第三章電阻應(yīng)變測量技術(shù)

1、第三章第三章 電阻應(yīng)變測量技術(shù)電阻應(yīng)變測量技術(shù) 基本原理：彈性元件受力變形應(yīng)變片電阻改變測量電路（應(yīng)變儀）應(yīng)變 應(yīng)變片：將彈性材料的變形（應(yīng)變）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲衅鳌?主要特點：靈敏度和精度高；測量范圍廣；輸出為電信號；容易掌握。31 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 一、應(yīng)變片的構(gòu)造和工作原理一、應(yīng)變片的構(gòu)造和工作原理 1.構(gòu)造2.工作原理金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)： 金屬絲的電阻相對變化率與應(yīng)變成正比。k0 為金屬絲對應(yīng)變的靈敏度 0kRdR二、應(yīng)變片的類型二、應(yīng)變片的類型 1金屬絲式應(yīng)變片 絲繞式、短接式 直徑0.020.05mm的鎳鉻合金或康銅(Ni,Cu)絲經(jīng)絲繞機繞成柵狀。短接式敏感柵軸向為平行排

2、列的電阻絲，橫向是由粗寬而電阻率小的金屬絲焊接而成。2箔式應(yīng)變片 在厚度0.0030.01mm的合金箔的一面涂膠形成膠基，另一面涂感光材料，經(jīng)照相制版、光刻腐蝕法形成敏感柵，最后在表面涂一層膠膜保護層制成。 形狀尺寸精密，箔材寬平易于粘貼，散熱性好，橫向系數(shù)小。3半導(dǎo)體電阻片 用鍺或硅等半導(dǎo)體材料根據(jù)其壓阻效應(yīng)制成。靈敏系數(shù)大，橫向系數(shù)小，體積小、機械滯后小，頻率響應(yīng)高、頻帶寬。用于微小應(yīng)變、高頻超高頻動態(tài)應(yīng)變測量。熱穩(wěn)定性差。 壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化。 d/=e=eE4應(yīng)變花 在一個基底上按一定角度排列幾個敏感柵制成的應(yīng)變片。用于測量一點幾個方向

3、的應(yīng)變，從而獲得平面應(yīng)力狀態(tài)下一點的主應(yīng)變和方向。5應(yīng)力電阻片 應(yīng)變片的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比設(shè)計成材料的泊松比，應(yīng)變儀讀數(shù)既為純縱向應(yīng)變，乘以彈模E可得應(yīng)力。三、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)和橫向效應(yīng)三、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)和橫向效應(yīng) 應(yīng)變片靈敏系數(shù)(即靈敏度)k定義為：把應(yīng)變片粘貼在處于單向應(yīng)力狀態(tài)的試件表面，使其敏感柵縱向中心線與應(yīng)力方向平行時，應(yīng)變片電阻值的相對變化與沿其縱向的應(yīng)變x之比值，即 橫向效應(yīng) 當(dāng)材料產(chǎn)生縱向應(yīng)變x時，由于橫向效應(yīng)，將在其橫向產(chǎn)生一個與縱向應(yīng)變符號相反的橫向應(yīng)變y-x，因此，應(yīng)變片上橫向部分的線柵與縱向部分的線柵產(chǎn)生的電阻變化符號相反，使應(yīng)變片的總電阻變化量減小，此種現(xiàn)象稱為

4、應(yīng)變片的橫向效應(yīng)，用橫向效應(yīng)系數(shù)H來描述。 RdRk 四、應(yīng)變片的工作特性四、應(yīng)變片的工作特性 1應(yīng)變片的尺寸 柵長柵寬 基長基寬 2應(yīng)變片的電阻 標(biāo)稱電阻60、120、350、500、1000 3機械滯后量(Zf) 加載和卸載時對于同一載荷的應(yīng)變差。 4零點漂移(p)和蠕變() 外載不變，溫度不變而應(yīng)變隨時間改變的現(xiàn)象。 5應(yīng)變極限 在常溫下能正確反映測點應(yīng)變的最大值。一般應(yīng)變極限值在600010000之間。 6絕緣電阻(Rm) 7疲勞壽命(N) 在測點有1500 交應(yīng)變作用下，應(yīng)變片連續(xù)工作不損壞的最高循環(huán)次數(shù)。一般106次。 8最大工作電流五、應(yīng)變片的選用五、應(yīng)變片的選用 1、按工作環(huán)境

5、選用 溫度（低溫、常溫、高溫）；濕度；使用時間 2按被測物的材料性質(zhì)選用 材料的粗糙度（玻璃、混泥土）與基長有關(guān) 3按被測試件的受力狀態(tài)和應(yīng)變性質(zhì)選用 單向受力、復(fù)雜受力（應(yīng)變花）；應(yīng)變場變化梯度；長時動態(tài)應(yīng)變（選高阻值短基長應(yīng)變片以提高信噪比和頻率響應(yīng)特性） 4按測量精度選用 一般選紙基片；要求高時選膠基片；測試線路中有電阻隨機源時選高阻值片32 應(yīng)變測量電路應(yīng)變測量電路 第一次轉(zhuǎn)換應(yīng)變片將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電阻相對變化量。 第二次轉(zhuǎn)換應(yīng)變基本測量電路則是將電阻相對變化量再轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，以便顯示、記錄和處理。 電阻應(yīng)變儀 應(yīng)變測量電路 ：通常轉(zhuǎn)換后的信號很微弱，必須經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)、濾

6、波等變換環(huán)節(jié)才能獲得所需的信號 。 惠斯登電橋電路 按電源供電方式分，分直流電橋和交流電橋。電橋電路可有效地測量10-310-6數(shù)量級的微小電阻變化率，且精度很高，穩(wěn)定性好，易于進(jìn)行溫度補償，所以，在電阻應(yīng)變儀和應(yīng)變測量中應(yīng)用極廣。 一、直流電橋 由四個電阻Rl，R2， R3，R4，組成四個橋臂；A，C為供橋端，接電壓為E的直流電源，B，D為輸出端，電橋的輸出電壓為 ERRRRRRRRUBD.)(43214231當(dāng)UBD0時，電橋處于平衡狀態(tài)，故電橋的平衡條件為 R1R3-R2R4=0或 3241RRRR橋臂四個電阻RlR2R3R4R，此稱等臂電橋。 等臂電橋單臂工作時的情況 ： 設(shè)Rl為工作

7、應(yīng)變片，當(dāng)試件受力作用產(chǎn)生應(yīng)變時，其阻值有一增量R，此時，橋路就不平衡，產(chǎn)生輸出電壓，由于RR ，輸出電壓為：EkERRUBD41.4基本關(guān)系式表明：等臂電橋的輸出電壓與應(yīng)變在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。 非等臂電橋四臂工作時： 設(shè)電橋四臂均為工作應(yīng)變片，其電阻為Rl，R2，R3，R4，當(dāng)應(yīng)變片未受力時，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓為零。當(dāng)受力后，電橋四臂都產(chǎn)生電阻變化分別為R1, R2, R3及R4，電橋電壓輸出為ERRRRRRRRRRRRUBD)(432124134231忽略二階微量，R R 0 根據(jù)三種橋臂配置情況進(jìn)行分析： 全等臂電橋，即，RlR2R3R4R， 其電壓輸出為)(4)(443

8、2144332211kERRRRRRRREUBD 輸出對稱電橋： RlR2，R3R4 ，其電壓輸出與全等臂電橋相同。 電源對稱電橋： RlR4，R2R3 ，并令 4312RRRR則其電壓輸出為 )()1 ()()1 (43212443322112kERRRRRRRREUBD電橋的加減特性(或和差特性) 相鄰橋臂的應(yīng)變極性一致(即同為拉應(yīng)變或同為壓應(yīng)變)時，輸出電壓為兩者之差；極性不一致(即一為拉應(yīng)變，另一為壓應(yīng)變)時，輸出電壓為兩者之和。而相對橋臂則與上述規(guī)律相反。 該特性對于交流電橋也完全適用。 利用該特性，可提高電橋的靈敏度，對溫度影響予以補償，從復(fù)雜受力的試件上測取某外力因素引起的應(yīng)變等

9、，所以，它是在構(gòu)件上布片和接橋時遵循的基本準(zhǔn)則之一。 用電橋測量電阻變化的測量方法偏位法是在表的刻度盤上刻出R，或直接刻出應(yīng)變值(根據(jù)R Rk)，由指針偏轉(zhuǎn)直接指示應(yīng)變值，或者送到記錄器直接記錄。 零位測量法 電橋原始平衡后，如R1變成R1+R，則電橋失去平衡，電表指針偏轉(zhuǎn)，此時，人為調(diào)節(jié)可變電阻r，改變D點電位，使之與B點電位相同，電橋重新平衡，電表又重新指零，這時，可在可變電阻器刻度盤上直接讀出r值，便可測出R1變化R時所對應(yīng)的應(yīng)變值 kRr2 零位測量法與電源電壓無關(guān)，電源電壓變化不影響測量結(jié)果，故測量精度較高，但測量時電橋需要重新平衡，較麻煩，只用于靜態(tài)測試 。二、交流電橋二、交流電橋

10、 應(yīng)變儀多用正弦交流電壓作供橋電源。 半橋工作：ab、bc臂接應(yīng)變片R1,R2。 忽略電容C1、C2,供橋端電壓Uac=VmSint當(dāng)?shù)缺垭姌騿伪酃ぷ鲿r tVRRRRRRRRUmBDsin)(43214231tVRRUmBDsin41 交流電橋的輸出電壓信號是對橋壓的調(diào)幅信號，稱為調(diào)幅波。當(dāng)試件受靜態(tài)拉伸應(yīng)變+時，將使Rl變?yōu)镽o十R t，對應(yīng)的電橋輸出電壓為 tVktVRRUmmtBDsin41sin410電橋電壓輸出的幅度與k，+及Vm成正比，其頻率和相位都和載波電壓一樣。 當(dāng)試件受靜態(tài)壓縮應(yīng)變-時，將使Rl變?yōu)镽o-R t，對應(yīng)的電橋輸出電壓為)sin(41sin410tVktVRRUm

11、mtBD相位與載波電壓相差，其余與拉應(yīng)變的情況相仿 。 當(dāng)試件受如下簡諧變化的應(yīng)變時： n =msint 輸出電壓tVktVktVRRUmmmmmmBD)cos(81)cos(81sin410 它可視為由振幅相同、頻率分別為(-)、(+)兩個諧波疊加而成。但實際應(yīng)變的變化頻率多為非正弦的，其中有不可忽略的高次諧波頻率n，則此時電橋的輸出頻率寬度為(n)。為使電橋調(diào)制后不失真，載波頻率應(yīng)比應(yīng)變信號頻率n大十倍。當(dāng)動、靜應(yīng)變同時存在時，則電橋的輸出相當(dāng)于靜態(tài)應(yīng)變和動態(tài)應(yīng)變兩種情況的疊加。交流電橋起到了調(diào)幅作用 。三、電橋的平衡三、電橋的平衡 任意兩個應(yīng)變片的電阻值不等 ，接觸電阻和導(dǎo)線電阻也有差異

12、 ，交流電橋中，應(yīng)變片引出導(dǎo)線間和應(yīng)變片與構(gòu)件間都存在著分布電容，造成電橋初始不平衡。 電阻預(yù)調(diào)平衡方法： (1)電阻串聯(lián)平衡法(圖36(a) (2)電阻并聯(lián)平衡法(圖36(b) (3)無觸點平衡法(圖36(c)電容預(yù)調(diào)平衡方法： (1)阻容平衡法(圖36(d) ，(圖36(e) (2)差動電容平衡法(圖36(f)數(shù)字式應(yīng)變儀不需電橋平衡電路。3-3 應(yīng)變應(yīng)力測量應(yīng)變應(yīng)力測量 測量的具體工作是：選擇測點和布置應(yīng)變片和合理接橋 。 布片和接橋的一般原則如下： (1)首先考慮應(yīng)力集中區(qū)和邊界上的危險點，選擇主應(yīng)變最大、最能反映其力學(xué)規(guī)律的點貼片； (2)利用結(jié)構(gòu)的對稱性布點，利用應(yīng)變電橋的加減特性

13、，合理選擇貼片位置、方位和組橋方式，可以達(dá)到穩(wěn)定補償、提高靈敏度、降低非線性誤差和消除其它影響因素的目的； (3)當(dāng)測量荷載時，應(yīng)盡量避開應(yīng)力應(yīng)變的非線性區(qū)貼片； (4)在應(yīng)力已知的部位安排適當(dāng)?shù)臏y點，以便測量時進(jìn)行監(jiān)視和檢驗試驗結(jié)果的可靠性。應(yīng)變片的粘貼 1.貼前準(zhǔn)備工作 應(yīng)變片檢查、挑選。同批阻值相差0.5以內(nèi) 2.測點位置清洗、劃線定位 3.涂膠貼片 4.焊接引線和導(dǎo)線到接線端子。 5.干燥，測絕緣電阻大于500M 。 6.防潮、保護處理 一、布片和接橋方法 半橋接法： 用兩個電阻應(yīng)變片作電橋的相鄰臂，另外兩臂為應(yīng)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(yīng)變

14、片構(gòu)成，它可以消除連接導(dǎo)線電阻影響和降低接觸電阻的影響，靈敏度也可提高。 二、溫度補償方法二、溫度補償方法 溫度對應(yīng)變測量的影響有兩方面，應(yīng)變片敏感柵材料的電阻R隨溫度而改變，可用電阻溫度系數(shù)來衡量；另一影響因素是應(yīng)變片電阻絲和受力構(gòu)件材料線膨脹系數(shù)不一致產(chǎn)生的虛應(yīng)變。溫度虛應(yīng)變 t t/k+(g-y)t溫度補償方法有以下兩種：一、溫度自補償應(yīng)變片法 Rt0 二、橋路補償法補償塊補償法 、工作片補償法。34 應(yīng)變儀應(yīng)變儀 應(yīng)變儀是將應(yīng)變電橋的輸出信號轉(zhuǎn)換和放大，最后用應(yīng)變的標(biāo)度指示出來或輸出相應(yīng) 的信號推動顯示和記錄儀器。 二次儀表一、應(yīng)變儀的分類和特點 按應(yīng)變儀的工作頻率相應(yīng)范圍分： 靜態(tài)應(yīng)

15、變儀、 動態(tài)應(yīng)變儀 超動態(tài)應(yīng)變儀。 1靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 應(yīng)變儀組成 ：測量橋、讀數(shù)橋、振蕩器 、放大器、 相敏檢波 、平衡指示儀 、電源 雙橋零讀法 工作原理：構(gòu)件受力，測量橋工作片電阻值產(chǎn)生變化，經(jīng)載波調(diào)幅，測量橋輸出微弱電壓信號（調(diào)幅波，振幅與應(yīng)變成正比），經(jīng)放大器放大、檢波器解調(diào)后接電表，引起電表指針偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)讀數(shù)橋的橋臂電阻（讀數(shù)盤旋鈕）使指針回零，從讀數(shù)盤刻度讀出相應(yīng)的應(yīng)變。注意：應(yīng)變儀按單臂工作時刻度，即：EkERRUBD41.42動態(tài)電阻應(yīng)變儀 動態(tài)應(yīng)變儀可與各種記錄器配合測量動態(tài)應(yīng)變，測量的工作頻率可達(dá)02kHz，可測量周期或非周期的動態(tài)應(yīng)變。 三、各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測量三

16、、各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測量 1單向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測量 (1)半橋四片補償塊補償法測拉壓 對工作片，有 R1=RP+RW+R1t R1=RPRW+R1t對補償片，有 R2=R2t R2=R2tRRVRRRRRRRRRRVUptttWptwpBD41)22(412211由上式可以看出，儀器讀數(shù)為由拉伸(壓縮)引起的真實應(yīng)變，消除了偏心的影響，同時也可以看出，串聯(lián)應(yīng)變片雖不能提高電橋靈敏度，但可以增加橋壓，提高電橋的輸出. (2)全橋四片測拉壓 R1=RP+ RW+R1tR2=-RP RW+R2tR3=RP RW+R3tR4=-RP RW+R4t儀器讀數(shù)為由拉伸(壓縮)引起的真實應(yīng)變數(shù)的2(1十) RRVRRRRRRRRVUpBD)1 (241)(414321本章重點內(nèi)容 1.電阻應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變片的靈敏度、橫向效應(yīng)。 2