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1、第六章、应变片测试技术基础,本章学习要求：,1.了解电阻应变片结构及类型；2.掌握电阻应变片转换原理和应变片 灵敏系数测定；3.了解应变片温度补偿及性能;4.掌握应变片组桥及其输出特性;5.掌握动态电阻应变仪工作原理。,机械工程测试与数据处理技术,第六章、应变片测试技术基础,6.1 电阻应变计,1. 定义,电阻应变计是一种测量应变的片状量具，简称应变片。,优点 ：精度高、频响宽、体积小、重量轻。应用：应力、外力、扭矩、重量、振动、压力等,2 应变片工作原理,是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。,构成:1.敏感栅
2、: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,一、应变片构造及材料,有几种常见电阻应变片: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.裂纹探测片另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
3、余应力等应变片.,(f)单轴半导体应变片；(g) 二轴片； (h) 裂纹探测片；(i)直角三轴片；(j)三角三轴片,压力片,三轴片,应变计,金属应变计,常用金属电阻丝材料物理性能,基底材料及粘接剂纸基 :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:用不锈钢或合金做成,用焊接法把应变片 焊接在试件上.,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片
4、之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细砂纸打磨干净，用 丙酮或酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹 为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,6.2 应变片转换原理,金属应变片的电阻R为,电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。,式
5、中：Ml 、Mb 、Mh:为长、宽、厚三个方向的压阻应变系数,有：,由压阻效应可得到,其中,假设h=0,把b=- l 代入上式，得,Kl纵向灵敏度系数；Kb横向灵敏度系数,假设l=0,把h =- b代入上式，得,假设l0,把b 0，得,H横向效应系数,由上式可知，当应变L 方向与试件单项应力状态的主应力方向一致粘贴时， ， 0为材料的泊松比,该式,可写成,这样,即:,当应变片L方向与试件单向应力方向一致时，为 -0，则后一项为零。否则不为零。,若令,代入上式，并用增量形式表达,可写成,：应变片的灵敏系数（Strain Gage Factor）出厂时，厂家给出,该式可求灵敏系数,若把,计算l,会
6、产生误差。相对误差为,当H=0或单向应力状态下 时，=0,应变片在实际使用时，如果应力为单项应力状态时，且 ；或H=0，那么R/R只与l有关。否则不但与l有关，而且还与 有关。被测试件若处于双向应力状态中，若按下式,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,式中沿某晶向L的压阻系数；沿某晶向L的应力；E半导体材料的弹性模量。,金属应变片与半导体应变计区别,金属应变片： 是随着试件的变形而形体改变,半导体应变计： 是随着试件的变形而发生电阻率的变化,结束,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
7、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。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,式中图为等弯矩梁，在梁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,为梁产生应变后，应变片电阻值的变化量。,如图所示，采用等强度悬臂梁法。在梁上表面贴应片R，并在距梁根部L处放置千分表，当挂砝码F后，测出千分表处的挠度y,按下式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，按式计算应变。此外也可测出梁各尺寸后，按下式计算
8、应变。对于悬臂梁,对于等弯矩梁,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,测定应变片Ks时，一般采用抽样1的方法测定。在实验中，采用下面公式，,等弯矩梁应变的理论计算公式,应变仪测应变片灵敏系数,等强度梁应变的理论计算公式,二. 应变片横向效应系数 H 的测量横向效应系数H的测量方法是在梁上测量的。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
9、的应变为b，可得,三、 应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：丝栅长L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值（60，120，350，600，1000）欧姆。,3）灵敏系数Ks ：表示应变计变换性能的重要参数。,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。使Ks变化的称为灵敏系数温漂；后者将影响电阻电桥的平衡，使R变化引起零指示值变动，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
10、下述两方面原因引起的：1）电阻温度影响：假若令是电阻温度系数引起的 ，为电阻R变动量为,第四节应变片的温度补偿及性能,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,总的变化为,2.灵敏系数的温度漂移 一般情况下,可不考虑.采用高温片测高温状态下的应变时,要采取补偿措施.,补偿温度零漂的方法有下述三种：1）曲线修正法2）电桥电路的组桥补偿法3）自补偿应变片（）在一个敏感栅上串联两种不同材质（即温度系数变化相反）的金属丝；（）通过对敏感栅的退火温度的控制，即,3.温度零漂补偿,二
11、、应变片参数与性能要求,应变片的电阻值及偏差,见表6-2。表中的平均值是一批应变片的各个阻值的平均值。,温度系数不增大，曲线见图6-6,开始,2.灵敏系数：采用抽样检查的方法，箔式片1%，丝片5%抽检。以公差或相对标准差表示；,3.横向效应系数H：1%抽样，加载到1000,4.应变极限：0.01%抽样，均匀慢加力，当应变片的输出应变大于机械应变的10%时，这个应变即为极限应变,5.疲劳寿命：抽样0.1%，在1500（允许误差-50-+100），频率30Hz作用下，当输出应变值相差 100或出现穗状应变波形时，应变循环次数即为疲劳寿命,6.机械滞后：抽样0.1%，应变片测拉压（拉压力相同）应变时
12、，试件产生的应变是某一个值。但应变片阻 值R/R的变化不与其对应，由此引起输出应变也不相同，该差值就作为机械滞后的指标；,7.蠕变： 0.01%抽样，在一小时内，在1000 100条件下，输出应变发生的变动量作为衡量指标；,8.绝缘电阻：应变片粘贴在试件表面后，敏感栅与零件之间的电阻；,9.灵敏系数的温度漂移：随温度逐渐增加到一定限度后，灵敏系数发生变化的百分比作为漂移的大小；,10.温度零漂：实际应变为零的状态下，当温度变化时，会产生输出应变；,11.允许电流：当R=120时， =（13.516） 适合于钢试件 S为敏感栅面积，静态和精密测量电流取小值，动态测量电流取大值， 散热不好的材料，
13、电流还要降低。,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），双臂（二片）及四臂工作组桥。,电桥的和差特性：当RR时，输出电压与应变呈线性关系。相邻桥臂：若应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关； 若应变极性相反时，电桥的输出电压与两应变之和有关。相对桥臂：若应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关； 若应变极性相反时，电桥的输出电压与两应变之差有关。 利用“和”的特性可以提高测量输出的灵敏度；利用“差”的特性可以进行温度补偿。,这一段采用板书形式讲课,五、应变片的串并联应变片串联：可提高供桥电
14、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用的。每臂电流是,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。,如果各桥反接，则输出为之差,若电桥电阻都相同，那么，n个并联电桥的,因此,或写成,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,第六节 电阻应变仪1.用途: 电阻应变仪是配合电阻应变片用来测量应变的仪 器。2.应变仪按用途分类:(1)静态应变仪;(2)动态应变仪; (3)超动态应变仪 三种。3.按供桥电源性质分类:可
15、以分为交流或直流供桥电阻应变仪。 为了减少零漂，直流供桥的应变仪 需采用调制解调型放大器。4.静态电阻应变仪与动态电阻应变仪的区别:(1)静态电阻应变仪:具有双电桥,一个读数桥,一个测量桥. 测量静态信号.(2)动态电阻应变仪:单电桥,一个测量桥,有标定、增益、 频带。测量动态信号。,一、静态应变仪图6-12是静态电阻应变仪，左边部分是读数桥，中间上面部分是测量桥。,二、动态应变仪,动态应变仪一般采用并联电阻法标定，见图6-13标定钮。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
16、,使电压输出为,因此得,6-35,把635式代入该式中,6-36,一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，令,=120,，,=2.00，这时的应变,表示为,因此得到如下关系：,50 100 300 1000 3000,1200 600 200 60 20,=2.00时，输出大小才代表,值。若,，那么面板上应变为,实际标定时，应变仪输出代表的应变是,应该是,若在第四臂并联标定电阻时，仪器输出为,，,应变片工作系数,在应变仪标定电阻旋钮上标明的都是应变,这时应注意，只有,求测量应变,测量时，仪器输出,例题,三、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
17、其影响。一般长导线电阻r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r =2 r0的两根导线接入电桥（第一臂）。这时应变片阻值为（R+r），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 , （为一根导线电阻）。,对于图6-15(c)半桥联接仍可用上式，但是这时的 r=r0（每臂导线总电阻为（R+ r0 ） ）。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2r Rs，因此不考虑导线电阻影响；若采
18、用静态应变仪，或直接测出Ud那么导线电阻r=2r0将会使供桥电压Ua降低到 ，并得到,动态电阻应变仪输出方式,1.低阻输出:电流信号,可接电流表或光线示波器2.高阻输出:电压信号,可接磁带记录仪或数据采集器,1.低阻输出:电流信号,可接电流表或光线示波器2.高阻输出:电压信号,可接磁带记录仪或数据采集器,结束,电阻应变式传感器的应用：测力,3.2 电阻式传感器,标准产品,案例：桥梁固有频率测量,3.2 电阻式传感器,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,3.2 电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,3.2 电阻式传感器,案例：机器人握力测量,3.2 电阻式传感器,3.2 电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,3.2 电阻式传感器,
