电阻应变片构造及工作原理ppt课件.ppt

实验力学,Expermental Mechanics,内蒙古工业大学力学系,第二篇 电阻应变测量技术,主要内容,电阻应变片,电阻应变测量技术简称为电测法。主要用于测量试件表面的线应变。,电阻应变仪,静态应变测量,动态应变测量,电阻应变计,电阻应变计,电阻应变仪，电桥,电 桥 盒,电测法的特点：,1、优点：（1）灵敏度与精确度高（最小读数为一个微应变 ）；（2）实测；（3）易安装；（4）特殊环境（高温、高压、高频）；（5）自动化处理（由于输出的是电信号，容易实现自动化）。2、缺点：（1）点测（若分析应力在平面上的分布情况，需要大量的应变片）；（2）用于宏观测量（最小的应变片长约为0.2mm）。,电阻应变测量系统,电阻应变片将构件的应变转换为电阻变化。电阻应变仪将此电阻变化转换为电压（或电流） 的变化，并进行放大。记录器记录器把电压记录下来，并换算成应变。,4-1 电阻应变片的构造及工作原理,实验表明：绝大多数金属丝受到拉伸时，电阻值会增大，缩短时电阻值会 减少，这种电阻值随变形发生变化的现象，叫做电阻应变效应。,一、金属丝的灵敏系数,金属丝材的电阻应变效应曲线,金属丝材在一定的变形范围内，电阻值的相对变化（电阻变化率）与其长度的相对变化（应变）之间保持线性关系。,1、实验结果,金属丝的电阻应变效应可用下面公式来表达：,R 表示长为L的丝材的初始电阻。 R 表示丝材伸长L后电阻的变化。K0的物理意义每单位应变所造成的相对电阻变化。即金属丝电阻 变化率对应变的灵敏程度-简称为灵敏系数。,2、公式 的理论推导,电阻定律：,电阻率导线长度 横截面积,当导线有应变时， 均有改变，但变化非常小，所以用上式的微分形式表示：,设丝栅的横截面是圆，且直径为D,对于单向应力状态：,灵敏系数（1）与材料有关 即与合金的成分、含杂质情况、加工成丝的工艺及热处理过程等有关。（2）与电阻率随应变的变化情况有关 但电阻率到底依什么规律随应变发生变化，至今尚未圆满的解释。（3）各种材料的灵敏系数均由实验测定。,应变片的构造很简单，把一根很细的具有高电阻率的金属丝绕成栅状，用胶水粘在上下两层薄纸之间，再焊上较粗的引出线，就成了常用的丝绕式应变片。,丝绕式应变片,1覆盖层 2基底 3引出线4粘结剂 5敏感栅,二、电阻应变片的构造,三、常用电阻应变片的类型,1、丝绕式应变片： 优点：价格便宜（约3-4角钱一片），容易安装。 缺点：基底是纸基片，所以耐湿性差，需要干燥保存。 横向效应系数大，当栅长L越小时，H将急剧增加。 难以制成小栅长（一般不小于2 mm），主要用于 建筑工程上，由于建筑上一般是非均匀材料，应 变片贴在石子上、钢筋上还是混凝土上其应变大 不相同。,2、短接式应变片： 把几条金属丝按一定间距平行拉紧，然后按栅长大小 横向焊接较粗的镀银铜线，在适当处切出若干断口， 形成敏感栅的横向部分和引出线，再粘上胶膜基底经 加温固化而成。,优点：横向效应系数很小，可以忽略。缺点：由于内部焊点多和焊点处截面变化剧烈，因而这种应 变片的疲劳寿命短。,优点：栅长尺寸小，可达到0.2 mm 。 散热性能好，因箔式应变片丝栅截面为矩形，故丝栅周表面 积大，因而散热性能好。 横向效应系数小，因敏感栅横向部分的间隙很小。 基底是胶基片，所以耐湿性好，绝缘性好。 便于成批生产，生产率高。缺点：价格较贵。,3、箔式应变片： 将应变合金扎制成厚度小于0.01mm的箔材，经一定热处理后， 涂刷一层树脂，经聚合处理后形成基底。然后在未涂的一面用 光刻腐蚀工艺得到敏感栅，焊上引出线，再涂一层表面保护。,4、半导体应变片： 半导体应变片的敏感栅只有一条，由单晶硅一类的半导 体材料制成，粘上胶膜基底，装上内、外引出线即可。,1 硅条， 2 内引线3 基底， 4 外引线,优点：a、灵敏系数大 比前三类应变片的灵敏系数大五十倍以上， 当它承受轴向应力时，电阻率会发生明显 的变化，从而造成电阻的变化。,b、横向效应和机械滞后小,半导体应变片的电阻变化率 非常大，,由于半导体材料的压阻效应很大，以致上式中（1+2）一项可忽略,半导体应变片的灵敏系数,缺点：a、半导体应变片的应用范围窄 半导体应变片的灵敏系数仅在不大的应变范围内保持常数， 而且在此范围之外，拉或压应变时的灵敏系数不同，所以应 用范围窄。 b、灵敏系数随温度而变化 灵敏系数受温度的影响，随温度的增加而减少。,5、应变花： 将几个敏感栅制在同一基底上，敏感栅由于采取了特殊角 布置方式，就形成了各种形式的多轴应变片或称为应变花。 用应变花可测量同一点几个方向的应变及一点的主应变和 主方向。,花 三个敏感栅之间的夹角各为 花 三个敏感栅之间的夹角各为,按应变片的方位可分为：直角应变花 二个敏感栅之间的夹角为 花 三个敏感栅之间的夹角各为,四、应变片的灵敏系数 用应变片进行应变测量时，应变片中金属丝需要一定的电压， 为了防止电流太大，产生发热及熔断等现象，要求金属丝有一 定的长度，以获得较大的初始电阻。但在测量构件的应变时， 又要求尽可能缩短应变片的长度，接近于真实“一点”的应变。 这两者之间出现矛盾，为了满足两方面的需要，把应变片做成 栅状（称为敏感栅）。,一般应变片的灵敏系数由制造厂家实验测量，称为应变片的标定。厂家采用抽样方法，在每一批相同条件下生产的应变片中抽出1%样品进行实验，取其平均值作为这一批应变片的灵敏系数。,实验过程： （1）抽样；（2）应变片的安装； 将样品安装于简支梁中间截面的上、下表面，并使应变片的栅长 方向与梁的轴线方向重合，当梁受载后，在纯弯区域内，梁的上 下表面是一个单向应力状态。（3） 值的测定： 沿梁轴线方向安装一个三点挠度计，当梁受力变形后，挠度计上 千分表的读数f 与梁的轴向应变 有如下关系：,由变形的对称性可看出，跨度中点截面的转角为零，挠曲线在跨度中点处的切线是水平的，所以梁可看作长为 ，自由端受集中力偶的悬臂梁，由材料力学可知：,在纯弯区域内，梁轴线变形后的曲率：,梁跨度中间截面上、下表面处的应变：,梁自由端的挠度：,（4） 值的测定； 将安装在梁上的应变片作为工作片和另外一个补偿片接入电 阻应变仪中，把应变仪上的灵敏系数刻度盘转到 上， 应变仪可测出 ，则可得：,（5）计算：,五、应变片的横向效应系数及其影响 横向效应系数是衡量应变片好坏的另一个重要指标。横向应 变将影响到测量数据，所以横向应变越小越好，最好是零。 1、定义： 横向效应系数是在单向应变状态中，应变片沿栅宽和栅长方 向电阻变化率之比。,H值的实验测定：在单向应变状态中分别贴两个相互垂直的应变片， 试件沿x轴方向刚度较小，较易变形 ， 沿y轴方向刚度较大，变形很小 ，所以可 认为在工作区为单向应变状态。, 2片沿x轴方向的电阻变化率。, 1片沿x轴方向的电阻变化率。,2、丝绕式应变片横向效应系数的公式推导 将两枚应变片相互垂直地安装在单向应变场内，且应变片轴线与应 变x平行或垂直。,设应变片丝栅每单位长度的电阻值为。,第1片应变片： 栅长L有n条，初始电阻为 。电阻改变量 。,设弯头部分是半径为r 的半圆弧，有n-1个弯头，初始电阻为 。求（n-1）个弯头电阻的改变量,（1）求微段rd上的电阻改变量 当d极小时，可用过A点的一段切线代替rd，过A点的 一段切线与x轴之间的夹角为，这段丝栅承受的应变为：,rd微段上电阻的改变量为：,（2）一个弯头电阻的改变量,（3）（n-1）个弯头电阻的改变量为：,第2片应变片： 栅长L有n条，初始电阻为 ，电阻改变量 。 n-1个弯头，初始电阻为 。 求（n-1）个弯头电阻的改变量,（1）求微段rd上的电阻改变量 当d极小时，可用过A点的一段切线代替 rd，过A点切线与x轴之间的夹角为 这段丝栅承受的应变为：,（2）一个弯头电阻的改变量为：,（3）（n-1）个弯头电阻的改变量为：,横向效应系数H的计算,第1片：,第2片：,rd微段上电阻的改变量为：,弯头,弯头,直线段,直线段,当栅长L越大而弯头半径r 越小时，横向效应系数H值就越小。,第1片：,第2片：,2、横向效应系数对测量值的影响,（a）敏感栅的电阻变化率,为了求解一般平面应变状态下应变片的灵敏系数，首先求解敏感栅的电阻变化率。,设在应变测量时，构件表面处于二向应变状态，且主应变 、 主应变方向分别取为 、 方向。,（1）、一般平面应变状态下应变片的灵敏系数,一枚丝绕式应变片与x轴的夹角为，沿其栅长与栅宽方向的应变记为 和 。敏感栅电阻变化可按直线部分和弯头部分分别考虑。,直线部分电阻变化为：,弯头部分的电阻变化 如图（b）将一个弯头放大，设弯头可当作半圆弧，半径为r。 求微段rd的电阻变化 当d极小时，用过A点的一段切线代替rd，它与x轴的夹角（+）,rd段丝栅的应变为：,rd段丝栅的电阻变化为：,一个半圆弧的电阻变化为：,上式利用了弹性力学公式：,（n-1）半圆弧的电阻变化为：,敏感栅的电阻变化率为：,应变片的轴向灵敏系数,应变片的横向灵敏系数,敏感栅仅受到 作用（ ）时的电阻变化率,敏感栅仅受到 作用（ ）时的电阻变化率,对于垂直安装的片2： ，电阻变化率为：,对于水平安装的片1： ，电阻变化率为：,横向效应系数等于横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比,（b）用横向与轴向灵敏系数表示横向效应系数,表示应变片的横向应变与轴向应变之比,a与应变场的特征和应变片安装方位有关。,它表明应变片表现出的对应变的灵敏度是有条件的，除了取决于敏感栅的材料、形状外，还与被测点应变状态的特征和应变片安装方位有关。,表达了一般情况下的应变片灵敏系数,（c）一般平面应变状态下的应变片的灵敏系数,制造厂给出的灵敏系数，只是一般情况下的应变片灵敏系数的一个特例，厂家在对应变片进行标定时，应变片所处的是单向应力状态，,（2）、生产厂给出的灵敏系数,（3）、横向效应系数对测量值的影响,一般情况下应变片的灵敏系数 与厂家在对应变片进行标定时给出的灵敏系数 之间是有差别的，若不顾这一差别，则所测得的应变值是有误差的。,用厂家在标定时给出的灵敏系数进行测量时应变仪的读数。,应变仪读数与欲求应变的相对误差为：,（1） 引起读数误差的原因之一是横向效应系数。（2） 单向应力状态 只要被测点的应变与应变片标定时相同是单向应力状态，则引 起的读数误差为零。即 时，则 。（3）除以上两条外，读数误差必存在。 读数误差的修正公式为：,（4）、引起误差的原因,六、应变片的工作特征 应变片性能的好坏直接影响应变测量的精确度，因此，应对 应变片的性能（工作特性）提出一些要求。 1、应变片的几何尺寸： 指标距，从道理上讲是越小越好，标距越小就越接近于一点， 但建筑上测钢筋混凝土的应变值时，尺寸必须大。,2、应变片电阻： 指应变片没有安装、也不受力的情况下，在室温下测定的电 阻值。3、灵敏系数： 在单向应力状态下，应变片电阻的相对变化与沿其轴向的应 变之比值称为灵敏系数。它经抽样标定，制造厂在包装上注 明灵敏系数，灵敏系数在2左右。,4、机械滞后： 在温度不变的情况下，对安装有应变片的试件加载测应变值 ， 然后卸载，再加载到同样外力下，再测应变值 ，机械滞后 机械滞后现象总是存在的，但经多次加载、卸载之后便趋于 稳定，所以在使用应变片正式测量之前，最好先预加载几次。5、绝缘电阻： 指应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值。绝缘电阻 作为安装应变片时粘结层固化程度和是否受潮的标志。绝缘电 阻一般大于100M。,6、蠕变： 在温度不变的情况下，使安装有应变片的试件表面产生某一恒 定的应变，应变片的指示应变将随时间稍有下降，此现象称为 应变片的蠕变。,7、横向效应系数： 横向效应系数H越小越好。8、应变极限： 温度不变，使试件应变逐渐加大。当应变片的指示应变与试件 实际应变的相对误差达到某规定值时，此时的试件应变为该应 变片的应变极限。在一批应变片中，按一定比例抽样测定应变 片的应变极限值，取其中最低的应变极限值，定为这批应变片 的应变极限。9、疲劳寿命： 已安装的应变片，在一定幅值的交变应变作用下，不致发生机 械的或电气的损坏，而且其指示应变和真实应变的差值不超过 某一规定数值的应变循环次数，为该应变片的疲劳寿命。在静 态应变测量时不要求此参数。,贴应变片是测量准备工作中最重要的项目。在测量中，构件表面的变形通过粘结层传给敏感栅。显然，只有粘结层均匀，结实，不产生蠕滑，才能保证敏感栅如实地再现构件的变形。因此，精心粘贴很有必要。应变片的粘贴靠手工操作，手工是否准确应在实践中体会和积累经验。,七、应变片的粘贴与防护,（一）、选片： 用放大镜检查应变片的外观，剔除那些敏感栅有形状缺陷，片内 夹有气泡、霉斑、锈点等缺陷的应变片。然后用万用表测量应变片 的阻值，选阻值越接近的越好。,（二）、构件表面情况处理： 1、打磨：最好用中粒度砂布与应变片粘贴方向成45交叉打出一些 条纹，这样可以加强胶的附着力。 2、划线：用刻线机在构件表面测点处划出细微的十字形定位线。 3、擦洗：用脱脂棉球蘸丙酮等挥发性溶液擦洗测点处表面，直至棉 球上无污字为止。,（三）、粘贴应变片： 1、观察应变片： 看清贴片的位置及方向，应变片的引出线应朝上。 2、贴片： 在已清洗过的贴片处涂一层薄薄的粘合剂，在应变片上放一层透 明的塑料薄膜，然后用手指滚压，挤出多余的粘合剂及气泡，并 注意应变片的位置和方向不能移动。 3、固化： KH502胶是我国目前在应变测量中应用最广泛的粘合剂，在室温 下它能吸收周围环境中的微量水分加速聚合反应而固化，在数分 钟内即可将应变片粘牢，再经过10-24小时就能完全固化以达到 最高粘合强度。,（四）、导线的固定和焊接： 1、绝缘处理 待粘合剂稍干后，用镊子轻轻地将引出线拉离构件表面，防 止粘固在构件上。在每个应变片的引出线下面贴一块绝缘胶 布，用以防止引出线和金属构件短路。,2、导线的固定 实验过程中，为了防止干扰信号对测量的影响，导线可用胶布 固定在被测构件上。3、焊接 焊接导线时，要求将焊点焊透，不能虚焊，否则会使导线时通 时断，产生虚假信号，甚致使测量电路失去平衡。,（五）、检查： 1、用万用表测应变片的电阻值，一般在120 左右。 2、用高阻表测应变片的引出线和金属构件之间的绝缘电阻，一般 应大于100M。,（六）、应变片的防潮保护： 1、封蜡 在室内进行静态应变测量时，只需在应变 片和裸露在外的焊点处封以石蜡（或凡士林）即可。 2、防潮 在雨季野外测量或进行动态应变测量时，可采用硅橡胶和环 氧树脂等防潮剂。,