第五章应力应变测试

第五章应力应变测试第一页，共60页。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第二页，共60页。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σ

1，它的方向与外加载荷F的方向平行，该方向的应变为

ε

1，并且有

E为材料弹性模量第三页，共60页。常用测试方法应力、应变测试方法电阻应变测量脆性涂层法云纹方法激光全息干涉法激光散班干涉法声弹性X光衍射法光测弹性力学第四页，共60页。应力、应变测试方法电阻应变测量特点非线性小，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%。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。第五页，共60页。应力测试系统应力、应变测试方法应变片电桥盒应变仪记录仪应变片——能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。第六页，共60页。电阻应变片的结构及分类应变片的结构第七页，共60页。电阻应变片的结构及分类金属应变片半导体应变片体型薄膜型薄膜型体型扩散型应变片箔式丝式PN结及其他形式应变片的分类第八页，共60页。应变片的分类电阻应变片的结构及分类金属丝式应变片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

U型V型H型第九页，共60页。应变片的分类电阻应变片的结构及分类丝质应变片纸基应变片：制造简单，便宜，易于粘贴。耐热性和耐潮性差。适合短期室内实验室使用，使用温度在70℃以下纸浸胶基应变片：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℃要求电阻丝材料具有电阻温度系数小、温度稳定性良好、电阻率大等特性，同时，金属电阻丝的相对灵敏系数要大，且能在相当大的应变范围内保持常数。第十页，共60页。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，而后雾化沉积在基片上，形成3~10μm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。第十一页，共60页。电阻应变片的结构及分类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。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。半导体式应变片第十二页，共60页。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。这种现象称“应变效应”。金属导线受拉变化图原始电阻值受力拉伸后电阻值的变化第十三页，共60页。纵向应变

横向应变

应力、应变电测法原理轴向应力金属丝电阻率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。ε—应变μ—为泊松比λ—压阻系数

E—弹性模量第十四页，共60页。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/R）/ε

为（1+2μ

）。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）/ε

为λE。应力、应变电测法原理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ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值第十五页，共60页。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。第十六页，共60页。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Rm。通常要求Rm在50～100MΩ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。Rm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绝缘电阻第十七页，共60页。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60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω，其中以120Ω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。

第十八页，共60页。电阻应变片的特性及应用最大工作电流工作电流大，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。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Imax。第十九页，共60页。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：则为应变片的灵敏度。第二十页，共60页。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。第二十一页，共60页。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。第二十二页，共60页。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3~5次。第二十三页，共60页。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。第二十四页，共60页。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。蠕变电阻应变片的特性及应用产生的原因：主要是由胶层引起，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。第二十五页，共60页。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v≈5000m/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。

第二十六页，共60页。当应变波按正弦规律变化时，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δ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

应变片的动态响应特性应变片基长/mm1235101520最高工作频率/kHz25012583.3502516.612.5应变波为正弦波第二十七页，共60页。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/tk，此时应变计的极限工作频率可近似为：第二十八页，共60页。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γ1。基底发生剪应力γ2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。第二十九页，共60页。应变片的粘贴工艺应变片的粘贴粘贴应变片位置的选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第三十页，共60页。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。应变片的粘贴第三十一页，共60页。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。第三十二页，共60页。电阻应变片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。第三十三页，共60页。电阻应变片的信号调理电路直流电桥平衡条件：此时称电桥达到了平衡。=平衡条件第三十四页，共60页。电阻应变片的信号调理电路工作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。第三十五页，共60页。电阻应变片的信号调理电路半桥单臂电路——半桥单臂上式对另外三臂也适用。分母中有微小电阻，存在一定非线性。第三十六页，共60页。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可用两片应变片

灵敏度提高一倍线性度改善了，分母中无微小电阻。第三十七页，共60页。全桥电路电阻应变片的信号调理电路第三十八页，共60页。图2-9为一应变片直流电桥，其中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求（1）R1为金属应变片，其余为固定电阻，当R1增量时，电桥输出电压（2）R1、R2为应变片，且批号相同，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，且

，问输出电压？（4）由题（1）~题（3）能否得出什么结论第三十九页，共60页。图2.9

第四十页，共60页。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。第四十一页，共60页。电阻应变片的信号调理电路交流电桥平衡条件：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。第四十二页，共60页。电阻应变片的信号调理电路电容电桥平衡条件当被测应力变化引起Z1=Z10+ΔZ、Z2=Z20-ΔZ变化时，电桥输出为第四十三页，共60页。应变片的温度补偿电阻应变片的信号调理电路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。

第四十四页，共60页。电阻温度系数的影响电阻应变片的信号调理电路其中：Rt温度t时的电阻值；R0为温度t0时的电阻值；Δ

t为温度的变化值；ΔRta为温度变化Δt时的电阻变化；α为敏感栅材料的电阻温度系数。将温度变化Δt折合成应变第四十五页，共60页。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l0的应变丝，当温度变化Δt时，应变丝受热膨胀至lt1，而应变丝l0下的试件伸长lt2。l0为温度为t0时应变丝的长度；lt1为温度为t时的应变丝的长度；lt2为温度t时应变丝下试件的长度；β丝，β试为应变丝和试件的线膨胀系数；Δlt1Δlt2为温度变化Δt应变丝和试件膨胀量。第四十六页，共60页。若β丝≠β试，Δlt1和Δlt2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Δlt1拉长至Δlt2，这就使应变丝产生附加变形Δltβ折算成应变为电阻应变片的信号调理电路引起电阻的变化值为第四十七页，共60页。电阻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Δt而引起的总电阻变化为：总附加虚假应变量为在一般常温下，上述两个因素是造成应变片温度误差的主要原因。第四十八页，共60页。温度补偿的方法电阻应变片的信号调理电路桥路补偿法R1为工作片，用于应变测试，贴在试件用于测量应变的地方。R2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。R3、R4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，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。第四十九页，共60页。电阻应变片的信号调理电路对于电桥的输出电压当温度升高或降低Δt=t-t0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，第五十页，共60页。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ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，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：第五十一页，共60页。电阻应变片的信号调理电路应变片自补偿法温度补偿的方法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1）选择式自补偿应变片第五十二页，共60页。电阻应变片的信号调理电路2）双金属敏感栅自补偿应变片应变片丝栅用两种温度系数不同的电阻丝串联制成（一个为正，一个为负）若两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化ΔR1t和ΔR2t，大小