应变测量方法.ppt

1、在第二章电阻应变测量及方法中，2.2电阻应变计，2.3应变计测量电路，2.1概述，2.5应变计在元件上的布置和成桥，2.6静态应变测量，2.4 DC电阻应变计，2.1概述，电阻应变测量技术是一种实验应力分析方法，利用电阻应变计测量元件的表面应变，然后根据应力-应变关系确定元件的表面应力状态。1.电阻应变仪测量应变的过程：3.应变测量的工作温度可分为五个部分：2 .电阻应变测试技术的分类；1.静态测量：测量永久载荷或短期稳定载荷。(2)动态测量：测量21200赫兹范围内的负载变化。(1)常温应变测量：工作温度；(2)中温应变测量：工作温度；(3)高温应变测量：工作温度以上；(4)低温应变测量：工

2、作温度；(5)超低温应变测量：低于工作温度。4.电阻应变测量方法的优点；(3)良好的频率响应。它可以测量从静态到数十万赫兹的动态应变。(4)应变仪体积小，重量轻。最小应变计网格长度可短至0.178毫米，安装方便，不会影响部件的应力状态。(5)测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。(6)可以在各种复杂的环境中进行测量。如高温、低温、高速旋转、强磁场等。(1)测量灵敏度和精度高。最小应变读数为(微应变)，在常温下测量可以达到精度。(2)测量范围宽。可测量的。5.电阻应变测量方法的缺点：(1)只能测量元件的表面应变，不能测量元件的内部应变。(2)应变计只能测量构件表面某一点沿某一方向的应变，而不能

3、测量整个面积。2.2电阻应变仪1。电阻应变仪的工作原理，从物理上可以知道金属丝的电阻率，其中包括：金属丝材料的电阻率、金属丝的长度和横截面积。当金属线由于沿其轴向的力而变形(伸长或缩短)时，电阻值会改变(增大或减小)。这种现象被称为电阻应变效应。取上式的对数，微分得到：其中：是金属丝长度的相对变化；是导线横截面积的相对变化。如果钢丝直径为d，其中：为钢丝材料的泊松比。二是电阻应变片的结构，由敏感栅、引线、基片、覆盖层和粘合剂组成。其结构如图所示：敏感栅：由合金丝或合金箔制成的栅。网格长度l:指两端圆弧内侧或两端横向网格内侧之间的距离，一般为0.2100毫米.栅极宽度b:敏感栅极外侧之间的距离。

4、应变计轴：敏感网格纵向网格的中心线。导线：从敏感的电网中引出电信号的金属线。由镀锡铜线(通常)制成，衬底：用于保持敏感栅格的几何形状和相对位置。覆盖层：用于保护敏感网格。常用材料包括纸、胶膜、玻璃纤维等。粘合剂：环氧树脂和酚醛树脂粘合剂通常用于将敏感格栅固定在基底上。功能：3 .电阻应变片的主要性能(1)应变片电阻(R)和(2)灵敏度系数(K)，它是指应变片在室温下无安装和无应力时测得的电阻值。常用的应变电阻值，单轴应力下应变计的相对电阻变化与沿应变计轴的应变之比称为应变计的灵敏度系数，即(2)灵敏度系数(K)，单轴应力下应变计的相对电阻变化与沿应变计轴的应变之比称为应变计的灵敏度系数，即注：

5、K值通常由制造商在专用设备上给出。常用的K=2.02.4，(3)横向效应系数(h)，应变计的敏感网格不仅包括纵向网格，还包括圆弧或横向网格主要对垂直于应变计轴向的横向应变敏感，因此应变计指示的应变包含横向应变的影响，这是应变计的横向效应。将应变片置于平面应变场中，沿应变片轴向的应变为垂直于轴向的横向应变，应变片敏感栅电阻的相对变化为：其中：分别为和引起的敏感栅电阻的相对变化。这是应变仪的轴向和横向灵敏度系数。横向灵敏度系数与轴向灵敏度系数之比称为横向效应系数.在没有外力的情况下，应变仪安装在自由膨胀构件上，并且当环境温度变化时，输出特定的指示应变，这被称为热输出，并由下式表示。(4)热输出()

6、，原因如下：(1)敏感栅材料的电阻率因温度变化(温度效应)而变化；(2)敏感栅材料和被测元件材料之间的线膨胀系数不同。如果温度变化为，应变计的灵敏度系数k随温度变化可以忽略，则应变计的热输出为，其中：敏感栅材料的电阻温度系数；被测材料的线性膨胀系数。敏感栅极材料的线性膨胀系数；需要注意的是，我们希望应变仪的指示应变反映的是应力引起的构件应变，而不是环境温度的变化，否则会带来很大的误差。因此，我们必须设法消除测量中温度变化的影响。(5)稳定性是反映应变计长期静态工作能力的重要性能，通常用电阻漂移值和蠕变尺寸来表示。(1)应变仪的电阻漂移是指在恒定的工作温度下，将应变仪安装在无外力的部件上时，其电

7、阻值随时间的变化。漂移的原因：由于制造或安装用于敏感格栅、基板、粘合剂和其他材料的应变仪的过程中形成的内应力缓慢释放。(2)应变仪的蠕变是指当工作温度不变，应变仪安装在承受外力但变形不变的构件上时，应变仪电阻值随时间的变化。原因：转移应变时，粘合剂和基材会滑动。在恒温下，用应变仪加载和卸载样品。以试样的机械应变为横坐标，应变计的指示应变为纵坐标，绘制一条曲线，加载和卸载曲线不重合。这种现象被称为机械滞后。(6)机械滞后()，由加载曲线和卸载曲线中两个指示应变之间的最大差值表示。原因：敏感格栅、基板和粘合剂在承受机械应变后的残余变形。消除：在正式测试之前，重复加载和卸载n次。(7)应变极限()，

8、在恒温下，用应变仪逐渐加载试件，直到应变仪的指示应变与试件的机械应变之间的相对误差达到10%。此时，机械应变被视为应变计的应变极限。一般来说，(8)绝缘电阻()，应变计的绝缘电阻是指应变计的引线和被测件之间的电阻值。为了改善，可以选择具有良好绝缘性能的粘合剂和基材。一般来说，兆欧姆。(9)疲劳寿命(n)，即应变仪在恒定振幅交变应力作用下连续工作直至发生疲劳损伤的循环次数，称为应变仪的疲劳寿命。疲劳损伤：(1)敏感栅或引线开路；(2)应变仪输出振幅变化达到10%；(3)应变仪的输出波形出现峰值。第四，电阻应变片工作特性的标定，(1)灵敏度系数的标定，(1)由于单向应力状态，采用纯弯曲梁；(2)应

9、变片轴线应平行于单向应力，并注意贴片方向；注：(3)校准材料为钢梁。校准光束的泊松比为。校准思想：(1)三点法测量设计了一种特殊的装置，在该装置中，顶部工作区的样品非常薄(6mm)，并且两侧尺寸都很大。使试样只沿x方向应变，而y方向的应变很小，接近于零。试件上附有电阻应变片，其中：由于两个应变片通过两个半臂半桥与电阻应变片相连，两个应变片的电阻变化率为：5。电阻应变片的分类，根据敏感栅材料的不同，可分为金属电阻应变片和半导体应变片。本课仅介绍金属电阻应变仪。(1)线绕应变仪，敏感栅由直径为0.010.05毫米的铜镍合金或镍铬合金制成.缺点：横向效应大，测量精度差，应变仪性能分散。优点：底座和盖

10、子都是纸做的，既便宜又容易安装。(2)短路应变片，金属丝平行排列成网格状，两端用粗金属丝焊接。优点：横向效应小，制造时容易保证敏感栅的形状，测量精度高。缺点：焊点多，疲劳寿命低。(3)箔式应变仪，敏感栅由0。002-0。005 mm铜镍合金或镍铬合金金属箔，通过图案化、光刻和腐蚀制成。优点：横向效应小，安装方便，散热好，疲劳寿命长，测试精度高。6.电阻应变片的常规应用技术；1.测试环境：温度、湿度、磁场；4.测试精度；2.应变仪的附着力；1.应变仪的检查和分类；2.粘贴面的准备；3、补丁；4、固化；5.测量导线的焊接和固定；6，检查。2.3应变仪的测量电路。从前面的讨论可知，电阻应变片的功能是

11、将元件表面的应变转化为电阻的变化。关系表达式是：一般来说，如果取值，它显然太小。为了便于测量，有必要将应变计的电阻变化转换成电压(电流)信号，然后放大信号，然后用指示器(记录器)指示应变值。这个任务是由电阻应变仪完成的。电阻应变仪中的电桥通常采用DC电桥和交流电桥，但本课只讨论前者。(1) DC电桥，(1)电桥的输出电压。让桥中四个桥臂的电阻为(任何电阻都可以是应变计)。交流输入的两端与DC电源相连，用。从ABC半桥看，流经的电流、两端压降、电桥输出电压、电桥输出电压，可以从上述公式中得知。当，桥输出电压被称为处于平衡状态。如果平衡状态下每个桥臂的电阻增量为0，则桥的输出电压为：(精确公式)。

12、如果将平衡条件代入上述公式，并省略高阶迹线，则电桥的输出电压为：1。具有相等电阻值的等臂电桥，即公式(2)的输出电压为：(。它们的灵敏度k都是相同的，电桥的输出电压为：(4)，表明当：(，)满足时，电桥的输出电压与每个电桥臂的应变计的代数和成线性关系。上述公式是从假设中推导出来的，并忽略了高阶迹线(这是一个近似公式)。如果认为只有一个AB桥臂与应变仪相连，也就是说，只有一个增量来感受应变，那么输出电压是：(5)，(5)来自公式(3)和(4)。上述公式表明，输出电压和应变之间的关系应该是线性的，这是一个近似公式。类似地，只有应变仪连接到桥臂AB，即，根据公式(1)(精确公式)，桥的输出电压是：(

13、6)。与公式(5)和(6)相比，公式(6)增加了一个系数(即括号)，称为非线性系数。越接近1，电桥的非线性越小，也就是说，近似公式和精确公式计算的输出电压越接近。通常，应变仪的灵敏度系数k取为2。如果施加应变，可以得到公式()中的非线性系数等于0.999，非常接近1。因此，当根据g中的近似公式计算输出电压时、和水平桥也只与AB桥臂上的应变仪连接。此时，通过近似公式(2)和精确公式(1)获得的输出电压的表达式与等臂电桥(5)和(6)的表达式完全相同，并且它们的非线性系数也相等。如果AB桥臂与应变仪连接，则有一个增量。由近似公式(2)获得的输出电压为：其中：由精确公式(1)获得的输出电压为：(8)

14、。与公式(7)和(8)相比，公式(8)中的括号是非线性系数。讨论了等臂桥和垂直桥的非线性系数：垂直桥的非线性系数大于等臂桥，误差小于等臂桥。(2)电桥平衡测量前，电桥必须处于平衡状态，即电桥没有输出。然而，由于应变片的电阻值、接触电阻、导线电阻等的偏差，电桥往往是不平衡的，因此有必要设置一个预调平衡电路。在电桥中增加电阻和电位计可分为两部分：参见(b)。如果将星形连接改为三角形连接，则和分别与和并联，通过调整和可以平衡电桥。一般：以上，调整范围不大，需要四个桥臂的阻力差。2.测量桥梁的组成并补偿温度影响。在等臂电桥中，如果所有四条腿都连接有应变仪，电桥的输出电压为：应变仪的读数应变为：(9)，

15、其中相应的应变值是电桥上四条腿的电阻。应变仪的读数应变为：(9)，其中电桥上四个电桥臂的电阻测得的应变值是相应的。上述公式反映了电桥的特性：减去两个相邻电桥臂电阻感受到的应变代数值，再加上两个相反电桥臂电阻感受到的应变代数值。合理地利用上述特性来测量单个内力分量；并能消除影响。(1)温度补偿，(1)补偿块补偿，将应变片粘贴在元器件上，连接到AB桥臂上，将应变片粘贴在补偿块上，连接到BC桥臂上，用固定电阻连接电桥的AD桥臂和CD桥臂，形成等臂电桥。温度变化引起的电阻变化相等，利用电桥特性可以消除这种影响。2.工件补偿方法：N个工作应变片粘贴在同一被测件上，并与电桥相连。当试件受力变形时，根据桥梁

16、的基本特性，可以消除各应变片因外力和温度变化引起的应变，获得所需的应变。(2)桥梁测量的几种合成方法。合理利用电桥特性可以达到以下目的：(1)实现温度补偿；(2)测量复杂变形所需的应变分量；(3)扩大应变片的读数，减少读数误差，提高测量灵敏度。1.半桥连接法，将应变片连接到测量桥的桥臂AB和BC，将变压器内部的固定电阻R连接到另外两个桥臂AD和CD，称为半桥连接法。由于下半桥的固定电阻没有感觉到应变，所以应变计可以从公式(9)得到如下：在实际测量中，可以分为两种情况：1)半桥测量：桥的两个桥臂AB和BC与应变计连接。2)半臂测量：电桥的两个臂AB和BC中的一个与工作应变片连接，另一个与温度补偿片连接。2.全桥连接法，应变片连接到测量桥的四个桥臂上。对于等臂电桥，应变片的读数应变可由公式(9)得到：在实际测量中，有两种情况：(1)全桥测量：工作应变片连接到所有四个桥臂上；2)两相对臂测量：电桥的两相对臂连接工作应变片，另两相对臂连接温度补偿片。3、串联和并联方法，如果在测量中使用多个应变计，应变计也可以串联或并联2.5在测量构件和桥