第3章應變和力的測試

1、 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編1第第3章章 應變和力的測試應變和力的測試 電阻應變片的分類電阻應變片的分類 電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。半導體應變片兩類。 金屬電阻應變片分體型和薄膜型。屬于金屬電阻應變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應變片、箔式應變片、應變體型的有電阻絲柵應變片、箔式應變片、應變花等?；ǖ?。 半導體應變片是用鍺或硅等半導體材料半導體應變片是用鍺或硅等半導體材料作為敏感柵。作為敏感柵。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編23.1 電阻

2、應變片的結構及工作原理電阻應變片的結構及工作原理1.結構結構 電阻應變片（簡稱應變片）的作用是把導體的電阻應變片（簡稱應變片）的作用是把導體的機械應變轉換成電阻應變，以便進一步電測。機械應變轉換成電阻應變，以便進一步電測。電阻應變片的結構 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編3金屬電阻絲應變效應 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編4一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為： AlR 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編5 當電阻絲受到拉力當

3、電阻絲受到拉力F作用時，作用時， 將伸長將伸長l，橫截面，橫截面積相應減小積相應減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了影響而改變了，從而引起電阻值變化量為，從而引起電阻值變化量為 ：AdALdLdRdR式中：式中：dL/L長度相對變化量，用應變長度相對變化量，用應變表示為表示為 LdL2LLdRddLdAAAA電阻相對變化量：電阻相對變化量： 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編6 dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電為電阻絲的半徑，微分后可得阻絲的半徑，微分后可得dA=2r

4、 dr，則則 ：rdrAdA2材料力學：材料力學：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，長， 沿徑向縮短，沿徑向縮短， 軸向應變和徑向應變的關系可表示為軸向應變和徑向應變的關系可表示為 ：LdLrdr為電阻絲材料的泊松比，為電阻絲材料的泊松比， 負號表示應變方向相反。負號表示應變方向相反。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編7推得：推得： 定義：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位（物理意義）：單位應應變所引起的電阻相對變化量。其表達式為變所引起的電阻相對變化量。其表達式為 dRdRK21dRd

5、R)21 (12RKR 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編8靈敏度系數(shù)K受兩個因素影響一是應變片受力后材料幾何尺寸的變化，一是應變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即即1+21+2二是應變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，二是應變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（即（/ /）/ /。對對金屬材料金屬材料：1+21+2( ( / /)/)/對對半導體材料半導體材料：( ( / /)/)/1+21+2大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內， 電阻的相對變化與應變成電阻的相對變化與應變成正比，即正比，即K K為常數(shù)。為常數(shù)。 出版社 理

6、工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編9半導體應變片及金屬絲式應變片的結構半導體應半導體應變片外形變片外形金屬絲式應變片的金屬絲式應變片的內部結構內部結構 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編10箔式應變片的外形 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編11 在平面力場中，為測量某一點上主應力的大小在平面力場中，為測量某一點上主應力的大小和方向，常需測量該點上兩個或三個方向的應變。和方向，常需測量該點上兩個或三個方向的應變。 為此需要把兩個或三個應變片逐個粘結成應變?yōu)榇诵枰褍蓚€或三個應變片逐個粘結成應

7、變花，或直接通過光刻技術制成。花，或直接通過光刻技術制成。 應變花分互成應變花分互成45的直角形應變花和互成的直角形應變花和互成60的等角形應變花兩種基本形式。的等角形應變花兩種基本形式。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編12a絲式應變花；b箔式應變花應變花的基本形式應變花的基本形式 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編13應變片片的工作原理 2llRAr金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l變長、變長、r變小，導致變小，導致R變大變大 。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編143.2 3

8、.2 測量電路測量電路 3.2.1 3.2.1 直流電橋直流電橋 1. 1. 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件R1R2R4R3ACBEDIoRLUo圖圖2.3 直流電橋直流電橋 當當RL時，電橋輸出電壓為：時，電橋輸出電壓為： 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編15當電橋平衡時，當電橋平衡時，Uo=0，則有：，則有： R1R3=R2R4或：或： 4321RRRR電橋平衡條件：電橋平衡條件：欲使電橋平衡，欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應其相鄰兩臂電阻的比值應相等，相等， 或相對兩臂電阻的乘積應相等?；蛳鄬杀垭娮璧某朔e應相等。 電橋平衡條件電橋平衡條件

9、 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編163i124o1234() 2-34RURRRURRRR 根據應用要求的不同，可接入不同數(shù)目的電阻應變片，一般分為下面幾種形式的電橋： 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編17單臂電橋單臂電橋 全橋四臂工作方全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度橋次之，單臂半橋靈敏度最低。最低。iuRRu410 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編18 雙臂電橋雙臂電橋 R1、 R2為應變片，為應變片， R3、R4為固定電

10、阻為固定電阻 。應變。應變片片R1 、R2 感感受到的應變受到的應變 1 2以及產生的電阻以及產生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電增量正負號相間，可以使輸出電壓壓Uo成倍地增大。成倍地增大。iuRRu210 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編19四臂全橋四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應變片，全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片如果設法使試件受力后，應變片R1 R4產生的電阻增量（或感受產生的電阻增量（或感受到的應變到的應變 1 4）正負號相間，就）正負號相間，就可以使輸出電壓可以使輸出電壓Uo成倍地增大。成倍地增大。上述三種工作方式中，全

11、橋四臂上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實采用全橋（或雙臂半橋）還能實現(xiàn)溫度自補償。現(xiàn)溫度自補償。iuRRu0 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編20交流電橋交流電橋 引入原因：引入原因：由于應變電橋輸出電壓很小，一般由于應變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，因此應都要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。變電橋多采用交流電橋。 由于供橋電源為交流電源由于供橋電源為交流電源

12、 u，引線分布電容使得，引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性，即相當于兩只應變二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性，即相當于兩只應變片各并聯(lián)了一個電容。片各并聯(lián)了一個電容。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編21交流電橋交流電橋 Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)Z4Z3UiUoR4R3UiUo 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編2244332222111111RZRZCRjRZCRjRZ式中式中, C1、C2表示應變片引線分布電容。表示應變片引線分布電容。 每一橋臂上復阻抗分別為：每一橋臂上

13、復阻抗分別為： 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編23交流電橋輸出：交流電橋輸出： )(42314231ZZZZZZZZUiUo電橋平衡條件：電橋平衡條件：Uo=0，即：，即： Z1Z3=Z2Z4 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編24 如果采用差動結構：當被測應力變化引起工如果采用差動結構：當被測應力變化引起工作應用片阻值變化時作應用片阻值變化時，則電橋輸出為，則電橋輸出為 ：)(423142310ZZZZZZZZUiU1012RUiUR= 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編25

14、3.3 應變片的選擇與粘貼應變片的選擇與粘貼1.應變片的粘貼：應變片的粘貼： (1) 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編26 (2)貼片：在應變片的貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠各涂一層均勻的粘貼膠 ，用，用鑷子將應變片放上去，并調好鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣手指揉和滾壓，排出下面的氣泡泡

15、 。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編27 (3)測量測量 ：從分開的端：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。的應變片。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編28 (4)焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編29 (5)固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用

16、王振成主編王振成主編303.2.3 應變式電阻荷重傳感器及其應用 應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應變片的應用可分為兩電阻應變片的應用可分為兩大類：大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。 第二類是將應變片貼于被測試件上，第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應然后將其接到應變儀上就可直接從

17、應變儀上讀取被測試件的應變量。變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編31應變式力傳感器應變式力傳感器 FFFF 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編32各種懸臂梁各種懸臂梁 FF固定點固定點固定點固定點電纜 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編33應變片在懸臂梁上的粘貼及變形應變片在懸臂梁上的粘貼及變形 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編34應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置應變式荷重傳感器的外形及

18、應變片的粘貼位置FR1R2 R4 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編35應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編36荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重荷重傳感器上的應變傳感器上的應變片在重力作用下片在重力作用下產生變形。軸向產生變形。軸向變短，徑向變長。變短，徑向變長。 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編37汽車衡 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編38汽車衡汽車衡（以下參考北京遠亞興業(yè)商貿有限公司資料北京遠亞興業(yè)商貿有限公司資料 ） 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術及應用王振成主編王振成主編39汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡稱重系統(tǒng) 出版社 理工分社工程測試技術及應用工程測試技術