电阻应变片构造及工作原理PPT课件.ppt

1 实验力学 ExpermentalMechanics 2 第二篇电阻应变测量技术 主要内容 电阻应变片 电阻应变测量技术简称为电测法 主要用于测量试件表面的线应变 电阻应变仪 静态应变测量 动态应变测量 3 电阻应变计 4 电阻应变计 5 电阻应变仪 电桥 6 电桥盒 7 电测法的特点 1 优点 1 灵敏度与精确度高 最小读数为一个微应变 2 实测 3 易安装 4 特殊环境 高温 高压 高频 5 自动化处理 由于输出的是电信号 容易实现自动化 2 缺点 1 点测 若分析应力在平面上的分布情况 需要大量的应变片 2 用于宏观测量 最小的应变片长约为0 2mm 电阻应变测量系统 电阻应变片 将构件的应变转换为电阻变化 电阻应变仪 将此电阻变化转换为电压 或电流 的变化 并进行放大 记录器 记录器把电压记录下来 并换算成应变 8 4 1电阻应变片的构造及工作原理 实验表明 绝大多数金属丝受到拉伸时 电阻值会增大 缩短时电阻值会减少 这种电阻值随变形发生变化的现象 叫做电阻应变效应 一 金属丝的灵敏系数 金属丝材的电阻应变效应曲线 金属丝材在一定的变形范围内 电阻值的相对变化 电阻变化率 与其长度的相对变化 应变 之间保持线性关系 1 实验结果 9 金属丝的电阻应变效应可用下面公式来表达 R 表示长为L的丝材的初始电阻 R 表示丝材伸长 L后电阻的变化 K0的物理意义 每单位应变所造成的相对电阻变化 即金属丝电阻变化率对应变的灵敏程度 简称为灵敏系数 2 公式的理论推导 电阻定律 电阻率 导线长度 横截面积 当导线有应变时 均有改变 但变化非常小 所以用上式的微分形式表示 10 设丝栅的横截面是圆 且直径为D 对于单向应力状态 11 灵敏系数 1 与材料有关即与合金的成分 含杂质情况 加工成丝的工艺及热处理过程等有关 2 与电阻率随应变的变化情况有关但电阻率到底依什么规律随应变发生变化 至今尚未圆满的解释 3 各种材料的灵敏系数均由实验测定 12 应变片的构造很简单 把一根很细的具有高电阻率的金属丝绕成栅状 用胶水粘在上下两层薄纸之间 再焊上较粗的引出线 就成了常用的丝绕式应变片 丝绕式应变片 1 覆盖层2 基底3 引出线4 粘结剂5 敏感栅 二 电阻应变片的构造 13 三 常用电阻应变片的类型 1 丝绕式应变片 优点 价格便宜 约3 4角钱一片 容易安装 缺点 基底是纸基片 所以耐湿性差 需要干燥保存 横向效应系数大 当栅长L越小时 H将急剧增加 难以制成小栅长 一般不小于2mm 主要用于建筑工程上 由于建筑上一般是非均匀材料 应变片贴在石子上 钢筋上还是混凝土上其应变大不相同 14 2 短接式应变片 把几条金属丝按一定间距平行拉紧 然后按栅长大小横向焊接较粗的镀银铜线 在适当处切出若干断口 形成敏感栅的横向部分和引出线 再粘上胶膜基底经加温固化而成 优点 横向效应系数很小 可以忽略 缺点 由于内部焊点多和焊点处截面变化剧烈 因而这种应变片的疲劳寿命短 15 优点 栅长尺寸小 可达到0 2mm 散热性能好 因箔式应变片丝栅截面为矩形 故丝栅周表面积大 因而散热性能好 横向效应系数小 因敏感栅横向部分的间隙很小 基底是胶基片 所以耐湿性好 绝缘性好 便于成批生产 生产率高 缺点 价格较贵 3 箔式应变片 将应变合金扎制成厚度小于0 01mm的箔材 经一定热处理后 涂刷一层树脂 经聚合处理后形成基底 然后在未涂的一面用光刻腐蚀工艺得到敏感栅 焊上引出线 再涂一层表面保护 16 4 半导体应变片 半导体应变片的敏感栅只有一条 由单晶硅一类的半导体材料制成 粘上胶膜基底 装上内 外引出线即可 1 硅条 2 内引线3 基底 4 外引线 优点 a 灵敏系数大比前三类应变片的灵敏系数大五十倍以上 当它承受轴向应力时 电阻率会发生明显的变化 从而造成电阻的变化 b 横向效应和机械滞后小 17 半导体应变片的电阻变化率非常大 由于半导体材料的压阻效应很大 以致上式中 1 2 一项可忽略 半导体应变片的灵敏系数 18 缺点 a 半导体应变片的应用范围窄半导体应变片的灵敏系数仅在不大的应变范围内保持常数 而且在此范围之外 拉或压应变时的灵敏系数不同 所以应用范围窄 b 灵敏系数随温度而变化灵敏系数受温度的影响 随温度的增加而减少 5 应变花 将几个敏感栅制在同一基底上 敏感栅由于采取了特殊角布置方式 就形成了各种形式的多轴应变片或称为应变花 用应变花可测量同一点几个方向的应变及一点的主应变和主方向 19 花 三个敏感栅之间的夹角各为花 三个敏感栅之间的夹角各为 按应变片的方位可分为 直角应变花 二个敏感栅之间的夹角为花 三个敏感栅之间的夹角各为 20 四 应变片的灵敏系数用应变片进行应变测量时 应变片中金属丝需要一定的电压 为了防止电流太大 产生发热及熔断等现象 要求金属丝有一定的长度 以获得较大的初始电阻 但在测量构件的应变时 又要求尽可能缩短应变片的长度 接近于真实 一点 的应变 这两者之间出现矛盾 为了满足两方面的需要 把应变片做成栅状 称为敏感栅 一般应变片的灵敏系数由制造厂家实验测量 称为应变片的标定 厂家采用抽样方法 在每一批相同条件下生产的应变片中抽出1 样品进行实验 取其平均值作为这一批应变片的灵敏系数 21 实验过程 1 抽样 2 应变片的安装 将样品安装于简支梁中间截面的上 下表面 并使应变片的栅长方向与梁的轴线方向重合 当梁受载后 在纯弯区域内 梁的上下表面是一个单向应力状态 3 值的测定 沿梁轴线方向安装一个三点挠度计 当梁受力变形后 挠度计上千分表的读数f与梁的轴向应变有如下关系 22 由变形的对称性可看出 跨度中点截面的转角为零 挠曲线在跨度中点处的切线是水平的 所以梁可看作长为 自由端受集中力偶的悬臂梁 由材料力学可知 在纯弯区域内 梁轴线变形后的曲率 梁跨度中间截面上 下表面处的应变 梁自由端的挠度 4 值的测定 将安装在梁上的应变片作为工作片和另外一个补偿片接入电阻应变仪中 把应变仪上的灵敏系数刻度盘转到上 应变仪可测出 则可得 5 计算 23 五 应变片的横向效应系数及其影响横向效应系数是衡量应变片好坏的另一个重要指标 横向应变将影响到测量数据 所以横向应变越小越好 最好是零 1 定义 横向效应系数是在单向应变状态中 应变片沿栅宽和栅长方向电阻变化率之比 H值的实验测定 在单向应变状态中分别贴两个相互垂直的应变片 试件沿x轴方向刚度较小 较易变形 沿y轴方向刚度较大 变形很小 所以可认为在工作区为单向应变状态 24 2片沿x轴方向的电阻变化率 1片沿x轴方向的电阻变化率 2 丝绕式应变片横向效应系数的公式推导将两枚应变片相互垂直地安装在单向应变场内 且应变片轴线与应变x平行或垂直 25 设应变片丝栅每单位长度的电阻值为 第1片应变片 栅长L有n条 初始电阻为 电阻改变量 设弯头部分是半径为r的半圆弧 有n 1个弯头 初始电阻为 求 n 1 个弯头电阻的改变量 26 1 求微段rd 上的电阻改变量当d 极小时 可用过A点的一段切线代替rd 过A点的一段切线与x轴之间的夹角为 这段丝栅承受的应变为 rd 微段上电阻的改变量为 2 一个弯头电阻的改变量 27 3 n 1 个弯头电阻的改变量为 第2片应变片 栅长L有n条 初始电阻为 电阻改变量 n 1个弯头 初始电阻为 求 n 1 个弯头电阻的改变量 1 求微段rd 上的电阻改变量当d 极小时 可用过A点的一段切线代替rd 过A点切线与x轴之间的夹角为这段丝栅承受的应变为 28 2 一个弯头电阻的改变量为 3 n 1 个弯头电阻的改变量为 横向效应系数H的计算 第1片 第2片 rd 微段上电阻的改变量为 弯头 弯头 直线段 直线段 29 当栅长L越大而弯头半径r越小时 横向效应系数H值就越小 第1片 第2片 30 2 横向效应系数对测量值的影响 a 敏感栅的电阻变化率 为了求解一般平面应变状态下应变片的灵敏系数 首先求解敏感栅的电阻变化率 设在应变测量时 构件表面处于二向应变状态 且主应变 主应变方向分别取为 方向 1 一般平面应变状态下应变片的灵敏系数 一枚丝绕式应变片与x轴的夹角为 沿其栅长与栅宽方向的应变记为和 敏感栅电阻变化可按直线部分和弯头部分分别考虑 31 直线部分电阻变化为 弯头部分的电阻变化如图 b 将一个弯头放大 设弯头可当作半圆弧 半径为r 求微段rd 的电阻变化当d 极小时 用过A点的一段切线代替rd 它与x轴的夹角 32 rd 段丝栅的应变为 rd 段丝栅的电阻变化为 一个半圆弧的电阻变化为 上式利用了弹性力学公式 n 1 半圆弧的电阻变化为 33 敏感栅的电阻变化率为 应变片的轴向灵敏系数 应变片的横向灵敏系数 敏感栅仅受到作用 时的电阻变化率 敏感栅仅受到作用 时的电阻变化率 34 对于垂直安装的片2 电阻变化率为 对于水平安装的片1 电阻变化率为 横向效应系数等于横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比 b 用横向与轴向灵敏系数表示横向效应系数 35 表示应变片的横向应变与轴向应变之比 a与应变场的特征和应变片安装方位有关 它表明应变片表现出的对应变的灵敏度是有条件的 除了取决于敏感栅的材料 形状外 还与被测点应变状态的特征和应变片安装方位有关 表达了一般情况下的应变片灵敏系数 c 一般平面应变状态下的应变片的灵敏系数 36 制造厂给出的灵敏系数 只是一般情况下的应变片灵敏系数的一个特例 厂家在对应变片进行标定时 应变片所处的是单向应力状态 2 生产厂给出的灵敏系数 37 3 横向效应系数对测量值的影响 一般情况下应变片的灵敏系数与厂家在对应变片进行标定时给出的灵敏系数之间是有差别的 若不顾这一差别 则所测得的应变值是有误差的 用厂家在标定时给出的灵敏系数进行测量时应变仪的读数 应变仪读数与欲求应变的相对误差为 38 1 引起读数误差的原因之一是横向效应系数 2 单向应力状态只要被测点的应变与应变片标定时相同是单向应力状态 则引起的读数误差为零 即时 则 3 除以上两条外 读数误差必存在 读数误差的修正公式为 4 引起误差的原因 39 六 应变片的工作特征应变片性能的好坏直接影响应变测量的精确度 因此 应对应变片的性能 工作特性 提出一些要求 1 应变片的几何尺寸 指标距 从道理上讲是越小越好 标距越小就越接近于一点 但建筑上测钢筋混凝土的应变值时 尺寸必须大 2 应变片电阻 指应变片没有安装 也不受力的情况下 在室温下测定的电阻值 3 灵敏系数 在单向应力状态下 应变片电阻的相对变化与沿其轴向的应变之比值称为灵敏系数 它经抽样标定 制造厂在包装上注明灵敏系数 灵敏系数在2左右 40 4 机械滞后 在温度不变的情况下 对安装有应变片的试件加载测应变值 然后卸载 再加载到同样外力下 再测应变值 机械滞后机械滞后现象总是存在的 但经多次加载 卸载之后便趋于稳定 所以在使用应变片正式测量之前 最好先预加载几次 5 绝缘电阻 指应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值 绝缘电阻作为安装应变片时粘结层固化程度和是否受潮的标志 绝缘电阻一般大于100M 6 蠕变 在温度不变的情况下 使安装有应变片的试件表面产生某一恒定的应变 应变片的指示应变将随时间稍有下降 此现象称为应变片的蠕变 41 7 横向效应系数 横向效应系数H越小越好 8 应变极限 温度不变 使试件应变逐渐加大 当应变片的指示应变与试件实际应变的相对误差达到某规定值时 此时的试件应变为该应变片的应变极限 在一批应变片中 按一定比例抽样测定应变片的应变极限值 取其中最低的应变极限值 定为这批应变片的应变极限 9 疲劳寿命 已安装的应变片 在一定幅值的交变应变作用下 不致发生机械的或电气的损坏 而且其指示应变和真实应变的差值不超过某一规定数值的应变循环次数 为该应变片的疲劳寿命 在静态应变测量时不要求此参数 42 贴应变片是测量准备工作中最重要的项目 在测量中 构件表面的变形通过粘结层传给敏感栅 显然 只有粘结层均匀 结实 不产生蠕滑 才能保证敏感栅如实地再现构件的变形 因此 精心粘贴很有必要 应变片的粘贴靠手工操作 手工是否准确应在实践中体会和积累经验 七 应变片的粘贴与防护 一 选片 用放大镜检查应变片的外观 剔除那些敏感栅有形状缺陷 片内夹有气泡 霉斑 锈点等缺陷的应变片 然后用万用表测量应变片的阻值 选阻值越接近的越好 二 构件表面情况处理 1 打磨 最好用中粒度砂布与应变片粘贴方向成45交叉打出一些条纹 这样可以加强胶的附着力 2 划线 用刻线机在构件表面测点处划出细微的十字形定位线 3 擦洗 用脱脂棉球蘸丙酮等挥发性溶液擦洗测点处表面 直至棉球上无污字为止 43 三 粘贴应变片 1 观察应变片 看清贴片的位置及方向 应变片的引出线应朝上 2 贴片 在已清洗过的贴片处涂一层薄薄的粘合剂 在应变片上放一层透明的塑料薄膜 然后用手指滚压 挤出多余的粘合剂及气泡 并注意应变片的位置和方向不能移动 3 固化 KH502胶是我国目前在应变测量中应用最广泛的粘合剂 在室温下它能吸收周围环境中的微量水分加速聚合反应而固化 在数分钟内即可将应变片粘牢 再经过10 24小时就能完全固化以达到最高粘合强度 四 导线的固定和焊接 1 绝缘处理待粘合剂稍干后 用镊子轻轻地将引出线拉离构件表面 防止粘固在构件上 在每个应变片的引出线下面贴一块绝缘胶布 用以防止引出线和金属构件短路 44 2 导线的固定实验