應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

關(guān)于應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

第一節(jié)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變式傳感器可以用于測量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量精確度高、使用簡便等優(yōu)點(diǎn)。在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)里獲得廣泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

一、金屬電阻應(yīng)變片

常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。其工作原理都是基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。

金屬絲電阻應(yīng)變片(又稱電阻絲應(yīng)變片)出現(xiàn)得較早，現(xiàn)仍在廣泛采用。其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。把一根具有高電阻率的金屬絲(康銅或鎳鉻合金等，直徑0.025mm左右)繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路上。第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)金屬箔式應(yīng)變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約1—10μm，散熱好，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片。第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

R＝ρl／A

當(dāng)每一可變因素分別有一增量dl、dA和dρ時(shí)，所引起的電阻增量為:

式中：A=πr2，r為電阻絲半徑，πr3第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

電阻的相對變化率

式中-----電阻絲軸線相對變形，或稱縱向應(yīng)變

-----電阻絲軸線相對變形，或稱橫向應(yīng)變

當(dāng)電阻絲沿軸向伸長時(shí)，必沿徑向縮小，兩者之間的關(guān)系為

式中μ——電阻絲材料的泊松比；dρ／ρ——電阻絲電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力σ有關(guān)。第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

式中E—電阻絲材料的彈性模量；

λ—壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。從而得到：第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)(1十2μ)ε項(xiàng)是由電阻絲幾何尺寸改變所引起的。對于同一電阻材料，1十2μ是常數(shù)。λEε項(xiàng)是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變而引起的。對于金屬電阻絲來說，λE是很小的，可忽略。上式可簡化為：上式表明了電阻相對變化率與應(yīng)變成正比第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日

電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度。

用于制造電阻應(yīng)變片的電阻絲的靈敏度S，多在1.7—3.6之間。

一般市售電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等。其中以120Ω為最常用。應(yīng)變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選定。

第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

二、半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。

從半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率ρ發(fā)生很大變化。分析表明，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日

分析表明，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。

(1十2μ)ε項(xiàng)是由幾何尺寸變化引起的，λEε是由于電阻率變化而引起的。對半導(dǎo)體面言，后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，它是半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化的主要部分，故上式可簡化為

第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)電阻應(yīng)變片第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度這一數(shù)值比金屬絲電阻應(yīng)變片大50一70倍。半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小等。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度分散度大(由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響)以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大等，這些缺點(diǎn)給使用帶來一定困難。

應(yīng)變片的后續(xù)電路為電橋電路。第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性一橫向效應(yīng)二溫度誤差及其補(bǔ)償?shù)谑?，共四十六頁?022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)（一）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變?chǔ)?，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)變?chǔ)舝

電阻Klεrε回線式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)（二）溫度誤差及其補(bǔ)償

1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△t時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化溫度誤差

第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)溫度補(bǔ)償

單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償?shù)谑隧摚菜氖摚?022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

①電橋補(bǔ)償法

R1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R被測試件補(bǔ)償塊第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)電橋補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法

粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片

第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片

實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，使下式成立

即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成R1R2組合自補(bǔ)償法選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)±0.45μm/℃的高精度第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)應(yīng)變片的主要特性第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)③熱敏電阻補(bǔ)償

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

一、拉彎聯(lián)合作用下彎矩或拉力的測量

桿件受拉力P和彎矩M聯(lián)合作用，在彈性范圍內(nèi)工作，P、M的聯(lián)合作用可看成是P、M單獨(dú)作用的疊加。桿件在P、M單獨(dú)作用下其上下表面的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

A——桿件的截面積；

W——桿件的抗彎截面系數(shù)

E——被測件材料的彈性模量第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

根據(jù)疊加原理，桿件在P、M聯(lián)合作用下，其上表面和下表面的應(yīng)變?yōu)椋旱诙唔摚菜氖摚?022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

1、彎矩M的測量

測彎矩的貼片與接橋如右圖所示，R1=R2=R，電阻增量△R0：相對電阻的增量為：儀器的應(yīng)變讀數(shù)為：具有溫度補(bǔ)償功能第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

2、拉力P的測量溫度補(bǔ)償需在補(bǔ)償板上另貼兩片月R2’、R2”串聯(lián)組成補(bǔ)償橋臂第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

二、其他測量實(shí)例1

應(yīng)變式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；柱式力傳感器第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

2梁式力傳感器等截面梁結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

b0R1R2XlFbh②等強(qiáng)度懸臂梁第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

③雙端固定梁第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

3薄壁圓環(huán)式力傳感器在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

BK-2S稱重傳感器產(chǎn)品詳細(xì)介紹

采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、

測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng)中

供橋電壓12VDC輸入阻抗380±20Ω

輸出阻抗350±10Ω絕緣電阻≥2000MΩ

工作溫度-10~+50℃

第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

BK－4輪輻式傳感器系列

采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值測量，如汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗秤技術(shù)參數(shù)

量程（t）1，2，5，10，20，30，50供橋電壓12VDC

靈敏度1．5~2mV/V輸入阻抗730±20Ω

非線性（%FS）0.03,0.05,0.1輸出阻抗700±10Ω

重復(fù)性（%FS）0.03,0.05,0.1絕緣電阻≥2000MΩ

滯后（%FS）0.03,0.05,0.1工作溫度-10~+50℃

允許過負(fù)荷120%FS熱零點(diǎn)偏移（%FS/10℃）第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

4.應(yīng)變式壓力傳感器εtεr膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器R4R3R1R2

UU0第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

5.筒式壓力傳感器

測較大壓力機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

6.組合式壓力傳感器應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等通常用于測量小壓力。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第五節(jié)電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第七章