第06章--应变片测试技术基础123.ppt

1、机械工程测试技术 第六章,第一节、电阻应变计,第二节、应变片转换原理,第四节、应变片的温度补偿及性能,第三节、应变片灵敏系数测定,第六章 应变片测试技术基础,第五节、应变片组桥及其输出电压,第六节、电阻应变仪,第六章 应变片测试技术基础,在本章学习要求： 1.了解电阻应变片结构及类型，掌握电阻应 变片转换原理和应变片灵敏系数测定； 2.了解应变片温度补偿及性能，掌握应变片 组桥及其输出电压，动态电阻应变仪原理。,第一节 电阻应变计,电阻应变计是一种测量应变的片状量具,简称为应变片. 采用应变片测量的优点: 精度高、频响宽、体积小、重量轻 应用的方面： 应力、外力、扭矩、重量、振动、压力等.,一

2、 .应变片构造及材料 构成: 1.敏感栅:用专用材料 制成的电阻栅丝. 2.基底:固定栅丝的绝 缘层. 3.引线:与栅丝焊接输出（电阻变换量） 外接电桥中.,对敏感栅材料性能的要求: 电阻率高;良好的加工性能,机械性能与焊接性能;具有一定热稳定性,灵敏系数大. 常用材料: 康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝及金属铂（铂合金）等,前两种用的多. 常温工作片:-3070 温片:70300 应变片按工作温度不同分为 高温片: 300以上 低温片: -30以下,应变片按断面形状可分: 丝状（圆断面）:用电阻丝绕制成一定形状,上下覆盖基底制成的.叫应变丝片. 箔状（扁断面）:用510m厚的箔材料在基底材

3、料上经过光刻腐蚀后制成的.叫应变箔片. 应变片按敏感栅丝材质不同可分: 金属栅丝应变片 半导体栅丝应变片,几种常见的电阻应变片: 1.单轴电阻丝片 2.单轴常规箔片 3.单轴半导体应变片 4.剪切力片(扭矩片) 5.直角三轴片(直角应变片) 6.压力片 7.裂纹探测片 此外还有测大变形的单轴位移片(测水泥变形);测应力集中的应变片;测量薄壳的弯曲应力以及薄膜中面应力的双层弯曲片.测温、测疲劳、测残余应力等应变片.,二 .基底材料及粘接剂 材料如下: 纸基 :用纸作为基底,现在几乎不用了. 胶基 : 常用的基底材料: 胶膜:环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等. 特点:柔软、易于粘贴. 玻璃纤维布:耐

4、高温（450）多用于测中 、高温,刚度比胶膜大. 金属薄片:用不锈钢或6j22合金做成,用焊接法把应变片焊接在试件上.,常用的粘接剂: 酚醛类:酚醛一缩醛胶. 环氧树脂胶(A、B胶) 聚酰亚胺类 氰基丙烯酸胶:（又称快干胶） 有机硅粘接剂 磷酸盐粘接剂 氧化物喷涂 氯丁橡胶（硅橡胶）:702、703、704、705等,三 .应变片粘贴（介绍一种常温贴片方法） 除锈; 去油污; 划线; 涂胶; 粘贴; 放薄塑料纸加压（常温粘贴）等.,第二节 应变片转换原理,应变片粘贴在试件上,当试件变形时应变片随之 而变形.这时应变片栅的电阻值也发生变化. 设应变片一根栅丝的长度为l,断面积为B X h（宽X高

5、）,栅丝电阻率为,其阻值为 R. (6-1),当应变片敏感栅丝为试件变形时,可以把、l、 b、h 都看成独立微小变动的变量. 对上式进行全微分: (6-2) 上式可写成: (6-3),由压阻效应可以得到, 与应力成正比.即: (6-4) 式中: 、 、 分别为长宽厚三个方向的压阻应变系数. 把（6-4）代入（6-3）中得: (6-5),当我们把应变片粘贴在试件上,试件在外力 作用下产生变形,如果我们假设h方向应变 ,再把 代入（6-5）式,得: 若只考虑b方向有应变 ,得 :,当考虑l、b方向都有应变时,可得: （6-6） 式中: 为纵向灵敏系数 为横向灵敏系数 令 H为横向效应系数 （6-7

6、） 则（6-6）可写成: （6-8）,由上式可知,当应变片方向与试件单向应力 状态的主应力方向一致粘贴时, （为材料泊桑比） 这样 即: （6-9） 若令代入（6-9）中,并用增量表示,为应变片的灵敏系数 若把 代入(6-8)式得 （6-11）,式中应变片的灵敏系数一般由厂家提供, 其值大小是由单向应力状态的梁,按公式(6-10) 求得的(具体见实验). 在实际应用中,如果零件应力为单向应力状 态且 或H=0，那么 。否则不但与 有关，而且还与 有关。,试件若处于双向应力状态中,如果仍按（6-10）求出 ,这时会产生误差,相对误差为: （6-12） 当H0,或单向应力状态下 时， 例如：当H=

7、0.05，若 若 若,第三节 应变片灵敏系数测定,一、 应变片灵敏系数 Ks 应变片灵敏系数Ks是由制造厂在单向应力状态下的梁上测定的（又称标定），一般采用等弯矩梁或等强度（应力）梁进行测定。测定时，将应变片粘贴在梁的等应力区。 利用千分表测出梁的挠度，或通过已知大小的作用力F，求得等应力区的应变.,按下述公式求得灵敏系数Ks （6-13） 式中 R为梁产生应变后应变片电阻值的变化量。 图6-3为等弯矩梁，在梁 的下表面中点贴应变片R， 在上表面放置三点式挠度 计架，由千分表测出中点 相对于L距离的挠度y。,那么可以得到 （6-14） 图6-4式为等强度悬臂梁 。在梁上表面贴应片 R，并在距梁

8、根部L处放 置千分表，当挂砝码F 后，测出千分表处的挠度 y,按式（6-14）可计算出,梁表面应变值，也可以在悬臂梁上放置三点式挠度计架测挠度y，按式（6-14）计算应变。此外也可测出梁各尺寸后，按下式计算应变。 对于悬臂梁 （6-15） 对于等弯矩梁 （6-16）,测量灵敏系数时，常用应变仪来测量。将应变片与一固定电阻（补偿片）组成半桥后接入应变仪，然后调零。应变仪的灵敏系数指示钮调2.00。当梁受力后，用应变仪测得应变值为s，而梁的实际应变值为，可以得到灵敏系数 （6-17） 测定应变片灵敏系数Ks时，一般采用抽样1的方法测定（参看第六节电阻应变仪）。,二. 应变片横向效应系数测量 横向效

9、应系数H的测量方法是在单向应变梁上进行测量的。在梁上粘贴互相垂直的两片应变片Ra 及Rb。当加力F后，梁沿A方向发生应变。这时沿B方向应变几乎为零，若测得应变片Ra的应变为a, Rb片的应变为b，可得 （6-18）,第四节 应变片的温度补偿及性能,一、应变片的温度补偿 当温度变化时，应变片的某些性能也会发生变化。其中对测量影响大的性能有灵敏系数 变动和电阻值R的变动。前者称为灵敏系数温度漂移，后者将影响电阻电桥的平衡，使零指示值变动，称为温度零漂。下面分别讨论这两种漂移。,1. 温度零漂 应变片的温度零漂主要是由下述两方面原因引起的： 1）电阻温度系数影响：假若令 是电阻温度系数， 为温度突变

10、量，那么，由 引起的电阻R变动量为 （6-19） 2）敏感栅材质与零件（钢材）的膨胀系数不同，引起敏感栅产生变形。,假若 为零件的膨胀系数， 为敏感栅的线膨胀系数，在温度差 下，应变片由于受到应变而产生的电阻变化为 （6-20） 总的电阻变化为: （6-21） 2. 灵敏系数的温度漂移 灵敏系数Ks随温度变动也会发生变化,当温度升高1度 Ks 升高 Ks,变动不大.,3. 温度零漂补偿 补偿温度零漂的方法有下述三种： 1）曲线修正法 2）电桥电路的差动(相邻片)补偿法 3）自补偿应变片法 （6-22）,二、应变片参数与性能要求 应变片的电阻值及偏差 灵敏系数Ks 横向效应系数H 应变极限 疲劳

11、寿命 机械滞后 蠕变 绝缘电阻 温度零漂 允许电流,第五节 应变片组桥及其输出电压,应变片贴在零件上后，还需要组成电桥，以便将应变转换成电压变化量。在测试中， 一般可以按单臂（一片）工作，双臂（二片）工作及四臂（四片）工作组桥。 1.将R转换为Ud 组桥目的 2.提高电桥输出灵敏度 3.消除非测因素影响,一、单臂工作,单臂工作就是指在零件上贴一片应变片，如图所示,分析： 非线性误差不为零； 受温度变化的影响 不能消除弯矩的影响,电桥输出为: = = （6-24） 实际应用中，采用下面这种形式：,R2为补偿片，贴在不受力的地方或者同材料的补偿块上。 不改变输出但同时可以补偿温度变化的影响。,等强

12、度梁 等应力梁 等应变梁,=,R2补偿片的粘贴方法，一方面可以消除温度变化的影响，另一方面非线性误差为0。,二、双臂工作 双臂工作是指在零件上贴两片应变片，如图6-8（b）所示。 对于圆轴沿轴向贴1#及3#片或悬臂梁上贴1#、3#片（相对臂）或悬臂梁上贴1#、2#片（相邻臂），电桥输出 为 对于圆轴表面，贴1#及2#片（相邻片） = （6-26）,图6-8 应变片组桥,1.同值同号,2.同值异号成比例,要求正确组桥,3.同值异号,-,-,-,三、四臂工作 四臂工作是指在零件上贴四片应变片 1.同值同号,2.同值异号成比例,从上述讲解中可以清楚地看到，不同的布片方法和组桥方法对灵敏度、温度补偿情

13、况是不同的。,原则：优先选用输出电压大、能实现温度补偿、 粘贴方便和便于分析的方案。 如图6-8（b）及6-8（c）所示。 对于圆柱拉伸： = (6-27) 对于悬臂梁弯曲： = （6-28）,四、全等臂电桥输出电压 全等臂电桥为 R1=R2=R3=R4=R 各应变片R1、R2、R3、R4的应变分别 为1、2、3、4 可得 = 上式可改写成 = （6-30）,应变片工作状态系数的取法： 单臂工作：沿轴向贴1片 C=1 双臂工作：沿轴向贴2片 C=2 四臂工作：沿轴向贴4片 C=4 沿轴向贴1片，垂直轴向贴1片 C=1+ 沿轴向贴2片，垂直轴向贴2片 C=2(1+),五、应变片的串并联 应变片串

14、联：可提高供桥电压、较大试件表面受 力不均匀时，可起到平均测量应变的作用； 应变片并联：大多是为了使电桥输入和输出电阻 与供桥电源内阻或输出电表内阻匹配时使用。 六、电桥的串并联 1. 电桥的串联 电桥的串联如图6-10所示，每个电桥都有单独的供桥电压供电。,= (6-32) 2、电桥的并联 电桥的并联如图6-11所示，其总输出电流为各电桥输出电流之和。即 = 或写成 = （6-33）,若电桥电阻都相同，那么，n个并联电桥的 = 因此 = （6-34）,第六节 电阻应变仪,电阻应变仪是配合电阻应变片用来测量应变的仪器 静态电阻应变仪 应变仪按用途可分为 动态电阻应变仪 超动态电阻应变仪 直流供

15、桥电阻应变仪 应变仪按供桥电源性质可分为 交流供桥电阻应变仪,一、静态电阻应变仪,静态电阻应变仪工作原理 测量桥 放大器 检波器 显示器 读数桥 振荡器 电源,二、动态电阻应变仪,动态电阻应变仪工作原理 测量桥 放大器 检波器 滤波器 显示器 标定桥 振荡器 功放级 电源,动态应变仪并联电阻法标定法 动态应变仪一般采用并联电阻法标定 标定时，将电阻并联在第四臂（若并联在第三臂将输出负值），这时，第四臂电阻将减少，减少量为 =,电桥输出电压为 = 若以第四臂并联 模拟第一臂应变 , 这时，第一 臂应变 ，使电压输出为 =,因此得 = = 一般应变仪的标定电阻不可能太多，在求标定电阻 与应变关系时

16、，令 =120， =2.00，这时的应变表示为 =,因此得到如下关系： 50 100 300 500 1000 3000 1200 600 200 120 60 20 在应变仪标定电阻旋钮上标明的都是应变 值。这 时应注意，只有 ， = 2.00时，输 出大小才代表 值。若 ， 那么面板上应变为 ，实际上，应变仪输出代表的 应变 应该是,若在第四臂并联标定电阻时，仪器输出为 ，测量时，仪器输出 ，并且已知应变片工作系数 ，可以得到线性关系测量应变 联接导线电阻影响 测量时，若联接导线电阻 r与 R 相比不能略去 时，应该考虑其影响。一般长导线电阻如果在电桥各,臂内联接，它将使仪器指示值减少。图6-15a中的应 变片 离仪器较远，通过总电阻 为 的两根导线接 入电桥 （第一臂）。这时应变片阻值为（ + ） 若应变为 ，灵敏系数为 ，电桥输出为 = （ ） = 式中 C 为桥臂工作状态系数，本例为 C=1。,由于导线电阻 的影响，应变片的实际应变是 ， 并且,代入前式得到 = ( ) 应注意，对于图6-15（a）， = 2 （ 为一导线电阻） 对于图6-15(c)半桥联接仍可用上式，但是这时的 = （每臂导线总电阻为 ）。对于图6-15(d)全桥联接，若采用动态应变仪的并联电阻法标定，由于 ，因此不考虑导线电阻影响；若采用静态应变仪，或直接测量输出 ，那么导线电