第三講電測技術(shù)(靜)

1、第三講第三講 結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變量測技術(shù)及應(yīng)用結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變量測技術(shù)及應(yīng)用一、電阻應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變片 1、應(yīng)變片的主要技術(shù)性能： 標距：指敏感柵在縱軸方向上的有效長度L。 規(guī)格：以使用面積LB表示。 電阻值：電阻應(yīng)變儀測量電路中的電阻大多是120左右。靈敏系數(shù)：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)經(jīng)廠家抽樣實驗確定。溫度使用范圍：主要取決于膠合劑的性質(zhì)，可溶性膠合劑的工作溫度約為-20+60；經(jīng)化學(xué)作用而固化的膠合劑，其工作溫度約為-60+200。 2 2、電阻應(yīng)變片的工作原理、電阻應(yīng)變片的工作原理 利用金屬絲的電阻隨其變形而改變的物理性質(zhì)，即“電阻應(yīng)變效應(yīng)”制成的。 ALRAdALdLdRdR22LdLAdALdLL

2、dLCVdVCd)21 (0)21 (21KCRdR K0為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義為單位應(yīng)變引起的電阻的相對變化。 用金屬絲制成的電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K與金屬絲的靈敏系數(shù)K0一般是不同的，因為應(yīng)變片的敏感柵是將金屬絲或箔作成了柵形，并粘貼在基底上，因而應(yīng)變片的靈敏系數(shù)受粘貼劑、基底尺寸、基底材料和制造工藝的影響。當基底尺寸遠大于敏感柵尺寸時，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K與絲（箔）的靈敏系數(shù)K0間關(guān)系為 bsbEELAabhKK)1 (410式中 h基底和粘結(jié)劑層總厚度，b基底和粘結(jié)劑傳遞應(yīng)變到敏感柵的過度區(qū)有效寬度，a過渡區(qū)的長度，A敏感柵的絲柵截面積，L敏感柵長，b基底和粘結(jié)劑層的泊松比，Es基

3、底粘結(jié)劑層彈性模量，Eb敏感柵材料彈性模量。過渡區(qū)長度a和寬度b可由試驗得到，它們隨敏感柵彈性模量和厚度以及粘結(jié)劑厚度增大而增大，隨基底和粘結(jié)劑彈性模量泊松比增加而減小。 3 3、應(yīng)變片靈敏系數(shù)的標定、應(yīng)變片靈敏系數(shù)的標定 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K是指，將應(yīng)變片安裝在處于單向應(yīng)力狀態(tài)下的試件上，它的電阻相對變化（R/R）與由此引起的試件表面軸向應(yīng)變之比，即： RRK靈敏系數(shù)的標定可在純彎曲梁或等強度梁上進行。 （1 1）真實應(yīng)變）真實應(yīng)變 的量測的量測 lclflh224312（2 2）電阻變化）電阻變化R/RR/R的量測的量測 加載后應(yīng)變片電阻的變化R/R可用精度較高的電阻應(yīng)變儀來量測。標定時將應(yīng)

4、變片按半橋連接在應(yīng)變儀上，應(yīng)變儀上的靈敏系數(shù)調(diào)至K=2.0（該值并不是應(yīng)變片的真實靈敏系數(shù)）。加載后從應(yīng)變儀可讀出量測應(yīng)變 ，則應(yīng)變片電阻的相對變化為 iiKRR 同一個應(yīng)變片在相同荷載作用下，無論用什么樣的方法量測所得到的電阻變化應(yīng)相同，即由千分表（或百分表）測得應(yīng)變 后，代入 式，計算出的電阻變化也應(yīng)同上式計算出的電阻變化值，即 lliKRRiliKKRRliliKRRKniKK4 4、應(yīng)變片的分類、應(yīng)變片的分類 （1）絲柵式應(yīng)變片絲柵式應(yīng)變片 （2 2）箔式應(yīng)變片）箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為25m（最薄的達0.35m）的金屬箔片通過光刻腐蝕工藝制成的。 （3 3）特殊結(jié)構(gòu)的

5、箔式應(yīng)變片）特殊結(jié)構(gòu)的箔式應(yīng)變片 它的電阻值和靈敏系數(shù)能夠進行調(diào)整。如調(diào)節(jié)A區(qū)可使電阻改變，K 值下降；B區(qū)使電阻改變而K值保持不變。 （5 5）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片 （4）金屬薄膜式應(yīng)變片）金屬薄膜式應(yīng)變片 薄膜是指厚度在0.1m以下的膜，它是采用真空的濺射或真空沉積等方法，通過圖形掩膜版，在基底材料上濺射或沉積一層電阻材料薄膜而制成的。 由半導(dǎo)體材料制成的應(yīng)變片，當晶體受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化，這種性質(zhì)稱為壓阻效應(yīng)。它的靈敏系數(shù)比金屬的高幾十倍，敏感柵尺寸可很小。 （6）特殊應(yīng)變片）特殊應(yīng)變片 1 1）溫度自補償應(yīng)變片）溫度自補償應(yīng)變片 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)用應(yīng)變片測量應(yīng)變時，應(yīng)

6、變片除能感受試件的應(yīng)變外，由于環(huán)境溫度變化的影響同樣也使應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，這種變化稱為溫度效應(yīng)。 溫度使應(yīng)變片阻值發(fā)生變化的原因有二：一是當溫度改變時絲柵的阻值發(fā)生變化；二是試件材料與應(yīng)變片絲柵的線膨脹系數(shù)不相等。因此當被測構(gòu)件環(huán)境溫度發(fā)生T的變化時，應(yīng)變片的電阻變化為： tt ttRRRTKRRTRRtt t絲件;TRKRt絲件由于溫度的變化產(chǎn)生的應(yīng)變值 TKt絲件0tR絲件K2）裂縫擴展應(yīng)變片）裂縫擴展應(yīng)變片 在斷裂力學(xué)試驗中使用的裂縫擴展應(yīng)變片，可檢測構(gòu)件在荷載作用下裂縫擴展過程和擴展速率。3）疲勞壽命應(yīng)變片）疲勞壽命應(yīng)變片這種應(yīng)變片是由經(jīng)過高溫回火的康銅箔制成絲柵，夾在兩層浸過環(huán)氧或

7、酚醛環(huán)氧的玻璃纖維布中制成的。當應(yīng)變片承受循環(huán)荷載時，絲柵發(fā)生冷作硬化，使電阻發(fā)生變化，此種積累的電阻變化可由下式表示： ORqRhNlglglg1lg4）測壓應(yīng)變片）測壓應(yīng)變片 對于108Pa以上的靜水壓可用特殊的測壓片進行測量。測壓片的敏感柵用經(jīng)過熱處理的錳銅合金絲（箔）制成，敏感柵粘貼在聚酰亞胺薄膜或浸環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布的基底上。 5）大應(yīng)變應(yīng)變片（塑性應(yīng)變片）大應(yīng)變應(yīng)變片（塑性應(yīng)變片）大應(yīng)變應(yīng)變片如圖所示，可以測量10%20%大應(yīng)變或超彈性范圍應(yīng)變。大應(yīng)變應(yīng)變片采用雙段引線，以免細的柵絲與粗引線在大變形時產(chǎn)生應(yīng)力集中。箔式大應(yīng)變應(yīng)變片的引線應(yīng)彎成弧形，然后再焊接。敏感柵是由經(jīng)過大變形

8、處理后再進行退火的康銅箔制成，在整個應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏系數(shù)不變。 應(yīng)變片量測主要特點是：應(yīng)變片量測主要特點是：（1）結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、一般不會干擾構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，目前最小標距0.2mm的應(yīng)變片適用于應(yīng)力梯度變化較大的應(yīng)變量測，安裝方便；（2）靈敏度高，最小應(yīng)變讀數(shù)1（微應(yīng)變，10-6m/m）； （3）測量應(yīng)變量程大,一般為1042104，特殊的大應(yīng)變電阻應(yīng)變片可量測1052.5105應(yīng)變量；（4）頻率響應(yīng)快，頻響特性好；（5）使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；（6）若將應(yīng)變片通過轉(zhuǎn)換元件制成各種用途的傳感器，可測量力、壓力、位移、扭矩、加速度等力學(xué)量，也可作為控制、監(jiān)視用的敏感元件；（7）可用于高

9、低溫（-273+2000）、高速、高壓（上萬個大氣壓）、液下（長期浸沒于水中）強烈振動、強磁場、核輻射、和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下的量測；（8）由于是電信號的傳遞，可進行遠距離的量測； （9）應(yīng)變量測輸出的電信號，便于模擬或數(shù)字記錄，易于實現(xiàn)測試全過程的自動控制和數(shù)據(jù)實時處理； （10）易于實現(xiàn)小型化，整體化。目前已有將測量電路甚至A/D轉(zhuǎn)換與傳感器組成一個整體，傳感器可直接接入計算機進行數(shù)據(jù)處理，這就簡化了測試系統(tǒng)。 應(yīng)變量測主要缺點和局限性是：應(yīng)變量測主要缺點和局限性是：（1）一般對測量構(gòu)件表面的應(yīng)變比較方便，若量測構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變就要埋入轉(zhuǎn)換元件或采用埋入式應(yīng)變片，這樣會影響內(nèi)部應(yīng)力的分布；（

10、2）應(yīng)變量測通常是單點測量，難以得到應(yīng)變、應(yīng)力場的全貌；（3）應(yīng)變片所測應(yīng)變值是應(yīng)變片覆蓋面積內(nèi)構(gòu)件表面的應(yīng)變平均值，對于應(yīng)力梯度較大的區(qū)域，測量誤差較大；（4）在大應(yīng)變情況下有較大的非線性，半導(dǎo)體的非線性更為明顯；（5）應(yīng)變片的輸出信號較微弱，抗干擾能力較差，測試時要用屏蔽線。 二、電阻應(yīng)變式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器 傳感器一般由彈性元件、傳感元件和測量電路三部分組成，有時還加上輔助電源，通?？捎梅娇驁D表示 1 1、測力或稱重傳感器、測力或稱重傳感器 2 2、壓力（壓強）傳感器、壓力（壓強）傳感器 222222221833183xrEhpxrEhpr（1 1）膜片式壓力傳感器）膜片式壓力傳

11、感器 （2）筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 1)/(22nwDDEp對于薄壁圓筒，可用下式計算 5 . 012EpDn（3）組合式壓力傳感器組合式壓力傳感器 3、位移傳感器位移傳感器 3312hbElPx 4328dGDnPxPdGDnhbElx433382EahbP133kGdaEDhbnalx4333138132常用位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖4 4、加速度傳感器、加速度傳感器 5 5、傾角傳感器、傾角傳感器 6 6、應(yīng)變式土壓力傳感器（壓力盒式傳感器）、應(yīng)變式土壓力傳感器（壓力盒式傳感器） （1 1）無油腔應(yīng)變式土壓力傳感器）無油腔應(yīng)變式土壓力傳感器 2 2、雙彈性薄板式土壓力傳感器、雙彈性薄板式

12、土壓力傳感器 （3 3）帶油腔應(yīng)變式土壓力傳感器）帶油腔應(yīng)變式土壓力傳感器 三、三、 應(yīng)應(yīng) 變變 測測 量量 1、電阻應(yīng)變儀的測量電路、電阻應(yīng)變儀的測量電路 電橋是將應(yīng)變片（或應(yīng)變片式傳感器）所感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的一種測量電路。電橋測量電路是由電阻應(yīng)變片或電阻應(yīng)變片與電阻組成橋臂，電阻應(yīng)變片接入電橋中的方式有1/4橋（單臂橋）、半橋、全橋，可根據(jù)測量需要進行選擇。 43213241RRRRRRRRUUg（1）1/4橋路 在四支橋臂中，僅有一個橋臂的電阻是外接的應(yīng)變片（工作片），而其余橋臂采用無感電阻的橋路稱1/4橋路。 KUURRURRRRRRRUg44222（2）半橋橋路 在橋

13、路中R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為應(yīng)變儀內(nèi)的固定電阻。 )(421432211322411KUURRRRRRRRRRRRUg（3）全橋橋路 當四個橋臂均為應(yīng)變片，且均發(fā)生電阻變化時，即R1R1+R1，R2R2+R2，R3R3+R3，R4R4+R4，則可得下式： 4321432143212432143213241442422KURRRRRRRRUURRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRUg橋路的性質(zhì)橋路的性質(zhì)： 橋路電壓的輸出與各橋臂的電阻變化（或應(yīng)變）的代數(shù)和橋路電壓的輸出與各橋臂的電阻變化（或應(yīng)變）的代數(shù)和近似為線性關(guān)系；且與相鄰橋臂應(yīng)變變化之差，相對橋臂應(yīng)變近似為線性關(guān)系；

14、且與相鄰橋臂應(yīng)變變化之差，相對橋臂應(yīng)變變化之和成正比。變化之和成正比。 當相鄰橋臂的應(yīng)變變化大小相等，符號相同；相對橋臂應(yīng)變變化大小相等符號相反，不改變電橋的平衡狀態(tài)，此時無法量測所需要的應(yīng)變值。與此相反，若相鄰橋臂的應(yīng)變變化大小相等，符號相反；相對橋臂應(yīng)變變化大小相等，符號相同，則電壓輸出增加一倍，因而提高了量測的靈敏度。（在推導(dǎo)過程中，假定了RR，而略去了分母中R的影響，得出電橋輸出電壓與應(yīng)變成正比的結(jié)論。） 43214KUUg 如果能合理利用橋路的性質(zhì)，不僅能提高測量精度，還能從復(fù)雜受力構(gòu)件中測出與某種內(nèi)力相應(yīng)的應(yīng)變，從而可知該測點的應(yīng)力或應(yīng)力狀態(tài)，進而計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分量。 2 2、橋臂

15、上應(yīng)變片的串聯(lián)與并聯(lián)、橋臂上應(yīng)變片的串聯(lián)與并聯(lián) nUKUg14n21 橋臂的應(yīng)變片串聯(lián)接法、并聯(lián)接法時并不能提高電橋的輸出，其應(yīng)變讀數(shù)為各單片應(yīng)變讀數(shù)的平均值。 四、靜態(tài)量測的若干技術(shù)問題的討論四、靜態(tài)量測的若干技術(shù)問題的討論（一）應(yīng)變狀態(tài)分析、應(yīng)變花應(yīng)變狀態(tài)分析、應(yīng)變花 用疊加原理可導(dǎo)出平面問題直角坐標系中應(yīng)變分量x、y、xy與任意方向應(yīng)變m、n、mn的關(guān)系如下: 2cos2sin2sin22cos222sin22cos22yxyxnmyxyxyxnyxyxyxm 為了用實驗方法求x、y、xy，就需要通過該點在xy平面內(nèi)，沿任意三個方向粘貼應(yīng)變片 。 為了粘貼方便和簡化計算，往往將三個敏感柵

16、制在同一基底上形成應(yīng)變花，一般應(yīng)變花的角度成0、45和90或0、60和120。 （二）量測技術(shù)（二）量測技術(shù) 影響應(yīng)變量測因素有很多，如溫度、濕度、應(yīng)變片粘貼方向、長導(dǎo)線的電阻和電容等。 1、溫度影響及補償方法、溫度影響及補償方法溫度補償有兩種方法：橋路補償法；應(yīng)變片自補償法。（1）橋路補償法）橋路補償法(利用橋路的性質(zhì)利用橋路的性質(zhì))：1）將與R1阻值相同的應(yīng)變片R2粘貼在一個與試件材料相同的試塊上（不受外力作用），將其置于試件附近，使其與試件有相同的溫度變化。將R1、與R2組成半橋，測試結(jié)果僅為試件受力后產(chǎn)生的應(yīng)變值。2）某些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件存在著應(yīng)變符號相反，比例關(guān)系已知，溫度條件又相同的二個

17、或四個測點，可以將這些應(yīng)變片中應(yīng)變符號不同的應(yīng)變片接在相鄰的橋臂上，這樣在等臂的條件下，即都為工作應(yīng)變片，又互為溫度補償片。（2）應(yīng)變片自補償法：）應(yīng)變片自補償法：當找不到一個合適的位置來安裝溫度補償片時，或者工作片與補償片的溫度變化不相等時，應(yīng)采用溫度自補償片。2、濕度影響、濕度影響 環(huán)境濕度會對電阻應(yīng)變測量帶來許多不利的影響，主要反應(yīng)在以下幾個方面：（1） 粘貼膠受潮后軟化膨脹、粘結(jié)力下降，降低膠層傳遞應(yīng)變的能力；（2）膠層吸潮后膨脹，迫使應(yīng)變片伸長，增加附加電阻，當電流通過應(yīng)變片時，溫度升高，水分蒸發(fā)且膠層收縮，應(yīng)變片隨著縮短，電阻又減小，使其讀數(shù)不穩(wěn)定；（3）引起絕緣電阻下降，造成應(yīng)變

18、讀數(shù)不穩(wěn)定，甚至無法測量。為避免環(huán)境濕度的影響，應(yīng)變片在粘貼過程中要采取有效的防潮措施。 3 3、應(yīng)變片柵長的選擇、應(yīng)變片柵長的選擇 應(yīng)變片量測的是柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，其誤差由柵長和柵長范圍內(nèi)的應(yīng)變梯度決定。 設(shè)應(yīng)變片柵長范圍內(nèi)應(yīng)變分布可用多項式表示： 332210 xaxaxaax 只有當產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)榫鶆驊?yīng)變或按線性規(guī)律變化時，才能用柵長L內(nèi)的平均應(yīng)變 代表柵長中點M的應(yīng)變 。 aM對于按二次函數(shù)變化的應(yīng)變，平均應(yīng)變?yōu)?32/22100LaLaaLdxLxa而中點M的應(yīng)變?yōu)?422210LaLaaM 與 之差為 aM2212LaMa4 4、應(yīng)變片粘貼偏位的影響、應(yīng)變片粘貼偏位的影響 應(yīng)變片

19、粘貼方位若與預(yù)定的基準方位不重合，會給測量帶來一定的誤差 設(shè)預(yù)定貼片的基準線與該點主應(yīng)變方向的夾角為，則基準線方向與主方向應(yīng)變間的關(guān)系為： 2cos222121)(2cos222121sin2sin2cos2cos22121 當主方向已知時，沿主方向貼片誤差最小，而沿45方向貼片誤差最大。 例如：對于平面應(yīng)力狀態(tài)，例如1=-2，則有 sin2sin212cossin)2sin(2e若=0，=1時，e=0.06%；=5時，e=1.5%。若=30，=1時，e=6.10%；=5時，e=32%。 對于3-60應(yīng)變花，其誤差等于零。所以若主應(yīng)變方向未知時，選用3-60應(yīng)變花比3-45應(yīng)變花角偏差引起的誤

20、差小。 5 5、長導(dǎo)線的影響、長導(dǎo)線的影響 進行遠距離量測時，由于導(dǎo)線較長，導(dǎo)線電阻r與應(yīng)變片電阻R相比不可忽略，導(dǎo)線分布電容也較大，這將影響應(yīng)變測量結(jié)果。若工作片和補償片的導(dǎo)線受不同溫度影響時，也帶來讀數(shù)誤差。 （1）導(dǎo)線電阻的影響 導(dǎo)線電阻r與應(yīng)變片電阻R是串聯(lián)在應(yīng)變儀橋臂上的，而導(dǎo)線電阻不隨應(yīng)變發(fā)生變化。導(dǎo)線電阻的存在必然使應(yīng)變測量值減小，必須按不同橋路接法進行修正。 AB橋臂的電阻為R=R+2r KrRR2RrR2RrRRrR2（2）導(dǎo)線電容的影響 導(dǎo)線間分布電容，只有在使用交流供橋的應(yīng)變儀時才考慮其影響。若橋路中初始電容已平衡，則導(dǎo)線的電容影響可不考慮。若導(dǎo)線的間距受外界（如風(fēng)、水流

21、）因素的影響而發(fā)生抖動，使導(dǎo)線間的電容發(fā)生變化，則會影響測量的精度。分布電容的存在會影響電橋靈敏度，一般由此引起的測量誤差可寫成： %100222RCec（3）導(dǎo)線溫度的影響 因一般用的銅導(dǎo)線有較大的電阻溫度系數(shù)（約410-3/），若測量應(yīng)變片和補償應(yīng)變片的導(dǎo)線溫度變化不同（例如相差1，導(dǎo)線電阻RL為應(yīng)變片電阻的1%時），所引起的附加應(yīng)變約20。因此在測量時導(dǎo)線的長度、規(guī)格及導(dǎo)線所處的溫度環(huán)境應(yīng)相同。當導(dǎo)線長度較長時，若工作片與補償片的導(dǎo)線受不同溫度影響，也會帶來讀數(shù)誤差。由于導(dǎo)線的溫度不同而引起的應(yīng)變讀數(shù)（即溫度漂移值）為 rRKTrt線式中 導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)； r導(dǎo)線電阻值（1/4橋、全橋

22、為2r，半橋為r）； T溫度改變值。 6 6、應(yīng)變片橫向效應(yīng)的影響、應(yīng)變片橫向效應(yīng)的影響 應(yīng)變片的敏感柵除軸向直線外，還有圓弧形（或垂直于軸向的短直線）的橫柵。當應(yīng)變片變形時，不僅有沿柵長方向的電阻變化，還有橫向的電阻變化，這橫向的影響稱為橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)采用橫向效應(yīng)系數(shù)H來表示，它是橫向靈敏系數(shù)KB和軸向靈敏系數(shù)KL之比，一般H3%。 LBKKH 1222121111HKKHKKKKKKRRLiLBLi HKKL1五、殘余（初始）應(yīng)力測量五、殘余（初始）應(yīng)力測量 金屬結(jié)構(gòu)或機器零件經(jīng)過焊接方法加工后，會在其內(nèi)部產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的峰值往往達到或超過基本材料的屈服極限 。當這些焊接構(gòu)

23、件投入使用時，它們所受載荷引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相疊加，將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和焊接殘余應(yīng)力重新分布。焊接殘余應(yīng)力和變形在一定條件下會嚴重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等。因此，對焊接殘余應(yīng)力進行研究分析和測量，掌握其產(chǎn)生和存在規(guī)律性，是為了對其采取各種技術(shù)措施，改善其分布特性，以期提高焊接結(jié)構(gòu)或接頭的承載能力，延長使用壽命，預(yù)防失效事故。s 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布：焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布： 焊接時一般采用集中熱源在局部加熱，因此在焊件上產(chǎn)生不均勻溫度場。這種溫度場在絕大多數(shù)情況下是非線性分布的。不均勻溫度場使材料不均勻膨脹，處于高溫區(qū)域的材料

24、在加熱過程中的膨脹量大，受到周圍溫度較低、膨脹量較小的材料的限制而不能自由地進行。于是焊件中出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，使高溫區(qū)的材料受到擠壓，產(chǎn)生局部壓縮塑性應(yīng)變。在冷卻過程中，已經(jīng)經(jīng)受壓縮塑性應(yīng)變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現(xiàn)一個與焊接加熱時方向大致相反的內(nèi)應(yīng)力場。 金屬構(gòu)件在焊接過程中由于受到局部加熱而在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生壓縮塑性變形區(qū)，該區(qū)是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的根本因素。在焊接過程中，隨時間而變化的內(nèi)應(yīng)力為焊接瞬時應(yīng)力。 焊后當焊件溫度降至常溫時，殘存于焊件中的內(nèi)應(yīng)力焊后當焊件溫度降至常溫時，殘存于焊件中的內(nèi)應(yīng)力則為焊接殘余應(yīng)力則為焊接殘余應(yīng)力。 焊后殘留于焊件上的變形則為焊接殘

25、余變形焊后殘留于焊件上的變形則為焊接殘余變形。 在實際焊接構(gòu)件中，殘余應(yīng)力分布是由一定規(guī)律的，一般都是以雙向應(yīng)力或三向應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)。焊接應(yīng)力和變形的分布和大小取決于：焊接應(yīng)力和變形的分布和大小取決于： 材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服點，焊件的形狀、尺寸和溫度場。而溫度場又與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度以及焊接工藝參量和條件密切相關(guān)。 由于焊接過程的溫度變化范圍大，上述材料的各種系數(shù)有很大的起伏，特別是牽涉到材料的相變時，可能引起焊接應(yīng)力的反復(fù)。這些情況使焊接應(yīng)力變形問題十分復(fù)雜，因此在實踐中往往采用理論和數(shù)值分析與實驗相結(jié)合的方法來掌握焊接應(yīng)力變形的規(guī)律和影響因素，最終達到預(yù)測、控制和調(diào)整它們

26、的目的。 經(jīng)過長期的實踐和研究，發(fā)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力具有如下一些特性：(1) 自相平衡特性自相平衡特性 焊接殘余應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力的一種，拉、壓應(yīng)力同時存在于一個構(gòu)件中，并且互相平衡。在無外界因素干擾的情況下，拉、壓應(yīng)力的分布特征將長期保持穩(wěn)定。(2) 遵循應(yīng)力疊加原理遵循應(yīng)力疊加原理 未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的焊接構(gòu)件投入使用時，由載荷所引起的工作應(yīng)力將與焊接殘余應(yīng)力互相疊加。如果兩種應(yīng)力的性質(zhì)不同、方向相反，疊加的結(jié)果將提高構(gòu)件的承裁能力；如果兩種應(yīng)力的性質(zhì)和方向相同，疊加后的應(yīng)力數(shù)值往往在構(gòu)件的局部區(qū)域超過材料的屈服極限。后一種情況對塑性和韌性較好的材料，將不降低其強度而僅僅影響其剛度，但對于脆性材料的構(gòu)

27、件，疊加后的高應(yīng)力水平可能導(dǎo)致局部破壞或提前失效。(3)產(chǎn)生產(chǎn)生“應(yīng)力重分布應(yīng)力重分布”現(xiàn)象現(xiàn)象 當焊件的外部因素(如載荷、溫度等)引起的應(yīng)力與殘余應(yīng)力相疊加超過后，將在焊件的局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，如果此時消除外部因素的作用，構(gòu)件不但不能回復(fù)原有的幾何形狀，而且還將改變殘余應(yīng)力的分布情況，應(yīng)力峰值將減小。把上述現(xiàn)象稱為“二次變形。和“應(yīng)力重分布”。二次變形將使構(gòu)件的形狀和尺寸精度發(fā)生變化，降低其使用性能，而應(yīng)力重分布則使殘余應(yīng)力的數(shù)值降低，可以提高焊件的承載能力和使用壽命。在某些工程結(jié)構(gòu)上利用殘余應(yīng)力重分布的特性，進行所謂超載試驗。以改善焊接殘余應(yīng)力的分布，已被證明是行之有效的技術(shù)措施之一。

28、(4)沒有明顯的外部表現(xiàn)沒有明顯的外部表現(xiàn) 焊接殘余應(yīng)力和殘余變形是同時產(chǎn)生的。殘余變形是生產(chǎn)單位極為重視的，而殘余應(yīng)力的存在則不易被察覺，甚至往往被忽略。焊件在服役過程中，一旦發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力的存在和作用時，它早已造成某種事故，例如精度下降或局部破壞等。因此，通過測試等手段掌握焊接殘余應(yīng)力的分布，就成為控制和改善它的先決技術(shù)措施。殘余應(yīng)力測試方法有兩大類：(1)物理方法 如X射線法、超聲法和磁性應(yīng)變法。(2)機械方法 實際是采用應(yīng)變電測方法測殘余應(yīng)力。 （一）鉆孔法測量殘余應(yīng)力的基本原理（一）鉆孔法測量殘余應(yīng)力的基本原理 鉆孔前，應(yīng)變片R1（r、）的應(yīng)力狀態(tài)為： 2sin)(212cos)(21

29、)(212cos)(21)(212102121021210rr鉆孔后R1點應(yīng)力狀態(tài)為2sin23122cos312122cos431212224421144212221122442122211rarararararararr鉆孔前后應(yīng)力變化即釋放應(yīng)力為： 2sin2322cos3222cos4322224421014421222101224421222101rarararararararrrrrr)(1)(1rrrEE由平面應(yīng)力狀態(tài)的廣義虎克定律 2cos41321212244212221rararaEr2cos41321212244212221rararaE224422413212)1 (r

30、araEBraEA2cos2121BAr3212133221212212121112cos2cos2cosBABABArrr若1=，2=+90，3=+225則上式可寫成： 2sin2cos2cos212133212122212111BABABArrr122132213221212 , 1222414tgBA式中A，B稱為釋放系數(shù)，為主殘余應(yīng)力1與應(yīng)變片R1柵長方向間的夾角。 （二）用實驗方法測定釋放系數(shù)（二）用實驗方法測定釋放系數(shù) 用單向拉伸試件測定A，B ，應(yīng)變花中R1與試件的軸線重合 此時，2=0，=0， 222121BA1鉆孔后R1的釋放應(yīng)變；2鉆孔后R2的釋放應(yīng)變； =P/A，A為試件

31、的截面積。 測試釋放系數(shù)時應(yīng)注意的問題： （1）測釋放系數(shù)的試件材料應(yīng)與測殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)（或零件）材料相同，并進行退火處理，使之不存在初始應(yīng)力。 （2）拉力P應(yīng)均勻地施加在試件的截面上，并使=P/A1/3s（s為材料的屈服極限）。 （3）鉆孔中心距試件邊界應(yīng)大于或等于8d，試件厚度應(yīng)大于或等于4d，在同一試件上進行多鉆孔測定A，B時，相鄰兩孔中心距離應(yīng)大于或等于（58）d，因此時d為鉆孔孔徑。 （4）應(yīng)盡量消除鉆孔時產(chǎn)生的切削應(yīng)力。 0r（三）鉆孔法測殘余應(yīng)力的實驗技術(shù)及誤差分析（三）鉆孔法測殘余應(yīng)力的實驗技術(shù)及誤差分析 附加應(yīng)變附加應(yīng)變 用麻花鉆或銑刀加工小孔，由于切削而在孔壁引起塑性變形，

32、從而產(chǎn)生附加應(yīng)力。這種附加應(yīng)變必須從測量中消除。有人提出用電火花加工、化學(xué)腐蝕、激光打孔等方法加工小孔，附加應(yīng)變都可以很小，但目前還未見到有關(guān)這方面的報道。有些材料如高強鋼、淬火后零件、玻璃、陶瓷等材料，很難用鉆頭鉆孔，另外用鉆頭鉆孔會產(chǎn)生較為離散的附加應(yīng)變。國內(nèi)外現(xiàn)行的打孔方法有兩種：1）噴砂打孔法）噴砂打孔法2）極高速鉆孔法）極高速鉆孔法 大量的實驗研究表明，附加應(yīng)變與測點的原有殘余應(yīng)力有關(guān)。測點處如原有為拉應(yīng)力，則拉應(yīng)力越大，附加應(yīng)變也越大，若為壓應(yīng)力，則壓應(yīng)力越大，附加應(yīng)變越小，甚至為零。 誤差分析誤差分析殘余應(yīng)力測試誤差主要來源于以下幾方面：鉆孔中心與應(yīng)變花中心不重合；孔徑分散、孔的

33、不圓度及孔深誤差；鉆孔時產(chǎn)生的附加應(yīng)變；構(gòu)件厚度較大，殘余應(yīng)力在厚度方向非均勻分布等； 一般殘余應(yīng)力的測量誤差在5%10%之內(nèi)。 （四）消除殘余應(yīng)力的方法（四）消除殘余應(yīng)力的方法： 1.高溫回火法 （1）整體高溫回火； （2）局部高溫回火； 2.加載法 （1）機械拉伸法； （2） 溫差拉伸法； 3激振法 (1) 振動法； (2) 爆炸法。對接板試件縱向殘余應(yīng)力分布圖（五）其他測試方法簡介（五）其他測試方法簡介 1、X射線法射線法 金屬材料是由按一定點陣排列的晶體組成的，而晶體內(nèi)某一取向的晶面之間的距離是一定的。若能測量出自由狀態(tài)(無應(yīng)力狀態(tài))下的晶面間距與在某一應(yīng)力作用下的晶面間距的差值，就能

34、計算出作用應(yīng)力的大小來。x射線衍射法就是以晶面間距作為應(yīng)變測量的基長（標距），通過測量晶面間距的變化來確定應(yīng)力數(shù)值的。 2、磁測法、磁測法 鐵磁物體在磁場中磁化時，沿磁化方向上的長度會伸長或縮短，稱之為磁致伸縮效應(yīng)不同材料的磁致伸縮效應(yīng)是不同的。有的隨著磁場強度的增加而伸長，有的則縮短。以鐵言，在磁化方向上會伸長，而在垂直于磁化方向上反而縮短。這種現(xiàn)象稱之為正磁致伸縮效應(yīng)。在初始磁化階段，在具有正磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁體中，當施以彈性變形(即有應(yīng)力作用)時，沿拉伸方向上磁化所消耗的能量要比垂直于拉伸方向時小得多，即在拉伸方向較易磁化。這樣，由于應(yīng)力的作用，原來宏觀上各方向?qū)Т怕氏嗤拇鸥飨蛲泽w，

35、變?yōu)榇鸥飨虍愋泽w。磁性法測定殘余應(yīng)力就是通過測得某一小范圍內(nèi)各個方向的導(dǎo)磁率的變化，來反映出這區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)的。用高導(dǎo)磁材料制成的傳感器(探頭)與受力物體表面接觸，形成一閉合問路。當應(yīng)力變化時，磁場發(fā)生變化，探頭磁路中的磁通也發(fā)生變化。這樣，通過探頭中的感應(yīng)線圈，可以將磁場變化轉(zhuǎn)向為電流變化，并由電流變化測出應(yīng)力變化。 3、超聲波法、超聲波法 聲彈性研究表明，沒有應(yīng)力作用時超聲波在各向同性的彈性體內(nèi)的傳播速度，與有應(yīng)力作用時的傳播速度是不同的。傳播速度的差異與所作用的主應(yīng)力的大小有關(guān)。因此，如果能分別測得，無應(yīng)力和有應(yīng)力作用時彈性體內(nèi)橫波和縱波傳播速度的變化，就可以解得主應(yīng)力。六、高壓液下應(yīng)變

36、量測六、高壓液下應(yīng)變量測 高壓液下應(yīng)變量測需解決三個特殊問題：高壓液下應(yīng)變量測需解決三個特殊問題： 1、應(yīng)變片與導(dǎo)線的防護問題； 2、引線裝置與密封問題； 3、壓力效應(yīng)的補償問題。 （一）應(yīng)變片與導(dǎo)線的防護應(yīng)變片與導(dǎo)線的防護 1、機械防護 2、涂層防護 涂層法是在應(yīng)變片上和引出線周圍涂一層或幾層具有以下特性材料：良好的絕緣性和粘結(jié)能力、有較好的塑性、低彈模、無毒無腐蝕作用、穩(wěn)定的壓力和溫度效應(yīng)、可在常溫下固化、使用方便等特點。 （二）引線裝置（二）引線裝置 （三）壓力效應(yīng)（三）壓力效應(yīng) 粘貼于高壓液下容器內(nèi)壁的應(yīng)變片，除隨容器受壓變形引起電阻值的變化外，因受高壓的作用應(yīng)變片將產(chǎn)生附加應(yīng)變，帶來

37、測量誤差，這種現(xiàn)象稱為壓力效應(yīng)。必須將它從應(yīng)變讀數(shù)中扣除或用補償?shù)姆椒▽⑵湎?1 1、試塊法：、試塊法： 容器內(nèi)的試塊受三向均勻壓力，因此應(yīng)變讀數(shù)中包括試塊變形產(chǎn)生的應(yīng)變p和壓力效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變c和溫度產(chǎn)生的應(yīng)變t11tcp容器外的試塊只受溫度的影響 22tpEpppEp211試塊在三向均勻壓力作用下的應(yīng)變?yōu)?pEc2121tt2 2、圓筒軸向應(yīng)變法、圓筒軸向應(yīng)變法 將兩個應(yīng)變片分別粘貼在圓筒內(nèi)外壁對應(yīng)的位置。根據(jù)彈性理論分析的結(jié)果，容器內(nèi)外壁軸向應(yīng)變應(yīng)相等。按半橋接法 。 AB橋臂（R1）產(chǎn)生的應(yīng)變：111tcLBC橋臂（R2）產(chǎn)生的應(yīng)變：222tL則應(yīng)變儀上的讀數(shù)為： )(2211tLt

38、cL2121,ttLLc（四）高壓液下應(yīng)變量測（四）高壓液下應(yīng)變量測 在高壓液下隨著壓力的增加，介質(zhì)溫度將發(fā)生變化，例如，壓力每上升10MPa，油溫升高1.2，水溫升高0.7。貼在容器內(nèi)部的應(yīng)變片的溫度也將隨之發(fā)生變化。因此，必須采取溫度補償措施。同時由于壓力效應(yīng)的存在，必須盡可能地通過補償?shù)姆椒ㄏ溆绊憽?AB橋臂1111tcLBC橋臂 222tcp pttccLtcptcL212112211121)()(21ttpEccL21211pEL21121cc七、旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變量測七、旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變量測 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，測量應(yīng)力應(yīng)變時需著重解決以下幾個問題： （1）應(yīng)變片溫度補償問題。（2）應(yīng)變片和導(dǎo)線的防護問題。（3）待測的旋轉(zhuǎn)信號與靜止儀器的連接問題。 （一）溫度補償問題（一）溫度補償問題旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的溫度升高主要有兩個原因：（1）運動構(gòu)件在高溫介質(zhì)中工作。（2）旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在高速運動時與周圍空氣摩擦使構(gòu)件溫度升高。因此對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變量測來說，溫度補償是一個非常重要的問題。 （二）應(yīng)變片和導(dǎo)線的防護應(yīng)變片和導(dǎo)線的防護 旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上的應(yīng)變片和導(dǎo)線，除受溫度影響外還承受較大的慣性力和氣流沖刷力。若不進行很好的防護，可能會使應(yīng)變片尤其是導(dǎo)線從構(gòu)件上剝離，使實驗無法進行。因此旋轉(zhuǎn)構(gòu)件應(yīng)變片和導(dǎo)線的防護也是一個非常重要的問題。 導(dǎo)線的防護主要有