第五章应力、应变测试

1、第五章,应力、应变测试,本章主要内容,应力、应变测试方法,应力、应变测试原理,电阻应变片的特性及应用,电阻应变片的信号调理电路,电阻应变仪,应力、应变测试方法,测量应力、应变的目的,为了研究机械结构、桥梁、建筑等某构件在工作状态下的受力,变形情况，通过测试测得构件的拉、压应力、扭矩及弯矩，为结构,设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的测试数据,应力、应变及其关系,在杆件受到拉伸（或压缩）的情况下，只有一个主应力,1,它,的方向与外加载荷,F,的方向平行，该方向的应变为,1,并且有,1,E,1,E,为材料弹性模量,应力、应变测试方法,常用测试方法,电阻应变测量,脆性涂层法,云纹方法,激光全息

2、干涉法,激光散班干涉法,声弹性,X,光衍射法,光测弹性力学,应力、应变测试方法,电阻应变测量特点,利用电阻应变片将应变转换为电参量进行测试。测试时，将,电阻应变片粘贴在被测物体表面,随零部件变形即可产生成比,例的电阻变化。广泛应用于工程测量和科学实验中,非线性小，电阻的变化同应变成线性关系,应变片尺寸小，重量轻，惯性小，具有良好的动态特性，频率响应,好；贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响,适用于静态测量和动态测量,测量应变的灵敏度和精度高，动态测试精度可达,1,静态为,0.1,测量范围大，变形范围,1%2,应力、应变测试方法,应力测试系统,应变片,电桥盒,应变仪,记录仪,应变片,能

3、将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转,换原理基于金属电阻丝的电阻应变效应,电桥盒,将电阻微小的变化进行处理的测量电路,应变仪,用于将电桥的输出信号进行放大的高增益放大器。应变仪,还具有阻抗变换的作用,电阻应变片的结构及分类,应变片的结构,电阻应变片的结构及分类,应变片的分类,体型,丝式,箔式,薄膜型,应变片,半导体应变片,体型,金属应变片,薄膜型,扩散型,PN,结及其他形式,电阻应变片的结构及分类,应变片的分类,金属丝式应变片,U,型,V,型,H,型,电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝。电阻丝是应变,片受力后引起电阻值变化的关键部件，它是一根具有很高电阻率的,金属细丝，直径约

4、为,0.01,0.05mm,常用材料有铜镍合金、捏铬,合金、铂、铂铬合金、铂钨合金等,要求电阻丝材料具有电阻温度系,电阻应变片的结构及分类,数小、温度稳定性良好、电阻率大等,应变片的分类,特性，同时，金属电阻丝的相对灵敏,纸基应变片,制造简单，便宜，易于粘贴。耐热性,系数要大，且能在相当大的应变范围,和耐潮性差。适合短期室内实验室使,内保持常数,用，使用温度在,70,以下,丝质应变片,纸浸胶基应变片,具有一定耐潮湿性，适合长期使用,使用温度为,180,胶基应变片,耐蚀性和绝缘性能好，弹性系数高,使用温度在,50+170,电阻应变片的结构及分类,金属箔式应变片,金属丝经高温液化后，高压高速喷射，

5、而后雾化沉积在基片上，形,成,310,m,层，再用光刻腐蚀法形成电路,优点,横向效应很小,允许电流大,柔性好、蠕变小、疲劳寿命,长,生产效率高,电阻应变片的结构及分类,半导体式应变片,胶膜衬底,P-Si,优点,灵敏度高、频,率响应范围宽、体积,小、横向效应小,缺点,温度系数大,灵敏度离散大以及在,较大变形下非线性比,较严重,内引线,外引线,焊接板,半导体式应变片是以半导体单晶硅条作敏感元件的,工作原,理是基于半导体材料的,压阻效应,即施加一定载荷产生应力时，电,阻率会发生一定的变化,应力、应变电测法原理,电阻应变效应,导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻,值相应发生变化。这种

6、现象称,应变效应,原始电阻值,L,R,A,受力拉伸后电阻值的变化,L,L,dR,d,dL,2,dA,A,A,A,金属导线受拉变化图,dR,dL,d,dA,R,L,A,应力、应变电测法原理,纵向应变,横向应变,轴向应力,金属丝电阻率,应变,为泊松比,压阻系数,dL,L,E,弹性模量,dr,dl,r,l,dR,1,2,E,R,E,d,E,dR,K,R,K,为单根金属丝的灵敏度。当金属丝发生单,位长度的变化时，电阻变化率与其应变的,比值，即单位应变的电阻变化率,应力、应变电测法原理,电阻的相对变化量由两方面因素决定,1,对于金属材料，电阻的变化主要由金属丝几何尺寸的改变引起,电阻丝灵敏度系数,dR,

7、R,为,1+2,2,对于半导体材料，其工作原理基于半导体的压阻效应，材料受力,后,材料的电阻率发生变化,其灵敏度系数为,dR,R,为,E,用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下,被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应,变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为,R,时,便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值,E,电阻应变片的特性及应用,应变片的主要参数,几何尺寸,1,基长,l,应变片的敏感元件在纵轴方向的长度。在应变变化梯度,大的场合，应使用小基长的应变片，但基长很小时，横向灵敏度大,2,基宽,b,在与应变片纵轴垂直方向，应变片敏

8、感元件外侧之间的,距离。基宽以较小为佳，但是太小会影响散热,电阻应变片的特性及应用,绝缘电阻,应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的,电阻值,R,m,通常要求,R,m,在,50,100,M,以上。绝缘电阻过低,会造成应变片与试件之间漏电，使应变片的指示应变产生误差,R,m,取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条,件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选,取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料,电阻应变片的特性及应用,电阻值,R,应变片的阻值指应变片没有粘贴也不受力时，在室温下测定,的电阻值。应变片阻值也有一个系列，如,60,120,350,600,和,1

9、000,其中以,120,最为常用。阻值大，承受电压大,输出信号大；但同时敏感栅尺寸也大,电阻应变片的特性及应用,最大工作电流,最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其,工作特性的最大电流,I,max,工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高,但工作电流过大,会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁,应变片,工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来,决定。通常静态测量时取,25mA,左右,动态测量时可取,75,100mA,电阻应变片的特性及应用,灵敏度系数,K,根据理论和实验，在一定应变范围内电阻的变化与应变的关系,满足下式,dR,K,R,dR,K,R,

10、则为应变片的灵敏度,电阻应变片的特性及应用,横向效应,将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态,不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因而灵敏系数,有所降低，这种现象称为应变片的,横向效应,电阻应变片的特性及应用,应变极限,温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真,实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为,10,情,况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限,如果超过这个限度值，就认为应变片已经开始失去工作能力,电阻应变片的特性及应用,机械滞后,机械滞后,对已安装的应变片,在恒定的温度环境中,加载和,卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数,产生的原因,如

11、应变片本身特性不好；试件本身的材质不好,粘结剂选择不当；固化不良；粘结技术不佳，部,分脱落和粘结层太厚等等,采取的措施,为了减小应变片的机械滞后个测量结果带来的误,差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载,35,次,电阻应变片的特性及应用,零点漂移,零漂,对于已安装好的应变片，在一定温度下，不承受机械应,变时，其指示应变随时间的变化而变化的现象,产生的原因,由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热,量等原因造成,电阻应变片的特性及应用,蠕变,蠕变,在一定温度下，使其承受一恒定的机械应变时，指,示应变随时间的变化而变化的现象，称为应变片的蠕变。其实蠕,变值中已包含了零漂,产生的原因,主要是由胶层

12、引起，如粘结剂种类选择不当,粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量,应变片的动态响应特性,电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形,式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材,v5000,m/s,应变波由试件材料表面，经粘合层、基片传播到敏感栅。由于应,变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在,应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的,延迟，才能达到最大值,从应变波的传播过程可以看出，影响应变片频率响应特性的主要,因素是应变片的基长和应变波在试件材料中的传播速度,应变片的动态响应特性,应变波为正弦波,当应变波按正

13、弦规律变化时，由于应变片具有一定的长度，在同一瞬,间沿基长方向的各点上所感受的应变是不同的。当应变片所反应的平均应,变值与应变片中心点处的真实应变相差太大时，就会使测量失真，产生测,量误差,实验可知，当允许误差,及应变波的传播速度,v,为一定时，所测应变的,极限频率（最高工作频率）是由基长来决定的。一般取基长为应变波波长,的,1/10,1/20,即,1,v,1,f,10,20,l,应变片基长,mm,最高工作频率,kHz,1,250,2,125,3,83.3,5,50,10,25,15,16.6,20,12.5,应变片的动态响应特性,应变波为阶跃波,应变波为阶跃波时，由于应变波通过敏感栅全部长度

14、需要一,定的时间，所以应变片所反应的波形要经过一定的时间延迟，才,能达到最大值,可测频率,f,0.35,t,k,此时应变计的极限工作频率可近似为,0,35,f,0,44,0,8,L,L,应变片的粘贴,应变片的工作情况,试件表面的变形（应变）是通过胶层,基底以剪力的形式传给电阻丝的。当试件,沿,x,方向变形时，胶层下表面与试件一起移,动，和基底粘合的上表面是被动的，基底,被带动，胶层发生剪应力,1,基底发生剪,应力,2,将应变传到电阻丝上。剪应力分布,规律如图,b,：应变片两端剪应力最大,中间最小。因此在粘贴应变片时应注意将,应变片的两端贴牢固,应变片的粘贴,应变片的粘贴工艺,粘贴应变片位置的选

15、择,应变片应贴在零件变形最大,即应力最大,和需要测试的地方,被测零件表面处理,清理零件的表面,清洗被测零件表面上油污等等,打磨,焊片,再次清洗,画粘贴应变片的定位线,应变片的粘贴,应变片检查,外观检查,电阻值检查,修整应变片,在应变片的覆盖片上标出中心线,在室外试验时，预先可在应变片的引出线上焊接一根较细软,的长度约,100,150mm,的短导线，以便固定应变片,应变片的粘贴,应变片粘贴质量检查,外观检查：用放大镜观察粘合层是否有气泡,电阻值检查,绝缘电阻检查,引出线的固定保护,应变片的防潮处理,应变片粘贴固化好之后要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘,电阻和粘合强度降低，影响测试精度,电阻应变片

16、的信号调理电路,电桥,由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是微,弱的，因此必须采用高精度的测量电路,电桥测量电路,根据电桥采用电源不同分,直流电桥,和,交流电桥,按输出方式分,功率电桥,和,电压电桥,电阻应变片的信号调理电路,直流电桥,平衡条件,R,1,R,2,A,I,1,B,U,R,L,R,I,L,2,3,R,4,U,E,U,U,R,1,R,3,L,E,R,R,1,2,R,3,R,4,R,1,R,4,R,2,R,3,R,R,U,E,1,R,2,3,R,4,R,1,R,4,R,2,R,3,此时称电桥达到了平衡,平衡条件,R,1,R,3,R,2,R,4,电阻应变片的信号调理电路,工作

17、原理,在利用电桥处理应变片的信号时，只要将桥臂的,任意一个电阻用应变片代替，当有应变时，应变片电,阻的阻值发生变化，破坏了桥路的平衡条件，通过电,桥的输出电压就可以换算出应变的量值,电阻应变片的信号调理电路,半桥单臂电路,R,1,R,2,R,3,R,4,R,0,R,1,R,0,R,1,半桥单臂,U,0,U,0,U,y,R,0,R,0,2,2,R,0,R,1,4,R,0,上式对另外三臂也适用,U,0,K,R,0,R,0,4,U,y,分母中有微小电阻，存在一定非线性,电阻应变片的信号调理电路,半桥双臂电路,当有对称应变点,1,2,可用,R,1,R,2,两片应变片,R,1,R,3,R,2,R,4,U

18、,y,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,R,1,R,0,R,R,2,R,0,R,R,3,R,4,R,0,U,0,U,y,R,2,R,0,灵敏度提高一倍,线性度改善了，分母中无微小电阻,U,0,K,R,0,R,0,2,U,y,电阻应变片的信号调理电路,全桥电路,R,1,R,3,R,0,R,R,2,R,4,R,0,R,U,0,y,R,R,U,y,S,U,0,0,K,U,y,R,U,0,0,R,0,U,图,2-9,为一应变片直流电桥，其中,E=4V,R1=R2=R3=R4=120,试求,1,R1,为金属应,变片，其余为固定电阻，当,R1,增量,R,1,2,时,V,0,2,R1,R2,为应变片，

19、且批,电桥输出电压,号相同，感受应变片的极性和大小都相同,R3,R4,为固定电阻，问能否进行应变测量,3,在,题,2,中，如,R1,和,R2,感受应变片的极性相反,R,1,R,2,1,2,问输出电压,且,4,由题,1,题,3,能否得出什么结论,图,2.9,电阻应变片的信号调理电路,输出电压灵敏度,K,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电,压灵敏度越高，但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温,度误差增大，所以要作适当选择。一般电源电压取,3,6V,为宜,电桥电压灵敏度与参与工作的桥臂数有关，全桥电路的灵敏度最,大，半桥单臂电路的灵敏度最小,当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号

20、的电阻变化时，电桥的输,出可相加，当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时,电桥的输出应相减,电阻应变片的信号调理电路,交流电桥,根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要,加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流,电桥,Z,1,Z,3,Z,2,Z,4,U,0,U,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,平衡条件,Z,1,Z,3,Z,2,Z,4,0,电阻应变片的信号调理电路,电容电桥平衡条件,1,Z,1,R,1,j,C,1,1,Z,4,R,4,j,C,4,1,1,R,R,R,R,2,0,1,3,4,j,C,1,j,C,4,R,1,R,3,R,2,R,4,R,3,C,

21、1,R,C,0,4,2,当被测应力变化引起,Z,1,Z,10,Z,Z,2,Z,20,Z,变化时，电桥输出为,Z,0,Z,1,1,Z,U,o,U,U,2,Z,2,Z,2,0,0,电阻应变片的信号调理电路,应变片的温度补偿,温度误差及其产生原因,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误,差，称为应变片的温度误差，消除由温度变化引起的虚假,应变或对它进行修正，求出仅由载荷作用引起的真实应变,的方法，就是,温度补偿,可以通过温度补偿可提高测试的,精度,电阻应变片的信号调理电路,电阻温度系数的影响,R,t,R,0,1,a,t,R,0,R,0,at,R,ta,R,t,R,0,R,0,a,t,其中,R

22、,t,温度,t,时的电阻值,R,0,为温度,t,0,时的电阻值,t,为温度的变化值,R,ta,为温度变化,t,时的电阻变化,为敏,感栅材料的电阻温度系数,将温度变化,t,折合成应变,ta,R,ta,R,0,a,t,ta,K,K,电阻应变片的信号调理电路,材料线膨胀系数的影响,试件材料与敏感栅材料膨胀系数不同,使应变片产生附加应变,如粘贴在试件上一段长度为,l,0,的应变丝，当温度变化,t,时，应变,丝受热膨胀至,l,t1,而应变丝,l,0,下的试件伸长,l,t2,l,t,1,l,0,1,丝,t,l,t,1,l,t,1,l,0,l,0,丝,t,l,0,为温度为,t,0,时应变丝的长度,l,t1,

23、为温度为,t,时的应变丝的长度,l,t2,为温度,t,时应变丝下试件的长度,丝,试,为应变丝和试件的线膨胀系数,l,t1,l,t2,为温度变化,t,应变丝和试件膨胀量,l,t,2,l,0,1,试,t,l,t,2,l,t,2,l,0,l,0,试,t,电阻应变片的信号调理电路,若,丝,试,l,t1,和,l,t2,也就不等,应变丝和试件又是粘结在一起的,则应变丝被迫从,l,t1,拉长至,l,t,2,这就使应变丝产生附加变形,l,t,l,t,l,t,2,l,t,1,l,0,试,丝,t,折算成应变为,t,引起电阻的变化值为,l,t,l,0,试,丝,t,R,t,R,0,K,t,R,0,K,试,丝,t,电阻

24、应变片的信号调理电路,两个因素同时作用于应变片时，由于温度变化,t,而引起的总电阻,变化为,R,t,R,t,R,t,R,0,t,R,0,K,试,丝,t,总附加虚假应变量为,R,t,R,0,t,t,试,丝,t,K,K,在一般常温下，上述两个因素是造成应变片温度误差的主要原因,电阻应变片的信号调理电路,温度补偿的方法,桥路补偿法,R,1,为工作片，用于应变测试,贴在试,件用于测量应变的地方,R,2,为补偿片，进,行温度补偿,粘贴在不受力的与试件相同,的地方,R,3,R,4,为固定电阻,采用原理,电桥的相邻相减原则,优点,简单,方便,在常温下温度补偿,效果好,缺点,在温度变化梯度较大的情况下,很难做

25、到工作片与补偿片处于温度完全一,致的情况,电阻应变片的信号调理电路,对于电桥的输出电压,R,3,R,1,R,1,U,L,U,E,U,E,R,1,R,1,R,2,R,2,R,3,R,4,R,1,R,1,R,3,R,4,R,1,R,1,R,2,R,2,R,3,U,E,R,1,R,1,R,2,R,2,R,3,R,4,当温度升高或降低,t,t-t,0,时，两个应变片因温度而引起的电阻变,化量相等，电桥仍处于平衡状态。即，两应变片由于温度的影响产生,的电阻变化相等,R,1,R,2,R,电阻应变片的信号调理电路,电桥的输出为,0,即温度的变化不会对桥的输出产生影响，也就,是通过加入补偿片可消除温度误差的影响,若此时被测试件有应变,的作用，则工作应变片电阻,R,1,又有新的,增量,R,1,R,1,K,而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量,此时,电桥输出电压为,R,1,U,E,U,L,U,E,k,4,R,4,电阻应变片的信号调理电路,温度补偿的方法,应变片自补偿法,1,选择式自补偿应变片,粘贴在被测部位上的是一种特殊的温度自补偿应变片，当温,度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，从而实现温度补偿,实现温度自补偿的条件是,R,t,R,0,t,t,丝,试,t,0,K,K,K,试,丝,电阻应变片的信号调理电路,2,双