1、第三章 電阻應變測量技術 基本原理：用電阻應變片作為傳感元件，將應變片粘貼或安置在構件表面上，隨著構件的變形，應變片敏感柵也相應變形，將被測對象表面指定點的應變轉換成電阻變化。電阻應變儀將電阻變化轉換成電壓或電流信號，經(jīng)放大器放大后由指示儀器顯示或記錄。 電阻應變測量方法的優(yōu)點（3）頻率響應好?？梢詼y量從靜態(tài)到數(shù)十萬赫的動態(tài)應變。（4）應變片尺寸小，重量輕。最小的應變片柵長可短到0.178毫米，安裝方便，不會影響構件的應力狀態(tài)。（5）測量過程中輸出電信號，可制成各種傳感器。（6）可在各種復雜環(huán)境下測量。如高、低溫、高速旋轉、強磁場等環(huán)境測量。（1）測量靈敏度和精度高。其最小應變讀數(shù)為 （微應變

2、， ）在常溫測量時精度可達 。11 2%611 10 （2）測量范圍廣?？蓽y 。1 200003-1 電阻應變片一、應變片的構造和基本原理由物理學可知：金屬導線的電阻率為LR=A其中： 導線材料電阻率導線長度L導線橫截面積A3-1 電阻應變片當金屬導線沿其軸線方向受力變形時（伸長或縮短），電阻值會隨之發(fā)生變化（增大或減?。?，這種現(xiàn)象就稱為電阻應變效應。dRddLdARLA將上式取對數(shù)并微分，得：式中： 為金屬導線長度的相對變化；dLL為導線橫截面積的相對變化。dAA若導線直徑為D，則dAdDdL22()2ADL dRd(12 )R 式中： 為導線材料泊松比。3-1 電阻應變片電阻應變片的構造電

3、阻應變片由敏感柵、引線、基底、蓋層、粘結劑組成。其構造如圖所示：3-1 電阻應變片敏感柵：用合金絲或合金箔制成的柵。柵長L：指兩端圓弧內(nèi)側或兩端橫柵內(nèi)側之間的距離，一般為0.2100mm。柵寬B：敏感柵外側之間的距離。應變片軸線：敏感柵縱柵的中心線。引線：用來由敏感柵引出電信號的金屬導線。用鍍錫銅線（通常）制成基底：用來保持敏感柵的幾何形狀和相對位置。蓋層：用來保護敏感柵，常用材料有紙、膠膜、玻璃纖維等。粘結劑：將敏感柵固定在基底上，常用環(huán)氧樹脂類和酚醛樹脂類粘結劑。作用：將R R 二、電阻應變片的分類電阻應變片按敏感柵材料不同可分為金屬電阻應變片和半導體應變片。本課僅介紹金屬電阻應變片。（一

4、）絲繞式應變片敏感柵是用直徑為0.010.05毫米的銅鎳合金或鎳鉻繞制而成。缺點：其橫向效應大，測量精度較差，應變片性能分散。優(yōu)點：基底、蓋層均為紙做成，價格便宜，易安裝。3-1 電阻應變片（二）短接式應變片將金屬絲平行排成柵狀，端部用粗絲焊接而成。優(yōu)點：橫向效應小，制造時敏感柵形狀易保證，測量精度高。缺點：焊點多，疲勞壽命較低。3-1 電阻應變片（三）箔式應變片敏感柵采用的是0.0020.005毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖制板、光刻及腐蝕等工藝制作。優(yōu)點：橫向效應較小，易安裝，散熱性好，疲勞壽命長，測試精度較高。3-1 電阻應變片敏感柵型式單軸應變片敏感柵只有一根軸線。用于測量

5、單向應變。應變花：雙軸二軸90三軸三軸45用于測量平面應力狀態(tài)。3-1 電阻應變片三、應變片的靈敏系數(shù)和橫向效應3-1 電阻應變片（一）靈敏系數(shù)（K）R RK=在單向應力作用下，應變片的電阻相對變化 與試件表面沿應變片軸線方向的應變 之比值，稱為應變片的靈敏系數(shù)，即：R R注意：K值是應變片的主要參數(shù)，它取決于敏感柵的材料、型式、幾何尺寸、基底、粘結劑等多種因素。通常由制造廠在專用設備上標定給出K值。常用的K=2.02.4（二）橫向效應系數(shù)（H）應變片的敏感柵除有縱柵外，還有圓弧或直線形的橫柵。橫柵主要對垂直于應變片軸線方向的橫向應變敏感，因而應變片指示應變中包含有橫向應變的影響，這就是應變片

6、的橫向效應。將應變片置于平面應變場中，沿應變片軸線方向的應變?yōu)?，垂直于軸線方向的橫向應變 ，應變片敏感柵電阻相對變化為：xyxyxxyyRRR()()KKRRRyx軸線橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)的比值稱為橫向效應系數(shù)H。xyKH100%K3-1 電阻應變片四、應變片的工作特性3-1 電阻應變片（一）應變片電阻（R）指應變片在未經(jīng)安裝、不受力的情況下，于室溫時測定的電阻值。常用的應變電阻值R120在恒定溫度下，對安裝有應變片的試件加載卸載。以試件的機械應變 為橫坐標，應變片的指示應變 為縱坐標繪成曲線，加載與卸載曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為機械滯后。ji（二）機械滯后（ ）jZ（1）電阻值漂移指在

7、工作溫度恒定，安裝在未受外力作用的構件上，其應變片電阻值隨時間的變化。產(chǎn)生漂移原因：由于敏感柵、基底、粘結劑等材料在應變片的制造或安裝過程中，內(nèi)部形成的應力緩慢釋放所致。（2）蠕變指在工作溫度恒定，安裝在承受外力，但變形恒定的構件上的應變片電阻值隨時間的變化。3-1 電阻應變片（三）零點漂移和蠕變（四）應變極限在恒定溫度下，對安裝有應變片的試件逐漸加載，直至應變片的指示應變與試件的機械應變的相對誤差達到10%。3-1 電阻應變片（五）絕緣電阻（ ）mR一般情況下， 兆歐。mR500應變片的絕緣電阻時指應變片的引線與被測試件之間的電阻值。（六）疲勞壽命（N）在幅值恒定的交變應力作用下，應變片連續(xù)

8、工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)，稱為應變片的疲勞壽命。（七）最大工作電流五、電阻應變片選用1、測試環(huán)境：溫度、濕度、磁場4、測試精度2、應變性質靜態(tài)應變選擇H小的應變片動態(tài)應變選擇疲勞壽命好的應變片。3、應變梯度應變場均勻對應變片柵長沒要求，可 選柵長大的應變片，容易貼。應變梯度變化大選柵長小的應變片。3-1 電阻應變片3-2 應變測量電路R1R2R4R3ACBEDIoRLUo第一次轉換第二次轉換惠斯登電橋433211RRRRRREUo當電橋平衡時，Uo=0，則有 R1R4=R2R34321RRRR或此為電橋平衡原理3-2 應變測量電路布片和橋接方法單臂接法半橋接法：用兩個電阻應變片作電橋

9、的相鄰臂，另外兩臂為應變儀電橋盒中精密無感電阻所組成的電橋。全橋接法：電橋四個臂全由電阻應變片構成。半橋加溫度補償塊接法R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R43-4 應變儀 將應變電橋的輸出信號轉換和放大，最后用應變的標度指示出來或輸出相應的信號推動顯示和記錄儀器。 應變儀的分類： 靜態(tài)電阻應變儀 動態(tài)電阻應變儀YJ-25型靜態(tài)電阻應變儀測量原理儀i)(4321儀1234靜態(tài)電阻應變儀的讀數(shù)與各橋臂應變片的應變值有下列關系： 分別為各橋臂上應變片的應變值。 式中：1.半橋接線與測量如果應變片R1接于應變儀AB的接線柱，溫度補

10、償應變片R2接于BC接線柱，則構成外半橋，如圖1。另內(nèi)半橋由應變儀內(nèi)部兩個無感繞線電阻構成。應變儀讀出的應變值：1儀圖 1 彎曲應變半橋補償接線與測量圖 2 彎曲應變半橋互補償接線與測量YJ-25型靜態(tài)電阻應變儀測量原理若梁上同一截面處的壓區(qū)和拉區(qū)分別貼應變片R1和R2，接于AB與BC接線柱，則構成外半橋，如圖2，兩電阻應變片既屬測量片又互為補償，應變儀讀出應變值為： 21儀又因 21所以有： 12儀2.全橋接線與測量YJ-25型靜態(tài)電阻應變儀測量原理如果梁上同一截面的壓區(qū)貼片R1、R3接于AB、CD接線柱，溫度補償應變片R2、R4接于BC、DA接線柱，構成全橋，如圖3。應變儀讀出應變值為： 圖 3 彎曲應變?nèi)珮騿窝a償接線與測量 圖 4 彎曲應變?nèi)珮蚧パa償接線與測量31儀因 31故有： 12儀若梁上同一截面的壓區(qū)應變片R1、R3仍接于AB和CD接線柱上，而拉區(qū)貼應變片R2、R4接于BC和DA接線柱組成全橋，如圖4。則應變儀讀出應變值為： YJ-25型靜態(tài)電阻應變儀測量原