机械参量的测试-1.ppt

第5章机械参数的测试，本章探讨应变、位移、速度等参数的测试。 1 .电阻应变仪的工作原理2 .电阻应变仪的种类和特征3 .应变仪的动态响应特性4 .测量电路5 .应力现场测量技术6 .应力标定设备和标定方法7 .应力的数据处理8 .应力测量结果的误差分析、5-1应力(应变)的测量、5-1应力(应变)的测量、应力的测量方法：1.涂装法； 2 .光测法3 .电测法。 利用电阻应变仪的变化进行应力测量。 应变计是重要的测量敏感元件，在实验应力分析中作为主要机电转换元件的其他类型的传感器中，作为传感器使用应变计。 5.1.1电阻应变仪的工作原理(应变效应)，电阻应变仪简称应变仪，是能够将试验片上的应变变化转换为电阻变化的传感器元件，其转换原理是金属电阻线的电阻应变效应。 电阻应变效应是指金属导体(电阻线)的电阻值随变形(伸长或收缩)而变化的物理现象。 具有一条圆截面的导线(如图5-1所示)的原始电阻值为(5-1)、式中的R导线的原始电阻值(w )； r线的电阻率(Wm) L线的长度(m) A线的横截面积(m2 )，A=pr2，r为线的半径。 在图5-1金属引线被拉伸的变化图中，当金属线被轴向力f拉伸时，在式(5-1)中，r、l、a的金属线都发生变化，电阻值r发生变化。 在力的作用下，dL伸长，截面积仅减小dA，电阻率逐渐变化，电阻r变化为dR。 对于式(5-1)的全微分，基于(5-2)(5-3)材料力学的知识，棒材在轴向被拉伸或被压迫时，其纵向变形与横向变形的关系为(5-4a )、， E线材料的弹性模量l的压电电阻系数与材料有关。 将式(5-4a )、(5-4b )代入式(5-3)进行整理(5-5)式中的dR/R的电阻相对变化量m是金属材料的泊松比即dR/R的线电阻率的相对变化量. 由、式(5-5)可知，电阻的相对变化量由两个因素决定。 一个是由于导线几何尺寸的变化而引起的，(l 2m )项的另一个是当材料受到力时材料的电阻率r发生变化的lE项。 对于特定材料，(l 2m lE )为常数，因此应与式(5-5)所表示的电阻变化率成线性关系，这是电阻应变计应变测量的理论基础。 相对于式(5-5)，(5-6)K0是单线的灵敏度系数，其物理意义是单线产生单位长度的变化(应变)时，其大小为电阻变化率与其应变之比，即单位应变的电阻变化率。 对于、和大多数导线，(l 2m )是导线式应变计的灵敏度系数K0，是常数。 实验表明，大多数金属材料的K0介于-12 4之间。 用于制造电阻应变计的线材料的K0多在1.73.6之间，但在弹性变形范围内，K02。 用半导体材料制成的应变仪，电阻率变化引起的应变远大于几何学尺寸变化引起的应变(该数值为线式电阻应变仪的5070倍)。 线式电阻应变仪与半导体式应变仪的主要区别在于，前者是金属导体应变引起的电阻变化，后者是半导体电阻率变化引起的电阻变化。 电阻应变芯片传感器是目前测量力、扭矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。 电阻线(敏感栅格) -转换元件、基板与掩模-为了与中间介质连接绝缘作用、盖层、导线-测量导线，5.1.1应变仪的基本结构、类型和参数、5.1.2应变仪的种类和特征、电阻应变仪的种类很多，这里常见的几种应变仪另一方面，电阻线式应变计的电阻线式应变计的感应元件是线栅状的电线，能够形成u型、v型和h型等多种形状。 如图5-3所示。 (a)(b)(c )常见的电阻线式应变计(a)U型(b)V型(c)H型，电阻线式应变计根据所使用的基板材质而有纸基、纸浸胶基、胶基等种类。 纸基应变计制造简单，廉价，易粘贴，但耐热性和耐湿性差。 一般多用于短期室内试验。 在其他恶劣环境下使用，应采取有效防护措施。 使用温度一般在70以下。 用酚醛树脂、聚酯树脂等糊液浸透纸，使其硬化，纸基应变计的特性得到改善，使用温度上升到180，耐湿性也得到提高，可以长期使用。 但是，请牢牢粘贴应变计，以防止翘曲。 胶基片由环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂等有机聚合物片直接制成，耐湿性和绝缘性能好，弹性系数高，使用温度范围为-50 170。 长时间使用的测量仪器多为这种基底应变仪。 电阻线是应变计受力引起电阻值变化的重要部件，是具有高电阻率的金属丝，直径约为0.010.05mm。 由于电阻线细，电阻线材料要求电阻温度系数小，温度稳定性良好，电阻率大等特性。 同时，金属电阻线的相对灵敏度系数大，且能够在相当宽的应变范围内保持常数。 常用的电阻线材料有铜镍(康铜)合金、镍铬合金、铂、铂铬合金、铂钨合金、铋丝等。a )、b )、c )敏感单向应变d )薄膜应变e )三片式应变花、60箔式平面型f )二片式应变花、90箔式重叠型g )三片式应变花、45电阻线式重叠型h )二片式应变花、90剪切式平面型、二、箔式应变片式应变片的工作原理和结构为线式应变采用光刻法代替线应变仪绕线工艺。 在厚度为310mm的金属箔的底面涂布绝缘性粘接剂层作为应变片的基底。 在箔片的上面涂上感光剂。 将敏感网格绘制成放大图，照相制版后，烘烤在箔片表面的感光剂上，经过腐蚀等工序，制成条纹清晰的敏感网格。 其结构如图所示。 箔式应变仪与线式应变仪相比，a .制造技术具有线栅尺寸准确、线均匀、大量生产时电阻值偏差小、能适应不同测量要求的形状优点。 电阻线栅的基长可以非常小(最小的现在达到0.2mm )，小的基长应变计适用于应变梯度大的情况b .横向效应小的c .容许电流大。 电阻箔的厚度为310mm，表面积大，散热条件好，大电流(I=100300mA )可承受高电压。 输出功率大，线式应变仪100400倍，灵敏度大幅提高，d .柔软性好，蠕变小，疲劳寿命长。 可以粘贴在形状复杂的试料上。 与试验片接触面积大，粘结牢固，可与试验片充分一起变形，承受交变负荷时疲劳寿命长，蠕变小。 e .生产效率高。 实现生产技术自动化，提高生产效率，减轻劳动者劳动。 价钱便宜。 三、半导体式应变仪半导体式应变仪以半导体单晶硅为感应元件，其最简单的典型结构如图所示。 半导体式应变仪的使用方法与金属电阻应变仪相同，粘贴在弹性元件或被测量体上，电阻值根据被测量体的应变而变化。 半导体式应变计的工作原理基于半导体材料的压电电阻效应。 半导体应变仪具有灵敏度高、频响范围广、体积小、横向效应小等特点，应用范围广。 但同时也存在温度系数大、灵敏度偏差大、变形大、非线性大等缺点。半导体应变仪结构示意图，5.1.3金属应变仪参数根据应变仪各部件的材质、性能以及线栅形式和技术等因素，应变仪在工作中表现的性质和特征也有差异，因此研究了应变仪的主要标准、特性和影响因素，合理地研究了新的应变仪1 .几何尺寸表示应变仪敏感网格的有效工作面积bL。 应变仪的功宽(基宽) b是应变仪的轴线垂直的方向，传感器栅极的最外侧的距离即应变仪的功的基长(应变仪距离) l是应变仪的敏感栅极的轴线方向的长度，圆弧端的敏感栅极指的是两端的圆弧之间的距离。 应变计测量的应变为被测量部件的基长内的平均应变值。 现在应变计的最小基础长度为0.2mm，最大达到300mm。 一般制造商有应变仪的基本长度系列。 2 .电阻值r是指即使没有粘贴应变计也不会受力时，在室温下测量的电阻值。 应变计的电阻值也有60、120、350、600、1000等系列，其中最常用的是120。 电阻值大，电压大，输出信号大，但敏感的网格尺寸也大。 3 .绝缘电阻是指应变片的引线和被试验片之间的电阻值，取决于粘接剂和基材的种类。 绝缘电阻过低时，应变计与试验片之间会发生漏电，产生测量误差。 应变计的绝缘电阻一般在100MW以上。 4 .最大动作电流是指通过应变计不影响动作特性的最大电流值。 动作电流大时，应变计的输出信号变大，因此灵敏度系数高。 但是，过大的工作电流会使应变仪本身过热，改变灵敏度系数，增加零漂移、蠕变，烧毁应变仪。 通常，容许电流值在静态测量时取25mA左右，动态测量可达到75100mA的箔式应变计更大。 5 .将相对灵敏度系数k金属线材作为电阻应变计后，其电阻应变特性与单根单线材的情况不同，必须再次通过实验进行测量。 实验必须按照统一的规定进行。 将电阻应变计粘贴在钢制纯弯曲梁或等强度悬臂梁那样的基于一维应力的试验片上。 试料使用泊松比m=0.285的钢。 应变仪敏感栅的纵轴线应沿装置的应力方向粘贴。 装置受力时梁变形，电阻应变仪的电阻值也发生相应变化，可以得到应变仪的电阻应变特性曲线。 应变片贴在试验片上后，通常不能拆下再利用，因此按照一定的比例抽取每批产品的样品检定，将其平均值作为该批产品的相对灵敏度系数。 这是产品包装中记载的相对灵敏度系数或“标称灵敏度系数”。 实验说明应变仪的相对灵敏度系数远小于线材的相对灵敏度系数。 除胶体传递变形畸变外，横向效应也是查明其原因的重要原因之一。 这种应变计电阻的相对变化应写作横向效应，6 .横向效应应变计粘贴在单向拉伸试验片上，此时各直线段上的电阻线在其轴向上感觉到拉伸应变ex，各微段的电阻增加。 然而，由于弧段中的失真由于泊松系数的关系而在垂直轴方向上产生失真ey，因此该段的电阻减小而不是增加。 因此，将笔直的线材缠绕在敏感栅格上之后，即使是相同的长度，在单向拉伸的情况下，应变计的敏感栅格的阻抗变化变小，灵敏度系数下降。 这种现象称为应变仪的横向效应。 实际上，当确定k值时，样品材料是泊松比m=0.285的钢材，包括横向效应的影响。 然而，在实际使用中，应当考虑应变仪通常粘附在平面应变场上，因为竖直应变ex和水平应变ey不是标定状态(ey=-0.285ex )，而是水平效应将导致固定的误差。在应变仪处于平面应变场的情况下，横向效应也可以引起电阻的变化，其中，实际的电阻变化表示式中的Kx是应变仪的轴向应变的相对灵敏度系数，如果ey=0，则是敏感栅极电阻值相对于ex的相对变化之比。 Ky是应变计相对于横向应变的相对灵敏度系数，ex=0时，敏感栅极电阻值的相对变化与ey之比。 通常可以实验性地测定Kx和Ky。 作为、横向效应系数，根据应变计的灵敏度系数k的定义可知，在任意平面应变场的情况下，应变计的实际灵敏度系数比纵向灵敏度系数Kx减少。 因此，此时如果使用应变计给出的k值发货，也会导致测定结果的误差。 对于要求精度的应变测量，误差较大时需要修正。 7 .应变极限ej应变仪能够测量的应变范围有限度，误差超过极限时，应变仪开始失去工作能力。 该限度称为应变限度，用ej表示。8 .机械延迟、零漂移和蠕变机械延迟是在循环负载时负载特性和卸载特性重叠的现象，称为机械延迟。 发生的原因主要是敏感电网、基底和胶粘剂受到机械应变后残留的残留变形。 敏感栅材料经过适当的热处理，可以减少应变仪的机械延迟。 为了减少新安装的应变仪的延迟，在本次测量之前最好追加卸载3次以上的试验片和构造。 对于安装的应变仪，在一定温度下未受到机械应变的情况下，其指示应变随时间的变化而变化的现象称为应变仪的零漂移。 在一定的温度下，受到一定的机械应变时，显示出应变随着时间的变化而变化的现象，被称为应变计的蠕变。 蠕变值包含零漂移。 5.1.4应变计的动态响应特性、被试验片的应变以应变波的形式传递。 应变波首先通过试验片或弹性元件，通过粘接层和应变片基板，最后传播到应变片，应变片反映试验片变形的应变波全部。 另一方面，应变波在试料中的传播应变波在试料中的传播速度与声波的传播速度相同。 其速度可以用下式计算，式中v应变波在试样中的传播速度E试样材料的纵弹性模量试样材料的密度。 二、应变波向粘结层和应变片基板的传播由于粘结层和基板的总厚度非常小，其传播时间极短，可忽略不计。 三、应变波在应变仪长度(基长)内的传播应变仪测定的应变是被测定部件在基长内的平均应变值，因此，应变波通过应变仪的敏感仪全长后，应变仪反映的波形的振幅达到最大值。 四、从应变仪极限工作频率估计应变波的传播过程中，影响应变仪频率响应特性的主要因素是应变仪基长和应变波在样品材料中的传播速度。 应变仪的极限工作频率可从以下两种情况估计。 1 .应变波为正弦波2 .应变波为阶跃波，不同基本长度的应变片的最高工作频率应变波为阶跃波的情况下，应变波通过传感器网格的全长需要一定的时间，因此应变片反应的波形经过一定的时间延迟达到最大值， 如果将输出最大值的10%上升到90%为止的时间设为上升时间tk，则在能够测定频率f=0.35/tk时，应变计的极限工作频率能够近似于5.1.5测定电路，应变计能够将应变的变化转换为电阻的变化，该电阻的变化量通常将桥作为测定电路来测定。 根据桥电源分为直流桥和交流桥。 直流电桥的基本形式是，电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高。 但是，提高电源电压会增加应变计和臂电阻的功耗，温度误差会增大。 一般的电源电压最好是36V。单片、半桥、单臂输出、全桥、全臂输出、半桥、双臂输出、4片、2片、5.1.6应力现场测试技术、5.1.6.1应变仪的选择和安装，应变仪的选择方法和原则因应变仪的品种和规格非常多而选定为了满足测试要求和尽量节约测试费用，必须全面考虑受试者所在的环境和条件，如温度、湿度、被测材料的均匀度、测试的重要性和应变