电阻应变计的原理及使用

第二章电阻应变计的原理及使用 2 1电阻应变测量技术基础 一 电测法的定义 用电阻应变片 应变计或电阻片 作为敏感元件 用应变仪器 测定受力构件的表面或者内部应变 再根据应力 应变的关系式 确定构件表面或者内部应力状态的一种实验应力分析方法 二 原理 将电阻片牢固地粘贴在构件表面 构件变形连同应变片一起变形 应变片的变形产生了电阻的变化 通过测量电桥 电阻应变测量装置或电阻应变仪 使这微小的电阻变化转换成与应变成正比的模拟电信号 电压或电流 的变化 经过信号放大 将其变换成构件的应变值显示出来 三 电测的实质 非电量参数 传感器 应变片 电量参数电测是将物理与力学 机械等非电量参数通过敏感元件 应变片 转换成电量来进行测量的一种实验方法 非电量参数 应变 应力 力 扭矩 加速度 位移 压力电量参数 电压 电流 电容 电感传感器 应变片 四 电测分类 1 电阻应变测量2 电容应变测量3 电感应变测量 五 优点 1测量精度高 量程大 应变仪上所读出的最大应变值 灵敏度高 应变仪上所读出的最小应变值 一般应变片 1微应变 标距 任何类型的应变计都不能测出一点的应变 箔式应变片 0 2毫米 半导体应变片 0 1微应变 测量范围 20000 微应变 对高灵敏度测量系统可测取10 2量级的微应变 2应变片尺寸小 重量轻 安装方便 粘贴 对试件的工作状态和应力分布影响很小 3频率响应快 机械滞后小 如 电阻应变片响应时间为10 7S半导体应变计的响应时间为10 11S即构件应变立即传递给应变片 可以测量静态到动态或冲击下的动应变 4可在恶劣环境下测量如高速旋转 高温 低湿 深水 强磁场 核辐射等 5自动化程度高 可以实现遥控测量将应变仪与计算机结合 可以实现图形显示 磁带记录 多点测量 自动打印 6制造多种传感器 载荷 扭距 压力 加速度 六 缺点 1单点测量一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的某个方向的应变 并且只代表栅长范围内的平均应变 2应变片一般只能测量构件表面的应力应变 3对结构三维应力测量很难进行 4尽管应变片很小 但对应力集中的测量 仍无法精确 电阻应变测量系统 电阻应变片 电阻应变仪以及记录仪工作条件 一般工作条件 温度 30 C 60 C介质 大气或压力不大的液体工作过程 应变电阻变化电流变化放大记录电阻应变片电阻应变仪记录器电阻应变片 直接与被测量对象接触 把非电量的物理参数转化成电量 并传输给放大部分电阻应变仪 把十分微弱的电信号进行放大 以推动显示记录仪器工作 把被测信号记录下来 七 构成 2 2电阻应变片构造 B L 应变片的形状 栅状 一般应变片中的金属丝均为栅状 原因 1 用应变片进行应变测量时 对应变片中金属丝需加一定的电压 为防止电流过大 产生发热及熔断现象 要求金属丝有一定的长度 单线长度30 80毫米 以获得较大的初始电阻值 120欧姆 2 测量构件应变时 又要求尽可能缩短应变片的长度以接近一点的真实应变 电阻片组成 敏感栅是应变片的敏感元件引出线基底 聚酰亚胺塑料 纸基 覆盖层 粘结剂 一 敏感栅材料 铜镍 镍铬 灵敏系数高 在相当大的应变范围内保持不变电阻率高 分散性低 稳定及重复性好电阻温度系数低耐疲劳 耐腐蚀 焊接性能好具有较大的拉伸变形 易于加工成丝 或箔片 易于消除加工效应 应变计常用金属金属材料的物理性能参见P9的表2 1 二 基底材料 厚度小 电绝缘性好热稳定性好机械强度高 应变极限大 抗潮湿 耐腐蚀无滞后和徐变粘合能力强透明 便于安装与定位 基底的作用 基底与试件直接接触 并用粘结剂相互粘牢 基底的作用是保持敏感栅的几何形状和相对位置 保证电阻片与试件共同变形 以准确地把试件变形传递给敏感栅 而且保证试件与敏感栅之间有足够大的绝缘度 常用纸基或胶膜薄片制成 三 引线 引线是用来引出敏感栅的输出电信号 而比敏感栅丝尺寸大的金属导线 为了减少引线带来的误差 通常采用低电阻率和电阻温度系数较小的材料 铜 制成 其形状有细丝和扁带两种 为了便于焊接连线 一般在表面会镀锡 银 四 覆盖材料 材料要求与基底相同 纸基胶基玻璃纤维布 覆盖层的作用 覆盖层的作用是保护敏感栅的作用 防止有害介质腐蚀 材料与基底相同 五 粘结剂 足够的抗剪能力 粘结强度高 能准确 稳定地传递变形 徐变 和机械滞后电绝缘性好 无腐蚀 无毒 耐老化 化学稳定性好 便于保存固化温度低 时间短 使用工艺简单环境温度 湿度 介质对粘结剂性能影响小 2 4应变片的分类 常用 丝绕式金属箔电阻片箔丝组合应变片半导体应变片 构造基本相同 按敏感栅材料分 金属电阻应变计 半导体应变计 金属电阻应变计又分 工作温度 常温应变计 30 C 60 C 低温应变计 低于 30 C 中温应变计 30 C 350 C 高温应变计 350 C以上 敏感栅制造方法 丝式应变计 箔式应变计 敏感栅结构 单轴应变计 多轴应变计 应变花 应变花 基底材料分 纸基应变计胶基应变计金属基 高温应变片类型之一 临时基底 高温应变片类型之一 安装方式 粘贴式 焊接式 喷涂式 埋入式 电阻值 市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化 主要规格有60 120 350 600 和1000 等 其中120 用得最多 各种各样的应变片 各种各样的箔式应变片 丝绕式 采用0 012 0 05mm直径的镍铬或铜镍合金丝在专用的机器上绕成栅状 敏感栅 基底和复盖层用绝缘薄纸或胶膜 引出线为0 25mm左右的镀银铜线 以便焊接导线 这种应变片的栅长难以做得很小 且应变横向效应大 但是价格低廉 使用广泛 丝绕式标距 最小1 6毫米 丝绕式 标距 指敏感栅沿轴向方向测量变形的有效长度 箔式应变片 光刻腐蚀工艺 用厚为0 003 0 01mm的康铜或镍铬箔片 涂以底胶 利用光刻技术腐蚀成栅状 再焊上引出线涂上复盖层 尺度准确 线条均匀 灵敏系数 电阻值离散性低丝栅面积扁而平 横向效应小 粘结面积大 粘结牢靠 散热性好 可准确稳定传递变形 减小零点漂移可以制成各种工艺的应变花 及小标距 0 2毫米 应变片便于生产 质量好 成品高 抗潮 绝缘性好 徐变 机械滞后小 标距 0 2 200毫米 最短标距 0 2毫米 梯度大 应力集中最长标距 200毫米 混凝土 金属箔电阻片 水泥混凝土内埋式电阻应变计 该应变计采用四片箔片应变计组成半桥线路 内经防水密封 外以水泥混凝土烧铸保护 在混凝土构件浇铸时将该应变计预埋在欲测量之力点 当构件受力时就能测出该力点之载荷变形 半导体应变片的敏感栅为半导体 灵敏系数高 用数字欧姆表就能测出它的电阻变化 可作为高灵敏度传感器的敏感元件 半导体应变片 几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材料电阻率变化引起的电阻变化 前者可忽略不计 可得从而可得半导体应变片灵敏度系数为 KS E 最突出优点 半导体应变片的最突出优点是灵敏度大 可达60 150 能直接与记录仪器连接而不需放大器 使测量系统简化 此外 其横向效应小 机械滞后小和体积小 缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差 当应变较大时 非线性严重 由于受晶相 杂质等因素影响 灵敏度分散度大 特殊应变片 裂缝扩展片 断裂 疲劳寿命片 交变 大应变量应变片 橡胶 双层应变片 薄壁壳 防水应变片 水下 膜式应变片 模式压力传感器 屏蔽式应变片 电磁场 温度场 残余应力 埋入 应变片 制成传感器 应变片的筛选 应变片的基地与覆盖层无破损折曲 敏感栅平直 排列整齐 无绣斑 气泡 无霉点用低压 100V 高阻表检查绝缘电阻量测应变片的初始电阻值 偏差小于0 6欧姆选用应变片时 要考虑应变片的性能参数 主要有 应变片的电阻值 灵敏度 允许电流和应变极限等 应变片的精度 普通级 教学精密级 高精度传感器和精密测试高精密级 2 6粘贴应变片工艺 粘贴工艺 1 用砂布或打磨机打磨 除去油漆和锈迹 形成光滑而又不是抛得很光的表面 2 用侵有溶剂 丙酮 的纱布或脱脂棉擦洗 除去油脂痕迹 3 用碱性溶液处理表面 使表面对粘合剂有适当得的化学亲和力 4 在试件上标出应变片粘贴位置 划线定位 再进行一次擦洗 6 将应变片 经挑选合格的 底面涂上一层薄而均匀的502胶水 放在调好的位置上 7 用聚乙烯薄膜压盖住用手指滚压挤多余胶水 揭掉薄膜 保持适当时间使其固化 8 将引出线与软导线焊接在固定端子上检查质量 包括有无短路和断路 绝缘电阻是否符合要求 一般不低于100M 正常的粘结剂层电阻可达10000M欧姆 等 9 然后立即涂上防护层 硅橡胶或者凡士林或者914环氧树脂或者石蜡 固定端子 2 3应变片的工作特性 一 电阻丝的应变效应 定义 W Thomas 金属丝 大部分 受到拉伸 或缩短 时 电阻值会增大 或减小 这种电阻值随变形发生变化的物理现象 电阻应变效应 规律 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 而且对拉压应变是一样 R 线材长度为l的初始电阻 R 丝材伸长 l后电阻值的变化 l l 应变 Ks常数 物理意义 每单位应变所造成的相对电阻变化 标志着该类丝材电阻应变效应显著与否 称之为灵敏系数 灵敏系数 原因 假设导体截取一段长度l 截面积为A 电阻率为 则其电阻 欧姆定律 若 A和l均发生变化 则其电阻也变化 对上式两边取对数后全微分 A l 根据金属物理和材料力学理论知与成近似线性关系 若半径为r的圆导体 A r2 代入上式 电阻的相对变化为 材料泊桑比 式中dA表示导体长度变化时 由于泊松效应造成的截面积改变 1 表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量 2 表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量3 不同属性的导体 这两项所占的比例相差很大 代入上式 可以得到 式中 金属丝材料的泊松比 C为与材料种类和加工方法有关的常数 令 而dl l 这样式成为 若导体截面为宽b厚t的矩形的导体 也可通过类似推导得出 Ks取决于以下两个因素 1 几何尺寸 电阻丝材料本身的机械性能 即由于金属丝拉伸后 2 1 项表达的几何尺寸变化 2 物理性质 电阻丝受力后材料的单位应变系数电阻变化率 即为d dL L项 材料发生变形时 其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的原因 显然 Ks愈大 单位纵向应变引起的电阻值相对变化愈大 说明应变片愈灵敏 可用不同的导体材料制成应变片 目前主要有金属电阻应变片和半导体应变片两类 大部分金属合金丝的灵敏系数 2 4 2 5应变片的工作特性 应变片的灵敏系数 单向应力 轴向应变片的电阻变化与轴向应变之比 机械滞后 对贴应变片的试件反复加载 其特性曲线不重合 蠕变 恒定力 应变 时间的变化零点漂移 不受力 恒定温度 应变 时间的关系应变极限 加载 当应变片的指示应变与试件实际应变的相对误差小于10 时 试件的应变为应变极限 绝缘电阻 应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值 50 200兆欧姆 疲劳极限 恒定的交变载荷下 不使应变片产生破坏的循环次数 应变片电阻 没有安装 不受力时测量电阻 横向效应系数 温度效应 2 6温度效应 制成的应变计粘贴在某构件上 由于环境温度变化引起构件温度变化 所产生的电阻相对变化 温度效应 因素 应变栅合金的灵敏度发生变化应变片栅丝伸长与缩短基底材料伸长与缩短 应变片材料电阻温度系数影响 热输出 传感器在实际工作状态 弹性体不仅受到外力 而且还往往受到环境温度变化的影响 应变片受温度变化引起的虚假输出通常称为热输出 t 其值与应变片敏感栅材料的电阻温度系数 灵敏系数 线膨胀系数 弹性体材料的线膨胀系数以及温度变化 t 等有关 热输出的定义 应变片安装在具有某线膨胀系数的试件上 试件可以自由膨胀并不受外力作用 在缓慢升温 降温的均匀温度场内 由温度变化引起的指示应变 R1T RT R0 R0 T 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同引起的电阻变化 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化 R1T R0 1 T 应变片敏感栅材料电阻温度系数 y s别是试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数 由于温度变化引起的总虚假应变 这个虚假应变将引起测量误差 与温度和应变片的本身性质有关 补偿片法电路补偿法电阻元件法热敏元件法热电偶法温度补偿方法对敏感栅热处理法自补偿法双金属线栅法温度修正法 温度效应的补偿 二 应变片的灵敏系数 固定在试件上的应变片 其敏感栅的电阻变化不仅与敏感栅轴线方向的构件应变有关 而且与敏感栅弯头圆弧方向的构件应变有关 因此 应变片的灵敏系数与金属丝在拉伸 或缩短 状态下所得灵敏系数不同 它与被测构件应变状态有关 应变片的灵敏系数小于金属丝在拉伸 或缩短 状态下所得灵敏系数 应变片灵敏系数定义 当将电阻应变片安装在处于单向应力状态的试件表面 使其轴线 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轴向的应变之比值 记为K 式中 R为应变片变形前的电阻值 x为试件表面沿应变片轴线应变 单向应力状态 R为应变片电阻值的改变量 应变片的灵敏系数 通常由制造厂家测定称之应变片标定两种方法 专用 等弯矩梁等强度梁应变片产品包装上标明的 标称灵敏系数 出厂时测定的该批产品的平均灵敏度系数值 标定原理 将被测定K值的应变片安装在梁的等弯矩区域内 并使其轴线与梁的轴线方向重合 当受载后在等弯矩区域内 梁的上下表面是一个单向等应力场 应变是双向的 x可用杠杆仪 挠度计 理论计算方法求 等弯矩梁 等强度梁 如 沿梁轴线方向安装了一个三点挠度计 有材料力学小挠度理论 当梁受载变形后 挠度计上千分表读数f与梁的轴向应变 x有关系 按照K的定义 如 采用电阻应变仪 K仪 2 测量应变计的指示应变 仪则有 L为挠度仪两支点的距离 h为梁的高度 R R采用精密并经过校准的电阻应变仪装置测定 将梁上应变片作为工作片和另一补偿片通过半桥接入应变仪 把应变仪上灵敏系数设置在K仪 2所对应的数值上 经预调平衡后加载 在应变仪上得到仪值 应变片不能重复使用 应变片灵敏系数的测定在专用测试设备上利用抽样方法 在同一批相同条件下生产的应变片抽样1 最少6片 取其平均值 定为该批应变片的灵敏系数 它不仅与应变片结构和尺寸有关而且与安装工艺和使用条件有关 每次实验加载卸载3次 取平均K值对于一组应变计的标准偏差有 相对标准误差为 离散系数 e K 100 应变片灵敏系数等级相对标准误差 离散系数 三级 A 1 B 2 C 3 应变片产品包装上标明的 标称灵敏系数 出厂时测定的该批产品的平均灵敏度系数值 应变片K小于单根电阻丝Ks原因 多栅型 应变变量减少参加变形的丝栅长度减少 电阻变化减小 降低了电阻片的灵敏度 三 应变片的横向效应系数 H 横向效应系数是指 应变计横向灵敏系数KB与纵向灵敏系数KL的比值 即H KB KL 100 用百分数表示 应变片的横向效应产生的主要原因直线金属丝受单向拉伸时 在任一微段上所感受的应变是相同的 而且每段都是伸长的 因而每一段电阻都将增加 金属丝总电阻的增加为各微段电阻增加的总和 但是将同样长度的金属丝弯成敏感栅做成应变片之后 将其粘贴在单向拉伸试件上 图示直线部分 L 和弯头部分的敏感栅感受的应变并不一样 若直线部分感受应变 x 则弯头部分感受的应变逐点变化 在点a是 x 在b点是 0 x 因此 微段上的电阻不仅没有增加 反而减少 电桥测量所得的电阻变化是这两部分效应的综合效果 由此而来 将直线做成敏感栅后 虽然长度不变 但是变形状态不同 电阻的总变化小于直线的金属丝 因此 其灵敏系数降低 应变片的横向效应 应变片的横向效应 l L B a b 可对半圆型弯头引起的横向效应进行理论计算 也可对矩形弯头引起的横向效应进行理论计算 如应变片是理想转换元件 它应只对栅长方向的应变敏感 而栅宽方向 绝对迟钝 可惜各类应变片对与其轴线垂直的横向应变 都程度不同地有所反应 即所谓的横向效应 定义 以一个单向应变 分别沿栅宽和栅长方向作用于同一应变片 实际上是取自同一批量中的两片 把前一个电阻变化率与后一个电阻变化率之比 用百分数表示 作为该批应变片的横向效应系数 用H代表 H 实验测定 横向效应系数测定 对于垂直安装得片2 对于平行安装得片1 1 2 横向效应系数等于横向灵敏系数与纵向灵敏系数值比 H 结论 敏感栅的电阻变化由两部分的迭加 敏感栅仅受到 L作用时的电阻变化率 敏感栅仅受到 B用时的电阻变化率KL是轴向灵敏系数KB是横向灵敏系数 它们受金属丝本身的材料性质和敏感栅的形状 尺寸决定 考虑横向效应的应变片灵敏系数修正 电阻应变片的敏感栅一般呈栅状 它有轴向和横向两部分组成 实际上应变片