第9章 應(yīng)力測量

工程測試技術(shù)9應(yīng)力測量1

應(yīng)變量電測法的優(yōu)點：1、應(yīng)變計尺寸小、重量輕，粘貼在構(gòu)件表面上，對構(gòu)件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響很?。?、測量范圍廣，能測量靜應(yīng)變和動應(yīng)變；3、用途廣，可直接測量應(yīng)變，還可以制成測量各種物理量的傳感器；4、測量精度較高，一般誤差可小于1%；5、輸出量為電信號，可直接輸入電子計算機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)測量過程自動化。29.1測量系統(tǒng)測量零件或部件上的應(yīng)變量電測法的測試系統(tǒng)如圖：39.1測量系統(tǒng)9.1.1電阻應(yīng)變計1、電阻應(yīng)變計的工作原理——基于金屬導(dǎo)線的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，即當金屬導(dǎo)線受力產(chǎn)生機械變形時，它的電阻發(fā)生變化。金屬導(dǎo)線的電阻值R如果金屬導(dǎo)線沿其軸線方向受力而產(chǎn)生變形，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象被稱為金屬導(dǎo)線的應(yīng)變-電阻效應(yīng)。49.1測量系統(tǒng)將上式取對數(shù)進行微分后得：dL/L為金屬導(dǎo)線的長度相對變化，用應(yīng)變量ε來表示dA/A為導(dǎo)線截面積的變化，對于圓形截面的導(dǎo)線，若其直徑為D，則導(dǎo)線直徑的相對變化（μ為導(dǎo)線材料的泊松比），上式可得：在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，金屬絲的電阻率相對變化與他的體積相對變化有下列關(guān)系：59.1測量系統(tǒng)式中：c——對于一定的金屬材料和加工方法來說是常數(shù)。整理以上各式，得設(shè)則K稱為靈敏系數(shù)，在一般情況下為常數(shù)。由上式看出，金屬導(dǎo)線受力變形后，由于其幾何尺寸發(fā)生變化，從而使其電阻發(fā)生變化。如果將一根直徑較細的金屬絲粘貼在工件的表面上，利用金屬絲的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，把構(gòu)件表面的應(yīng)變量直接變?yōu)殡娮璧南鄬ψ兓浚@樣就可以用電測的方法來進行應(yīng)變測量。電阻應(yīng)變計就是利用這一原理而制成的傳感元件。69.1測量系統(tǒng)2、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與分類電阻應(yīng)變計一般由感應(yīng)柵、基底、蓋層、粘結(jié)劑和引線等組成。感應(yīng)柵是把應(yīng)變量變換成電阻變化量的主要部分，一般是由金屬或半導(dǎo)體材料制成的單絲或柵狀體?；资怯靡员３置舾袞拧⒁€的幾何形狀和相對位置的部分。蓋層是用來保護敏感柵而覆蓋在上面的絕緣層。粘結(jié)劑是具有一定電絕緣性能的粘結(jié)材料，用它將敏感柵固定在基底上，或者將應(yīng)變計的基底固定在被測試件的表面上。引線是用以從敏感柵引出電信號的絲狀或帶狀的導(dǎo)線。79.1測量系統(tǒng)應(yīng)變計的分類：按敏感柵的材料不同可分為金屬電阻和半導(dǎo)體應(yīng)變計兩大類；按敏感柵的形狀不同可分為絲式和箔式電阻應(yīng)變計兩類；按基底材料不同可分為紙基、膠基和金屬基底三大類；按使用方式不同可分為粘貼式、焊接式、噴涂式和埋入式四類；按使用溫度不同可分為低溫、常溫、中溫和高溫四類。箔式應(yīng)變計的敏感柵使用高阻值的金屬片經(jīng)光刻腐蝕成柵狀。箔片常用的材料是很薄的（0.002~0.005mm）康銅、鎳鉻合金，比較柔軟，可粘貼于復(fù)雜形狀的構(gòu)件表面，較真實地反映其應(yīng)變值。粘貼牢固、散熱性好、疲勞壽命長、蠕變小等優(yōu)點，所以目前廣泛采用。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計的敏感柵是一狹長的單晶硅半導(dǎo)體，硅片兩端有黃金膜，引線自黃金膜上焊出。一般可在傳感器中用作敏感元件。89.1測量系統(tǒng)3、電阻應(yīng)變計的工作特性工作特性是為了滿足實際測量工作的需要而規(guī)定的。下面介紹常溫下應(yīng)變計的工作特性。應(yīng)變計的電阻值——室溫時應(yīng)變計未經(jīng)安裝且不受外力的情況下，所測量的電阻值。國家推薦的標準電阻值：60、120、200、350、500、1000Ω。在允許通過同樣電流的情況下，選用較大的電阻可以提高測量敏感度。常用應(yīng)變測量儀器的橋臂電阻習慣上按120Ω設(shè)計，故120Ω的電阻應(yīng)變計是最常用的應(yīng)變計。應(yīng)變計的靈敏系數(shù)K——在應(yīng)變計軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計電阻的相應(yīng)變化與安裝應(yīng)變計試件軸向應(yīng)變的比值，即單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。99.1測量系統(tǒng)靈敏系數(shù)K取決于材料特性μ和c，當材料進入塑性變形范圍，泊松比μ≈0.5，在彈性區(qū)時μ=0.2~0.4，即體積基本不變，K≈2.0。實驗表明，大多數(shù)金屬導(dǎo)線在彈性范圍內(nèi)電阻的相對變化與應(yīng)變量之間的關(guān)系是線性的，即K為常數(shù)。特別應(yīng)當指出，康銅的靈敏系數(shù)K從彈性區(qū)到塑性區(qū)基本保持不變。因此大應(yīng)變的應(yīng)變計常用康銅制成。絕緣電阻值——應(yīng)變計的靈敏柵和引線與被測試件之間的電阻值，一般要求在500MΩ以上。絕緣電阻低，使測量靈敏度下降，并引起零漂。提高絕緣電阻的途徑，主要是選用電絕緣性能良好的粘結(jié)劑和基底材料，采取防潮措施等。機械滯后——應(yīng)變計安裝在構(gòu)件上，在恒溫條件下加載和卸載過程中，在同一機械應(yīng)變量作用下，指示應(yīng)變的差值。109.1測量系統(tǒng)疲勞壽命——在恒幅交變應(yīng)力的作用下，應(yīng)變計連續(xù)工作到產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)。疲勞壽命是反映應(yīng)變計對動態(tài)應(yīng)變適應(yīng)能力的參數(shù)，一般要求疲勞壽命達105~107循環(huán)次數(shù)。為了提高疲勞壽命，使引線和敏感柵的連接處都與應(yīng)變計的軸線成450方向。熱輸出——應(yīng)變計粘貼在允許自由膨脹的構(gòu)件上且不受外力的作用，在緩慢變化的均勻溫度場中，應(yīng)變計輸出的指示應(yīng)變值。9.1.2測量電路電阻應(yīng)變計是把構(gòu)件的應(yīng)變值ε轉(zhuǎn)換成ΔR/R。由于一般測量的應(yīng)變量很小，所以直接測量電阻較困難，誤差較大。因此，一般采用專門的測量電路，把ΔR/R轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。目前電阻應(yīng)變儀中采用的測量電路主要有兩種：一種是電橋線路，另一種是電位計式線路。119.2非常溫環(huán)境下的應(yīng)變測量9.2.1溫度效應(yīng)、溫度補償應(yīng)變計粘貼在試件上，除了感受外力產(chǎn)生機械應(yīng)變外，還感受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的指示應(yīng)變。前者是要測量的；后者是一種虛假的應(yīng)變，稱為溫度效應(yīng)，必須從測量中予以剔除。將應(yīng)變計粘貼在可以自由膨脹的試件上，且不受外力的作用，在環(huán)境溫度不變時，應(yīng)變計的指示應(yīng)變?yōu)榱?；當環(huán)境溫度變化時，應(yīng)變計有指示應(yīng)變輸出。輸出的指示應(yīng)變值是由溫度變化而引起的，故稱之為溫度效應(yīng)，也叫熱輸出。129.2非常溫環(huán)境下的應(yīng)變測量應(yīng)變計產(chǎn)生熱輸出的主要原因是敏感柵材料的電阻溫度效應(yīng)和敏感柵材料與被測試件材料之間的線膨脹系數(shù)的差異。用電阻應(yīng)變計測量試件的應(yīng)變，當溫度變化時，其指示應(yīng)變包括試件受力產(chǎn)生的機械應(yīng)變和應(yīng)變計的熱輸出二部分。應(yīng)變計的熱輸出

給測量帶來很大的誤差。因此必須消除由溫度變化引起的熱輸出，也即溫度補償。常用的溫度補償方法有三種：曲線修正法、橋臂補償法、溫度自補償應(yīng)變法。139.2非常溫環(huán)境下的應(yīng)變測量9.2.2高溫下的應(yīng)變測量很多零件在高溫下工作時，隨著溫度升高，試件和應(yīng)變計材料的性能都會發(fā)生變化。如試件材料彈性模量下降，線膨脹系數(shù)增大；應(yīng)變計靈敏度系數(shù)隨溫度變化，熱輸出、蠕變和熱滯后變大；應(yīng)變計性能的穩(wěn)定性較差等。因此在高溫下進行應(yīng)變測量比在常溫下要復(fù)雜得多，困難得多，測量的精度也較低。前面所討論的應(yīng)變測試技術(shù)，在高溫應(yīng)變測量中仍然是基本的；而高溫下應(yīng)變測量的主要問題是溫度補償和應(yīng)變計的安裝。溫度補償前面已敘述過，高溫應(yīng)變計的安裝方式目前有三種，即粘貼、焊接和噴涂。149.2非常溫環(huán)境下的應(yīng)變測量航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，特別是葉片、輪盤、軸等零件的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，應(yīng)力水平很高，理論計算很難獲得精確的結(jié)果，往往需要通過應(yīng)變測量來確定其壽命和可靠性。旋轉(zhuǎn)零件的應(yīng)變測量在原理上與靜止件是一樣的，測量方法也基本相同；但是由于試件處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，對應(yīng)變測量提出了一些特殊要求。應(yīng)變計和導(dǎo)線的安裝既要牢固又要合理。由于試件高速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)變計和導(dǎo)線不僅承受著較大的離心作用，還有高速高溫氣流的沖刷，所以除了粘貼牢固外，通常在應(yīng)變計和導(dǎo)線外表面采用涂膠或焊金屬箔片的方法加以保護。159.2非常溫環(huán)境下的應(yīng)變測量