《实验应力分析》电测法教学课件

1、实实 验验 应应 力力 分分 析析20142014年年1010月月绪绪 论论 随着科学技术的发展，需对随着科学技术的发展，需对复杂载荷复杂载荷作用下作用下的的复杂结构复杂结构进行进行应力、应变应力、应变分析，以解决工程强度分析，以解决工程强度问题。有两种不同的分析方法问题。有两种不同的分析方法: 理论分析法：理论分析法：建立力学模型，并进行建立力学模型，并进行(近似近似)数数值计算，如有限单元法。值计算，如有限单元法。 实验分析法：实验分析法：利用模型或实体进行实验研究。利用模型或实体进行实验研究。 这两种方法是解决工程强度问题的两种不同途这两种方法是解决工程强度问题的两种不同途径，二者相辅相

2、成、相互促进。径，二者相辅相成、相互促进。绪绪 论论实验应力分析实验应力分析 实验应力分析的任务实验应力分析的任务实验应力分析的特点实验应力分析的特点实验应力分析的局限性实验应力分析的局限性实验应力分析的方法实验应力分析的方法 实验应力分析：实验应力分析： 所谓实验应力分析（或者叫实验力学）是指所谓实验应力分析（或者叫实验力学）是指用各种不同的实验方法和手段测定受力构件的应用各种不同的实验方法和手段测定受力构件的应力、应变的一门学科。力、应变的一门学科。 实验应力分析的任务：实验应力分析的任务： 1、在设计过程中，测定模型中的应力和变形，、在设计过程中，测定模型中的应力和变形，根据测定结果选择

3、最合理的构件尺寸和结构形式。根据测定结果选择最合理的构件尺寸和结构形式。 2、在现有设备上或工程结构上测量真实应力状、在现有设备上或工程结构上测量真实应力状态，找出最大应力的位置及数据，评定设备或结态，找出最大应力的位置及数据，评定设备或结构的安全可靠性。构的安全可靠性。 3、对破坏或失效的构件进行分析，提出改进措、对破坏或失效的构件进行分析，提出改进措施，防止再次出现破坏或失效现象。施，防止再次出现破坏或失效现象。4、测定构件在工作过程中所受载荷大小和方向，、测定构件在工作过程中所受载荷大小和方向，或测定影响载荷情况的各种运动参数或测定影响载荷情况的各种运动参数(如位移、如位移、加速度等加速

4、度等)。 5、对理论分析方法进行校核，验证理论分析的、对理论分析方法进行校核，验证理论分析的正确性，并为理论分折提供条件。正确性，并为理论分折提供条件。实验应力分析的主要任务：实验应力分析的主要任务：实验应力分析的特点实验应力分析的特点 a、方便，经济，实用；、方便，经济，实用； b、在边界条件不确定，甚至材料性能未知、在边界条件不确定，甚至材料性能未知 的情况下，也可进行应力和应变分析；的情况下，也可进行应力和应变分析； c、不受结构形状等各种条件限制。、不受结构形状等各种条件限制。实验应力分析的局限性：实验应力分析的局限性： a、所得结果包含理想化和近似化因素。、所得结果包含理想化和近似化

5、因素。 b、由于测试技术的限制，在某些特定条、由于测试技术的限制，在某些特定条 件下，还不能进行实验，且测量精度件下，还不能进行实验，且测量精度 也有待提高。也有待提高。实验应力分析的方法实验应力分析的方法： 1.电阻应变计测量法（应变电测法）：电阻应变计测量法（应变电测法）： 用电阻应变计测定构件的表面应变，再根据应用电阻应变计测定构件的表面应变，再根据应变变-应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法分析方法。 2.各种光测法各种光测法 光弹性法、全息激光法、散斑干涉法、云光弹性法、全息激光法、散斑干涉法、云纹法、云纹干涉法、焦散线法、动光

6、弹法、光塑纹法、云纹干涉法、焦散线法、动光弹法、光塑性法等。性法等。 电阻应变计测量法电阻应变计测量法第一章第一章 电测法概述电测法概述第二章第二章 电阻应变片电阻应变片第三章第三章 测量电桥的特性及应用测量电桥的特性及应用第四章第四章 电阻应变仪与记录仪电阻应变仪与记录仪第五章第五章 静态应变测量静态应变测量第六章第六章 动态应变测量动态应变测量 第一章第一章 电测法概述电测法概述 电测法简介电测法简介 电测法的特点电测法的特点电测法的局限性电测法的局限性电测法的应用电测法的应用第一章第一章 电测法概述电测法概述 一、电测法一、电测法简介简介 电测法电测法：将将力学量（应变、位移、速度）等力

7、学量（应变、位移、速度）等非电量转换成电量来进行测量的一种实验方法。非电量转换成电量来进行测量的一种实验方法。 电测法电测法是是实验应力分析中使用最广泛和适应实验应力分析中使用最广泛和适应性最强的方法之一。该方法是利用性最强的方法之一。该方法是利用电阻应变计电阻应变计(简简称称应变片应变片）作为敏感元件）作为敏感元件，将应变量转换成电量将应变量转换成电量，用用电阻电阻应变仪应变仪作为测量仪器，作为测量仪器，通过测量可以得到通过测量可以得到受力构件上的受力构件上的应变的一种实验方法。应变的一种实验方法。二、电测法的特点：二、电测法的特点：测量灵敏度、精度高，最小应变读数可达测量灵敏度、精度高，最

8、小应变读数可达10-6，静态应变测量精度可达静态应变测量精度可达1%2% 。应变片尺寸小，重量轻，粘贴方便，对试件的应变片尺寸小，重量轻，粘贴方便，对试件的工作状态和应力分布影响很小。工作状态和应力分布影响很小。频率响应快，机械滞后小，可以测量静态应变频率响应快，机械滞后小，可以测量静态应变到到5* 105Hz动载和冲击载荷的动态应变。动载和冲击载荷的动态应变。二、电测法的特点二、电测法的特点可在恶劣的环境下测量结构的应变。如在高可在恶劣的环境下测量结构的应变。如在高温、低温、深水结构、强磁场及核辐射等条温、低温、深水结构、强磁场及核辐射等条件下进行测量。件下进行测量。可对运动状态下的结构进行

9、实测。如可对高可对运动状态下的结构进行实测。如可对高速旋转的飞轮和轴、行驶中的汽车、拖拉机速旋转的飞轮和轴、行驶中的汽车、拖拉机等进行实测。等进行实测。输出为电信号，自动化程度高，可实现遥控输出为电信号，自动化程度高，可实现遥控测量测量。三、电测法的局限性：三、电测法的局限性： 1一枚应变片只能测量一个一枚应变片只能测量一个“点点”，不易得到构，不易得到构件的全域性应变分布件的全域性应变分布 。 2应变片一般只能测构件表面的应变对结构内应变片一般只能测构件表面的应变对结构内部的三维应变测量很难进行，（安装内埋式应变部的三维应变测量很难进行，（安装内埋式应变计）。计）。 3应变片所测出的应变只能

10、代表栅长范围内的平应变片所测出的应变只能代表栅长范围内的平均应变，对应力梯度很大构件表面或应力集中的情均应变，对应力梯度很大构件表面或应力集中的情况，应选栅长很小的应变计，否则测量误差较大。况，应选栅长很小的应变计，否则测量误差较大。四、电测法的应用四、电测法的应用 1、航空航天工程、航空航天工程 美国美国Boeing767飞飞机静力结构实验采用了机静力结构实验采用了2204个单个应变片，个单个应变片，1162个应变花，应变测个应变花，应变测量仪器约量仪器约4100个通道，个通道，采用采用120个液压加载器，个液压加载器，试验费用约试验费用约4100万美元。万美元。四、电测法的应用四、电测法的

11、应用 2、水利工程、水利工程 日本真名川混凝土水坝，日本真名川混凝土水坝，在建造时为施工和完成后维在建造时为施工和完成后维修监测，埋设了温度计修监测，埋设了温度计187个，应变计个，应变计43个，及应力计、个，及应力计、钢筋计、裂缝计等共钢筋计、裂缝计等共600多多个测量元件。采用数据采集个测量元件。采用数据采集仪。施工中测量各处温度，仪。施工中测量各处温度，施工后测量坝体应力，蓄水施工后测量坝体应力，蓄水时监测各种应力、应变和温时监测各种应力、应变和温度等。度等。四、电测法的应用四、电测法的应用 3、桥梁工程、桥梁工程 上海南浦大桥系双上海南浦大桥系双塔双索面大跨度斜拉桥，塔双索面大跨度斜拉

12、桥，静载试验测试时在主梁静载试验测试时在主梁跨中、辅助墩顶等跨中、辅助墩顶等2个测个测试断面上共有试断面上共有144个测点，个测点，其中钢梁部分现贴应变其中钢梁部分现贴应变片片72个，混凝土桥面板个，混凝土桥面板预埋钢筋应力计预埋钢筋应力计72个。个。采用静态数据采集仪测采用静态数据采集仪测量记录。量记录。四、电测法的应用四、电测法的应用 4、交通工程、交通工程 小桥车耐冲撞性试小桥车耐冲撞性试验，为测量车体前后方验，为测量车体前后方向的加速度，在前座、向的加速度，在前座、后座底板上安装加速度后座底板上安装加速度传感器，在前座假人头传感器，在前座假人头部、腹部安装加速度传部、腹部安装加速度传感

13、器，在前座假人肩部、感器，在前座假人肩部、腰部安装荷载传感器等。腰部安装荷载传感器等。由动态应变仪放大并记由动态应变仪放大并记录，通过遥测仪进行测录，通过遥测仪进行测量。量。第二章第二章 电阻应变片电阻应变片2-1 应变片的工作原理应变片的工作原理2-2 应变片的分类与选用应变片的分类与选用2-3 应变片的工作特性应变片的工作特性2-4 应变片粘结剂的选用和粘贴工艺应变片粘结剂的选用和粘贴工艺2-5 应变片的标定应变片的标定2-1 应变片的工作原理应变片的工作原理一、应变片的构造一、应变片的构造 最常应用应变片的是丝绕式最常应用应变片的是丝绕式电阻片和金属箔式电阻片。电阻片和金属箔式电阻片。

14、丝绕式电阻片丝绕式电阻片一般采用一般采用0.0120.05mm直径的镍铬或铜镍直径的镍铬或铜镍(康铜康铜)合金丝绕成合金丝绕成栅栅状，其结构状，其结构如图如图2-l 所示。由五部分构成。所示。由五部分构成。1、敏感栅、敏感栅 2、基底、基底 3、引线、引线 4、覆盖层、覆盖层 5、粘结剂、粘结剂 图图2-1 应变片的构造应变片的构造 1、敏感栅、敏感栅 2、基底、基底 3、引线、引线 4、覆盖层、覆盖层 5、粘结剂、粘结剂图图2-2 2-2 金属箔式应变片金属箔式应变片一、应变片的构造一、应变片的构造 金属箔式电阻片金属箔式电阻片是用是用厚度厚度0.0010.01 mm的金的金属箔作为敏感栅，

15、箔片材属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。它的利用光刻技术制成。它的几何形状和尺寸非常精密。几何形状和尺寸非常精密。参见图参见图2-22-2，也由五部分，也由五部分组成。组成。二、电阻丝的应变效应二、电阻丝的应变效应 金属导体的电阻随其变形金属导体的电阻随其变形(伸长或缩短伸长或缩短)而发生改变的这种物而发生改变的这种物理现象叫理现象叫金属导线的应变效应金属导线的应变效应。 已知导线电阻表达式为已知导线电阻表达式为 (2-1)其中，其中，R是导线的电阻是导线的电阻()，是导线的电阻率是导线的电阻率( mm2/m)，l是导是导线的长度线的长度(m)

16、 ，A是导线的横截面积是导线的横截面积(m2)。考虑导线电阻率考虑导线电阻率为常量时，导体伸长后引起电阻的变化为为常量时，导体伸长后引起电阻的变化为 (2-2)2AldAAdldRAlR 将将(2-2)式除以式除以(2-1)式可得式可得 (2-3)圆截面导线变形后直径圆截面导线变形后直径D变为变为 其中，其中，是泊桑比，是泊桑比，dl/l是应变。截面面积变比为是应变。截面面积变比为 (2-4)将将(2-4)式代入式代入(2-3)式得到式得到令令KS为电阻丝灵敏系数为电阻丝灵敏系数，上式变为，上式变为 (2-5)AdAldlRdR)-D(1D-DD-A-DDAdA2422RdR21SKRdR可见

17、电阻变化率可见电阻变化率dR/R与应变量成正比，比例常数与应变量成正比，比例常数KS为为 (2-6)实测值实测值KS与与(2-6)式不符，其原因是式不符，其原因是在应变过程中也是变量。考在应变过程中也是变量。考虑虑为变量时，则有为变量时，则有 (2-7)即是即是 (2-8)21/RdRKSsdsldldRdR12dRdR /21dKS式式(2-8) 表明，电阻丝的灵敏系数表明，电阻丝的灵敏系数KS受到两个因素的影响：受到两个因素的影响： 1.电阻丝材料本身的机械性能，即式中电阻丝材料本身的机械性能，即式中(1十十2)项。项。 2.电阻丝受力后材料的单位应变系数的变比率，为电阻丝受力后材料的单位

18、应变系数的变比率，为 。/d 三、应变片的灵敏系数三、应变片的灵敏系数K 根据测量仪器要求，电阻丝必须具有定量的初始电阻根据测量仪器要求，电阻丝必须具有定量的初始电阻( (一般一般120 )120 )；单线长度为；单线长度为3080mm，因此，必须把它制成栅状，以，因此，必须把它制成栅状，以测量反映构件测量反映构件“点点”的应变。的应变。 定义：定义：当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，应变片轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿应变片轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其轴向的应变之比值，即其轴向的应变之比值，即K=

19、(R/R)/K= (R/R)/x x 。 应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两者又不相等：由于横栅的存在，使敏感栅的灵敏系数小于丝两者又不相等：由于横栅的存在，使敏感栅的灵敏系数小于丝材的灵敏系数；试件的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，材的灵敏系数；试件的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，又使应变片的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数。又使应变片的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数。 应变片的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标，不能应变片的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标，不能通过理论计算得到，而是在专门的设备上进行标定试验来确

20、定通过理论计算得到，而是在专门的设备上进行标定试验来确定的。常用应变片的灵敏系数为的。常用应变片的灵敏系数为2.02.02.42.4。 当横向应变为零时，可得轴向灵敏系数：当横向应变为零时，可得轴向灵敏系数： 当轴向应变为零时，可得横向灵敏系数：当轴向应变为零时，可得横向灵敏系数： 横向效应系数横向效应系数H定义：定义：横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值 。可采用等强度梁来测定应变片的可采用等强度梁来测定应变片的横向效应系数横向效应系数。yxxRRKKyx0 xyRR Ky0yxRR KxyKKH四、应变片的横向效应系数四、应变片的横向效应系数 应变片的横向效应：

21、由于敏感栅感受横向应变而使应变片灵应变片的横向效应：由于敏感栅感受横向应变而使应变片灵敏系数减少的现象。敏系数减少的现象。 应变片的电阻变化率是感受纵向应变应变片的电阻变化率是感受纵向应变 和横向应变和横向应变 共同引起的共同引起的: :xy2-2 应变片的分类与选用应变片的分类与选用一、应变片分类一、应变片分类 应变片的类型很多，可根据不同的用途和特点来分类，应变片的类型很多，可根据不同的用途和特点来分类，现只介绍几种常用的应变片：现只介绍几种常用的应变片：1丝绕式圆角栅应变片丝绕式圆角栅应变片 这种应变片敏感栅用绕丝机织成，基底多用纸，价格便这种应变片敏感栅用绕丝机织成，基底多用纸，价格便

22、宜。其缺点是端部有半圆形弧段，造成横向效应，测量精度宜。其缺点是端部有半圆形弧段，造成横向效应，测量精度不高，耐湿和耐高温性能也不好。不高，耐湿和耐高温性能也不好。2箔式应变片箔式应变片 这种应变片用厚度金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、这种应变片用厚度金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。其横向部分可以做成宽栅镍铬合金等，利用光刻技术制成。其横向部分可以做成宽栅条，横条，横向效应很小；散热性能好，允许较大电流通过；疲劳向效应很小；散热性能好，允许较大电流通过；疲劳寿命长。其缺点是工艺较复杂，制造难度大。寿命长。其缺点是工艺较复杂，制造难度大。(a)两片直角两片直角(

23、b)三片直角三片直角(c)三片等角三片等角(d)四片直角四片直角(e)四片等角四片等角(T-)图图2-3 常见的应变花常见的应变花 3应变花应变花 为了测量平面应力场中某测点的主应力大小和方向，常常为了测量平面应力场中某测点的主应力大小和方向，常常需要测量该点上两个或三个方向上的应变，这就需要在一个基需要测量该点上两个或三个方向上的应变，这就需要在一个基底上粘贴底上粘贴24个电阻丝栅，它们方向事先已安置妥当，称为应变个电阻丝栅，它们方向事先已安置妥当，称为应变花。常用的应变花有两片直角、三片直角、三片等角、四片直花。常用的应变花有两片直角、三片直角、三片等角、四片直角、四片等角角、四片等角(T

24、-)等形式。参见图等形式。参见图2-3。 二、电阻应变片的选用二、电阻应变片的选用1应变片基底材料的选择应变片基底材料的选择 构件的工作温度是选用应变片基底材料的主要依据，现构件的工作温度是选用应变片基底材料的主要依据，现将几种基底材料的工作温度列表如下：将几种基底材料的工作温度列表如下：基底材料基底材料工作温度工作温度纸纸 基基-5080酚醛树脂酚醛树脂-50180环氧树脂环氧树脂-5080聚酰亚胺聚酰亚胺-150250金属片金属片400表表2-1 2-1 基底材料的工作温度范围基底材料的工作温度范围2. 应变片敏感栅结构形状和尺寸的选择应变片敏感栅结构形状和尺寸的选择 结构形状：结构形状：

25、当构件处于单向应力状态或主应力方向已知的平当构件处于单向应力状态或主应力方向已知的平面应力状态时，可采用单轴面应力状态时，可采用单轴(单个敏感栅单个敏感栅)应变片。当构件表面处应变片。当构件表面处于主应力方向未知的二向应力状态，则需选用三栅或三栅以上的于主应力方向未知的二向应力状态，则需选用三栅或三栅以上的应变花。应变花。 特殊形状的应变片适用于特殊的用途。如特殊形状的应变片适用于特殊的用途。如45多栅多轴应变多栅多轴应变片用于测试拉应变和剪应变；平行轴多栅电阻片测应力梯度等。片用于测试拉应变和剪应变；平行轴多栅电阻片测应力梯度等。 结构尺寸：结构尺寸：由于电阻片测量是栅长内构件应变的平均值，

26、选由于电阻片测量是栅长内构件应变的平均值，选择栅长尺寸时，应考虑应力变比的梯度，当构件应力变化的梯度择栅长尺寸时，应考虑应力变比的梯度，当构件应力变化的梯度大时选择栅长小的应变片在应力集中部位，栅长越小越好。大时选择栅长小的应变片在应力集中部位，栅长越小越好。 从构件材料的均匀性来考虑，如混凝土、铸铁，应选择栅长从构件材料的均匀性来考虑，如混凝土、铸铁，应选择栅长较大的电阻片，对于混凝土构件，应变片的栅长应为混凝土最大较大的电阻片，对于混凝土构件，应变片的栅长应为混凝土最大骨料的骨料的45倍。倍。3根据工作环境条件考虑根据工作环境条件考虑在潮湿环境中，考虑使用防潮性能好的胶膜基底电阻片，在潮湿

27、环境中，考虑使用防潮性能好的胶膜基底电阻片，并且涂上防潮剂以免潮气侵入应变片内。并且涂上防潮剂以免潮气侵入应变片内。在强磁场条件下电阻片因磁场影响产生伸长或缩短，在交在强磁场条件下电阻片因磁场影响产生伸长或缩短，在交变磁场内将产生干扰信号，因此应使用防磁电阻片。变磁场内将产生干扰信号，因此应使用防磁电阻片。 测量混凝土结构内部应变和应力时，选用温度自补偿箔式测量混凝土结构内部应变和应力时，选用温度自补偿箔式应变片，或选用混凝土埋入式应变片。应变片，或选用混凝土埋入式应变片。4应变片电阻值选择应变片电阻值选择 应变片的电阻值有应变片的电阻值有60，120，200，350等，一般等，一般选用标称值

28、选用标称值120的电阻片。因为应变测量仪器的桥臂电阻大的电阻片。因为应变测量仪器的桥臂电阻大都是按照都是按照120设计的。设计的。5. 应变片灵敏系数的选择应变片灵敏系数的选择 在静载荷作用下测量时，应变片可选用任意值的灵敏系数，在静载荷作用下测量时，应变片可选用任意值的灵敏系数，因为仪器上设有灵敏系数调节旋纽，测量值可以不必修正。因为仪器上设有灵敏系数调节旋纽，测量值可以不必修正。 在动态应变测量时，由于动态应变仪是按照灵敏系数等于在动态应变测量时，由于动态应变仪是按照灵敏系数等于2设计的，所以选取设计的，所以选取K2的应变片，如果应变片的灵敏系数与的应变片，如果应变片的灵敏系数与仪器灵敏系

29、数不一致时，测量结果需要修正。仪器灵敏系数不一致时，测量结果需要修正。6. 应变片精度等级的选择应变片精度等级的选择 应变片的精度一般分为三级：普通级、精密级和高精密级。应变片的精度一般分为三级：普通级、精密级和高精密级。选用的等级可根据测试目的和要求决定。普通级可用于教学实选用的等级可根据测试目的和要求决定。普通级可用于教学实验；高精密级可用于高精度传感器和精密测试。验；高精密级可用于高精度传感器和精密测试。2-3 应变片的工作特性应变片的工作特性 应变片的性能好坏直接影响应变测量的精确度，因此，应对应变片的性能好坏直接影响应变测量的精确度，因此，应对应变片的性能需要提出一定的要求。应变片的

30、性能需要提出一定的要求。一、机械滞后一、机械滞后 当对贴有应变片的试件进行当对贴有应变片的试件进行反复加、卸载试验时，其特性曲反复加、卸载试验时，其特性曲线不完全重合这种现象称为应线不完全重合这种现象称为应变片的变片的机械滞后机械滞后。见图。见图2-4。机。机械滞后值械滞后值k可用加载、卸载循环可用加载、卸载循环过程中，加载曲线与卸载曲线的过程中，加载曲线与卸载曲线的最大差值最大差值max表示。表示。图图2-4 机械滞后机械滞后 机械滞后产生原因很多，主要是应变片特性差，粘结剂固机械滞后产生原因很多，主要是应变片特性差，粘结剂固化处理不当，胶层过厚，局部脱胶等。在使用应变片测量前，化处理不当，

31、胶层过厚，局部脱胶等。在使用应变片测量前，最好最好予先加载数次，以减小滞后影响。予先加载数次，以减小滞后影响。二、二、蠕变和零点漂移蠕变和零点漂移 蠕变蠕变是当试件在某恒定应变下及某不变的温度下，应变片的是当试件在某恒定应变下及某不变的温度下，应变片的指示应变随时间而变化的特性指示应变随时间而变化的特性。 零点漂移零点漂移是在试件不受力的情况，在某恒定温度下应变片的是在试件不受力的情况，在某恒定温度下应变片的指示应变值随时间而变化的特性。指示应变值随时间而变化的特性。 产生零漂的原因是温度效应、粘接剂固化不充分、制造和粘产生零漂的原因是温度效应、粘接剂固化不充分、制造和粘贴应变片过程中造成的初

32、应力、敏感栅材料的逐渐氧化、仪器零贴应变片过程中造成的初应力、敏感栅材料的逐渐氧化、仪器零漂等所造成的。漂等所造成的。三、应变极限三、应变极限 在室温条件下，使试件的应变逐渐加大，当应变片的指示应在室温条件下，使试件的应变逐渐加大，当应变片的指示应变与试件实际应变的相对误差达到变与试件实际应变的相对误差达到10时，此时试件应变为该应时，此时试件应变为该应变片的变片的应变极限。应变极限。 决定应变极限的主要因素：粘结剂和基底材料传递应变的性决定应变极限的主要因素：粘结剂和基底材料传递应变的性能；引线与敏感栅焊点的布置形式；应变计的安装质量。能；引线与敏感栅焊点的布置形式；应变计的安装质量。四、绝

33、缘电阻四、绝缘电阻(Rm) 绝缘电阻是应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值。绝缘电阻是应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值。 绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。在一般环境下，短期测量通常要求绝缘电阻在差。在一般环境下，短期测量通常要求绝缘电阻在50200M。用测量电压低于用测量电压低于100V的高阻表测量绝缘电阻。的高阻表测量绝缘电阻。五、疲劳寿命五、疲劳寿命 应变片在恒定幅值的交变应力作用下连续工作，直至使应变应变片在恒定幅值的交变应力作用下连续工作，直至使应变片产生疲劳破坏的片产生疲劳破坏的循环次数循环次

34、数，称为应变片的，称为应变片的疲劳寿命疲劳寿命。 疲劳损坏：敏感栅或引线发生断路；应变计输出幅值变化疲劳损坏：敏感栅或引线发生断路；应变计输出幅值变化10%10%；应变计输出波形出现穗状尖峰。；应变计输出波形出现穗状尖峰。 为提高应变片的寿命为提高应变片的寿命，常选用胶基箔式应变片，同时需特别，常选用胶基箔式应变片，同时需特别注意引线与敏感栅之间的连接方式和焊点质量。注意引线与敏感栅之间的连接方式和焊点质量。2-4 应变片的粘结剂选用和粘贴工艺应变片的粘结剂选用和粘贴工艺一、应变片的粘结剂选用一、应变片的粘结剂选用 测试前，将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，测试前，将应变片用粘结剂

35、牢固地粘贴在被测试件的表面上，试件受力时，粘结剂应及时地把试件的全部变形传递给敏感栅。试件受力时，粘结剂应及时地把试件的全部变形传递给敏感栅。应变片能否真实地反映试件的应变，粘结剂的作用是十分重要应变片能否真实地反映试件的应变，粘结剂的作用是十分重要的。粘结剂还影响应变片的工作特性，如蠕变、滞后、零漂、的。粘结剂还影响应变片的工作特性，如蠕变、滞后、零漂、灵敏系数等。因此，必须正确地选择粘结剂。灵敏系数等。因此，必须正确地选择粘结剂。 粘结剂应满足如下主要要求：粘结剂应满足如下主要要求： 1. 固化后有较高的剪切强度，最好达到固化后有较高的剪切强度，最好达到1014MPa以上。以上。 2. 基

36、底、粘结剂固化后线膨胀系数相近。基底、粘结剂固化后线膨胀系数相近。 3. 粘结工艺简单易行，固化后有较高的绝缘度。粘结工艺简单易行，固化后有较高的绝缘度。 4. 粘结剂固化后有足够的韧性，能够承受冲击或动载荷。粘结剂固化后有足够的韧性，能够承受冲击或动载荷。 5. 对各种试件材料具有良好的粘结力，且固化内应力小。对各种试件材料具有良好的粘结力，且固化内应力小。二、贴片工艺二、贴片工艺 贴片是测量准备工作中关键的一环，只有使胶层均匀，位贴片是测量准备工作中关键的一环，只有使胶层均匀，位置准确，无气泡，才能保证敏感栅如实地再现构件的变形。置准确，无气泡，才能保证敏感栅如实地再现构件的变形。 贴片工

37、艺如下；贴片工艺如下；1.检查、挑选应变片检查、挑选应变片 用放大镜检查应变片的质量，剔除那些敏感栅有形状缺陷，用放大镜检查应变片的质量，剔除那些敏感栅有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点的应变片。用万用表测量电阻，同一片内有气泡、霉斑、锈点的应变片。用万用表测量电阻，同一组应变片的阻值差不大于组应变片的阻值差不大于0.1。 2.试件表面清理试件表面清理 用砂布清除试件表面的油漆、锈斑和氧化层等覆盖层。再用砂布清除试件表面的油漆、锈斑和氧化层等覆盖层。再用汽油或丙酮除去表面的油污。最后，用中粒度砂布与应变片用汽油或丙酮除去表面的油污。最后，用中粒度砂布与应变片粘贴方向成粘贴方向成45交叉打出一些

38、条纹，可以增强胶的附着力。交叉打出一些条纹，可以增强胶的附着力。3.贴片贴片 a.在被测试件测点上画上十字线，并标出贴片的方向。在被测试件测点上画上十字线，并标出贴片的方向。 b.用脱脂棉蘸酒精消除试件表面灰尘和油污，注意不可用手用脱脂棉蘸酒精消除试件表面灰尘和油污，注意不可用手摸或用嘴吹。摸或用嘴吹。 c.涂上胶水，用应变片的背面将胶水在试件表面上涂匀。然后涂上胶水，用应变片的背面将胶水在试件表面上涂匀。然后用镊子拨动应变片，调整应变片位置和角度。在上面垫一层聚乙用镊子拨动应变片，调整应变片位置和角度。在上面垫一层聚乙烯薄膜，用手指轻轻滚压挤出多余胶水和气泡，并按压一分钟。烯薄膜，用手指轻轻

39、滚压挤出多余胶水和气泡，并按压一分钟。 d.使用红外线灯烘烤，可以加速胶水固化，温度保持在使用红外线灯烘烤，可以加速胶水固化，温度保持在60以内，几小时后即可测量。以内，几小时后即可测量。 e.用用1525w电烙铁将导线与引出线焊接起来，编上号并且用电烙铁将导线与引出线焊接起来，编上号并且用胶布固定，防止不小心拉断接头。胶布固定，防止不小心拉断接头。 f. .防护：应变片接好导线后，应立即涂上防护层，防止大气防护：应变片接好导线后，应立即涂上防护层，防止大气中水分的浸入，防止酸、碱、油等介质的浸入。其方法是在应变中水分的浸入，防止酸、碱、油等介质的浸入。其方法是在应变片上涂一层中性凡士林，或用

40、片上涂一层中性凡士林，或用914914环氧树脂作防护层。环氧树脂作防护层。1.选点。选点。 采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等2.打磨。打磨。 用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力3.清洗。清洗。 用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗4.贴片。贴片。 在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶均匀的粘贴胶 5.排气。排气。 用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用镊子将应变片放上并调好位置，然后

41、盖上薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡用手指揉和滚压，排出下面的气泡 6. 分开导线。把应变片的导线用手轻轻的分开，以免和应分开导线。把应变片的导线用手轻轻的分开，以免和应 变片脱离变片脱离7. 测量电阻。测量电阻。 从分开的导线处用万用表测量应变片的电阻，从分开的导线处用万用表测量应变片的电阻， 防止导线折断和坏的应变片防止导线折断和坏的应变片 8.焊接。焊接。 把引线和导线用点焊的方式焊接，要小心导线折断。把引线和导线用点焊的方式焊接，要小心导线折断。 9. 固定。固定。 焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止 引线和应变片脱离引线和应变

42、片脱离 2-5 应变片的标定应变片的标定一、应变片灵敏系数的标定一、应变片灵敏系数的标定 标定应变片灵敏系数可采用等截面纯弯梁、等强度悬臂梁和标定应变片灵敏系数可采用等截面纯弯梁、等强度悬臂梁和拉压试件三种方式。以纯弯曲梁为例说明标定方法。拉压试件三种方式。以纯弯曲梁为例说明标定方法。 1、标定装置和原理：、标定装置和原理：由材料力学可知，梁上下表面的应变由材料力学可知，梁上下表面的应变值与中点挠度的关系：值与中点挠度的关系：cfclh224312在梁上放置三点挠度仪，测得相对挠度在梁上放置三点挠度仪，测得相对挠度f，则应变计算公式为：，则应变计算公式为：fhffah22fah24 2、标定方

43、法：、标定方法： 从一批应变片中抽从一批应变片中抽5%作为样片（不少于作为样片（不少于6片），粘在标片），粘在标定梁上，加载使梁表面产生一个已知的轴向应变定梁上，加载使梁表面产生一个已知的轴向应变。 用高精度的电阻应变仪用高精度的电阻应变仪(经校准经校准)测得各个样片的应变读测得各个样片的应变读数。数。 设应变片灵敏系数为设应变片灵敏系数为K，应变仪的灵系数为，应变仪的灵系数为K0，应变仪的，应变仪的读数为读数为d d, ,则有则有 dKKRR0dKK0 标定时，对每个应变片加、卸载标定时，对每个应变片加、卸载3 3次，取应变仪读数的三次，取应变仪读数的三次平均值作为实验值。次平均值作为实验值

44、。 该批应变片灵敏系数标定值为该批应变片灵敏系数标定值为nKKi 2、标定方法：、标定方法： 灵敏系数的分散度，可用标准差灵敏系数的分散度，可用标准差或相对误差或相对误差C C来表示。来表示。 211KKni%100KC 应变片的灵敏系数可表示为：应变片的灵敏系数可表示为：CKK 注意：注意：应变片的灵敏系数标定时，要满足下述应变片的灵敏系数标定时，要满足下述3个条件。个条件。 标定梁处于单向应力状态；标定梁处于单向应力状态； 应变片的纵向与标定梁的应力方向平行；应变片的纵向与标定梁的应力方向平行； 标定梁材料的泊松比为标定梁材料的泊松比为=0.285=0.285。二、应变片横向效应系数的标定

45、二、应变片横向效应系数的标定 1、标定装置、标定装置2 2、标定方法、标定方法 将同一批次中的几个应变片沿将同一批次中的几个应变片沿X X轴方向安装在试轴方向安装在试件工作表面，另几个应变片沿件工作表面，另几个应变片沿Y Y轴方向安装在试件工作表轴方向安装在试件工作表面。面。 对试件加载，使其工作表面沿对试件加载，使其工作表面沿X X轴的应变为轴的应变为x x, ,沿沿Y Y轴的应变为零。轴的应变为零。 用高精度的电阻应变仪用高精度的电阻应变仪(经校准经校准)测得沿测得沿X轴的应轴的应变片的应变读数为变片的应变读数为xdxd, ,测得沿测得沿Y轴的应变片的应变读数为轴的应变片的应变读数为ydy

46、d。 设应变片轴向灵敏系数为设应变片轴向灵敏系数为Kx，横向灵敏系数为，横向灵敏系数为Ky，应变仪的灵系数为应变仪的灵系数为K0，则有，则有xydyxxdxKKKK002 2、标定方法、标定方法 应变片的横向效应系数为应变片的横向效应系数为ixdiydixiyiKKH 将应变片的横向效应系数取平均值，即得该批应变片将应变片的横向效应系数取平均值，即得该批应变片的横向效系数的横向效系数nHHi第三章第三章 测量电桥的特性及应用测量电桥的特性及应用 使用应变片测量应变时，必须用适当的方法检使用应变片测量应变时，必须用适当的方法检测其阻值的微小变化。应变片感受的机械应变量一测其阻值的微小变化。应变片

47、感受的机械应变量一般为般为10-610-2，电阻变化率也在，电阻变化率也在10-610-12数量级之间。数量级之间。这样小的电阻变化用一般电阻仪很难测量出，需要这样小的电阻变化用一般电阻仪很难测量出，需要采用测量电路将微电阻变化率转换成电压或电流的采用测量电路将微电阻变化率转换成电压或电流的变化，才能用仪表记录或显示出来。最理想的测量变化，才能用仪表记录或显示出来。最理想的测量电路是惠斯登电桥。电路是惠斯登电桥。 测量电路要满足以下两个方面的要求：测量电路要满足以下两个方面的要求： l、足够的灵敏度、足够的灵敏度 2、足够的准确度、足够的准确度3-1 直流电桥的基本原理直流电桥的基本原理一、电

48、桥平衡条件一、电桥平衡条件 电阻应变仪中的电桥线路如图所电阻应变仪中的电桥线路如图所示。它以应变片或电阻元件作为桥臂，示。它以应变片或电阻元件作为桥臂，A、C为电源端为电源端(电桥输入端电桥输入端)，B、D为测量端为测量端(电桥的输出端电桥的输出端)。可取。可取R1为为应变片，也可取应变片，也可取R1、R2为应变片或为应变片或R1R4均为应变片等形式。均为应变片等形式。 由电工学计算可知，图中电桥的由电工学计算可知，图中电桥的输出电压为输出电压为若电桥的四桥臂电阻满足条件若电桥的四桥臂电阻满足条件 R R2 2R R4 4=R=R1 1R R3 3 (3-1) (3-1)则电桥的输出电压为零。

49、电桥的这种状态称为电桥平衡。则电桥的输出电压为零。电桥的这种状态称为电桥平衡。ERRRRRRRRU)(432142310二、测量电桥的输出电压二、测量电桥的输出电压 设初始平衡的电桥各桥臂相应的电阻增量为设初始平衡的电桥各桥臂相应的电阻增量为R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4，则电桥输出电压为，则电桥输出电压为ERRRRRRRRRRRRRRRRU)()()(44332211442233110 在电阻应变仪设计中，一般各桥臂初始在电阻应变仪设计中，一般各桥臂初始电阻值相等（等臂电桥）。且电阻值相等（等臂电桥）。且R/RR/R均很小，均很小，忽略高阶微量，经整理可得：忽略高阶微

50、量，经整理可得：4433221104RRRRRRRREU若应变计的灵敏系数为若应变计的灵敏系数为K,K,则则R/R=K432104KEU二、测量电桥的输出电压二、测量电桥的输出电压上式是直流电桥转换原理的基本关系式。它表明：上式是直流电桥转换原理的基本关系式。它表明： 1 1）在一定应变范围内，电桥的输出电压）在一定应变范围内，电桥的输出电压U U0 0与应变片感受与应变片感受的应变的应变成线性关系。成线性关系。 2 2）各个桥臂上应变片的应变）各个桥臂上应变片的应变对输出电压的影响是线性对输出电压的影响是线性叠加的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同。叠加的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相

51、同。 3 3）此式线性关系确定被测应变值，存在一定的误差。）此式线性关系确定被测应变值，存在一定的误差。 （误差分析自学）（误差分析自学） 432104KEU三、测量电桥的基本特性三、测量电桥的基本特性上表明了电桥的基本特性：上表明了电桥的基本特性： 1 1）两相邻桥臂上应变片的应变相减。即应变同号时，输）两相邻桥臂上应变片的应变相减。即应变同号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之差；应变异号时，输出应变为出应变为两相邻桥臂上应变之差；应变异号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之和。两相邻桥臂上应变之和。 2 2）两相对桥臂上应变片的应变相加。即应变同号时，输）两相对桥臂上应变片的应变相加。即应变同号

52、时，输出应变为两相邻桥臂上应变之和；应变异号时，输出应变为出应变为两相邻桥臂上应变之和；应变异号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之差。两相邻桥臂上应变之差。 应变仪的输出应变就是读数应变，所以合理、巧妙地利应变仪的输出应变就是读数应变，所以合理、巧妙地利用电桥特性，可以增大读数应变，并且可测出复杂受力杆件用电桥特性，可以增大读数应变，并且可测出复杂受力杆件中的内力分量。中的内力分量。432104KEU432104KEUd3-2 温度变化效应的补偿温度变化效应的补偿一、温度变化效应的产生一、温度变化效应的产生 测量构件的应变并不是瞬时完成的，往往需要几个小时有时测量构件的应变并不是瞬时完成的，往往

53、需要几个小时有时甚至需要几天。由于环境温度不断地变化，而应变片对温度的影甚至需要几天。由于环境温度不断地变化，而应变片对温度的影响又十分敏感，粘贴在构件上的应变片由于温度的变化而引起电响又十分敏感，粘贴在构件上的应变片由于温度的变化而引起电阻变化，其数量级有时可与应变引起的电阻变化相当，这一现象阻变化，其数量级有时可与应变引起的电阻变化相当，这一现象就称为就称为温度变化效应温度变化效应。二、温度对应变片电阻的影响二、温度对应变片电阻的影响 由于温度变化而引起的应变片电阻的变化主要有以下两个方由于温度变化而引起的应变片电阻的变化主要有以下两个方面：面： 1、温度变化时敏感栅材料电阻率的变化、温度

54、变化时敏感栅材料电阻率的变化 由于应变片的敏感栅同其他金属材料一样，其电阻率会随温由于应变片的敏感栅同其他金属材料一样，其电阻率会随温度的变化而发生改变，从而导致了应变片电阻值的变化。若用度的变化而发生改变，从而导致了应变片电阻值的变化。若用(单位为单位为1/)表示温度每变化表示温度每变化1时电阻的相对变化量，称为电阻时电阻的相对变化量，称为电阻温度系数，则当温度改变温度系数，则当温度改变t时，一个原始阻值为时，一个原始阻值为R的应变所产的应变所产生的电阻增量为生的电阻增量为 R=Rt 2、应变片线膨胀系数与被测材料线膨胀系数的不同引起的、应变片线膨胀系数与被测材料线膨胀系数的不同引起的电阻变

55、化电阻变化 温度变化时，应变片和被测物件均将产生线膨胀，其大小可温度变化时，应变片和被测物件均将产生线膨胀，其大小可用下式计算用下式计算L=Lt 式中式中为构件或丝栅材料的线膨胀系数，为构件或丝栅材料的线膨胀系数，L为构件或丝栅材料为构件或丝栅材料的原始长度。的原始长度。 设有一段长度为设有一段长度为L的电阻丝，其材料的线膨胀系数为的电阻丝，其材料的线膨胀系数为丝丝，将其粘贴在线膨胀系数为将其粘贴在线膨胀系数为构构的构件上，当温度改变的构件上，当温度改变t时，如果两时，如果两者的膨胀均不受限制，则阻丝和构件的伸长将分别为者的膨胀均不受限制，则阻丝和构件的伸长将分别为阻丝阻丝 L丝丝=L丝丝t

56、构件构件 L构=L构构t 由于一般来说，由于一般来说， 丝丝构构，所以，所以L丝 L构。这样构件将强迫。这样构件将强迫阻丝与它一起变形。如阻丝与它一起变形。如L构 L丝，将使电阻丝受拉，反之受压。，将使电阻丝受拉，反之受压。其变形量为其变形量为 L = L 构- L丝丝 = L(构构-丝丝)t 既然阻丝发生了变形，则其电阻就会发生相应的改变，根据既然阻丝发生了变形，则其电阻就会发生相应的改变，根据R/R=K，电阻丝的阻值增量为，电阻丝的阻值增量为 R=KSRL/L=KSR(构构-丝丝)t 式中式中KS为电阻丝的灵敏系数。为电阻丝的灵敏系数。综合两方面因素，因温度效应而引起的应变片电阻变化率应为

57、综合两方面因素，因温度效应而引起的应变片电阻变化率应为 Rt/R=(R+R)/R=+KS(构构-丝丝)t (3-4) 此外，应变片的此外，应变片的敏感栅敏感栅(常为康铜常为康铜)和引线和引线(常为铜常为铜)之间的焊接之间的焊接点点，实际上是一个热电偶。温度变化时，接点处会产生复杂的热，实际上是一个热电偶。温度变化时，接点处会产生复杂的热电势，从而影响电桥的输出电压。电势，从而影响电桥的输出电压。 还有，温度变化时，对胶层的性质也有影响，一般是当温度还有，温度变化时，对胶层的性质也有影响，一般是当温度升高时，会使胶层变软，应变传递能力会随之下降，从而使灵敏升高时，会使胶层变软，应变传递能力会随之

58、下降，从而使灵敏系数降低。但是这些影响牵涉的因素比较复杂，很难从理论上加系数降低。但是这些影响牵涉的因素比较复杂，很难从理论上加以分析，一般可用实验去测定，在此不作进一步讨论。以分析，一般可用实验去测定，在此不作进一步讨论。三、温度效应的补偿三、温度效应的补偿 从以上分析可以看出，温度的变化将引起应变片阻值的改变，从以上分析可以看出，温度的变化将引起应变片阻值的改变，此时如将其接入测量电路，就会使得输出电压发生变化，从而在此时如将其接入测量电路，就会使得输出电压发生变化，从而在应变仪上产生指示应变，造成虚假应变。虚假应变严重时，每升应变仪上产生指示应变，造成虚假应变。虚假应变严重时，每升温温1

59、，可达几十微应变，严重地干扰了测量结果，使得测出的，可达几十微应变，严重地干扰了测量结果，使得测出的应变值存在很大的误差。因此，必须设法将其消除，应变值存在很大的误差。因此，必须设法将其消除，消除温度效消除温度效应影响的措施，叫做温度补偿应影响的措施，叫做温度补偿。 温度补偿的方法有很多种，可大致作如下分类温度补偿的方法有很多种，可大致作如下分类 补偿片法补偿片法 电路补偿法电路补偿法 电阻元件法电阻元件法 热敏元件法热敏元件法 温度补偿方法温度补偿方法 热电偶法热电偶法 自补偿法自补偿法 对敏感栅热处理法对敏感栅热处理法 双金属线栅法双金属线栅法 温度修正法温度修正法 通常采用如下两种方法进

60、行温度补偿：通常采用如下两种方法进行温度补偿： 1、补偿片法、补偿片法 在常温应变测量中，大多采用电路补偿法中的补偿片法，在常温应变测量中，大多采用电路补偿法中的补偿片法，这种方法是利用应变电桥的特性，而实现温度补偿的。其具体这种方法是利用应变电桥的特性，而实现温度补偿的。其具体操作步骤如下：操作步骤如下： A) 取两片电阻值、灵敏系数、电阻温度系数相同的应变片，取两片电阻值、灵敏系数、电阻温度系数相同的应变片，一片贴在受力构件上，将随着被测构件的受力一起变形，称为一片贴在受力构件上，将随着被测构件的受力一起变形，称为工作片工作片R1 ；另一片并不受力，仅受温度效应影响，称为补偿片；另一片并不