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1、3.应变和力的测试,在机械工程中，通过对应变和力的测试可以分析与研究零件或结构的受和状况以及工作状态，验证设计的正确性，确定整机工作过程中的负载情况和某些物理现象的机理。此外，在机械工程中，还经常遇到许多与应变和力有关的量，如应力、力矩、压力、功率、刚度等，这些量在测试方法上与应变、力的测试都密切相关，多数情况下可先将它们转变成应变或力的测试，然后再换算成力矩、压力、功率等物理量。因此，应变和力的测量在检测技术中有着广泛的应用。,31 应变的测试,311应变片的工作原理在各种应变测试方法中，电阻应变式电测法是最基本和应用最广泛的测试方法。设有一导体，其长度是L，截面积是A，材料电阻率是，则其电
2、阻R为如果此导体受到拉伸或压缩产生机械变形，其长度L，截面积A，材料电阻率都会发和变化，从而引起该导体的电阻的变化。这种由于材料变形引起导体电阻发生变化的现象称为应变效应。其变化值dR为,根据材料力学知识可推导出式中，即导体的应变；为泊松比；为压阻系数E为导体的弹性模具。应变 是传感器的输入量，是一个无量纲的数，常以10-6=1作为度量单位，称为微应变。例如=0.1%=1000,称为应变量等于1000微应变。是此导体对应的电阻变化率，是传感器的输出量。电阻应变片的灵敏度系数S为则,312测量电路电桥,在电阻、电容、电感等参量型传感器的测量电路中，最常用的是电桥电路，它可以将电阻、电容、电感参量
3、的变化转换成电压或电流的变化，通过放大器放大，最后用仪表显示或记录下来。电桥电路的基本形式如图3.3所示。阻抗Z1、Z2、Z3、Z4组成四个桥臂，为电桥的激励电压为电桥的输出电压。,（1）直流电桥如果激励电压为直流电压，则称为直流电桥。直流电桥中的阻抗只能是电阻。当电桥输出端接输入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路。电桥的输出电压为由此可以看出，若使电桥平衡，输出电压为零，应满足R1R3=R2R4当四个桥臂电阻中任一个或几个有变化时，使电桥平衡条件不成立，此时的输出电压就反应了被测量引起的桥臂电阻的变化。假设直流电桥中，,假设直流电桥中电桥的和差特性：相邻边两桥臂电阻变化使各自引起的输出电压
4、相减；相对边桥臂电阻变化使各自引起的输出电压相加。电桥的和差特性表明了桥臂电阻变化对输出电压的影响。利用和差特性，可以合理地布置应变片，进行温度补偿，提高电桥灵敏高。根据工作时电桥中参与工作的桥臂数，电桥有半桥单臂、半桥双臂、全桥三种接桥方式，如图3.4所示。,设图中均为全等臂电桥，即初绐时 下面分析这三种连接方式的电压输出。1）半桥单臂工作中只有一个桥臂电阻值随被测量而变化，则输出电压为2）半桥双臂两具桥臂电阻值随被测量化:。当电阻的变化量均为时，则输出电压为,3）全桥工作中四个桥臂电阻值随被测量而变化，即，当电阻的变化量均为时，电桥输出为,（2）交流电桥如果激励电压为交流电压，则电桥称为交
5、流电桥。交流电桥的阻抗可以是电阻、电容和电感。电桥的平衡条件是所各阻抗用指数式示：、即交流电桥的平衡条件是电桥的四个桥臂中，相对两桥臂阻抗模乘积相等；相对两桥臂阻抗角之和相等。,313 应变片的选择,应变片是应测试中最重要的传感器，应根据试件的测试要求、应变性质及其试件状况、实验环境等因素进行选择。（1）根据试件的测试要求和应变性质选择1）选择应变片时，首先应满足测试精度。对于小应变的测试宜选用高灵敏 度的半导体应变片，测大应变时则采用箔式应变片为好。2）静态应变测试时，发热是最大的误差源，应选用适合于试件材料的温度自动补偿应变片。3）动态应变测试时，应注意应变片的响应频率。为了承受交变作用力
6、，应选用疲劳寿命高的应变片。另外，选用电阻值大的应变片，可以提高信噪比。,4）在应变梯度较大的测试中，应尽量选用短基长的应变片。因为应变片实际测量的是栅长范围内分布应变的均值，基长越小，越接近测点的真实应变。（2）根据试件状况选择实验环境对应变测试的影响主要是温度和湿度等因素的影响。1）消除温度的影响，应选用具有温度自补偿功能的应变片，以尽量减小发热对测试的影响。2）除湿度的影响，应选用防潮性能较好的胶膜应变片，可以防止因湿度引起应变片受潮，而导致绝缘电阻下降，产生零漂等不良影响。,314 应变片的粘贴,应变片的粘贴是应变式传感器工作成败的关键。应变片的粘贴工艺一般包括清理试件、上胶、粘合、加
7、压、固化和检验等步骤。应保证胶层薄、无气泡、粘结牢固、绝缘好。粘贴的各项具体工艺及粘贴剂的选择必须根据应变片基底材料、测试环境等条件决定。表3.1介绍几种粘贴方案,315 试件上的布片与接桥,应变片粘贴于试件后感受的是试件表面的拉应变或压应变，由于该应变往往是由多种内力造成的，为了准确测试某一内力造成的应变，必须恰当选择贴片位置、方向以及桥路连接方式，以使于利用电桥的和差特性达到只测出所需测应变而排除其它因素干扰的目的。因此，布片与接桥应符合下列原则：1）在分析试件受力的基础上选择主应变最大的点作为贴片位置，并沿主应力方向贴片。2）充分合理地应用电桥的和差特性，将应变片接入电桥各臂，只使需要测
8、试的应变影响电桥的输出，且有足够的灵敏度和线性度。3）试件贴片位置应变与外载荷成线性关系。,316 提高应变测试精度的措施,为了尽可能地消除或减少误差以提高应变测试精度，一般可采取下列措施：（1）选用良好的配套仪器配套仪器的选择应考虑仪器的测试精度；与应变片桥路的阻抗匹配；所用应变仪的静、动态特性。（2）减小导线电阻引起的误差在测试电路上，如果掺有导线电阻，其电阻值将影响到应变片的测试灵敏度，使测试误差增大。因此，当应变片与应变仪之间的连接导线长度超过10m时，应对测得的应变值按下式进行修正.,（3）补偿环境温度的影响一般情况下，环境温度的变化总是同时作用在试件和应变片上，使应变片产生虚假的应
9、变，引起测试误差。解决的方法可采用自动补偿应变片，或在试件上粘贴温度补偿片进行桥路补偿，消除环境温度变化产生虚假应变引起的测试误差。（4）减少贴片误差应变片在贴片定位时，其轴线应尽可能与规定方向一致以减少测试误差。（5）注意应变片的频率响应特性被测应变片的测试极限频率是由应变片的基长确定的。因此，在测试高频应变信号时，应采用短基长应变片。,（6）抑制测试现场干扰应变测试现场主要是电磁干扰，其来源主要是放电噪声、工频干扰以及仪器间的相互干扰。抑制的主要方法有信号线屏蔽、仪器外壳接地、减小连接导线晃动、仪器电源与其它电气设备电源分开、仪器和信号线远离动务设备和输电线路等。,317 应变测试信号的处理分析,通常，在测试前和测试后，应在不改变测试系统状况下对测试系统进行定度，找出应变测试信号的定度标尺。一般先确定标准应变值在测试系统中的响应，然后以此为标尺求得测试信号的量值。如图3.7 所示。图中H1、H3、和H2、H4分别是已知应变在测试之前和之后引起的响应。零线以上某幅值所对应的应变值为式中，为定度标准应变值（）。零线以下的记录幅值同样按此办法计算，但式（3.19）中的H1、H3、应换成H2、H4。若所测应变信号被记录于记录仪上，则利用测试误差分析和数据处理等相关知识可方便地获得该应变信号的均值、有效值、方差、概率密度函数等特征参数以及功率谱和相关函数等。,
