2 第2章-1 電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)20150914

1GaoSuGongLu第二章電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)SACE22.1.1應(yīng)變片基本構(gòu)造與工作原理一、基本結(jié)構(gòu)敏感柵電阻率大，應(yīng)變電阻系數(shù)大，溫度電阻系數(shù)小，壓延性好。銅鎳、鎳鉻、鐵鉻鋁等高阻合金基底、粘接劑、覆蓋層作用：定位，傳力，保護(hù)；要求：絕緣，強(qiáng)度大，易粘貼，蠕變小，滯后小，防潮，熱穩(wěn)定，溫度應(yīng)變小。材料：紙基、膠基、紙浸膠基引線§2-1電阻應(yīng)變片絲式箔式3二、工作原理金屬絲的電阻值R(Ω)和它的長(zhǎng)度L(m)、橫截面面積A(mm2)、電阻率ρ（Ω·mm2/m）,它們之間的關(guān)系為：§2-1電阻應(yīng)變片

4

對(duì)于金屬應(yīng)變片:對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片:§2-1電阻應(yīng)變片

決定了材料的選擇！且：康銅、鎳鉻合金5

定義金屬絲的“靈敏系數(shù)”為：對(duì)于金屬應(yīng)變片:

對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片:

說(shuō)明：康銅金屬絲，故理論上；對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片，一般；上述只是“金屬絲”而非“應(yīng)變片”的靈敏系數(shù)。§2-1電阻應(yīng)變片26§2-1電阻應(yīng)變片00:01應(yīng)變計(jì)型號(hào)電阻值/Ω絲柵尺寸/mm靈敏系數(shù)應(yīng)變極限BXC120-10AA1202×102.17±0.5%2%7§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型分類依據(jù)：

工作溫度

敏感柵制造方法

敏感柵結(jié)構(gòu)

基底材料

安裝方法

用途8§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型按工作溫度分類分類依據(jù)應(yīng)變片種類備注工作溫度常溫-30~60℃低溫低于-30℃中溫60~350℃高溫高于350℃9§2-1電阻應(yīng)變片10§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型按敏感柵制造方法分類分類依據(jù)應(yīng)變片種類直徑或厚度備注敏感柵制造方法絲式應(yīng)變片0.012~0.05mm

散熱差，橫向效應(yīng)大，干擾多箔式應(yīng)變片0.003~0.006mm散熱好，橫向效應(yīng)小，應(yīng)用范圍廣

薄膜式應(yīng)變片<0.1μm11§2-1電阻應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵,其厚度一般在0.003～0.01mm。12§2-1電阻應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片相比較，箔式應(yīng)變片有如下優(yōu)點(diǎn)：①金屬箔柵很薄，所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近；接觸面積大；箔柵端部較寬，橫向效應(yīng)較小，測(cè)量精度高。②箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大電流，可輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。③箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，使用范圍大。④便于成批生產(chǎn)。缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十Ω，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，不適于高溫環(huán)境下測(cè)量；此外價(jià)格較貴。13§2-1電阻應(yīng)變片

薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬薄膜敏感柵,然后再加上保護(hù)層。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大,允許電流密度大,工作范圍廣。14§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型按敏感柵結(jié)構(gòu)分類分類依據(jù)應(yīng)變片種類備注敏感柵結(jié)構(gòu)單軸應(yīng)變片

主應(yīng)力方向已知多軸應(yīng)變片(應(yīng)變花)

平面應(yīng)力測(cè)試復(fù)式應(yīng)變片多用于傳感器單軸應(yīng)變片多軸應(yīng)變片(應(yīng)變花)復(fù)式應(yīng)變片15§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型按基底材料分類分類依據(jù)應(yīng)變片種類備注基底材料紙基應(yīng)變片

膠基應(yīng)變片

浸膠玻璃纖維基應(yīng)變片

金屬基應(yīng)變片粘貼或焊接臨時(shí)基底應(yīng)變片粘貼或焊接16§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型按安裝方法分類分類依據(jù)應(yīng)變片種類備注安裝方法粘貼式應(yīng)變片

焊接式應(yīng)變片金屬基噴涂式應(yīng)變片臨時(shí)基底埋入式應(yīng)變片埋入混凝土中測(cè)量?jī)?nèi)部應(yīng)變17§2-1電阻應(yīng)變片2.1.2電阻應(yīng)變片的類型按用途分類分類依據(jù)應(yīng)變片種類備注用途一般用途應(yīng)變片應(yīng)力應(yīng)變分析、傳感器用特殊用途應(yīng)變片大應(yīng)變、殘余應(yīng)力或特殊環(huán)境中使用傳感器專用應(yīng)變片彈模自補(bǔ)償、蠕變自補(bǔ)償?shù)葢?yīng)變片182.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片1.應(yīng)變片的尺寸標(biāo)距(柵長(zhǎng))，L;柵寬，B;敏感柵工作面積：S=L*B。2.電阻值未粘貼，未受力，室溫下；標(biāo)稱名義電阻值(生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn))；出廠:平均電阻，最大偏差。如60Ω、120Ω等電阻絲引線正視圖

接線端子BLL≤（1/20）λ或

L≤（1/20）V/F動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)——信號(hào)波長(zhǎng)與標(biāo)距選擇202.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片3.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K

確定方法：

5%抽樣，實(shí)驗(yàn)測(cè)定

確定過(guò)程：FF應(yīng)力儀測(cè)出εxμ=0.285的鋼件應(yīng)變片電位差計(jì)測(cè)出應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K不同于單根金屬絲的靈敏系數(shù)Ks例題：等強(qiáng)度梁靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試采用等強(qiáng)度鋼梁，室溫、單向受力狀態(tài)，應(yīng)變片絲柵方向與最大主應(yīng)變方向一致，采用砝碼在梁一端施加作用力，測(cè)得撓度為2.25mm，實(shí)測(cè)量得電阻由120Ω變?yōu)?20.12Ω，試求應(yīng)變片的實(shí)際靈敏度K。梁高h(yuǎn)=5mm

梁長(zhǎng)b=150mm撓度f(wàn)=2.25mm應(yīng)變片P解：⑴△R/R:△R/R=（120.12Ω-120Ω）/120Ω=0.001⑵ε:

σ=Eε=Mh/2I (1)f=-Mb2/2EI(2)由上式：ε=-hf/b2=500e-6=500μ?⑶K:K=△R/R/ε=2梁高h(yuǎn)=5mm

梁長(zhǎng)b=150mm撓度y=2.25mm應(yīng)變片P每個(gè)微應(yīng)變對(duì)應(yīng)的阻值變化約為0.12Ω/500μ?=0.00024Ω/μ?2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片

敏感柵是由n條直線段和（n－1）個(gè)半徑為r的半圓組成,若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生軸向拉應(yīng)變

時(shí),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(yīng)變，即從軸向拉應(yīng)變過(guò)渡到橫向壓應(yīng)變，會(huì)使應(yīng)變片電阻減小。4.橫向效應(yīng)

定性分析

應(yīng)變片這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。FF2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片4.橫向效應(yīng)①加長(zhǎng)敏感柵柵長(zhǎng)l，縮短?hào)艑抌，加寬圓弧處柵線，采用短接式或直角式橫柵。②采用箔式和薄膜式應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)可忽略。

減小橫向效應(yīng)的措施：?jiǎn)蜗驊?yīng)力與應(yīng)變計(jì)軸向一致電阻絲引線正視圖

接線端子BL因環(huán)境溫度變化引起的虛假應(yīng)變。①電阻絲的電阻溫度系數(shù)αs的影響

。②應(yīng)變片膨脹系數(shù)βs與試件膨脹系數(shù)βsh的不同造成的誤差①②△R/R=αs

△T+K（βsh－βs）△Tεt=αs

△T/K+（βsh－βs）△T2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片5.應(yīng)變片的溫度誤差2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片6.機(jī)械滯后（Zj）

指粘貼在試件的應(yīng)變片，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件應(yīng)變的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量（輸出）的差值。0指示應(yīng)變?chǔ)舏機(jī)械應(yīng)變卸載加載

一般要求

實(shí)測(cè)前應(yīng)通過(guò)多次重復(fù)預(yù)加、卸載，來(lái)減小機(jī)械滯后帶來(lái)的誤差。2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片7.零點(diǎn)漂移（P0）與蠕變（

θ

）0指示應(yīng)變?chǔ)舏t

試件初始空載，溫度恒定時(shí)，應(yīng)變片的指示值仍會(huì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為零漂（P0）

。測(cè)試中零漂問(wèn)題的處理。

在恒溫恒載情況下，應(yīng)變片的指示值隨時(shí)間變化的情況稱為蠕變(θ)

。通常要求。2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片8.應(yīng)變極限0指示應(yīng)變?chǔ)舏真實(shí)應(yīng)變室溫條件下試件加載試驗(yàn)，應(yīng)變片的最大形變量，超過(guò)這個(gè)形變量應(yīng)變片內(nèi)部電阻絲就會(huì)斷裂導(dǎo)致開(kāi)路，從而無(wú)法繼續(xù)使用。2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片9.絕緣電阻敏感柵、引線與被測(cè)試件之間的電阻值（鋼結(jié)構(gòu)、潮濕混凝土構(gòu)件尤其注意）；絕緣電阻下降導(dǎo)致零漂、測(cè)量誤差。在靜態(tài)測(cè)量中，一般要求絕緣電阻大于30MΩ；動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)應(yīng)大于50MΩ。***絕緣電阻***對(duì)于一端接地的應(yīng)變片，應(yīng)變片的等效電阻：絕緣電阻變化在測(cè)試中體現(xiàn)為零漂。常溫應(yīng)變片要求50-100兆歐長(zhǎng)期測(cè)試或潮濕條件下＞1000兆歐通常＞2兆歐例題：若測(cè)試前后絕緣電阻分別為50兆歐和2兆歐，應(yīng)變片電阻為120歐姆，求因?yàn)榻^緣電阻變化帶來(lái)的虛假應(yīng)變?chǔ)舊

。解：RM1=50兆歐，RM2=2兆歐，△R=R2

–R1=R2（1/RM1

–1/RM2

）/3εf=△R/R/K=R（1/RM1

–1/RM2

）/6=9.6με32§2-1電阻應(yīng)變片33§2-1電阻應(yīng)變片34§2-1電阻應(yīng)變片2.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片10.疲勞壽命（N）疲勞壽命指貼有應(yīng)變片的試件在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變片連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，通長(zhǎng)可達(dá)106~107次。11.最大工作電流是允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流，通常為幾十毫安。長(zhǎng)期靜態(tài)測(cè)量時(shí)，為提高測(cè)量精度，通過(guò)應(yīng)變片的電流應(yīng)小一些；短期動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，為增大輸出功率，電流可大一些。362.1.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)與特點(diǎn)§2-1電阻應(yīng)變片

導(dǎo)線、應(yīng)變片——溫度補(bǔ)償。§2-1電阻應(yīng)變片2.1.4應(yīng)變片的選用與應(yīng)變片粘結(jié)工藝

(1)應(yīng)變片選用按工作環(huán)境：溫度保證、地下工程中防潮特性好按被測(cè)物的材料性質(zhì)：彈模高，基長(zhǎng)??；粗晶粒巖石混凝土選用基長(zhǎng)大者按被測(cè)試件受力狀態(tài)和應(yīng)變性質(zhì)：應(yīng)變花變化大選用基長(zhǎng)小，變化小選用基長(zhǎng)大按測(cè)量精度：標(biāo)距、電阻值、靈敏度§2-1電阻應(yīng)變片

(2)應(yīng)變片粘貼工藝應(yīng)變片檢查：外觀檢查、電阻值檢查表面處理：刮刀除銹、砂布打磨、脫脂棉擦洗、烘干貼片與固化：畫(huà)線、涂膠、用玻璃紙壓、調(diào)整、補(bǔ)膠粘貼質(zhì)量檢查：外觀、電阻值、絕緣電阻、連接電阻應(yīng)變儀檢查連接導(dǎo)線：導(dǎo)線固定、導(dǎo)線焊接；防潮處理：凡士林、石蠟等§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意40§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）41§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）42§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）43§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）44§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）機(jī)械式管內(nèi)應(yīng)變片粘貼裝置(發(fā)明人：柏東良博士）全景圖機(jī)械臂托覺(jué)定位粘貼效果引線處理?100mm46§2-1電阻應(yīng)變片47§2-1電阻應(yīng)變片(3)應(yīng)變片粘貼工藝示意（鋼結(jié)構(gòu)）習(xí)題2-1：康銅絲αs=20×10-6/℃，βs=15×10-6/℃，碳素鋼試件的βsh=11×10-6/℃，試件彈性模量E=2×106公斤/厘米2，K=2.0，當(dāng)△T=±1℃時(shí)，求應(yīng)變片的溫度應(yīng)變?chǔ)舤？解：按（8）式可求得：溫度升高1℃，△T=+1℃εt=αs

△T/K+（βsh-

βs）△T

=20×10-6×1/2+

（11×10-6

-15×10-6

）×

1=6×10-6

σ=12公斤/厘米2=1.2Mpa，造成被測(cè)物體受拉假象。每攝氏度的溫度波動(dòng)帶來(lái)的虛假應(yīng)變約為6-10μ?溫度補(bǔ)償?shù)?種方法：1、應(yīng)變片自補(bǔ)償：令：εt=αs

△T/K+（βsh-

βs）△T=0αs

=K（βsh-

βs）卡馬合金、伊文合金測(cè)鋼材。2、加入熱敏元件補(bǔ)償：高溫適用3、橋路補(bǔ)償：最為常用加減特性2、組合式補(bǔ)償法3、橋路補(bǔ)償§2-2測(cè)量電路作用：信號(hào)二次轉(zhuǎn)換(電阻應(yīng)變儀)常用：惠思登電橋（直流、交流）一、直流電橋1.電橋的平衡條件2.應(yīng)變片的幾種接入方式單片等臂電橋全橋——加減特性二、交流電橋（自學(xué)）§2-2測(cè)量電路1.電橋的平衡條件電橋組成：橋臂；輸入端(供橋端)；輸出端.B、D點(diǎn)電壓：惠思登電橋§2-2測(cè)量電路1.電橋的平衡條件則輸出電壓：惠思登電橋平衡狀態(tài)：或電橋平衡條件：

全等臂電橋：R1=R2=R3=R4=R

輸出對(duì)稱電橋：R1=R2=R，R3=R4=R’

電源對(duì)稱電橋：R1=R3=R，R2=R4=R’

電橋幾種形式——開(kāi)始時(shí)應(yīng)該是平衡的單片半橋全橋應(yīng)變片的接入方式：?jiǎn)纹缺垭姌虻膽?yīng)變分析等臂：各橋臂電阻均為R單片：R1為工作片，受力變形，產(chǎn)生阻值增量ΔR，代入輸出電壓公式為：將當(dāng)ΔR<<R時(shí)，設(shè)定應(yīng)變儀的讀數(shù)為則：全橋等臂電橋的應(yīng)變分析令則：全橋輸出對(duì)稱電橋：R1=R2=R，R3=R4=R’同樣可獲得：全橋電源對(duì)稱電橋亦可使：相鄰相減，相對(duì)相加相鄰相減：應(yīng)變極性相同，輸出電壓相減；應(yīng)變極性相反，輸出電壓相加；相對(duì)相加：與以上規(guī)律相反。

加減特性非常有用：1）提高電橋靈敏度；2）溫度補(bǔ)償；3）復(fù)雜受力試件上測(cè)試某外力因素引起的應(yīng)變等。重要結(jié)論：電橋的加減特性回顧：熱電阻的三線制接法熱電阻導(dǎo)線電阻兩線制接法,會(huì)受導(dǎo)線熱電阻效的影響！三線制接法將導(dǎo)線電阻引入相鄰橋臂，利用加減特性，可消除導(dǎo)線溫度變化帶來(lái)的影響。！61§2-3應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)：分析被測(cè)對(duì)象的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)選擇測(cè)點(diǎn)

→布設(shè)應(yīng)變片

→合理接橋一、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量1.布片和接橋的一般原則2.常用的接橋方法二、電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償三、各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量62§2-3應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量一、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量（1）布片和接橋的一般原則：位置：選擇主應(yīng)變大、最能反映力學(xué)規(guī)律的點(diǎn)貼片；組橋：利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、電橋加減特性，合理選擇貼片位置、方位、組橋方式，可提高靈敏度，消除干擾因素；回避：測(cè)量荷載時(shí)，避開(kāi)應(yīng)力—應(yīng)變非線性區(qū)貼片；校驗(yàn)：在已知應(yīng)力部位布設(shè)測(cè)點(diǎn)，檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性?！?-3應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量（2）常用的接橋方法半橋接法：兩個(gè)應(yīng)變片作電橋相鄰臂，另兩臂用應(yīng)變儀電橋盒中精密無(wú)感電阻。全橋接法：電橋四個(gè)臂均由應(yīng)變片構(gòu)成，可消除導(dǎo)線電阻的影響，提高靈敏度。半橋全橋?qū)嵨飿蚵费a(bǔ)償3.1補(bǔ)償塊補(bǔ)償串聯(lián)后，橋臂電阻為原來(lái)的2倍，則有：根據(jù)加減特性，可得：如果接全橋呢？橋路補(bǔ)償3.2工作片補(bǔ)償接入相鄰橋臂，根據(jù)加減特性，可得：丁字片補(bǔ)償(請(qǐng)推導(dǎo)5min）工作片補(bǔ)償如果接全橋呢？66§2-3應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量三、各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量（1）單向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量（2）主應(yīng)力方向已知的平面應(yīng)力測(cè)量（3）主應(yīng)力方向未知的平面應(yīng)力測(cè)量三、各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量（1）單向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量必須消除溫度影響；必須考慮消除偏心受力的影響。①半橋四片補(bǔ)償塊補(bǔ)償法測(cè)拉壓對(duì)稱布置兩個(gè)工作片；溫度補(bǔ)償片另設(shè)，補(bǔ)償片與工作片性能相同?！?-3應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量68由等臂電橋電壓輸出公式得:可得結(jié)論：儀器讀數(shù)為由拉伸(壓縮)引起的真實(shí)應(yīng)變，消除偏心的影響，串聯(lián)應(yīng)變片可以增加橋壓，提高電橋的輸出?！?-3應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量69

②全橋四片測(cè)拉壓下圖（a）為圓柱體偏心受拉貼片圖，接成全橋如下圖（b）:電壓輸出為即儀器讀數(shù)為由拉伸（壓