电阻应变测量技术.ppt

3-0 概述 基本原理 利用电阻应变片作为传感元件，将应变片贴在被测物体上，会随被测物 体的变形而拉长或收缩，从而改变电阻值，反映被测物体应变的大小。 待测非电量电阻变化R应变值 感受应变： R 测量R：应变仪 l将应变片的 R U或 I ，惠斯顿电桥 l放大器 l输出应变值 * 1 工作原理 电阻应变效应 以丝式应变片为例 3-1 电阻应变片 * 3-1 电阻应变片 理论推导分析 l大应变时d/，通常不是常数； l但对于康铜等少数几种电阻丝而言， d/基本为定值,因此它 们可用于大应变（800010000）的量测，可以满足一般工程中应变 测试的要求。 l半导体的d/通常100 实际情形 l电阻丝端头横向变形 l基底传递变形的影响 l电阻应变片的实际灵敏度KKS。实际工作中一般采用标定的方法确定 应变片的灵敏度。 * 3-1 电阻应变片 例题：等强度梁静态应变测试 采用等强度钢梁，钢梁的=0.285，L=150mm,室温、单向受力状态，应变 片丝栅方向与最大主应变方向一致，采用砝码在梁一端施加作用力P=0.1KN ，测得挠度为1.5mm，实测量得电阻由120变为120.12，求得应变片的 实际灵敏度K。 梁高h=5mm 梁长 L=150mm P R/R: R/R=（120.12-120）/120=0.001 : =E =Mh/2I (1) f=-ML2/3EI (2) (1) /(2):=-hf/L2 =0.0005 K: K= R/R/ =2 * 3-1 电阻应变片 2 构造 （1）电阻丝：敏感材料，关键性部 分。 要求：电阻率大，应变电阻系 数大，温度电阻系数小，压延 性好。 材料：铜镍、镍铬、铁铬铝等 高阻合金。 （2）基底与覆盖层： 作用：定位，传力，保护 要求：绝缘，强度大，易粘贴 ，蠕变小，滞后小，防潮，热 稳定，温度应变小。 材料：纸基、胶基、纸浸胶基 （3） 引线与接线端子：0.15- 0.18的镀锡（铱、银）软铜线。 电阻 丝 引线 基底 覆盖 层 正视图侧视图 接线端 子 * 3-1 电阻应变片 3 分类 (1)金属类 金属丝式应变片。 丝绕式、短接式 0.01-0.03mm ，响应时间为10-7s， 散热效果差，许用电流低。 圆角线栅，横向效应大； 直角线栅，制作复杂。 * 3-1 电阻应变片 3 分类 (1)金属类 箔式应变片 3- 10m厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷。 照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的一种传感器 。横向效应小，散热好于丝式。 薄膜式应变片：800 厚度0.1m的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等特殊条件 * 3-1 电阻应变片 3 分类 （2）半导体式应变片（压阻效应） 半导体材料，根据压阻效应制成。 灵敏系数高，K100，可直接用万用表测 出现于50年代中期 应变响应时间仅有10-11s 热稳性能差；大应变时，非线形较大，多用于测量500以下的小应变 。 * 3-1 电阻应变片 3 分类 （3）应变花 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。 测量主应力方向未知条件下平面应力状态。 自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （1）灵敏系数 灵敏系数：单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平 行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之比值 电阻丝端头横向变形，电阻应变片的实际灵敏度KK0。实际工作中一 般采用标定的方法确定应变片的灵敏度。 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （2）横向效应 由于横向应变使得应变片的总电阻变化量减小的现象，降低灵 敏度，称横向效应。横向效应用横向效应系数描述H。 横向应变 H通过实际测定，一般较小，只有高精度测量才考虑修正。 在同一单向应变中，垂直与单向应变粘贴的应变片与平行与单 向应变方向的同批应变片的指示的应变之比值（用百分数表示 ）。 问题： H不能通过计算得到吗？ * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （2）横向效应的影响 不考虑H 考虑H： 实测的灵敏度K 设此时测点的真实应变为x 、y，实测应变为x 、，由式2、3 得。 相对误差为 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 例：单向受力条件横向效应误差估计 单向应力状态下： y=-x 设H=0.03 平面受力条件横向效应误差估计 双向受压的混凝土梁，设： x /y=1，H=0.03，求横向效应。 解： * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （3）应变片的规格几何参数 应变片的敏感栅工作面积：应变片敏 感栅长宽之积，S=L*b。 L-栅长标距 b-栅宽 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 b L * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （4）应变片电阻值 应变片电阻值：指应变片在未安装、不受外力、室温条件下的电阻 值。 单片阻值：单个应变片的标定电阻值。 标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一定值，如120、 240。一般应变仪是按120应变片要求设计的。 平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如 120 0.5%或1200.6。 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （5）机械滞后 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。 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （6） 零漂、蠕变 零漂：不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变化。 蠕变：受力、恒温情况下，应变测量值的变化。 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。 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （7）应变极限 应变极限：应变片最大应变测量值。 一般确定：应变片显示的值与机械应变的相对误差达到规定标准（ 一般10%）时的机械应变即为应变极限。此时，认为应变片失去了 工作能力。 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （8）绝缘电阻 l敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。 应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志 保证长时间的测量 l50M欧,高精度测试 l2M欧,一般 * 上次课的复习 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 * 上次课程复习 横向效应的影响 不考虑H 考虑H： 实测的灵敏度K 设此时测点的真实应变为x 、y，实测应变为x 、，由式2、3 得。 相对误差为 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （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，金属丝式为10-7s，半导体式为10-11s，可以认为应变片是 基本没有惯性的。 * 3-1 电阻应变片 4 应变片的参数和工作特性 （10）应变片的许用电流 控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由厂家提供。 一般丝式应变片许用电流为2025mA，测动态时可达75100mA 箔式应变片散热性能好，可达200mA以上。 * 3-1 电阻应变片 5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (1) 应变片选用： 工作环境 温度保证、地下工程中防潮特性好 被测物的材料性质 弹模高，基长小；粗晶粒岩石混凝土选用基长长 按被测试件受力状态和应变性质：应变花 变化大选用基长小，变化小选用基长大 按测量精度： 标距、电阻值、灵敏度 * 3-1 电阻应变片 5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (2)应变片粘结工艺： 应变片检查 外观检查、电阻值检查 表面处理 刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干 贴片与固化 画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶 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 连接导线 导线固定、导线焊接 防潮处理 凡士林、石蜡等 * 3-2 测量电路 定义 l实现二次转换；并构成电阻应变仪。 l惠斯登电桥：以直流惠斯登电桥为例，常用交流。 实际，常设计为等臂电桥： R1=R2=R3=R4=R，设R1为工作片，受力变，产生 阻值增量 R，当 R R时，电压输出为： 表明：等臂电桥的输出电压与应变在一定范围内为线性关系。 U 43 * 3-2 测量电路 同理，四臂均为工作片时： l电桥加减特性： 1、对邻臂，同号电阻变化，相减，异号电阻变化，相加； 2、对对臂，正好相反，同号电阻变化，相加，异号电阻变化，相减 。 l电桥加减特性非常有用： 1）提高电桥灵敏度；2）温度补偿；3）复杂受力试件上测试某外力因 素引起的应变等。 惠斯顿电桥 U 43 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 1 布片和接桥 （1） 布片的一般性原则： l选择主应变大、最能反映力学规律的点贴片 l利用结构对称点，利用电桥的加减特性，合理选择贴片位置，方 位和组桥方式，提高灵敏度，消除影响因素 l避开应力应变非线形区贴片 l在已知应力部位安排测点，检验结果的可靠性 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 1 布片和接桥 （2）接桥：半桥接法和全桥接法。 半桥接法：两个应变片作电桥的相邻臂，另两臂用应变仪电桥盒 中精密无感电阻。 全桥接法：电桥四个臂均由应变片构成。 消除导线电阻的影响，提高灵敏度 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 2 温度补偿 l应变片的温度效应 因环境温度变化引起的虚假应变。 电阻丝的电阻温度变化。 应变片与试件膨胀系数的不同造成的误差。 方法：温度补偿。 温度自补偿应变片法，常用于中、高温； 桥路补偿法，用于常温下。 l桥路补偿法： 补偿块补偿法 工作片补偿法 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 例：温度补偿 康铜丝s=2010-6 /， s =1510-6 /，碳素钢试件的 sh=1110-6 /，试件弹性模量E=2106公斤/厘米2，K=2.0，当 T=1时，求应变片的温度应变t？ 温度升高1， T=+1 t= s T /K + （sh- s） T = 2010-6 1/2+ （ 1110-6 - 1510-6 ） 1 =6 10-6 =1.2公斤/厘米2=1.2Mpa，造成被测物体受拉假象。 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 2 温度补偿 （1）拉弯工作片补偿和补偿块补偿 当单纯补偿片所用的补偿板和待测材料不同时，产生的虚假应变值f为多大？ * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 2 温度补偿 （2）拉弯丁字片补偿 * 上次课的复习 1 测量电路 惠斯登电桥 2 布片与接桥 接桥：半桥接法和全桥接法。 3 温度补偿 温度效应（温度引起电阻的变化、膨胀系数的不同） 温度补偿 温度自补偿应变片法 桥路补偿法 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 3 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 半桥四片补偿块补偿法测拉压 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 3 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 全桥四片测拉压 问题： 1、上述四片应变片在接桥时，可以随意互换吗？ 2、可以采用半桥接法吗？ * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 3 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 全桥四片补偿片测拉压 R3 R2 R4 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 3 各种应力状态下的应力应变测量 （2）主应力方向已知的平面应力测量 2 1 2 34 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 3 各种应力状态下的应力应变测量 （3）主应力方向未知的平面应力测量 应变花贴片，查表 * 3-3应变（应力）测量应变（应力）测量 电阻应变测试的优点： (1) 灵敏度和精确度高； (2)应变片尺寸小、重量轻、惯性小，对被测试件工作状态和应力状态 影响极小； (3)频率响应快，机械滞后