应变计知识简介入厂培训.ppt

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1、应变计知识简介,主讲：晏志鹏,应变计知识介绍,应变计基础知识ZEMIC应变计介绍应变计的用途,应变计知识介绍,电阻应变计是实验应力分析、测试计量技术、自动检测与控制技术以及应变式传感器的关键元件，它广泛应用于各种机械、工程结构强度及寿命的诊断与评估，也用于多种物理量的的检测和计量，实现生产过程和科学实验过程的测量与控制。详细了解应变计的特点和结构特性，准确把握应变计应用中的要点，可以有效减少电阻应变计应用中人为干扰因素的影响，提高应变计使用水平和应用精度，在功能和性能价格比方面具有重要参考价值。,应变计知识介绍,应变计基础知识,1.1 应变计的工作原理、典型结构、术语及分类,1.1.1 应变计

2、的工作原理,应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。,应变计知识介绍,求R的全微分,灵敏度系数,又,应变计知识介绍,如图所示为一种普通钢材的应力与应变关系图。应力与应变成直线关系的范围内胡克定律成立，对应的最大应力称为比例极限。=E 应力与应变的比例常数E 被称为扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。一般无法直接测量对应力，只能通过测量应变计算出应力大小。,应变计知识介绍,电阻应变计的基本结构,应变计知识介绍,应变计构造和术语,1、应变计基本构造和术语 2、敏感栅主要结构,应变计知识介绍,应变计基本构造和术语,应变计知识介绍,2、敏感栅结构示意：直线表示

3、敏感栅轴线方向，如下图所示。,应变计知识介绍,应变计的应用范围 应变计可以应用到国民经济的各个方面，如我们经常提到的衡器用传感器、力传感器、电子天平、应力分析、材料分析、强度试验、风洞试验、压力传感器、张力传感器、位移传感器、加速度传感器、力矩传感器、扭矩传感器等等，过程控制，安全生产监控，国防工业，石油化工，工程机械，车辆运输等领域，应用广阔。,应变计知识培训,典型应用,应变计知识介绍,ZEMIC应变计介绍,应变计系列介绍 应变计型号命名规则 应变计敏感栅主要结构形式和应用 应变计的主要特点,应变计知识介绍,1、应变计系列简介,我公司应变计基底材料有玻璃丝布增强环氧树脂、特种聚酰亚胺薄膜、改

4、性酚醛树脂、聚酰亚胺、玻璃丝布增强聚酰亚胺等，敏感栅材料有康铜、卡玛两种，形成了BHB、BAM、BF、ZF、BE、BQ、BA、BA150、BAB250、BB250等系列。,2.应变计型号命名规则,我公司应变计敏感栅主要结构形式和应用,应变计主要敏感栅结构形式如下图,应变计知识介绍,4.2应用,敏感栅结构形状包括敏感栅的形状、数目和方向，横栅尺寸，焊端的形状及分布，敏感栅的横向宽度等，可分为单轴应变计，多轴应变计和复式应变计。,应变计知识介绍,单轴应变计,主要特征是具有单一敏感栅，用于测量敏感栅轴线方向应变。结构型式有“AA”和“AB”两种。其中“AA”的敏感栅为单轴水平方向结构型式，可测量拉、

5、压、弯应变以及位移等；“AB”为单轴45敏感栅结构型式，可测量弯距、扭矩、剪切应变等。,应变计知识培训,双栅应变计,主要特征是有两个敏感栅，两栅轴向相互成90或0，一般情况下，使用这些应变计必须事先预知其应力或应变方向。主要的结构型式有“BB”“HA”“GB”“FB”四种。其中“BB”两栅互相垂直，即“T”型应变计，主要用于测试轴向应变和横向应变（也称泊松应变）；“HA”两栅互相垂直成90，与水平方向成45，即“V”型应变计，主要用于测量剪切应力扭矩等物理量；“GB”两栅处于同一轴向，主要用于测量处于同一轴向而受力方向不同的材料或结构。“FB”两栅互相平行，主要用于测量并排的不同梯度应力或应变

6、。,应变计知识介绍,三栅应变花,主要是测量主应力方向未知的面应力或点应力。一般情况下，在需要确定应力的材料上，粘贴应变片来测量三个方向的应力或应变，通过特定的计算公式来计算其应力大小和应力方向，三轴互相夹角有45，60或120等。主要结构型式有“BA”“CA”“CC”“CAK”“CDK”“BC”“CB”四种，其中“BA”、“CA”、“CC”用于测量平面应力，“BC”“CB”用于测量点应力，“CAK”“CDK”用于测量残余应力。,应变计知识介绍,复式应变计,复式应变计是在同一基底上将多个敏感栅排列成所需形状，且连接电路回路，它主要用于传感器制造。如圆膜片（KA）、FG、EB等，其中KA主要用于压

7、力、压强的测量。,应变计知识介绍,多轴应变计,多轴应变计又称应变花，在同一基底上有两个或两个以上敏感栅排列成不同方向，用于测定测点主应力和主应力方向。另有排列在同一方向的多个敏感栅的应变计称为应变链，用于确定应力集中区内应力分布。主要结构型式有“FD”和“GD”两种。,应变计知识介绍,应变计的主要特点,5.1应变计蠕变自补偿功能 5.2应变计温度自补偿功能,应变计知识介绍,应变计蠕变自补偿功能,传感器弹性元件因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性，表现为传感器的输出随时间增加而增加(正蠕变)。电阻应变计的基底和贴片用粘结剂具有一定的粘弹性，使应变计的输出随时间的增加而减少；而敏感栅材料存在滞

8、弹性效应使应变计输出随时间的增加而增加，迭加的结果是应变计在承受固定载荷时呈现或正或负的蠕变特性，其方向和数值可以通过改进敏感栅结构设计、基底材料配比及关键工艺参数加以调节。,应变计知识介绍,应变计知识介绍,我公司蠕变规律如下，其中N、T为蠕变标号，标号不同，蠕变数值不同。N9N7N5N3N1N0N8N6N4N2T0T2T4T6T8T1+蠕变,应变计知识介绍,应变计温度自补偿功能,安装在无任何外力作用、不受约束的试件上的应变计，当环境温度发生变化时，其电阻值也将随之改变（指示应变），被称为热输出。热输出是由于应变计敏感栅材料的电阻温度系数和敏感栅材料以及被测试件材料之间的线膨胀系数的差异共同作

9、用、迭加产生的结果。,应变计知识介绍,图4给出了几种应变合金材料对钢试件的典型热输出曲线。从图可以看出，当温度偏离参考温度时，热输出误差变大，对于静态应变精密测量和传感应用必须进行误差修正或补偿。,应变计知识介绍,图4 钢试件上不同材料的应变计热输出曲线,应变计知识介绍,由于热输出是静态应变测量中最大的误差源，并且热输出分散也会随着热输出值的增大而增大。在测试环境存在温度梯度或瞬变时，这种差异就更大。可以通过调整应变计的敏感栅材料的合金成分配比、改变冷轧成型压缩率以及适当的热处理，使敏感栅材料的内部晶体结构重新组合，改变其电阻温度系数，从而实现对弹性体或试件材料的温度自补偿功能，满足高精度应力

10、分析和传感器的要求。,应变计知识介绍,目前我公司生产有多种温度自补偿应变计，主要提供以下温度自补偿系数的应变计：9、11、16、23、27。其中，“9”用于钛合金、普通玻璃（线膨胀系数典型值为8.810-6/）；“11”用于合金钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢、镍基合金、生铁、锻铁、碳化钢、混凝土等（线膨胀系数典型值为11.310-6/）；“16”用于奥氏体不锈钢、铜基合金（黄铜除外）（线膨胀系数典型值为1610-6/）；“23”用于铝合金（退火铝除外）、黄铜（线膨胀系数典型值为23.210-6/）；“27”用于镁合金(线膨胀系数典型值为26.110-6/)。,应变计知识介绍,应变计的用途,

11、1、传感器应用 2、应力分析3、残余应力,应变计知识介绍,传感器应用,对于弯曲梁、悬臂梁、拉伸梁、柱体、圆筒体、双孔平行梁（包括各种变体）、S型拉伸梁可选用结构形式为AA、HA、AB的应变计。如果拉伸梁、柱体、圆筒体应用时采用全桥接法，有两片应变计应感受轴向应变，另两片感受横向应变，设计、计算试验梁或弹性体梁厚以及桥路接入电路时，应考虑材料泊松系数的影响。常用传感器结构示意图如图41。,应变计知识介绍,几种传感器示意图,应变计知识介绍,应变计知识介绍,应变计知识介绍,应变计知识介绍,对于双孔平行梁也可以选用结构形式为FB、GB、FG的应变计。在选片前，应预先知道所要设计梁孔中心距，以便能够准确

12、地确定应变计的敏感栅栅间距（中心距），或者根据实际的应变计栅间距，设计梁孔中心距，后一种方法更好一些，当然，具体情况具体分析。对于弯矩梁、拉伸梁也可以采用结构形式为EB的应变计。,应变计知识介绍,对于柱体、圆筒体也可以选用结构形式为BB、AA的应变计，如下图所示。,应变计知识介绍,对于扭矩梁、剪切梁、桥式结构等可选用结构形式为AB、HA的应变计。,应变计知识介绍,应变计知识介绍,15,应变计知识介绍,应力分析,应力分析主要采用应变电测的方法将构件表面的应变转换为电阻变化，再用应变仪等仪表转换为相应的指示应变，然后应用材料的一力应变关系，即本构关系转换成应力。针对不同材料和不同应力状况，又分为单

13、向应力和平面应力，下面我们就分别作以介绍。,应变计知识介绍,1）应力应变测量的目的,a.获得构件的应力应变分布资料；b.检验构件的强度储备；c.研究构件的局部位置的应力集中；d.研究构件所受的载荷状况。,应变计知识介绍,2）确定应力应变方案,根据测量目的选择点的位置，确定应变计布置方案。首先选择测量点，可以根据构件受载荷时应力分布的计算资料，在应力较大或反映应力特点的若干点布置测量点。如果没有现成的计算资料，可参考类似的构件计算或试验资料作为选择测点的依据。然后依据测点的应力状态、构件的手载情况和温度补偿的原则布置应变计。单向应力测点只需要单个应变计；主应力方向已知的，应布置互相垂直的两个应变

14、计；而主应力方向未知的，应采用三个应变计或单个应变花。,应变计知识介绍,3）单向应力应变,对于线弹性的应力应变关系，可以直接采用单轴应变计进行测量，并根据测量物体的均匀程度、测量物体的大小、测量位置的尺寸等选择不同栅长的应变计，等测量获得应变后，利用虎克定律（式41）可以直接计算材料的应力状况。E（41）其中E为材料的弹性模量，为应变计测量的指示应变。,应变计知识介绍,4）平面应变,例一：对于主应力方向未知的平面应力，必须布置三个不同方向的应变计或采用三轴应变花。如图41所示，沿任意三个方向1、2、3粘贴三个应变计，分别测出三个应变1、2、3，根据应变状态理论公式：i=(x+y)/2+(x-y

15、)/2cos2i+(xy/2)sin2i(42）式中i分别代表1、2、3，这样得到三个公式，就可以解出三个未知量x、y、xy，再由它们计算出主应变1、2和主方向和x轴的夹角：,应变计知识介绍,1、2（x+y）212（(x-y)2xy2（43）12tg-1xy/(x-y)(4-4)将1、2代入公式（45）就可以求出主应力大小。1=E(1+2)/(12)2=E(2+1)/(12)（45）式中E为材料的弹性模量，为泊松比。,应变计知识介绍,图41 主应力方向未知时的应变计粘贴,实际上为了方便计算，我们总是将应变栅的夹角选取特殊的角度，如0、45、90或0、60、120等，形成特制的应变花，如我公司的

16、CA、CE、CC结构的应变计均为此类型。,应变计知识介绍,例二：双向应力状态,2、主应力方向未知,、,、,应变计知识介绍,应变计知识介绍,常见应变花,应变计知识介绍,5）点应力,点应力测量与平面应力相似，主要区别是应变计的敏感山一般较短或采用重叠花应变计，计算方法类似，在此不再累述。我公司目前有BC、CB两种结构的重叠花应变计。,应变计知识介绍,3、残余应力,在构件加工（如铸造、滚轧、焊接、冲压、锻造、材料成形、机械加工和热处理等）过程中，由于高温、载荷等作用，在构件成型后，其内部形成料残余应力。严重时，再无任何外部载荷的情况下，构件也会损坏，因此，为了保证构件安全使用，往往需要测定构件的残余

17、应力值，以确定构件是否可以正常使用。人们一般采用电阻应变计通过钻孔释放残余应变的办法来确定残余应力。残余应力应变计的构造基本上和通用的三轴应变花相同，只不过在三轴相接处设计了一个供钻孔定位用的直径为1.53mm的圆或圆心标记。其应力计算方法同未知应力方向的平面应力相同，可以作为参考。,应变计知识介绍,4、应变计的桥路,在应变电桥中，根据不同的应用情况，按应变计在桥臂中的数量可分为单臂接法（1/4桥）、半桥接法（1/2桥）和全桥接法三种情况。,应变计知识介绍,应变计知识介绍,在实际应用中，可以根据不同的使用要求、环境条件、试验方法等选择相应的惠斯通电桥以及计算方法、修正方法，以提高测试、试验的准

18、确度，满足各自物理量的精度要求。当然由于应变计桥路应用条件的千差万别，使用时需要考虑各种因素的影响，采取不同措施对其进行补偿或修正，例如桥路的线路补偿、温度补偿、导线电阻修正、电磁影响修正等，否则，均会产生较大的测量结果误差，具体情况具体分析。,应变计知识介绍,传感器桥路补偿电路原理图,其中：R1 R4-桥路应变计Rt-零点温度补偿 Ra-零点输出调整电阻 Rm-灵敏度温度补偿电阻 Rl-线性补偿电阻,应变计知识介绍,应变计使用方法,1、应变计的粘结技术及防护 在电阻应变计的各种安装方法中，粘贴法应用最多。应变计粘贴质量的好坏，是决定应变测试成功与否的关键因素之一，粘贴时必须严格按照粘贴的工艺

19、流程进行操作。,应变计知识介绍,1.1应变计的粘贴工艺流程及防护,1）步骤(1)应变计选择(2)胶粘剂选择(3)构件打磨(4)表面清洗(5)画线定位(6)应变计清洗(7)涂敷底胶(8)应变计粘贴(9)加温固化(10)贴片质量检查(11)引线连接(12)质量检查(13)常温及温度性能补偿(14)质量检查(15)性能测试(16)防护处理。2）根据用途，参照应变计主要技术参数及选择表，选择不同系列的应变计。,应变计知识介绍,贴片示意,应变计知识介绍,导线的连接与固定,应变计知识介绍,问题思考和讨论：1、对应变计认知状况。2、结合所学专业或已有知识，认为自己可以是从哪些方面融入应变计制造和研究？3、假如你是一位应变计工程师，如何最大限度运用所掌握的知识与应变计知识结合？后续工作和学习，你会怎么做？,应变计知识介绍,END,