应变、应力测量.ppt

1、1,第五章 应变、应力测量, 了解电阻应变测量系统的组成 掌握电阻应变式传感器的工作原理 掌握应变和应力的测量电路 掌握应变和应力的与测量方法,2,第五章 应变、应力测量,5.1 电阻应变测量技术： 1.定义：利用电阻应变片测定构件的表面应变，再根据应力、应变的关系，确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。,2. 电阻应变测量系统的组成： 1）电阻应变片（简称应变片） 2万多种。 2）电阻应变仪（电阻应变测量装置） 数百余种 3）记录仪器 种类繁多，磁带机、X-Y记录仪、 光线示波器、微型计算机等。,3,第五章 应变、应力的测量,3. 基本工作原理： 将应变片固定在被测构件上，当构件变形时

2、，电阻应变片的电阻值发生相应的变化。通过电阻应变测量装置（简称应变仪）可将电阻应变片中的电阻值的变化测定出来，换算成应变或输出与应变呈正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应力或应变值。,4,第五章 应变、应力的测量,5.2 电阻应变式传感器：电阻应变式传感器可测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。 具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。,5,第五章 应变、应力的测量,1. 金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。,1）应变片的结构：它由敏感元件

3、、引出线、基底、覆盖层组成，用粘贴剂粘贴在一起，如图所示。,6,第五章 应变、应力的测量,7,第五章 应变、应力的测量,1.敏感元件，2. 覆盖层，3.引出线，4.基底,8,第五章 应变、应力的测量,9,第五章 应变、应力的测量,敏感元件（又称敏感栅）：感受构件的变形，并将机械应变转换成电阻变化。一般有金属丝、半导体、光刻栅状。 覆盖层：固定和保护敏感元件。 引出线：从敏感元件引出电信号，并与测量导线连接。 基底：固定和保护敏感元件、使敏感元件与构件绝缘、与粘贴剂一起把构件的变形传给敏感元件。主要有纸基（热稳定性和抗潮湿性稍差，绝缘强度高）和胶基（有机聚合物：环氧树脂、酚醛树脂，耐热、耐久、耐

4、湿，能较好满足各种使用要求。） 粘结剂：粘贴时，使用与基底材料类型相同的粘结剂,10,第五章 应变、应力的测量,栅长：敏感栅纵轴方向的长度称为栅长，用“L”表示。对于有圆弧端的敏感栅，栅长是指圆弧内侧间的距离。 栅宽：在垂直于纵轴方向上，敏感栅外侧之间的距离称为栅宽，用“B”表示。,11,第五章 应变、应力的测量,2）应变片的工作原理： 以金属材料为敏感元件的应变片，测量试件应变的原理是基于金属丝的应变效应，即金属丝的电阻随其变形而改变的一种物理特性。 设有一根圆截面的金属丝如图所示，其原始电阻 金属丝的电阻率；,12,第五章 应变、应力的测量,电阻应变效应,d,13,第五章 应变、应力的测量

5、,式中，R金属丝的原始电阻； l 金属丝的长度； A 金属丝的截面积； D 金属丝的截面直径。,14,第五章 应变、应力的测量,将R=l/A 取对数再微分得： 当金属丝受轴向力P作用被拉伸后，由于应变效应，其电阻也将发生变化。 由上式可知，金属丝电阻变化的大小与其几何尺寸和电阻率的变化有关。当金属丝的长度伸长l，面积缩小A，电阻率的变化为。,15,第五章 应变、应力的测量,16,第五章 应变、应力的测量,其中，l/l为金属丝的轴向应变，即：,D很小，D20，,17,第五章 应变、应力的测量,式中，金属丝的轴向应变； 金属材料的泊松比。,令,18,第五章 应变、应力的测量,则：,k0单根金属丝的

6、灵敏系数；根据实验得知：大多数金属的k0是一个常数，其值随材料不同而异。可见，金属丝在产生应变效应时，应变与电阻变化率R/R是成线性关系的。“与R/R成线性关系。”这是实验与测试技术的一个重要前提。,19,第五章 应变、应力的测量,对于应变片有,式中，k应变片的灵敏系数，由实验求 得。 试件的应变，是无量纲的量。常用微应变表示“”,1微应变相当于长度为1米的试件其变形为1微米时的相对变形量。 1=10-6,20,第五章 应变、应力的测量,21,第五章 应变、应力的测量,2.应变片的工作特性,1）应变片的灵敏系数k：,为了表示应变片的电阻变化与试件应变之间的关系，在R/R=k中引入了应变片灵敏系

7、数k，由于影响应变片k值的因素很复杂，故目前无法用理论方法推导得出，而只能用实验来测得。 由四步来完成。,22,第五章 应变、应力的测量,第一步：规定统一测定条件。 试件材料的泊松比为0=0.285； 沿应变片纵轴线方向单向应力作用。 第二步：将应变片的电阻变化率与试件表面上的应变片粘贴区域内的轴向应变之比作为应变片的灵敏系数k；即: 第三步：测取应变片k值的装置（纯弯梁或等强度梁），,23,第五章 应变、应力的测量,第四步：测取k值的方法。 将应变片贴在专用装置上，并加载； 用仪器测出应变片的电阻变化； 梁的应变值用仪器测得或计算得出； 计算得到k值。 由于每只应变片只能使用一次，无法逐只预

8、先测取，所以对每批应变片抽样测取k值，并取其平均值，确定其标准差。K值误差的大小作为衡量应变片质量的重要标志。,24,第五章 应变、应力的测量,2）应变片的温度特性 粘贴在试件上的应变片，当环境温度发生变化时，（设此时试件未受外力作用，并且可以自由伸缩），其电阻也将随着发生变化。如果此时应变片接入应变仪，将会有应变输出。这种现象如何定义？ （1）定义：由于温度变化引起的应变输出称为热输出。,25,第五章 应变、应力的测量,（2）引起热输出的原因：有两个方面 当温度变化时，应变片敏感元件材料的电阻值将随温度的变化而变化。 当温度变化时，应变片与试件材料均产生线膨胀；如果应变片敏感元件材料与试件材

9、料的线膨胀系数不同，它们的伸缩量也将不同。但应变片已经贴牢在试件上，不能自由伸缩，只能跟试件一起变形，从而使应变片敏感元件产生附加应变，并引起电阻变化。,26,第五章 应变、应力的测量,（3）温度补偿的方法： 桥路补偿法； 使用温度自补偿应变片,27,第五章 应变、应力的测量,3. 半导体电阻应变片 压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象称为压阻效应。,28,第五章 应变、应力的测量,半导体应变片灵敏度为：,29,第五章 应变、应力的测量,金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化

10、。,30,第五章 应变、应力的测量,5.3 应变片的测量电路 在使用应变片测量应变时，必须有适当的方法检测其阻值的微小变化。为此，一般是把应变片接入某种电路，让它的电阻变化对电路进行某种控制，使电路输出一个能模拟这个电阻变化的电信号，之后，只要对这个电信号进行相应的处理（滤波、放大、调制解调等）就行了。,31,第五章 应变、应力的测量,常规电阻应变测量使用的应变仪，它的输入回路叫做应变电桥 应变电桥：以应变片作为其构成部分的电桥。 应变电桥的作用：能把应变片阻值的微小变化转换成输出电压的变化。,32,第五章 应变、应力的测量,电桥：将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电

11、路。 典型直流电桥,u0,33,第五章 应变、应力的测量,如图所示，设输入电压恒定，因为B、D间开路，故电流：,电阻R1，R4上的压降分别为：,34,第五章 应变、应力的测量,因为,35,第五章 应变、应力的测量,记为：,当u=0时，表示电桥处于平衡，可得R1R3=R2 R4， R1R3=R2 R4是直流电桥的平衡条件。,36,第五章 应变、应力的测量,如果原处于平衡的电桥，各臂阻值分别有变化：R1，R2，R3，R4则电桥的输出电压为 :,令R2/R1=r，忽略R/R的二次项，将平衡条件R1R3=R2R4考虑进去，对上式整理后可得,37,第五章 应变、应力的测量,38,第五章 应变、应力的测量

12、,常用电桥连接方法有三种： （1）单臂半桥接法： R1作为应变片 （2）半桥接法：R1、R2作为应变片 （3）全桥接法： R1、R2、R3、R4均为应变片 为了简化桥路，设计时往往取相邻桥臂电阻相等。,R1=R2=R R3=R4=R” 而RR” r=1,39,40,第五章 应变、应力的测量,无论哪种电桥方案，均满足平衡条件，且r=1,41,第五章 应变、应力的测量,此式即为电桥输入电压恒定时，输出电压与桥臂电阻变化率之间的关系。 构件受力后，应变电桥将依此关系把应变片的阻值变化转换为其输出电压的变化。我们自然希望这种关系是线性的。,42,第五章 应变、应力的测量,43,第五章 应变、应力的测量

13、,令：u=u1u2,44,第五章 应变、应力的测量,u2=-Cu1 （非线性部分） 若略去u2，则引入非线性误差，此相对误差为：,45,第五章 应变、应力的测量,式中电阻值的增量可正可负。考虑到测量应变的正负，根据电桥的性质，在构件上布置应变片时，一般是力图使应变电桥相邻桥臂的电阻变化异号，相对桥臂的电阻变化同号。这样上式中各项相抵，使e很小而u1很大。,46,第五章 应变、应力的测量,考虑最坏的情况，只有一个桥臂（如R1）接入应变片，而其他三臂阻值不变，此时的非线性误差为： R10，R2=0，R3=0，R4=0,若应变片灵敏系数K近似于2，则1。这表明略去电桥输出电压中的非线性部分所引起的相

14、对误差值与被测应变值大小相当。 如设1=5000 则 e=500010-6=0.5%,47,第五章 应变、应力的测量,可见，在一般应变范围内分析应变电桥的输出电压时，只取其线性部分是足够精确的。 这样在允许的非线性误差范围内，得到一个线性关系式，即：,48,第五章 应变、应力的测量,若在各臂接入相同的应变片，则：,49,第五章 应变、应力的测量,(1)应变电桥的输出电压与相邻两臂的电阻变化率之差，或相对两臂电阻变化率之和成正比。 (2)如果相邻两臂的电阻变化率大小相等，符号相同；或相对两臂的电阻变化率大小相等，符号相反，则电桥不会改变其平衡状态。,50,第五章 应变、应力的测量,5.4 应变测

15、量 1. 杆件在单一变形时的应变测量 如图所示受拉构件，测量其拉（压）应变时，有多种方案，下面介绍两种。,51,第五章 应变、应力的测量,方案1,R2,52,第五章 应变、应力的测量,工作片R1的电阻变化包括由拉力P造成的，因温度效应而致的两部分，即： 补偿片R2的阻值将仅因温度效应而致，即：,53,第五章 应变、应力的测量,接成半桥（R3，R4为仪器上的固定电阻），则电桥的输出电压将为：,如果工作片和补偿片取自同一批，补偿试件与被测试件材料相同，且处于相同的温度场中，则：,54,第五章 应变、应力的测量,（2）方案二（如图所示）,将补偿片也贴到构件上，紧靠工作片R1并与其垂直，电桥接法与上同

16、： R1工作片， R2补偿片（感受机械应变）。,55,第五章 应变、应力的测量,56,第五章 应变、应力的测量,57,第五章 应变、应力的测量,R2,R1,R4,R3,R2(R4),R1(R3),58,第五章 应变、应力的测量,59,第五章 应变、应力的测量,60,第五章 应变、应力的测量,P,P,R1,R3,R2,R4,61,第五章 应变、应力的测量,62,第五章 应变、应力的测量,63,第五章 应变、应力的测量,5.5 滤波器 5.5.1 滤波器基本概念 1. 定义：指让信号中的有效成分通过而将其中不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程。 滤波器的定义：指让信号中的有效成分通过而将其中不需要的

17、成分抑制或衰减掉的装置。,64,第五章 应变、应力的测量,2、作用：选频作用 进行频谱分析 滤除干扰噪声 3、分类 低通滤波器 按选频作用分 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,65,第五章 应变、应力的测量,66,第五章 应变、应力的测量,RC谐振滤波器 按构成元件类型分 LC谐振滤波器 晶体谐振滤波器 按构成电路性质分 有源滤波器 无源滤波器 按所处理的信号信号分 模拟滤波器 数字滤波器,67,第五章 应变、应力的测量,68,第五章 应变、应力的测量,5.5.2 理想滤波器 1.定义：,滤波器的频率响应H(f)满足条件 则称为理想滤波器。,69,理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h（t）为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。,70,第五章 应变、应力的测量,5.5.3 实际滤波器 1. 实际滤波器的特征参数 （1）截止频率： 指幅频特性值等于 时所对应 的频率点。,A0,71,第五章 应变、应力的测量,（2） 带宽B和品质因数Q