應變片及其原理

1、應力與應變的概念應力所謂“應力”，是在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力。如圖1所示：在圓柱體的項部向其垂直施加外力p的時候，物體為了保持原形在內(nèi)部產(chǎn)生抵抗外力的力內(nèi)力。該內(nèi)力被物體（這里是單位圓柱體）的截面積所除后得到的值即是“應力”，或者簡單地可概括為單位截面積上的內(nèi)力，單位為pa（帕斯卡）或n/m2。例如，圓柱體截面積為a(m2),所受外力為p(n牛頓)，由外力=內(nèi)力可得，應力：（pa或者n/m2）這里的截面積a與外力的方向垂直，所以得到的應力叫做垂直應力。圖1應變當單位圓柱體被拉伸的時候會產(chǎn)生伸長變形l，那么圓柱體的長度則變?yōu)閘+l。這里，由伸長量l和原長l的比值所表示的伸長率（或壓縮

2、率）就叫做“應變”，記為。與外力同方向的伸長(或壓縮)方向上的應變稱為“軸向應變”。應變表示的是伸長率（或壓縮率），屬于無量綱數(shù)，沒有單位。由于量值很小(110-6百萬分之一)，通常單位用“微應變”表示，或簡單地用e表示。而單位圓柱體在被拉伸的狀態(tài)下，變長的同時也會變細。直徑為d0的棒產(chǎn)生d的變形時，直徑方向的應變?nèi)缦率剿荆哼@種與外力成直角方向上的應變稱為“橫向應變”。軸向應變與橫向應變的比稱為泊松比，記為。每種材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。應力與應變的關系各種材料的應變與應力的關系已經(jīng)通過實驗進行了測定。圖2所示為一種普通鋼材（軟鐵）的應力與應變關系圖。根據(jù)胡

3、克定律，在一定的比例極限范圍內(nèi)應力與應變成線性比例關系。對應的最大應力稱為比例極限。圖2或者 應力與應變的比例常數(shù)e 被稱為彈性系數(shù)或揚氏模量，不同的材料有其固定的揚氏模量。綜上所述，雖然無法對應力進行直接的測量，但是通過測量由外力影響產(chǎn)生的應變可以計算出應力的大小。應變片的構造及原理應變片的構造應變片有很多種類。一般的應變片是在稱為基底的塑料薄膜（15-16m）上貼上由薄金屬箔材制成的敏感柵（3-6m），然后再覆蓋上一層薄膜做成迭層構造。應變片的原理將應變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應變伸長或縮短。很多金屬在機械性地伸長或縮短時其電阻會隨之變化。

4、 應變片就是應用這個原理，通過測量電阻的變化而對應變進行測定。一般應變片的敏感柵使用的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應變成正比例關系。即：其中，r：應變片原電阻值（歐姆）r：伸長或壓縮所引起的電阻變化（歐姆）k：比例常數(shù)(應變片常數(shù))：應變不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)k。銅鉻合金的k值約為2。這樣，應變的測量就通過應變片轉(zhuǎn)換為對電阻變化的測量。但是由于應變是相當微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻變化也是極其微小的。要精確地測量這么微小的電阻變化是非常困難的，一般的電阻計無法達到要求。為了對這種微小電阻變化進行測量，我們使用帶有惠斯通電橋的專用應變測量儀。惠斯通電橋概述惠斯通電橋惠斯通電橋適用于檢

5、測電阻的微小變化，應變片的電阻變化就用該電路來測量。如圖1所示，惠斯通電橋由四個同等阻值的電阻組合而成。如果:或 則無論輸入多大電壓，輸出電壓總為0，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。如果平衡被破壞，就會產(chǎn)生與電阻變化相對應的輸出電壓。如圖2所示:將這個電路中的r1與應變片相連，有應變（形變）產(chǎn)生時，記應變片電阻的變化量為r，則輸出電壓的計算公式如下所示:，即：上式中除了均為已知量，所以如果測出電橋的輸出電壓就可以計算出應變的大小。圖1圖2雙應變片法（半橋）如圖3,4所示，在電橋中連接了兩枚應變片，共有兩種聯(lián)入方法。圖3圖4四條邊中有兩條邊的電阻發(fā)生變化，根據(jù)上面的四應變片法的算法可得輸出電壓的公式。圖3

6、為：或圖4為：或也就是說當聯(lián)入兩枚應變片時，根據(jù)聯(lián)入方式的不同，兩枚應變片上產(chǎn)生的應變或加或減。四應變片法（全橋）四應變片法是橋路的四邊全部聯(lián)入應變片，在電子行業(yè)的應變測量中不經(jīng)常使用，但常用于橋梁、建筑中，如下圖所示。當四條邊上的應變片的電阻分別引起如r1+r1、r2+r2、r3+r3、r4+r4的變化時：若四枚應變片完全相同，比例常數(shù)為k，且應變分別為1、2、3、4,則上面的式子可寫成下面的形式:應變片（半橋）用途如圖1 所示，同時對懸臂梁施加使其彎曲和伸長的兩個作用力，在梁的上下表面對應的位置分別貼上一枚應變片，再聯(lián)入橋路的相鄰邊或相對邊就可以測知分別由彎曲和伸長所產(chǎn)生的應變。由于懸臂梁

7、的彎曲，在應變片上產(chǎn)生拉伸應變（正），在應變片上產(chǎn)生壓縮應變（負）。因為兩枚應變片與梁的末端距離相同，所以雖然二者的正負不同，但絕對值的大小相同。這樣，如果只想測量由于彎曲產(chǎn)生的應變，則如圖2所示，將，聯(lián)入電橋的相鄰邊。圖1圖2輸出電壓為：因為當拉伸作用在應變片，上時，會同時產(chǎn)生大小相等的正應變，所以上述公式括號中的項等于零。另一方面，由于彎曲變形而在應變片，上產(chǎn)生的應變大小相等，符號相反，從數(shù)學角度看括號中的項變?yōu)槊棵稇兤袭a(chǎn)生的應變的2倍，從而可以測得由于彎曲而產(chǎn)生的應變。若如圖c 所示，將應變片聯(lián)入橋路的相對邊，則輸出電壓與上例相反，這種情況下，由于彎曲應變所產(chǎn)生的輸出電壓為零，由于拉

8、伸應變所產(chǎn)生的輸出電壓變?yōu)槊棵稇兤a(chǎn)生的電壓的2倍。也就是說如圖c所示聯(lián)接即可測得僅由拉伸作用所產(chǎn)生的應變。溫度補償在應變測量中會遇到一個問題，那就是溫度對應變的影響。因為被測定物都有自己的熱膨脹系數(shù)，所以會隨著溫度的變化伸長或縮短。因此如果溫度發(fā)生變化，即使不施加外力貼在被測定物上的應變片也會測到應變。為了解決這個問題，可以應用溫度補償法。動態(tài)模擬法（雙應變片法）這是使用兩枚應變片的雙應變片法。如圖a 所示，在被測物上貼上應變片（a）,在與被測物材質(zhì)相同的材料上貼上應變片（d）,并將其置于與被測物相同的溫度環(huán)境里。如圖所示，將兩枚應變片聯(lián)入橋路的相鄰邊，這樣因為（a）,（d）處于相同的溫

9、度條件下，由溫度引起的伸所量相同，即由溫度引起的應變相同，所以由溫度引起的輸出電壓為零。自我溫度補償法從理論上講，動態(tài)模擬法是最理想的溫度補償法。但是粘貼兩枚應變片所費勞力和模擬物的放置場所的選擇等問題。為了解決這個問題，可以使用只用一枚應變片即可進行溫度補償?shù)淖晕覝囟妊a償應變片。這種方法根據(jù)被測物材料的熱膨脹系數(shù)的不同來調(diào)節(jié)應變片敏感柵，因此使用適合被測物材料的應變片就可以僅用一枚應變片對應變進行測量，且不受溫度的影響。除了特殊的情況，現(xiàn)在基本上都使用自我溫度補償型應變片。圖1自我溫度補償片的原理在熱膨脹系數(shù)為s的被側物表面貼上敏感柵熱膨脹系數(shù)為g的應變片。則溫度每變化1，其所表現(xiàn)出來的應變

10、t如下式所示：其中，：電阻元件的溫度系數(shù)；k5： 應變片的應變片常數(shù)上式中，k5為由敏感柵材料決定的應變片常數(shù)，s、g分別為由各自材料決定的被測物與敏感柵的熱膨脹系數(shù)，這三項均為定值，則通過調(diào)整就可以使由溫度引起的應變變?yōu)榱?。此時，在箔材的制作過程中可以通過熱處理對的值進行控制。而且它是與特定的被測物的熱膨脹系數(shù)s相對應的，如果用在不適用的被測物時，不僅不會補償溫度引起的應變還會引起較大的測量誤差。導線的溫度補償使用自我溫度補償片可以解決應變片所受的溫度影響問題。但是從應變片到測量儀之間的導線也會受到溫度的影響，這個問題并沒有解決。如圖a所示單應變片雙線的聯(lián)接方式將導線的電阻全部串聯(lián)入了應變片

11、中。導線較短時不會有太大的問題，但如果導線較長就會產(chǎn)生影響。為了減小導線的影響，可以使用3 線聯(lián)接法。如圖b所示，在應變片導線的一根上再聯(lián)上一根導線，用3根導線使橋路變長。這種聯(lián)接方式與雙線式不同的地方是導線的電阻分別由電橋的相鄰兩邊所分擔。圖b 中，導線電阻r1串聯(lián)入了應變片電阻rg，r2串聯(lián)入了r2，r3成為電橋的輸出端。這樣，就幾乎不會產(chǎn)生什么影響了。應變片粘貼應變片的粘貼方法根據(jù)應變片，粘貼劑，使用環(huán)境的不同而不同。這里以常溫室內(nèi)測量為例。選用普通型應變片（帶有導線的kfg 應變片），速干性粘貼劑（氰基丙烯酸鹽酸粘合劑系列cc-33a），低碳鋼試驗片。1、選擇應變片 根據(jù)被測物與目的選

12、擇應變片的種類及長度，參考應變片熱膨脹系數(shù)，選擇適用于被測物的應變片。 2、除銹，保護膜 將應變片所要粘貼的部位（ 范圍要大于應變片的面積）用砂布（#200300）打磨，直到除去涂漆，銹跡及鍍金等。 3、確定粘貼位置 在需要測量應變的位置沿著應變的方向做好記號。使用4h 以上的硬質(zhì)鉛筆或劃線器，注意在使用劃線器時，不要留下深的刻痕。 4、對粘貼面的脫脂和清潔 用工業(yè)用薄紙蘸丙酮溶液對要粘貼應變片部位進行清潔。在清潔過程中，沿著一個方向用力擦拭，然后再沿著相同方向擦拭。如果來回擦拭會使污物反復附著，無法擦拭干凈。5、涂粘貼劑 首先要確認好應變片的正反面。向應變片的背面滴一滴粘貼劑（cc-33a）

13、。如果涂抹粘貼劑的話，先涂抹部分的粘貼劑會出現(xiàn)硬化，使粘性下降。因此不使用涂抹的方式。6、粘貼 將滴有粘貼劑的應變片立即粘在所作記號的中心位置。7、加壓在置于粘貼位置的應變片上面蓋上附帶的聚乙烯樹脂片，并在上面用手指加壓。 步驟5，6，7要連貫快速地進行。將放好的應變片取下調(diào)整位置重新粘貼時會使粘性極大地下降。 8、完成 加壓一分鐘左右，取下聚乙烯樹脂片，確認是否已粘貼牢固。 這樣整個粘貼過程結束。為了達到更好的效果，最好將應變片放置60 分鐘左右等粘貼劑完全硬化后再使用。 章和電氣應變片規(guī)格參數(shù):應變片描述圖片型號阻值()應變因子尺寸規(guī)格(mm)漆包線長(cm)pvc線長(cm)備注柵長基底

14、長寬長寬jsak120-1-c11-p003m-v2m1202.111.14.82.40.3200單軸jsak120-3-d17-11p03-v07m1202.111.153070三軸0/45/90jsak120-3-d17-11p03-v05m1202.111.153050jsak120-3-d17-11p05-v05m1202.111.155050jsm 機箱式應力信號采集儀 在采集的同時進行分析處理（fft解析、頻率分析），能夠通過畫面來實時確認輸入監(jiān)視器和處理后的結果。采用模塊化方式，每個應變/電壓模塊有8個采集通道，整機完整配置共64通道，可多機箱級連。通過usb接口連接，能夠在主機

15、硬盤上存儲長時間的數(shù)據(jù)。能進行主應變、切應變、應變速率、極點圖、fft、數(shù)學運算等分析。最高采樣率為10khz（64通道同時采樣）。操作菜單以對話框形式，簡單快速。 概述：章和電氣提供的jsm系列應變測試儀是能夠與多種類型的傳感器相連接，實現(xiàn)測定、顯示、記錄、處理等多種功能，應用廣泛且具有延伸擴展性的高性能動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器。章和jsm系列應變測試儀器主要有三大類型，分別為機箱式多通道類型，便攜式低密度類型和車載多通道類型。機箱式多通道類型，主要由機箱和采集模塊組成。每個模塊可以連接8個通道的應變輸入信號，每個控制器機箱可以最多插入8個模塊，提供64通道的并行采集。機箱通過usb和電腦連接，通過

16、軟件strainmaster進行分析，可支持多機箱級聯(lián), 支持上千通道同時采集。技術規(guī)范：型號：型號*最大輸入通道測量阻值單模塊通道數(shù)jsm-a641208jsm-b643508*型號描述規(guī)則：輸入通道數(shù)目模塊數(shù)單模塊通道數(shù)例：jsm-48-a為a型（120）6個模塊，輸入通道為48通道的機箱型應變測試設備。單模塊通道數(shù)：8個模擬輸入通道最大采樣率：640ks/s/機箱采樣模式：多通道同步采樣adc分辨率：24位adc類型：delta-sigma（帶模擬預濾波）支持應變式傳感器電阻值：jsm-a系列支持120，jsm-b系列支持350支持惠斯通電橋類型：1/4 橋轉(zhuǎn)換精度：3.5062nv/v

17、/lsb精度增益誤差：0.02%（已校準，常規(guī)測量條件25,5）全量程范圍：29.4mv/v（+62500ue/-55500ue）端子間過壓保護：30v穩(wěn)定性：增益漂移6ppm/數(shù)字濾波器：用戶自定義低通濾波機箱接口類型：usb2.0高速輸入供電電源：11到30vdc，220vac工作溫度：-4070，工作濕度：10%90% rh，無凝結存儲溫度：-4085，存儲濕度：5%90% rh，無凝結防護等級：ip 40前面板接頭端子：lpt快速插拔接頭jsm 便攜式應力信號采集儀 概述： jsm便攜式應力信號采集儀為4通道無線應力信號測量分析硬件設備，可進行遠距離無線式應力多通道測量分析和進一步的故

18、障源探測。它可與章和電氣自主研發(fā)的高性能的專業(yè)應力測試分析軟件strainmaster搭配使用，并且結合章和電氣提供的應變片系列，構成一套成熟完整的應力測試分析系統(tǒng)。 該用戶解決方案已經(jīng)應用于多家大型企業(yè)，可直接使用進行測試運行。 主要規(guī)格參數(shù)： 輸入通道：4 系統(tǒng)最大采樣率：50ks/s/通道，高速同步采集 全量程精度：0.01% 隔離類型：通道-接地隔離，1,000 vrms瞬態(tài)隔離 支持應變片類型：120歐姆或者350歐姆 支持橋路類型：半橋、全橋，可編程半橋和全橋電阻 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：24位分辨率，delta-sigma型 數(shù)字濾波器：用戶自定義高通/低通/帶通/帶阻濾波器 i/o連接器：

19、配有rj50連接器的25 mv模擬輸入 ieee 802.11b/g (wi-fi)無線和以太網(wǎng)通信接口 內(nèi)部激勵可達10 v，兼容智能傳感器 (teds) 128位aes數(shù)據(jù)加密和ieee 802.11i (wpa2)支持確保的高安全性 供電電源：930vdc 工作溫度：-40到70攝氏度 工作濕度：10%90% rh,無凝結儲存濕度 存儲溫度：-40到85攝氏度 長寬高：214mm95mm102mm 符合中國rohs標準，符合iec60068-2-64振動標準 電磁兼容性： 產(chǎn)品設計符合以下測量、控制和實驗室用途的 emc標準： en 61326 (iec 61326): class a

20、放射標準；工業(yè)抗擾度標準 en 55011 (cispr 11): group 1, class a放射標準 as/nzs clspr 11: group 1, class a放射標準 fcc 47 cfr part 15b: class a放射標準 ice-001: class a放射標準 ce規(guī)范： 產(chǎn)品已達到現(xiàn)行歐盟產(chǎn)品規(guī)范的基本要求，并附有 ce標志。如下所示： 2006/95/ec；低電壓規(guī)范（安全性） 2004/108/ec；電磁兼容標準(emc) 安全標準： iec 61010-1, en 61010-1 ul 61010-1, csa 61010-1 命名規(guī)則： jsm-usb-04 usb 4通道應力采集儀 jsm-wls-04 無線網(wǎng) 4通道應力采集儀 jsm-enet-04 以太網(wǎng) 4通道應力采集儀strainmaster 專業(yè)應力測試軟件 strainmaster是一套用于應力應變測量及分析的