电阻丝横界面的几何不均匀等的影响。电阻丝横界面的几何不均匀等的影响。电阻应变片的构造电阻应变片的构造电阻应变片的性能参数电阻应变片的性能参数横向效应系数横向效应系数(H):(H): 通常要求应变片的指示应变值只反映构件通常要求应变片的指示应变值只反映构件b b表面的应变片轴线方向上的应变。然而，表面的应变片轴线方向上的应变。然而，应变片的敏感栅中除了有纵栅外，还有圆应变片
25、的敏感栅中除了有纵栅外，还有圆弧形或直线形的横栅，横栅的电阻变化是弧形或直线形的横栅，横栅的电阻变化是由于构件表面轴向应变和横向应变共同作由于构件表面轴向应变和横向应变共同作用的结果，因此应变片具有横向效应用的结果，因此应变片具有横向效应H H。电阻应变片的参数电阻应变片的参数H H 将应变片贴于平面应变场中若沿应变片轴线方将应变片贴于平面应变场中若沿应变片轴线方将应变片贴于平面应变场中若沿应变片轴线方将应变片贴于平面应变场中若沿应变片轴线方向的应变记为向的应变记为向的应变记为向的应变记为 ，垂直于轴线方向的横向应变，垂直于轴线方向的横向应变，垂直于轴线方向的横向应变，垂直于轴线方向的横向应变
26、记为记为记为记为 ，剪应变记为，剪应变记为，剪应变记为，剪应变记为 ，则应变片敏感栅的电则应变片敏感栅的电则应变片敏感栅的电则应变片敏感栅的电阻相对变化可表示为下式：阻相对变化可表示为下式：阻相对变化可表示为下式：阻相对变化可表示为下式：电阻应变片的性能参数电阻应变片的性能参数温度效应：温度效应：温度效应：温度效应：-当电阻应变片安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，当电阻应变片安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，当电阻应变片安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，当电阻应变片安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，在温度变化的情况下，它的电阻会发生变化的现象，称为在温度变化的情况下，它
27、的电阻会发生变化的现象，称为在温度变化的情况下，它的电阻会发生变化的现象，称为在温度变化的情况下，它的电阻会发生变化的现象，称为电阻应变片的温度效应。电阻应变片的温度效应。电阻应变片的温度效应。电阻应变片的温度效应。 -温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻会发生变化，温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻会发生变化，温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻会发生变化，温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻会发生变化，并且，应变片和构件都会因温度变化而产生变形，从而使并且，应变片和构件都会因温度变化而产生变形，从而使并且，应变片和构件都会因温度变化而产生变形，从而使并且，应变片和构件都会因温度变化而产生变形，从
28、而使应变片的电阻值随温度变化而变化。这种温度效应将影响应变片的电阻值随温度变化而变化。这种温度效应将影响应变片的电阻值随温度变化而变化。这种温度效应将影响应变片的电阻值随温度变化而变化。这种温度效应将影响电阻应变片测量构件表面应变的准确性。通常，将温度效电阻应变片测量构件表面应变的准确性。通常，将温度效电阻应变片测量构件表面应变的准确性。通常，将温度效电阻应变片测量构件表面应变的准确性。通常，将温度效应产生的应变片的电阻相对变化所对应的应变量，称为应产生的应变片的电阻相对变化所对应的应变量，称为应产生的应变片的电阻相对变化所对应的应变量，称为应产生的应变片的电阻相对变化所对应的应变量，称为热热
29、热热输出输出输出输出。电阻应变片的性能参数电阻应变片的性能参数可见，电阻应变片的温度效应主要取决于敏感栅和可见，电阻应变片的温度效应主要取决于敏感栅和构件材料的性能和温度变化范围。但实际上，它还构件材料的性能和温度变化范围。但实际上，它还与基底和粘结剂材料、应变片制造工艺和使用条件与基底和粘结剂材料、应变片制造工艺和使用条件等有关。等有关。热输出热输出敏感栅材料的电阻温度系数敏感栅材料的电阻温度系数构件材料的线膨胀系数构件材料的线膨胀系数敏感栅材料的线性膨胀系数敏感栅材料的线性膨胀系数电阻应变片的性能参数电阻应变片的性能参数稳定性稳定性 电阻应变片的稳定性是指在工作条件恒定的情下，电阻应变片的
30、稳定性是指在工作条件恒定的情下，电阻应变片的稳定性是指在工作条件恒定的情下，电阻应变片的稳定性是指在工作条件恒定的情下，经历规定的时间后，仍能保持原有性能参数的能经历规定的时间后，仍能保持原有性能参数的能经历规定的时间后，仍能保持原有性能参数的能经历规定的时间后，仍能保持原有性能参数的能力。它是反映电阻应变片长期静态工作能力的重力。它是反映电阻应变片长期静态工作能力的重力。它是反映电阻应变片长期静态工作能力的重力。它是反映电阻应变片长期静态工作能力的重要性能。通常，电阻应变片的稳定性用应变片的要性能。通常，电阻应变片的稳定性用应变片的要性能。通常，电阻应变片的稳定性用应变片的要性能。通常，电阻应变片的稳定性用应变片的电阻值漂移电阻值漂移电阻值漂移电阻值漂移和和和和蠕变蠕变蠕变蠕变大小来表示。大小来表示。大小来表示。大小来表示。应变片的分类：应变片的分类：应变片的分类：应变片的分类：应变片的分类：应变片的分类：
