2电阻应变测试技术

1、 熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握电电阻应变的测量电路阻应变的测量电路，以及如何应用电阻应，以及如何应用电阻应变进行应力和应变测量。变进行应力和应变测量。本章主要内容参考书：参考书：地下工程测试理论与监测技术地下工程测试理论与监测技术第第3章章本章主要内容2-0 2-0 概述概述2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片2-2 2-2 测量电路测量电路2-3 2-3 应变（应力）测量应变（应力）测量2-4 2-4 应变仪应变仪2-0 2-0 概述概述1 1电阻应变测量基本原理电阻应变测量基本原理: :电阻应变效应电阻应变效应 电阻应变片：待测非电量电阻应变片：待测非电

2、量应变值应变值 电阻变化电阻变化r r电阻应变仪：测量电阻应变仪：测量r rl将应变片的将应变片的 r r u u或或 i il放大器放大器l输出到显示和记录设备输出到显示和记录设备本章主要内容2-0 2-0 概述概述2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片2-2 2-2 测量电路测量电路2-3 2-3 应变（应力）测量应变（应力）测量2-4 2-4 应变仪应变仪电阻应变效应公式电阻应变效应公式2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片l a r r 2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片理论分析理论分析l大应变时，大应变时， k k0 0通常不是常数；通常不是常数；l但对于康铜等少数几种电阻丝而言，但对

3、于康铜等少数几种电阻丝而言， k k0 0 基 本 为 定 值基 本 为 定 值 , , 因 此 它 们 可 用 于 大 应 变因 此 它 们 可 用 于 大 应 变（800010000）的量测的量测。)21 (210ck金属材料对应变的敏感系数金属材料对应变的敏感系数2 2 构造：构造：电阻丝电阻丝 基底与覆盖层基底与覆盖层 引线引线2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片2 2 构造构造（1 1）电阻丝：敏感材料，关键性部分。）电阻丝：敏感材料，关键性部分。要求：要求：电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小，电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小，压延性好。压延性好。材料：材料：铜镍、镍铬

4、、铁铬铝等高阻合金、半导体材料。铜镍、镍铬、铁铬铝等高阻合金、半导体材料。 （2 2）基底与覆盖层：定位，传力，保护）基底与覆盖层：定位，传力，保护要求：要求：绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，热稳定，温度应变小。热稳定，温度应变小。材料：材料：纸基、胶基、纸浸胶基纸基、胶基、纸浸胶基（3 3）引线：引线：0.15-0.180.15-0.18的镀锡（铱、银）软铜线。的镀锡（铱、银）软铜线。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片3 3 分类分类(1)(1)金属类金属类金属丝式应变片：丝绕式、短接式金属丝式应变片：丝绕式、短接式0.01-0.05

5、mm 0.01-0.05mm ，响应时间为，响应时间为1010-7-7s s，散热效果差，许用电流低。散热效果差，许用电流低。圆角线栅，横向效应大；圆角线栅，横向效应大；直角线栅，制作复杂直角线栅，制作复杂。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片3 3 分类分类箔式应变片箔式应变片3- 10m3- 10m厚的康铜或其它合金膜，厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷。光刻印刷。照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的一种传感器。一种传感器。横向效应小，散热好于丝式。横向效应小，散热好于丝式。薄膜式应变片：薄膜式应变片：800800厚度厚度0.1m0.

6、1m的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等特殊条件特殊条件2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片3 3 分类分类2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片（2 2）半导体式应变片（压阻效应）半导体式应变片（压阻效应）半导体材料，根据压阻效应制成。半导体材料，根据压阻效应制成。 灵敏系数高，灵敏系数高，k100k100，可直接用万用表测，可直接用万用表测应变响应时间仅有应变响应时间仅有1010-11-11s s热稳性能差；大应变时，非线性较大。热稳性能差；大应变时，非线性较大。3 3 分类分类（3 3）应变花）应变花: : 在一个基底上有几个按一定角度排列的在一个基底上

7、有几个按一定角度排列的敏感栅的应变片。敏感栅的应变片。用于主应力方向未知条件测量。用于主应力方向未知条件测量。自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（1 1）灵敏系数）灵敏系数 单向受力状态下，敏感栅纵向中心线单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平行时，应变片电阻值的相与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之比值。对变化与沿其纵向的应变之比值。/rrk2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（2 2

8、）横向效应）横向效应 应变片这种既受轴向应变影响，又受横向应变影应变片这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为响而引起电阻变化的现象称为横向效应横向效应。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片ff 敏感栅是由n条直线段和（n1）个半径为r的半圆组成, 若该应变片承受轴向应力而产生轴向拉应变 时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到从 到 之间变化的应变，即从轴向拉应变过渡到横向压应变，会使应变片电阻减小。xxy4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（3 3）应变片的规格）应变片的规格几何参数几何参数应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之应变片的敏

9、感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积，积， l- -栅长标距栅长标距 b-b-栅宽栅宽注意：尽量选用栅长大、注意：尽量选用栅长大、 栅宽小的应变片。栅宽小的应变片。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（4 4）应变片电阻值）应变片电阻值: :指应变片在未安装、不受外力、室温指应变片在未安装、不受外力、室温 条件下的电阻值。条件下的电阻值。单片阻值：单片阻值：单个应变片的标定电阻值。单个应变片的标定电阻值。标准名义阻值标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一定值，如人为规定的生产标准，为一定值，如120120、240240。一般应变仪是按。一般应

10、变仪是按120120应变片要求设计应变片要求设计的。的。平均名义阻值：平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如求公差。如120 120 0.5%0.5%或或1201200.60.6。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（5 5）机械滞后量：机械滞后量：恒温时，在加、卸载过程中对各个应力恒温时，在加、卸载过程中对各个应力水平分别测得的指示应变量的最大差值。水平分别测得的指示应变量的最大差值。产生原因产生原因: :金属丝、粘贴剂、基底等的残余变形，在测金属丝、粘贴剂、基底等的残余变形，在测试时尚

11、未完全释放。试时尚未完全释放。消除方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。消除方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。如用于制造传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影如用于制造传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影响。响。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（6 6） 零漂、蠕变零漂、蠕变零漂：零漂：不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变化。化。产生原因：应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产产生原因：应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产生的热电势造成的。生的热电势造成的。蠕变：蠕变：恒

12、温情况下，受恒定机械应变时，应变测值随时恒温情况下，受恒定机械应变时，应变测值随时间而变化。间而变化。产生原因：胶层传递应变产生原因：胶层传递应变“滑动滑动”。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（7 7）应变极限：应变极限：应变片最大应变测量值。应变片最大应变测量值。 一般规定：应变片显示的值与机械应变的相对误差一般规定：应变片显示的值与机械应变的相对误差达到规定标准（一般达到规定标准（一般10%10%）时的机械应变即为应变极限。）时的机械应变即为应变极限。此时，认为应变片失去了工作能力。此时，认为应变片失去了工作能力。 （8）绝缘电阻：绝

13、缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。一般静态一般静态30m30m，动态，动态50m50m。 2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（9 9）动态测量时的特性）动态测量时的特性疲劳寿命：疲劳寿命：应变片承受特定的交变荷载至破坏（脱片、应变片承受特定的交变荷载至破坏（脱片、断栅等）时的使用次数。通常断栅等）时的使用次数。通常10106 610107 7频率响应：频率响应：应变波由试件传递到应变片所需时间为动态应变波由试件传递到应变

14、片所需时间为动态频率响应时间，金属丝式频率响应时间，金属丝式为为1010-7-7s s，半导体式，半导体式为为1010- -1111s s，可以认为应变片是基本没有惯性的。，可以认为应变片是基本没有惯性的。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片4 4 应变片的参数和工作特性应变片的参数和工作特性（1010）应变片的许用电流）应变片的许用电流: :不影响工作特性的最大电流。不影响工作特性的最大电流。 控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由厂家提供。厂家提供。一般丝式应变片许用电流为一般丝式应变片许用电流为202025ma25ma，测动态时可达，测动

15、态时可达7575100ma100ma。箔式应变片散热性能好，可达。箔式应变片散热性能好，可达200ma200ma以上。以上。2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片5 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与应变片粘结工艺(1) (1) 应变片选用：应变片选用：1 工作环境工作环境合适温度范围的应变片、地下工程中防潮特性好合适温度范围的应变片、地下工程中防潮特性好2 被测物的材料性质被测物的材料性质弹模高，基长小；粗晶粒岩石或混凝土选用基长长弹模高，基长小；粗晶粒岩石或混凝土选用基长长3 按被测试件受力状态和应变性质：应变花按被测试件受力状态和应变性质：应变花变化大选用基长小，变化小选用基长

16、大变化大选用基长小，变化小选用基长大4 按测量精度：按测量精度：基底材料基底材料 ，考虑动态和静态电阻值要求，考虑动态和静态电阻值要求2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片5 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与应变片粘结工艺(2)(2)应变片粘结工艺：应变片粘结工艺：1 1 应变片检查应变片检查: :外观检查、电阻值检查外观检查、电阻值检查2 2 表面处理表面处理: :刮刀除锈、砂布打磨、脱脂刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干棉擦洗、吹风机烘干2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片5 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与应变片粘结工艺(2)(2)应变片粘结工艺：应变片

17、粘结工艺：3 3 贴片与固化贴片与固化: :画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片5 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与应变片粘结工艺(2)(2)应变片粘结工艺：应变片粘结工艺：4 4 粘贴质量检查粘贴质量检查: :外观检查、电阻值检查、外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查5 5 连接导线连接导线: :导线固定、导线焊接导线固定、导线焊接2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片5 5 应变片的选用与应变片粘结工艺应变片的选用与应变片粘结工艺(2)(2)应变片粘结工艺：应变

18、片粘结工艺：6 6 防潮处理防潮处理: :凡士林、石蜡等凡士林、石蜡等2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片本章主要内容2-0 2-0 概述概述2-1 2-1 电阻应变片电阻应变片2-2 2-2 测量电路测量电路2-3 2-3 应变（应力）测量应变（应力）测量2-4 2-4 应变仪应变仪043214231)(urrrrrrrrubd2-2 2-2 测量电路测量电路1 1 定义定义l实现二次转换；并构成电阻应变仪。实现二次转换；并构成电阻应变仪。l惠斯登电桥：以直流惠斯登电桥为例。惠斯登电桥：以直流惠斯登电桥为例。3241rrrr电桥平衡条件电桥平衡条件( (输出为输出为0)0)：1 1）全等臂电

19、桥）全等臂电桥 2-2 2-2 测量电路测量电路2 2 电桥分析电桥分析单臂电桥单臂电桥：r r1 1为工作片，受力为工作片，受力变形，产生阻值增量变形，产生阻值增量 r r，当，当 r r r r时，电压输出为：时，电压输出为：00414ukurrubdr1=r2=r3=r4=r043214231)(urrrrrrrrubd1 1）全等臂电桥：全桥电路）全等臂电桥：全桥电路2-2 2-2 测量电路测量电路0432124134231)(urrrrrrrrrrrrubd2 2 电桥分析电桥分析)(4)(443210443322110kurrrrrrrru043214231)(urrrrrrrru

20、bdr1=r2=r3=r4=r2 2）输出对称电桥：）输出对称电桥：2-2 2-2 测量电路测量电路0432124134231)(urrrrrrrrrrrrubd2 2 电桥分析电桥分析)(4)(443210443322110kurrrrrrrrur1=r2，r3=r4043214231)(urrrrrrrrubd3 3）电源对称电桥：）电源对称电桥：2-2 2-2 测量电路测量电路0432124134231)(urrrrrrrrrrrrubd2 2 电桥分析电桥分析)()1 ()()1 (4321204433221120aakurrrrrrrraauarrrr4312r1=r4，r2=r30

21、43214231)(urrrrrrrrubdl 相邻桥臂：相邻桥臂：应变极性相同，应变极性相同，输出电压相减，应变极性相反，输出电压相减，应变极性相反，输出电压相加；输出电压相加；l相对桥臂：相对桥臂：与以上规律相反。与以上规律相反。2-2 2-2 测量电路测量电路重要结论：重要结论：电桥的加减特性电桥的加减特性)()1 (432120aakuubd)(443210kuubd电桥加减特性电桥加减特性电桥加减特性非常有用：电桥加减特性非常有用：1 1）提高电桥灵敏度；）提高电桥灵敏度；2 2）温度补偿；）温度补偿；3 3）复杂受力试件上测试某外力）复杂受力试件上测试某外力 因素引起的应变等。因素

22、引起的应变等。2-2 测量电路测量电路l电桥测量电阻变化的方法电桥测量电阻变化的方法l偏位法偏位法：电桥：电桥b b、d d输出端存在电压输出，根据输出端存在电压输出，根据检流计示数检流计示数测读桥路中电阻变化（又称测读桥路中电阻变化（又称“偏转法偏转法”、“不平衡电桥法不平衡电桥法”）l零位法零位法：调节桥臂中非工作臂：调节桥臂中非工作臂( (位于仪器内部位于仪器内部) )的电阻，使的电阻，使输出电压为输出电压为0 0，据调整的电阻差值，测读桥臂电阻变化。，据调整的电阻差值，测读桥臂电阻变化。l注意：注意：l零位法不受电源电压影响零位法不受电源电压影响，精度高，精度高， 需二次平衡，只用于静

23、态测试。需二次平衡，只用于静态测试。l偏位法受电压影响，偏位法受电压影响，不需二次平衡，不需二次平衡， 可用于动态测试。可用于动态测试。本章主要内容3-0 3-0 概述概述3-1 3-1 电阻应变片电阻应变片3-2 3-2 测量电路测量电路3-3 3-3 应变（应力）测量应变（应力）测量3-4 3-4 应变仪应变仪2-32-3布片原则布片原则1.1.测点测点：选择应力集中区和边界危险点，主应变最：选择应力集中区和边界危险点，主应变最大，最能反映力学规律的点贴片；大，最能反映力学规律的点贴片；2.2.电路：电路：利用结构对称点，利用电桥的加减特性，利用结构对称点，利用电桥的加减特性，合理选择贴片

24、位置，方位和组桥方式，提高灵敏合理选择贴片位置，方位和组桥方式，提高灵敏度，消除影响因素；度，消除影响因素；3.3.荷载测量：荷载测量：避开应力避开应力应变非线形区贴片；应变非线形区贴片；4.4.在已知应力部位安排测点，检验结果的可靠性。在已知应力部位安排测点，检验结果的可靠性。1 布片和接桥方法 单桥（1/4桥）。 半桥（常用）：2 2个电个电阻应变片作为电桥邻臂，其阻应变片作为电桥邻臂，其余余2 2个桥臂为应变仪电桥盒个桥臂为应变仪电桥盒内无感电阻内无感电阻。 全桥（常用）。2-32-32 2 温度补偿温度补偿1 1）应变片的温度效应应变片的温度效应：因环境温度变化引起的虚假应变。：因环境

25、温度变化引起的虚假应变。电阻丝的电阻温度变化。电阻丝的电阻温度变化。应变片与试件膨胀系数的不同造成的误差。应变片与试件膨胀系数的不同造成的误差。 2 2）温度补偿）温度补偿温度自补偿应变片，常用于中、高温；温度自补偿应变片，常用于中、高温；2-32-32 2）温度补偿）温度补偿桥路补偿法，用于常温下。桥路补偿法，用于常温下。2-32-3补偿块补偿法补偿块补偿法工作片补偿法工作片补偿法2 2 温度补偿温度补偿（1 1）拉弯）拉弯工作片补偿和补偿块补偿工作片补偿和补偿块补偿2-32-32 2 温度补偿温度补偿（2 2） 丁字片补偿丁字片补偿2-32-33 3 各种应力状态下的应力应变测量各种应力状

26、态下的应力应变测量（1）拉（压）弯联合作用下的应力应变测量）拉（压）弯联合作用下的应力应变测量半桥四片补偿块补偿法测拉压半桥四片补偿块补偿法测拉压2-32-3ubduac补偿块补偿块工作片工作片11 ()()22totalpmtpmttp3 3 各种应力状态下的应力应变测量各种应力状态下的应力应变测量（1）单向应力状态下的应力应变测量）单向应力状态下的应力应变测量全桥四片测拉压全桥四片测拉压2-32-3ubduac俯视图俯视图r1r2r3r4r1r2r1r2r3r4() () () ()2(1)totalpmtpmtpmtpmtpuuu 课堂作业题 r1和和r2为性能完全相同的两个应变片，为性能完全相同的两个应变片，r为与为与r1、r2阻阻值相同的无感电阻，一悬臂梁同时受拉力和弯矩作用，应值相同的无感电阻，一悬臂梁同时受拉力和弯矩作用，应变片按下图方式贴片。变片按下图方式贴片。 （1）测拉力但不受弯矩影响如何连桥？）测拉力但不受弯矩影响如何连桥？ （2）测弯矩但不受拉力影响如何连桥？）测弯矩但不受拉力影响如何连桥？要求：画出布片图和相应的电路图，给出拉应变或弯应变与要求：画出布片图和相应的电路图，给出拉应变或弯应变与 输出应变关系。输出应变关系。本章主要内