應力應變測試技術

關于應力應變測試技術第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

第一節(jié)電阻應變片電阻應變式傳感器可以用于測量應變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。具有體積小、動態(tài)響應快、測量精確度高、使用簡便等優(yōu)點。在航空、船舶、機械、建筑等行業(yè)里獲得廣泛應用。電阻應變式傳感器可分為金屬電阻應變片式與半導體應變片式兩類。第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

一、金屬電阻應變片

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

金屬絲電阻應變片(又稱電阻絲應變片)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，由引出導線接于電路上。第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術金屬箔式應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制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約1—10μm，散熱好，粘結(jié)情況好，傳遞試件應變性能好。因此目前使用的多系金屬箔式應變片。第4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

R＝ρl／A

當每一可變因素分別有一增量dl、dA和dρ時，所引起的電阻增量為:

式中：A=πr2，r為電阻絲半徑，πr3第5頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

電阻的相對變化率

式中-----電阻絲軸線相對變形，或稱縱向應變

-----電阻絲軸線相對變形，或稱橫向應變

當電阻絲沿軸向伸長時，必沿徑向縮小，兩者之間的關系為

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力σ有關。第6頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

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。從而得到：第7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術(1十2μ)ε項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項是由電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的。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變成正比第8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

電阻應變片的應變系數(shù)或靈敏度。

用于制造電阻應變片的電阻絲的靈敏度S，多在1.7—3.6之間。

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

第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術第9頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

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

從半導體物理可知，半導體在壓力、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，單晶半導體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導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10頁,共46頁，2024年2月25日，星期天

分析表明，單晶半導體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導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。對半導體面言，后者遠遠大于前者，它是半導體應變片電阻變化的主要部分，故上式可簡化為

第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)電阻應變片第七章應力應變測試技術

半導體應變片靈敏度這一數(shù)值比金屬絲電阻應變片大50一70倍。半導體應變片優(yōu)點：靈敏度高，機械滯后小、橫向效應小、體積小等。缺點：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)以及在較大應變作用下，非線性誤差大等，這些缺點給使用帶來一定困難。

應變片的后續(xù)電路為電橋電路。第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術第二節(jié)應變片的主要特性一橫向效應二溫度誤差及其補償?shù)?3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術（一）橫向效應敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應變ε，電阻圓弧段：沿軸向壓應變εr

電阻Klεrε回線式應變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε第14頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術

應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，從而降低了整個電阻應變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小。第15頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術（二）溫度誤差及其補償

1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環(huán)境溫度變化△t時，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。當溫度變化△t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化溫度誤差

第16頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術相應的虛假應變輸出可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為第17頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術溫度補償

單絲自補償法自補償法組合式自補償法線路補償法〔電橋補償法、熱敏電阻〕溫度補償?shù)?8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術

①電橋補償法

R1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R被測試件補償塊第19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術電橋補償法優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好，缺點：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。第20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術

②應變片的自補償法

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

第21頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術a.選擇式自補償應變片

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

即可達到溫度自補償?shù)哪康摹?yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術b.雙金屬敏感柵自補償應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變片的溫度自補償，可達±0.45μm/℃的高精度第23頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)應變片的主要特性第七章應力應變測試技術③熱敏電阻補償

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK第24頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術第五節(jié)電阻應變片的應用第25頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

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單獨作用的疊加。桿件在P、M單獨作用下其上下表面的應變?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26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

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變?yōu)椋旱?7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

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：儀器的應變讀數(shù)為：具有溫度補償功能第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

2、拉力P的測量溫度補償需在補償板上另貼兩片月R2’、R2”串聯(lián)組成補償橋臂第29頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

二、其他測量實例1

應變式力傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；柱式力傳感器第30頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

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32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

b0R1R2XlFbh②等強度懸臂梁第33頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

③雙端固定梁第34頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

3薄壁圓環(huán)式力傳感器在外力作用下，各點的應力差別較大第35頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

BK-2S稱重傳感器產(chǎn)品詳細介紹

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36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

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，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℃

允許過負荷120%FS熱零點偏移（%FS/10℃）第37頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

4.應變式壓力傳感器εtεr膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器R4R3R1R2

UU0第38頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

5.筒式壓力傳感器

測較大壓力機床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定第39頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

6.組合式壓力傳感器應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。其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。第40頁,共46頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)電阻應變片的應用第七章應力應變測試技術

7.AK-1型