2電阻應變測試技術講課適用

1、 熟悉電阻應變片的結構及原理，掌握熟悉電阻應變片的結構及原理，掌握電電阻應變的測量電路阻應變的測量電路，以及如何應用電阻應，以及如何應用電阻應變進行應力和應變測量。變進行應力和應變測量。本章主要內容參考書：參考書：地下工程測試理論與監(jiān)測技術地下工程測試理論與監(jiān)測技術第第3章章本章主要內容2-0 2-0 概述概述2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片2-2 2-2 測量電路測量電路2-3 2-3 應變（應力）測量應變（應力）測量2-4 2-4 應變儀應變儀2-0 2-0 概述概述1 1電阻應變測量基本原理電阻應變測量基本原理: :電阻應變效應電阻應變效應 電阻應變片：待測非電量電阻應變片：待測非電

2、量應變值應變值 電阻變化電阻變化r r電阻應變儀：測量電阻應變儀：測量r rl將應變片的將應變片的 r r u u或或 i il放大器放大器l輸出到顯示和記錄設備輸出到顯示和記錄設備本章主要內容2-0 2-0 概述概述2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片2-2 2-2 測量電路測量電路2-3 2-3 應變（應力）測量應變（應力）測量2-4 2-4 應變儀應變儀電阻應變效應公式電阻應變效應公式2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片l a r r 2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片理論分析理論分析l大應變時，大應變時， k k0 0通常不是常數(shù)；通常不是常數(shù)；l但對于康銅等少數(shù)幾種電阻絲而言，但對

3、于康銅等少數(shù)幾種電阻絲而言， k k0 0 基 本 為 定 值基 本 為 定 值 , , 因 此 它 們 可 用 于 大 應 變因 此 它 們 可 用 于 大 應 變（800010000）的量測的量測。)21 (210ck金屬材料對應變的敏感系數(shù)金屬材料對應變的敏感系數(shù)2 2 構造：構造：電阻絲電阻絲 基底與覆蓋層基底與覆蓋層 引線引線2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片2 2 構造構造（1 1）電阻絲：敏感材料，關鍵性部分。）電阻絲：敏感材料，關鍵性部分。要求：要求：電阻率大，應變電阻系數(shù)大，溫度電阻系數(shù)小，電阻率大，應變電阻系數(shù)大，溫度電阻系數(shù)小，壓延性好。壓延性好。材料：材料：銅鎳、鎳鉻

4、、鐵鉻鋁等高阻合金、半導體材料。銅鎳、鎳鉻、鐵鉻鋁等高阻合金、半導體材料。 （2 2）基底與覆蓋層：定位，傳力，保護）基底與覆蓋層：定位，傳力，保護要求：要求：絕緣，強度大，易粘貼，蠕變小，滯后小，防潮，絕緣，強度大，易粘貼，蠕變小，滯后小，防潮，熱穩(wěn)定，溫度應變小。熱穩(wěn)定，溫度應變小。材料：材料：紙基、膠基、紙浸膠基紙基、膠基、紙浸膠基（3 3）引線：引線：0.15-0.180.15-0.18的鍍錫（銥、銀）軟銅線。的鍍錫（銥、銀）軟銅線。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片3 3 分類分類(1)(1)金屬類金屬類金屬絲式應變片：絲繞式、短接式金屬絲式應變片：絲繞式、短接式0.01-0.05

5、mm 0.01-0.05mm ，響應時間為，響應時間為1010-7-7s s，散熱效果差，許用電流低。散熱效果差，許用電流低。圓角線柵，橫向效應大；圓角線柵，橫向效應大；直角線柵，制作復雜直角線柵，制作復雜。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片3 3 分類分類箔式應變片箔式應變片3- 10m3- 10m厚的康銅或其它合金膜，厚的康銅或其它合金膜，光刻印刷。光刻印刷。照相腐蝕成形法，集成電路制造技術。目前主要使用的照相腐蝕成形法，集成電路制造技術。目前主要使用的一種傳感器。一種傳感器。橫向效應小，散熱好于絲式。橫向效應小，散熱好于絲式。薄膜式應變片：薄膜式應變片：800800厚度厚度0.1m0.

6、1m的金屬薄膜，真空電鍍制造，用于高溫等的金屬薄膜，真空電鍍制造，用于高溫等特殊條件特殊條件2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片3 3 分類分類2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片（2 2）半導體式應變片（壓阻效應）半導體式應變片（壓阻效應）半導體材料，根據(jù)壓阻效應制成。半導體材料，根據(jù)壓阻效應制成。 靈敏系數(shù)高，靈敏系數(shù)高，k100k100，可直接用萬用表測，可直接用萬用表測應變響應時間僅有應變響應時間僅有1010-11-11s s熱穩(wěn)性能差；大應變時，非線性較大。熱穩(wěn)性能差；大應變時，非線性較大。3 3 分類分類（3 3）應變花）應變花: : 在一個基底上有幾個按一定角度排列的在一個基底上

7、有幾個按一定角度排列的敏感柵的應變片。敏感柵的應變片。用于主應力方向未知條件測量。用于主應力方向未知條件測量。自補償應變片：用于高低溫和溫差大的條件自補償應變片：用于高低溫和溫差大的條件2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（1 1）靈敏系數(shù)）靈敏系數(shù) 單向受力狀態(tài)下，敏感柵縱向中心線單向受力狀態(tài)下，敏感柵縱向中心線與應力方向平行時，應變片電阻值的相與應力方向平行時，應變片電阻值的相對變化與沿其縱向的應變之比值。對變化與沿其縱向的應變之比值。/rrk2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（2 2

8、）橫向效應）橫向效應 應變片這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影應變片這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應橫向效應。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片ff 敏感柵是由n條直線段和（n1）個半徑為r的半圓組成, 若該應變片承受軸向應力而產(chǎn)生軸向拉應變 時, 則各直線段的電阻將增加, 但在半圓弧段則受到從 到 之間變化的應變，即從軸向拉應變過渡到橫向壓應變，會使應變片電阻減小。xxy4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（3 3）應變片的規(guī)格）應變片的規(guī)格幾何參數(shù)幾何參數(shù)應變片的敏感柵工作面積：應變片敏感柵長寬之應變片的敏

9、感柵工作面積：應變片敏感柵長寬之積，積， l- -柵長標距柵長標距 b-b-柵寬柵寬注意：盡量選用柵長大、注意：盡量選用柵長大、 柵寬小的應變片。柵寬小的應變片。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（4 4）應變片電阻值）應變片電阻值: :指應變片在未安裝、不受外力、室溫指應變片在未安裝、不受外力、室溫 條件下的電阻值。條件下的電阻值。單片阻值：單片阻值：單個應變片的標定電阻值。單個應變片的標定電阻值。標準名義阻值標準名義阻值 ：人為規(guī)定的生產(chǎn)標準，為一定值，如人為規(guī)定的生產(chǎn)標準，為一定值，如120120、240240。一般應變儀是按。一般應

10、變儀是按120120應變片要求設計應變片要求設計的。的。平均名義阻值：平均名義阻值：一批應變片抽樣標定，電阻值取平均、一批應變片抽樣標定，電阻值取平均、求公差。如求公差。如120 120 0.5%0.5%或或1201200.60.6。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（5 5）機械滯后量：機械滯后量：恒溫時，在加、卸載過程中對各個應力恒溫時，在加、卸載過程中對各個應力水平分別測得的指示應變量的最大差值。水平分別測得的指示應變量的最大差值。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因: :金屬絲、粘貼劑、基底等的殘余變形，在測金屬絲、粘貼劑、基底等的殘余變形，在測試時尚

11、未完全釋放。試時尚未完全釋放。消除方法：采用優(yōu)質片，正確選擇粘合劑及粘貼工藝。消除方法：采用優(yōu)質片，正確選擇粘合劑及粘貼工藝。如用于制造傳感器，標定前應作循環(huán)加載以消除滯后影如用于制造傳感器，標定前應作循環(huán)加載以消除滯后影響。響。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（6 6） 零漂、蠕變零漂、蠕變零漂：零漂：不受力、溫度均不變時，應變測量值依然產(chǎn)生變不受力、溫度均不變時，應變測量值依然產(chǎn)生變化?；?。產(chǎn)生原因：應變片受潮后，絕緣電阻降低，或通電后產(chǎn)產(chǎn)生原因：應變片受潮后，絕緣電阻降低，或通電后產(chǎn)生的熱電勢造成的。生的熱電勢造成的。蠕變：蠕變：恒

12、溫情況下，受恒定機械應變時，應變測值隨時恒溫情況下，受恒定機械應變時，應變測值隨時間而變化。間而變化。產(chǎn)生原因：膠層傳遞應變產(chǎn)生原因：膠層傳遞應變“滑動滑動”。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（7 7）應變極限：應變極限：應變片最大應變測量值。應變片最大應變測量值。 一般規(guī)定：應變片顯示的值與機械應變的相對誤差一般規(guī)定：應變片顯示的值與機械應變的相對誤差達到規(guī)定標準（一般達到規(guī)定標準（一般10%10%）時的機械應變即為應變極限。）時的機械應變即為應變極限。此時，認為應變片失去了工作能力。此時，認為應變片失去了工作能力。 （8）絕緣電阻：絕

13、緣電阻：敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。應變片粘結層固化程度和是否受潮的標志。應變片粘結層固化程度和是否受潮的標志。一般靜態(tài)一般靜態(tài)30m30m，動態(tài)，動態(tài)50m50m。 2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（9 9）動態(tài)測量時的特性）動態(tài)測量時的特性疲勞壽命：疲勞壽命：應變片承受特定的交變荷載至破壞（脫片、應變片承受特定的交變荷載至破壞（脫片、斷柵等）時的使用次數(shù)。通常斷柵等）時的使用次數(shù)。通常10106 610107 7頻率響應：頻率響應：應變波由試件傳遞到應變片所需時間為動態(tài)應變波由試件傳遞到應變

14、片所需時間為動態(tài)頻率響應時間，金屬絲式頻率響應時間，金屬絲式為為1010-7-7s s，半導體式，半導體式為為1010- -1111s s，可以認為應變片是基本沒有慣性的。，可以認為應變片是基本沒有慣性的。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片4 4 應變片的參數(shù)和工作特性應變片的參數(shù)和工作特性（1010）應變片的許用電流）應變片的許用電流: :不影響工作特性的最大電流。不影響工作特性的最大電流。 控制應變片的工作溫度，以防燒毀，其具體數(shù)值由控制應變片的工作溫度，以防燒毀，其具體數(shù)值由廠家提供。廠家提供。一般絲式應變片許用電流為一般絲式應變片許用電流為202025ma25ma，測動態(tài)時可達，測動

15、態(tài)時可達7575100ma100ma。箔式應變片散熱性能好，可達。箔式應變片散熱性能好，可達200ma200ma以上。以上。2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片5 5 應變片的選用與應變片粘結工藝應變片的選用與應變片粘結工藝(1) (1) 應變片選用：應變片選用：1 工作環(huán)境工作環(huán)境合適溫度范圍的應變片、地下工程中防潮特性好合適溫度范圍的應變片、地下工程中防潮特性好2 被測物的材料性質被測物的材料性質彈模高，基長小；粗晶粒巖石或混凝土選用基長長彈模高，基長?。淮志Яr石或混凝土選用基長長3 按被測試件受力狀態(tài)和應變性質：應變花按被測試件受力狀態(tài)和應變性質：應變花變化大選用基長小，變化小選用基長

16、大變化大選用基長小，變化小選用基長大4 按測量精度：按測量精度：基底材料基底材料 ，考慮動態(tài)和靜態(tài)電阻值要求，考慮動態(tài)和靜態(tài)電阻值要求2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片5 5 應變片的選用與應變片粘結工藝應變片的選用與應變片粘結工藝(2)(2)應變片粘結工藝：應變片粘結工藝：1 1 應變片檢查應變片檢查: :外觀檢查、電阻值檢查外觀檢查、電阻值檢查2 2 表面處理表面處理: :刮刀除銹、砂布打磨、脫脂刮刀除銹、砂布打磨、脫脂棉擦洗、吹風機烘干棉擦洗、吹風機烘干2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片5 5 應變片的選用與應變片粘結工藝應變片的選用與應變片粘結工藝(2)(2)應變片粘結工藝：應變片

17、粘結工藝：3 3 貼片與固化貼片與固化: :畫線、涂膠、用玻璃紙壓、調整、補膠畫線、涂膠、用玻璃紙壓、調整、補膠2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片5 5 應變片的選用與應變片粘結工藝應變片的選用與應變片粘結工藝(2)(2)應變片粘結工藝：應變片粘結工藝：4 4 粘貼質量檢查粘貼質量檢查: :外觀檢查、電阻值檢查、外觀檢查、電阻值檢查、絕緣電阻檢查、連接電阻應變儀檢查絕緣電阻檢查、連接電阻應變儀檢查5 5 連接導線連接導線: :導線固定、導線焊接導線固定、導線焊接2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片5 5 應變片的選用與應變片粘結工藝應變片的選用與應變片粘結工藝(2)(2)應變片粘結工藝：應變

18、片粘結工藝：6 6 防潮處理防潮處理: :凡士林、石蠟等凡士林、石蠟等2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片本章主要內容2-0 2-0 概述概述2-1 2-1 電阻應變片電阻應變片2-2 2-2 測量電路測量電路2-3 2-3 應變（應力）測量應變（應力）測量2-4 2-4 應變儀應變儀043214231)(urrrrrrrrubd2-2 2-2 測量電路測量電路1 1 定義定義l實現(xiàn)二次轉換；并構成電阻應變儀。實現(xiàn)二次轉換；并構成電阻應變儀。l惠斯登電橋：以直流惠斯登電橋為例?；菟沟请姌颍阂灾绷骰菟沟请姌驗槔?。3241rrrr電橋平衡條件電橋平衡條件( (輸出為輸出為0)0)：1 1）全等臂電

19、橋）全等臂電橋 2-2 2-2 測量電路測量電路2 2 電橋分析電橋分析單臂電橋單臂電橋：r r1 1為工作片，受力為工作片，受力變形，產(chǎn)生阻值增量變形，產(chǎn)生阻值增量 r r，當，當 r r r r時，電壓輸出為：時，電壓輸出為：00414ukurrubdr1=r2=r3=r4=r043214231)(urrrrrrrrubd1 1）全等臂電橋：全橋電路）全等臂電橋：全橋電路2-2 2-2 測量電路測量電路0432124134231)(urrrrrrrrrrrrubd2 2 電橋分析電橋分析)(4)(443210443322110kurrrrrrrru043214231)(urrrrrrrru

20、bdr1=r2=r3=r4=r2 2）輸出對稱電橋：）輸出對稱電橋：2-2 2-2 測量電路測量電路0432124134231)(urrrrrrrrrrrrubd2 2 電橋分析電橋分析)(4)(443210443322110kurrrrrrrrur1=r2，r3=r4043214231)(urrrrrrrrubd3 3）電源對稱電橋：）電源對稱電橋：2-2 2-2 測量電路測量電路0432124134231)(urrrrrrrrrrrrubd2 2 電橋分析電橋分析)()1 ()()1 (4321204433221120aakurrrrrrrraauarrrr4312r1=r4，r2=r30

21、43214231)(urrrrrrrrubdl 相鄰橋臂：相鄰橋臂：應變極性相同，應變極性相同，輸出電壓相減，應變極性相反，輸出電壓相減，應變極性相反，輸出電壓相加；輸出電壓相加；l相對橋臂：相對橋臂：與以上規(guī)律相反。與以上規(guī)律相反。2-2 2-2 測量電路測量電路重要結論：重要結論：電橋的加減特性電橋的加減特性)()1 (432120aakuubd)(443210kuubd電橋加減特性電橋加減特性電橋加減特性非常有用：電橋加減特性非常有用：1 1）提高電橋靈敏度；）提高電橋靈敏度；2 2）溫度補償；）溫度補償；3 3）復雜受力試件上測試某外力）復雜受力試件上測試某外力 因素引起的應變等。因素

22、引起的應變等。2-2 測量電路測量電路l電橋測量電阻變化的方法電橋測量電阻變化的方法l偏位法偏位法：電橋：電橋b b、d d輸出端存在電壓輸出，根據(jù)輸出端存在電壓輸出，根據(jù)檢流計示數(shù)檢流計示數(shù)測讀橋路中電阻變化（又稱測讀橋路中電阻變化（又稱“偏轉法偏轉法”、“不平衡電橋法不平衡電橋法”）l零位法零位法：調節(jié)橋臂中非工作臂：調節(jié)橋臂中非工作臂( (位于儀器內部位于儀器內部) )的電阻，使的電阻，使輸出電壓為輸出電壓為0 0，據(jù)調整的電阻差值，測讀橋臂電阻變化。，據(jù)調整的電阻差值，測讀橋臂電阻變化。l注意：注意：l零位法不受電源電壓影響零位法不受電源電壓影響，精度高，精度高， 需二次平衡，只用于靜

23、態(tài)測試。需二次平衡，只用于靜態(tài)測試。l偏位法受電壓影響，偏位法受電壓影響，不需二次平衡，不需二次平衡， 可用于動態(tài)測試?？捎糜趧討B(tài)測試。本章主要內容3-0 3-0 概述概述3-1 3-1 電阻應變片電阻應變片3-2 3-2 測量電路測量電路3-3 3-3 應變（應力）測量應變（應力）測量3-4 3-4 應變儀應變儀2-32-3布片原則布片原則1.1.測點測點：選擇應力集中區(qū)和邊界危險點，主應變最：選擇應力集中區(qū)和邊界危險點，主應變最大，最能反映力學規(guī)律的點貼片；大，最能反映力學規(guī)律的點貼片；2.2.電路：電路：利用結構對稱點，利用電橋的加減特性，利用結構對稱點，利用電橋的加減特性，合理選擇貼片

24、位置，方位和組橋方式，提高靈敏合理選擇貼片位置，方位和組橋方式，提高靈敏度，消除影響因素；度，消除影響因素；3.3.荷載測量：荷載測量：避開應力避開應力應變非線形區(qū)貼片；應變非線形區(qū)貼片；4.4.在已知應力部位安排測點，檢驗結果的可靠性。在已知應力部位安排測點，檢驗結果的可靠性。1 布片和接橋方法 單橋（1/4橋）。 半橋（常用）：2 2個電個電阻應變片作為電橋鄰臂，其阻應變片作為電橋鄰臂，其余余2 2個橋臂為應變儀電橋盒個橋臂為應變儀電橋盒內無感電阻內無感電阻。 全橋（常用）。2-32-32 2 溫度補償溫度補償1 1）應變片的溫度效應應變片的溫度效應：因環(huán)境溫度變化引起的虛假應變。：因環(huán)境

25、溫度變化引起的虛假應變。電阻絲的電阻溫度變化。電阻絲的電阻溫度變化。應變片與試件膨脹系數(shù)的不同造成的誤差。應變片與試件膨脹系數(shù)的不同造成的誤差。 2 2）溫度補償）溫度補償溫度自補償應變片，常用于中、高溫；溫度自補償應變片，常用于中、高溫；2-32-32 2）溫度補償）溫度補償橋路補償法，用于常溫下。橋路補償法，用于常溫下。2-32-3補償塊補償法補償塊補償法工作片補償法工作片補償法2 2 溫度補償溫度補償（1 1）拉彎）拉彎工作片補償和補償塊補償工作片補償和補償塊補償2-32-32 2 溫度補償溫度補償（2 2） 丁字片補償丁字片補償2-32-33 3 各種應力狀態(tài)下的應力應變測量各種應力狀

26、態(tài)下的應力應變測量（1）拉（壓）彎聯(lián)合作用下的應力應變測量）拉（壓）彎聯(lián)合作用下的應力應變測量半橋四片補償塊補償法測拉壓半橋四片補償塊補償法測拉壓2-32-3ubduac補償塊補償塊工作片工作片11 ()()22totalpmtpmttp3 3 各種應力狀態(tài)下的應力應變測量各種應力狀態(tài)下的應力應變測量（1）單向應力狀態(tài)下的應力應變測量）單向應力狀態(tài)下的應力應變測量全橋四片測拉壓全橋四片測拉壓2-32-3ubduac俯視圖俯視圖r1r2r3r4r1r2r1r2r3r4() () () ()2(1)totalpmtpmtpmtpmtpuuu 課堂作業(yè)題 r1和和r2為性能完全相同的兩個應變片，為性能完全相同的兩個應變片，r為與為與r1、r2阻阻值相同的無感電阻，一懸臂梁同時受拉力和彎矩作用，應值相同的無感電阻，一懸臂梁同時受拉力和彎矩作用，應變片按下圖方式貼片。變片按下圖方式貼片。 （1）測拉力但不受彎矩影響如何連橋？）測拉力但不受彎矩影響如何連橋？ （2）測彎矩但不受拉力影響如何連橋？）測彎矩但不受拉力影響如何連橋？要求：畫出布片圖和相應的電路圖，給出拉應變或彎應變與要求：畫出布片圖和相應的電路圖，給出拉應變或彎應變與 輸出應變關系。輸出應變關系。本章主要內