1电测法简介.ppt

1、电测法简述,一、应变电测原理简介 在实验应力分析的多种方法中，电测法应用最广泛。所谓电测法就是将力学量如：位移、速度、变形等非电量转换成电量来进行测量的一种实验方法。 将非电量（变形、力等）的变化，通过转换元件转换成电量（电阻、电感、电容等）的变化，然后，再把测得的电量变化反转换为欲测定的非电量，这种方法叫非电量的电测法。,电测法主要由电阻应变片和电阻应变仪组成。 将非电量通过敏感元件转换成电量的转换元件，称为电阻应变计（简称电阻片或应变片）。实际应用时，将电阻片粘贴在被测构件上，当构件变形时，应变片的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪（简称应变仪）将该电阻的变化测定出来，换算成应变值输出

2、，就可获得所测定的应力或应变值。,二、电阻应变片1、构造 电阻应变片是将应变转换成电阻变化的转换元件，一般由敏感栅、引出线、基底层、覆盖层和黏结剂组成，敏感栅是应变片的主要元件，由金属丝或者金属箔制成，基底层和覆盖层起定位和保护应变片的几何形状的作用，也起到与被测构件之间电绝缘作用，引出线是用于连接导线的过渡部分，黏结剂把敏感栅基底和覆盖层牢固地黏结成一个整体。,电阻应变片的工作原理是把应变片牢固地粘贴于试件上，使应变片与试件同步变形，金属丝电阻值就发生变化。,2、应变片的工作原理 通过应变片的介绍而知，应变片是由特殊金属电阻丝所组成，由物理学可知，金属丝的电阻R与其长度L成正比，与其截面积A

3、成反比。并与电阻率有关，它们的关系式为 (1),如果金属电阻丝沿其轴线方向受力而产生变形，由电阻值也随之发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。为了得到两者之间的关系，可将式（1）取对数并微分得 (2) 式中dL/L-金属丝长度的相对变化。它可用应变表示，即 (3),金属丝处于单向受力状态，它的截面面积A的相对变化dA/A和式（3）间的关系可根据泊松效应表示为 (a) 布尔兹曼定理表明，金属电阻率的变化率d/与体积变化率成正比，即 (b)同样，应用泊松效应 (c),将式（a）、式（b）、式（c）、代入式则可得 (4) 式中， 为常数，令其为K0，则上式可写成,(5) 而dL/L是电阻丝的长度变

4、化率，即它的应变，则 (6)上式说明，电阻丝的电阻变化率与其应变成正比，比例系数K0称为电阻丝的灵敏系数。,应变片的栅状电阻丝同样有这种关系：用增量形式表示，则为 (7)上式说明，电阻丝的电阻变化率是该电阻丝所产生的应变变化的K倍。实验表明，K值在很大范围内保持常量，称K为电阻丝的灵敏系数，它与敏感栅的材料和几何形状等有关，K的数值一般由制造厂家用标准应变设备抽样标定后，提供给使用者的。,使用应变片时，将应变片用特殊的胶水粘贴在测点处，随试件共同变形。若试件贴片处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短），从而引起应变片的电阻产生相对变化，并且在一定应变范围内，电阻丝的电阻变

5、化率与应变变化率成正比。因此，由上式可知，通过应变片，就可以将测量应变量的问题转化为测量电阻改变量R的问题。而电阻改变量R可接入适当的电路中，它将引起电信号的变化，经过放大、处理后，便能测定该信号并转换成应变显示出来。,3、电阻应变片的种类 应变片的种类很多，常温应变片有：（1）金属丝绕式应变片（2）金属箔式应变片（3）半导体应变片,(1) 金属丝绕式应变片 这种应变片一般采直径为0.010.05mm的镍铬合金的金属丝绕制成栅状，称为敏感栅。贴在两层薄纸片（或塑料片）中，两端用直径为0.10.2mm的镀银铜线引出，以供测量时焊接导线之用。其构造如图所示。这类应变片敏感栅的横向部分呈圆弧形，其横

6、向效应较大，故测量精度较差，而且端部圆弧部分制造困难，形状不易保证，同一批片之中，其性能分散性较大，还由于耐温、耐湿性能不好，现已被其它类型的应变片所取代。,(2) 金属箔式应变片 这种应变片的敏感栅是用厚度为0.0020.008mm的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻制、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成，简称箔式应变片，由于制造工艺自动化，可大量生产，从而降低了成本，而且还能把敏感栅制成为各种形状和尺寸的应变片，尤其可以制造栅长很小的应变片，以适应不同测试的需要。箔式应变片还具有以下诸多优点，制造过程中敏感栅的横向部分能够做成较宽的栅条，减小了横向效应；由于栅箔薄而宽，因而粘贴牢固，整体散热

7、性能好、疲劳寿命长，并能较好地反映构件表面的变形，使其测量精度高，同一批量应变片性能比较稳定可靠。因此，在工程上得到广泛的使用。,(3) 半导体应变片 这种应变片的敏感栅是由锗或硅等半导体材料制成，通常用单晶硅的一直条形作为敏感栅，在同等的应变下，其电阻的相对改变量比前述两种应变片都要大很多，用数字式欧姆表就能测出它的电阻变化，因此，可作为高灵敏度传感器的理想敏感元件。 此外，还有很多专用应变片，如剪切应变片，多轴应变片（应变花）、高温应变片、残余应力应变片等。,三、电测法的工作原理: 电阻应变片粘贴在被测构件表面的被测点上，当构件受外力作用产生变形时，应变片将随之产生相应的变形，应变片的阻值

8、发生变化，通过电阻应变仪中的电桥将此电阻值变化转化为电压或电流的增量，加以放大，最后换算成应变值给出。,四、测量电路原理 通过应变片可以将试件的变形转换为应变片的电阻变化。但通常这种电阻变化是很小的、为便于测量，往往将其置于适当的电路中以转换成电压（或电流）的变化，经过电子放大器放大后，由指示仪或记录器指示出应变数值。而这一任务是由电阻应变仪来完成，它是按惠斯登电桥原理设计而成的。 为了测量，就要测得R/R，而R/R是通过电桥测得的，电桥如图所示。,设电桥各桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4，其中的任意一个都可以是应变片电阻。电桥的A、C端为输入端，拉上电压为UAC的直流电源，而B、D端为输

9、出端，输出电压为UBD，且 UBD= UAB UAD=I1R1 I2R4 （1）由欧姆定律可知 UAC= I1（R1+R2）=I2(R3+R4)故有,将I1、I2代入式（1） UBD= UAB UAD=I1R1 I2R4经整理后得到 (2) 当电桥平衡时，UBD=0，由式（2）可得电桥平衡条件为 R1R3=R2R4 （3）,设电桥四个桥臂的电阻R1=R2=R3=R4=R，均为粘贴在构件上的四个应变片，且在构件受力前电桥保持平衡，即UBD=0，在构件受力后，各应变片的电阻改变分别为R1、R2、R3、R4时，电桥失去平衡，将有一个不平衡电压UBD输出，其增量为 （4）,由式（2） 可得将以上四式代

10、入式（4）可得,（5） 当桥臂电阻全等或对称，即R1=R2=R3=R4或R1=R2、R3=R4时，则将上式代入式（5），则有 （6）将 代入式（6），则有,（7） 式（7）表明，输出电压的增量UBD与桥臂上的应变组合（12+34）成正比，如将电压增量按单位读数UACK/4指示，则能直接读出应变组合（12+34）的大小，即输出读数 ds =12+34 (8) 式（8）是应变电测的最重要的关系式，各种应变测量方法均以此式为依据。,应变片在测量电桥中有各种接法。实际测试中，常利用电桥基本特性而采用不同的接线方法，来达到以下目的：实现温度补偿；从复杂的变形中测出所需要的应变分量；扩大应变读数；减少测量

11、误差；提高测量灵敏度。 测量电桥的各桥臂电阻可以全部是或部分是应变片。,（1）半桥接线法 若在测量电桥中的AB和BC臂上接应变片，而另外两臂CD和DA接应变仪内部的固定电阻R，则称为半桥接线法，如图所示。由于CD和DA桥臂间接固定电阻，不感受应变，即应变为零。由公式 ds =12+34 可得到应变仪的读数应变为 ds =12,（2）全桥接线法 在测量电桥的四个桥臂上全部都接感受应变的工作片，称为全桥接线法，如图所示。此法既能提高灵敏度，实现温度补偿（互补），又可消除导线过长的影响、同时还降低接触电阻的影响。此时应变仪的读数应变由公式（1）即可得出 ds =12+34,电桥的四个桥臂上都接感受应

12、变的工作片，且R1=R2=R3=R4，此时，温度应变可以互相补偿。若在构件的受拉区粘贴R1、R3产生拉应变，在受压区粘贴R2、R4产生压应变，即负值。由上式可得到ds =1(2)+3(4 )=4 测 显而易见，采用该法，测读值为测的4倍，灵敏度比只用一个工作片R1明显地提高了。,五、温度补偿 粘贴在构件上的应变片，其电阻值一方面随构件变形而变化，另一方面，当环境温度变化时，应变片丝栅的电阻值也将随温度改变而变化。同时，由于应变片的线膨胀系数与构件的线膨胀系数不同，也将引起应变片电阻值发生变化。这种因环境温度变化引起的应变片电阻值变化，其数量级与应变引起的电阻变化相当。这两部分电阻变化同时存在，

13、使测得的应变值中包含了温度变化的影响而引起的虚假应变，会带来很大的误差，不能真实反映构件因受力引起的应变，因此，在测量中必须消除温度变化的影响。,消除温度影响的措施是温度补偿。 一般温度补偿方法是采用桥路补偿法，它是利用电桥特性来进行补偿的。桥路补偿法一般采用补偿块法和工作片补偿法两种。,1、补偿块法如图所示，把粘贴在受力构件上的应变片称为工作片R1，以相同阻值的应变片贴在材料和温度都与构件相同的补偿块上，作为R2称为补偿片，R3、R4为仪器内部的标准电阻。此时由工作片得到的应变为1 =1P+t，其中1P是载荷引起的应变， t是温度变化引起的应变。而补偿片不受力只有温度应变，并且因材料和温度都

14、与构件相同，产生温度应变也应与构件一样，即2 =t。,以R3、R4组成的半桥不感受应变。故有3=4 = 0，它们产生的温度影响在公式ds =12+34中相互抵消，计算公式如下 ds =12+34 =1P+t t =1P由此可见在应变读数ds 中已消除了温度影响。,2、工作片补偿法 如图所示，这种方法不需要专门的补偿块和补偿片，而是在同一受构件上粘贴应变片R1和R2，分别贴在悬臂梁的受拉区和受压区，并按半桥接线。R3、R4为仪器内的标准电阻，构成另一半桥。R1和R2应变值分别是： 1 =1P+t ，2 = 2P+t，由悬臂梁的同一截面其应变等值异号可将R2产生的应变写成2 = 1P+t 。,R3

15、、R4组成的半桥不感受应变，同理可得： 3=4 = 0，温度影响相互抵消，于是将以上各应变量代入ds =12+34可得：ds =12+34 =1P+t （ 1P+t ） =1P+t + 1Pt =2 1P由此可见温度应变也已自动消除。,3、 当采用全桥测量时，电桥四个桥臂都是工作片，由于它们处在相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。大家可以根据公式ds =12+34进行演算。,目前应变片电测技术已成为实验应力分析中广泛应用的一种方法。其主要优点是：1、应变片尺寸小、重量轻，一般不影响构件的工作状态和应力分布。2、测量灵敏度、精度高。应变最小分辨率可达1微应变（ ），常静载测量时精度可达1%。3、测量应变的范围广。可由1微应变到几万微应变。4、频率响应好。可测量010万赫兹的动应变。,5、可在高温、低温、高速旋转及强磁场等环境下进行测量。6、由于测量过程中输出的是电信号，因此容易实现自动化、数字化，并能进行远距离测量和无线电遥测。7、通用性好。不但适用于测量应变，而且可制成各种高精度传感器，用于测量载荷、位移、加速度、扭矩等力学量。,不过该测量方法也有它的缺点，主要表现在只能测量构件表面某一方向的应变，且应