應(yīng)變片的粘貼與應(yīng)變測試練習(xí)

實(shí)驗(yàn)工程名稱：應(yīng)變片的粘貼與應(yīng)變測試練習(xí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)并掌握常溫電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)。2．在結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片，測量該位置的應(yīng)變應(yīng)力值，并與理論值比擬。二、實(shí)驗(yàn)儀器1．電阻應(yīng)變片，接線端子；2．?dāng)?shù)字萬用電表，測量導(dǎo)線；3．懸臂梁、砝碼、溫度補(bǔ)償塊等；4．砂布、丙酮、藥棉等清洗器材；5．502膠、防潮劑、玻璃紙及膠帶；6．劃針、鑷子、電烙鐵、剪刀等；7．靜態(tài)電阻應(yīng)變儀；三．實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)變電測法是工程中用于測量構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在靜、動載荷作用下產(chǎn)生應(yīng)變量大小的一種重要測試方法。此方法技術(shù)成熟可靠，測量時(shí)，將應(yīng)變片用專用膠水牢固地粘貼在研究對象外表，組成橋路，反映測點(diǎn)的應(yīng)變量大小。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)123LB123L電阻應(yīng)變片(簡稱應(yīng)變片)是由很細(xì)的電阻絲繞成柵狀〔如圖3-1〔a〕所示〕或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀〔如圖3-1〔b〕所示123LB123L(a)(b)1-基底2-電阻絲3-引線圖3-1電阻應(yīng)變片的根本結(jié)構(gòu)絲繞式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖3-1(a)所示，它以直徑為0.025mm左右的、高電阻率的合金電阻絲2，繞成形如柵欄的敏感柵。敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，作用是敏感應(yīng)變。敏感柵粘結(jié)在基底1上，基底除能固定敏感柵外，還有絕緣作用,敏感柵上面粘貼有覆蓋層，敏感柵電阻絲兩端焊接引出線3，用以和外接導(dǎo)線相連。電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理，是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。由歐姆定理可知，金屬絲的電阻與其材料的電阻率及其幾何尺寸〔長度和截面積〕有關(guān)，而金屬絲在承受機(jī)械變形的過程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。由物理學(xué)可知，金屬絲的電阻為：SLRSLR式中，R—金屬絲的電阻〔Ω〕；金屬絲的電阻率〔Ω·m2/m〕；L—金屬絲的長度〔m〕；S—為金屬絲的截面積〔m2〕。取如圖3-2所示一段金屬絲，當(dāng)金屬絲受拉而伸長dL時(shí)，其橫截面積將相應(yīng)減小dS，電阻率那么因金屬晶格發(fā)生變形等因素的影響也將改變d，那么有金屬絲電阻變化量dR為LLFFdL圖3-2金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)

(3-2)以R除左式，L/S除右式，得

(3-3)設(shè)金屬絲半徑為r，有

(3-4)令，εx=dL/L為金屬絲的軸向應(yīng)變；εy=dr/r為金屬絲的徑向應(yīng)變。金屬絲受拉時(shí)，沿軸向伸長，沿徑向縮短，二者之間的關(guān)系為(3-5)式中，μ—金屬材料的泊松系數(shù)。將式〔3-4〕、式〔3-5〕代入式〔3-3〕得或(3-6)令

(3-7)KS稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表征金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)，電阻相對變化的大小。顯然，KS越大，單位變形引起的電阻相對變化越大。由式〔3-7〕可看出，金屬絲的靈敏系數(shù)KS受兩個(gè)因素影響：第一項(xiàng)〔1+2μ〕是由于金屬絲受拉伸后，幾何尺寸發(fā)生變化而引起的；第二項(xiàng)是由于材料發(fā)生變形時(shí)，其自由電子的活動能力和數(shù)量均發(fā)生了變化的緣故。由于還不能用解析式來表示，所以KS只能靠實(shí)驗(yàn)求得。實(shí)驗(yàn)證明，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變片電阻相對變化dR/R與應(yīng)變成正比，KS為一常數(shù)，可表示為

(3-8)應(yīng)該指出，將直線金屬絲做成敏感柵之后，電阻—應(yīng)變特性與直線時(shí)不同，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。實(shí)驗(yàn)說明，應(yīng)變片的dR/R與εx的關(guān)系在很大范圍內(nèi)具有很好的線性關(guān)系，即或

(3-9)式中，K—電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。由于橫向效應(yīng)的影響，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于同一材料金屬絲的靈敏度系數(shù)KS。靈敏度系數(shù)是通過抽樣測定得到的，一般每批產(chǎn)品中按一定比例〔一般為5%〕的應(yīng)變片測定靈敏系數(shù)K值，再取其平均值作為這批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的“標(biāo)稱靈敏系數(shù)〞。用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象外表發(fā)生微小機(jī)械變形，粘貼在其外表上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因而應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化，如用儀器測出應(yīng)變片的電阻值變化dR，那么根據(jù)式〔3-9〕可得到被測對象的應(yīng)變值εx，而根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可得到應(yīng)力值σ。

(3-10)式中，σ—試件的應(yīng)力；ε—試件的應(yīng)變。電阻應(yīng)變片的種類電阻應(yīng)變片的種類繁多，分類方法各異。1)按敏感柵形狀分類按敏感柵形狀分為：單軸、平行多軸、同軸多柵、二軸900、三軸450、三軸600、三軸1200等。2)按應(yīng)變片工作溫度分類按工作溫度分按工作溫度分常溫應(yīng)變片-30oC~60oC中溫應(yīng)變片60oC~350oC高溫應(yīng)變片350oC以上低溫應(yīng)變片-30oC以下3)按敏感柵材料分類金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬絲應(yīng)變片金屬箔應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片絲繞式短接式按材料分4)幾種特殊的應(yīng)變片為了適應(yīng)工程實(shí)際和某些力學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，還有一些特殊形狀的應(yīng)變片，主要有以下幾種形式。①裂紋擴(kuò)展應(yīng)變片裂紋擴(kuò)展應(yīng)變片敏感柵是由平行柵條組成。用于斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，檢測構(gòu)件在載荷作用下裂紋擴(kuò)展的過程及擴(kuò)展的速率。實(shí)驗(yàn)時(shí)粘貼在構(gòu)件裂紋尖端處，隨著裂紋的擴(kuò)展，柵條依次被拉斷，應(yīng)變片的電阻逐級增加。根據(jù)事先作出的斷裂順序與電阻變化曲線，可推斷裂紋的擴(kuò)展情況。根據(jù)各柵條斷裂的時(shí)間，即可計(jì)算出裂紋的擴(kuò)展速率。②疲勞壽命應(yīng)變片疲勞壽命應(yīng)變片是由經(jīng)過退火處理的康銅箔制成的敏感柵夾在兩浸過環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布中間形成。當(dāng)應(yīng)變片粘貼在承受交變載荷的構(gòu)件上時(shí)，應(yīng)變片絲柵在交變載荷作用下發(fā)生冷作硬化，而使電阻發(fā)生變化，電阻變化值與交變應(yīng)力的大小、循環(huán)次數(shù)成比例，通?？捎脤?shí)驗(yàn)方法來建立經(jīng)驗(yàn)公式。使用時(shí)可由電阻變化來推算交變應(yīng)變的大小及循環(huán)次數(shù)，從而預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命。③大應(yīng)變量應(yīng)變片用于量測5%-20%大應(yīng)變或超彈性范圍應(yīng)變用的。為防止絲柵與粗引線間的應(yīng)力集中，中間采用細(xì)引線過渡。箔式應(yīng)變片的引線應(yīng)彎成弧形，然后再焊接，敏感柵是由經(jīng)過獲得大變形及退火處理的康銅制成，基底可用浸過增塑劑的紙〔應(yīng)變5%-12%〕或聚酰亞胺〔應(yīng)變20%〕，粘結(jié)劑可用環(huán)氧樹脂、聚氨酯填加增塑劑制成。這種應(yīng)變片受壓時(shí)敏感柵會發(fā)生軸向屈曲，故承受的拉應(yīng)變遠(yuǎn)大于壓應(yīng)變。因此，當(dāng)用于交變應(yīng)變量測時(shí)，量測范圍不應(yīng)超過允許的壓應(yīng)變界限。④雙層應(yīng)變片在進(jìn)行薄殼、薄板應(yīng)變的測量時(shí)，需要在殼和板的內(nèi)、外外表對稱貼片。而對于體積小或密封的結(jié)構(gòu)在內(nèi)外表貼片幾乎是無法進(jìn)行的。雙層應(yīng)變片為解決這些問題提供了條件，在不太厚的塑料上、下外表粘貼應(yīng)變片，并在應(yīng)變片外表涂環(huán)氧樹脂保護(hù)層。使用時(shí)將此雙層應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件的外外表，利用彎曲應(yīng)變線性分布及軸向應(yīng)變均勻分布特點(diǎn)，同時(shí)測出彎曲及軸向應(yīng)變。⑤防水應(yīng)變片在潮濕環(huán)境或水下，特別在高水壓作用下，應(yīng)采用防水應(yīng)變片。常溫短期水下應(yīng)變量測可在箔式應(yīng)變片外表涂防護(hù)層〔如水下環(huán)氧樹脂〕。長期測量可用熱塑方法將應(yīng)變片夾在兩塊薄塑料板中間，或采用防水、防霉、防腐蝕的特種膠材料作為應(yīng)變片的基底和覆蓋層制成防水應(yīng)變片。⑥屏蔽式應(yīng)變片屏蔽式應(yīng)變片的上、下兩面均有銅箔構(gòu)成屏蔽層，常用于電路變化幅度大的環(huán)境中的應(yīng)變測量，如在電焊機(jī)旁或電氣化機(jī)車軌道應(yīng)變的測量。在強(qiáng)磁場中，假設(shè)采用鎳鉻敏感材料，可減小磁致效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的材料1〕敏感柵材料制造應(yīng)變片時(shí)，對敏感柵材料的要求：①靈敏系數(shù)KS和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率R/R與機(jī)械應(yīng)變之間應(yīng)具有良好而寬廣的線性關(guān)系，即要求KS在很大范圍內(nèi)為常數(shù)；②電阻溫度系數(shù)小，電阻-溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；③機(jī)械強(qiáng)度高，碾壓及焊接性能好，與其它金屬之間接觸熱電勢??；④抗氧化、耐腐蝕性能強(qiáng)，無明顯機(jī)械滯后。敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬〔鉑、鉑鎢合金等〕材料等。2〕應(yīng)變片基底材料應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基取代，因膠基性能各方面都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚約0.03~0.05mm?；撞牧闲阅苡腥缦乱螅孩贆C(jī)械強(qiáng)度好，撓性好；②粘貼性能好；③絕緣性能好；④熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院?；⑤無滯后和蠕變。3〕引線材料康銅絲敏感柵應(yīng)變片，引線采用直徑為0.05~0.18mm的銀銅絲，采用點(diǎn)焊焊接。其它類型敏感柵多采用直徑與上述相同的鉻鎳、鐵鉻鋁金屬絲作為引線，與敏感柵點(diǎn)焊相接。應(yīng)變片的主要工作參數(shù)1〕應(yīng)變片的尺寸如圖3-2所示，順著應(yīng)變片軸向敏感柵兩端轉(zhuǎn)向處之間的距離稱為標(biāo)距L，電阻絲式一般為5~180mm，箔式的一般為0.3~180mm。敏感柵的橫向尺寸稱為柵寬，以B表示。小柵長的應(yīng)變片對制造要求高，對粘貼的要求亦高，且應(yīng)變片的蠕變、滯后及橫向效應(yīng)也大。因此應(yīng)盡量選要柵長大一些的片子，應(yīng)變片的柵寬也以小一些的為好。

2〕應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片的電阻值指應(yīng)變片沒有安裝且不受力的情況下，在室溫時(shí)測定的電阻值。應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)名義電阻值通常為60、120、350、500、1000五種。用得最多的為120和350兩種。應(yīng)變片在相同的工作電流下，電阻值愈大，允許的工作電壓亦愈大，可提高測量靈敏度。3〕機(jī)械滯后對已安裝的應(yīng)變片，在恒定的溫度環(huán)境下，加載和卸載過程中同一載荷下指示應(yīng)變的最大差數(shù)，稱為機(jī)械滯后。造成此現(xiàn)象的原因很多，如應(yīng)變片本身特性不好；試件本身的材質(zhì)不好；粘結(jié)劑選擇不當(dāng)；固化不良；粘接技術(shù)不佳，局部脫落和粘結(jié)層太厚等。在測量過程中，為了減小應(yīng)變片的機(jī)械滯后給測量結(jié)果帶來的誤差，可對新粘貼應(yīng)變片的試件反復(fù)加、卸載3~5次。4〕熱滯后對已安裝的應(yīng)變片試件可自由膨脹而并不受外力作用，在室溫與極限工作溫度之間增加或減少溫度，同一溫度下指示應(yīng)變的差數(shù)，稱為熱滯后。這主要由粘結(jié)層的剩余應(yīng)力、枯燥程度、固化速度和屈服點(diǎn)變化等引起。應(yīng)變片粘貼后進(jìn)行“二次固化處理〞可使熱滯后值減小。5〕零點(diǎn)漂移對已安裝的應(yīng)變片，在溫度恒定、試件不受力的條件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化稱為零點(diǎn)漂移〔簡稱零漂〕。這是由于應(yīng)變片的絕緣電阻過低及通過電流而產(chǎn)生熱量等原因造成。6〕蠕變對已安裝的應(yīng)變片，在溫度恒定并承受恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化稱為蠕變。這主要是由膠層引起，如粘結(jié)劑種類選擇不當(dāng)、粘貼層較厚或固化不充分及在粘結(jié)劑接近軟化溫度下進(jìn)行測量等。7〕應(yīng)變極限溫度不變時(shí)使試件的應(yīng)變逐漸加大，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變的相對誤差〔非線性誤差〕小于規(guī)定值〔一般為10%〕情況下所能到達(dá)的最大應(yīng)變值為該應(yīng)變片的應(yīng)變極限。8〕絕緣電阻應(yīng)變片引線和安裝應(yīng)變片的試件之間的電阻值稱為絕緣電阻。此值常作為應(yīng)變片粘結(jié)層固化程度和是否受潮的標(biāo)志。絕緣電阻下降會帶來零漂和測量誤差，尤其是不穩(wěn)定絕緣電阻會導(dǎo)致測試失敗。9〕疲勞壽命對已安裝的應(yīng)變片在一定的交變機(jī)械應(yīng)變幅值下，可連續(xù)工作而不致產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱為疲勞壽命。疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)與動載荷的特性及大小有密切的關(guān)系。一般情況下循環(huán)次數(shù)可達(dá)106~107。10〕最大工作電流允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值，稱為最大工作電流。該電流和外界條件有關(guān)，一般為幾十毫安，箔式應(yīng)變片有的可達(dá)500mA。流過應(yīng)變片的電流過大，會使應(yīng)變片發(fā)熱引起較大的漂零，甚至將應(yīng)變片燒毀。靜態(tài)測量時(shí)，為提高測量精度，流過應(yīng)變片的電流要小一些；短期動測時(shí)，為增大輸出功率，電流可大一些。電阻應(yīng)變片的粘貼在應(yīng)變測量時(shí)，粘合劑所形成的膠層起著非常重要的作用，應(yīng)準(zhǔn)確無誤地將試件或彈性元件的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去。對粘合劑有如下要求：①有一定的粘結(jié)強(qiáng)度；②能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變；③蠕變小；④機(jī)械滯后??；⑤耐疲勞性能好、韌性好；⑥長期穩(wěn)定性好；⑦具有足夠的穩(wěn)定性能；⑧對彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用；⑨有適當(dāng)?shù)馁A存期；⑩有較大的使用溫度范圍。選用粘合劑時(shí)要根據(jù)應(yīng)變片的工作條件、工作溫度、潮濕程度、有無化學(xué)腐蝕、穩(wěn)定性要求，加溫加壓、固化的可能性，粘貼時(shí)間長短要求等因素考慮，并注意粘合劑的種類是否與應(yīng)變片基底材料相適應(yīng)。實(shí)驗(yàn)方法和步驟1〕應(yīng)變片的篩選應(yīng)變片的外觀檢查，要求其基底、覆蓋層無破損折曲；敏感柵平直、排列整齊；無銹斑、霉點(diǎn)、氣泡；引出線焊接牢固?？稍诜糯箸R下檢查，不致于微小庇病的遺漏。應(yīng)變片阻值與絕緣電阻的檢查，用萬用電表檢查應(yīng)變片的初始電阻值，對于同一測區(qū)的應(yīng)變片阻值之差應(yīng)小于±0．5歐姆，剔除短路、斷路的應(yīng)變片。2〕測點(diǎn)外表處理和測點(diǎn)定位為了使應(yīng)變片牢固地粘貼在構(gòu)件外表，需對測點(diǎn)外表進(jìn)行處理。測點(diǎn)外表處理是在測點(diǎn)范圍內(nèi)的試件外表上，用機(jī)械方法，粗砂紙打磨，除去氧化層、銹斑、涂層、油圬使其平整光潔。再用細(xì)砂紙沿應(yīng)變片軸線方向成45度角打磨，以保證應(yīng)變片受力均勻。然后，用脫脂棉球蘸丙酮或酒精沿同一方向清洗貼片處，直至棉球上看不見污跡為止。構(gòu)件外表處理的面積應(yīng)大于電阻應(yīng)變片的面積。測點(diǎn)定位，用劃針或鉛筆在測點(diǎn)處劃出縱橫中心線，縱線方向應(yīng)與應(yīng)變方向一致。3〕應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼，即將電阻應(yīng)變片準(zhǔn)確可靠地粘貼在試件的測點(diǎn)上。分別在構(gòu)件預(yù)貼應(yīng)變片處及電阻應(yīng)變片底面涂上一薄層膠水(如502瞬時(shí)膠)，將應(yīng)變片準(zhǔn)確地貼在預(yù)定的劃線部位上，墊上玻璃紙，以防膠水糊在手指上；然后用拇指沿一方向輕輕滾壓，擠去多余膠水和膠層的氣泡；用手指按住應(yīng)變片1—2分鐘，待膠水初步固化后，即可松手。粘貼好的應(yīng)變片應(yīng)位置準(zhǔn)確；膠層薄而均勻，密實(shí)而無氣泡。對室溫固化粘結(jié)劑完成上述工序后，即可自然枯燥固化，一般時(shí)間為24小時(shí)，502膠水粘結(jié)時(shí)，采用自然枯燥固化。有時(shí)為促進(jìn)固化，提高粘結(jié)強(qiáng)度，可在貼好的應(yīng)變片上墊海綿后用重物壓住；為了加快膠層硬化速度，可以用紫外線燈光烘烤。4〕導(dǎo)線焊接與固定1.應(yīng)變片2.接線端子3.測量導(dǎo)線圖3-3導(dǎo)線焊接與固定導(dǎo)線是將應(yīng)變片的感受信息傳遞給測試儀表的過渡線，其一端與應(yīng)變片的引出線相連線，另一端與測試儀表(如電阻應(yīng)變儀)相連接。應(yīng)變片的引出線很細(xì)，且引出線與應(yīng)變片電阻絲的連接強(qiáng)度較低，很易被拉斷。所以，導(dǎo)線與應(yīng)變片之間通過接線端子連接，如圖3-4所示。接線端子粘貼在測量導(dǎo)線及應(yīng)變片端頭，不應(yīng)有間距。將應(yīng)變片引出線焊接到接線端子的一端，然后將接線端子的另一端與導(dǎo)線焊接。所有連接必須用錫焊焊接，以保證測試線路導(dǎo)電性能的質(zhì)量，焊點(diǎn)要小而牢固，防止燒壞應(yīng)變片或虛焊。引線至測量儀器間的導(dǎo)線規(guī)格、長度應(yīng)一致，排列要整齊，分段固定。導(dǎo)線的固定可采用醫(yī)用膠布，704膠及橡皮泥等。5〕應(yīng)變片粘貼質(zhì)量檢查。用放大鏡觀察粘合層是否有氣泡，整個(gè)應(yīng)變片是否全部粘貼牢固，有無造成短路、斷路等部位。檢查應(yīng)變片粘貼的位置是否正確，其中線是否與測點(diǎn)預(yù)定方向重合。用萬用電表檢查應(yīng)變片的電阻值，一般粘貼前后不應(yīng)有大的變化。假設(shè)發(fā)生明顯變化，應(yīng)檢查焊點(diǎn)質(zhì)量或者斷線。應(yīng)變片與試件之間的絕緣電阻應(yīng)大于200兆歐。6〕應(yīng)變片的防護(hù)處理為了防止應(yīng)變片受機(jī)械損傷或受外界的水、蒸氣等介質(zhì)的影響，應(yīng)變片需加以保護(hù)，短期防護(hù)可用烙鐵熔化石蠟復(fù)蓋應(yīng)變片區(qū)域，長期防護(hù)可涂上一層保護(hù)膠，如502膠、環(huán)氧等，502膠可以防潮、