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第二章 应力和应变的电测 第二章 应力和应变的电测 * 山东大学模具工程技术研究中心 电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。应变测试技术的应用：应力、应变、力、扭矩、压强、位移、温度、加速度等 。 一、电测法的优点： 灵敏度高: 1-5με 非线性小，电阻的变化同应变成线性关系。 应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为0.1~0.2g），惯性小，频率响应好，可测0-500kHz的动态应变。 误差小，整个测量系统的误差可控制在1%以内。 测量范围广，一般测量范围为2×105~10-4量级的微应变。 能适应复杂的环境。 方法易掌握，便于推广。 二、电测法的缺点： （1）不适于测整体应力分布 （2）仪器接线多 （3）易受干扰 应力和应变电测的基本原理：将金属细丝粘贴在被测零件上，金属丝受力变形后其电阻也发生相应的变化，测电阻的变化就可测出应变值。测应力用虎克定律计算。 转换器：电阻应变片 测量线路和放大器：电阻应变仪 记录仪：光线示波器等 2.1 电阻应变式传感器--应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。 三、应变片的结构 丝绕式应变片的构造示意如下图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成形如栅栏的敏感栅。 b l 1-基底 2-电阻丝 3-覆盖层 4-引线 电阻丝应变片的基本结构 3 1 4 1) 工作原理 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数 金属应变片的电阻R为 代入 有： 金属丝： 金属丝体积不变： 有： 对金属材料，导电率不变： 金属丝应变片： 讨论: (1)其本身有两项构成: 其尺寸部分引起:(1+2μ)ε; 电阻率引起的,其变化规律有待探讨; (2)电阻丝的灵敏系数在一定范围内可看作是一常数,该系数一般可由实验获得. 2) 应变片的主要参数 a）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。 b）电阻值：应变计的原始电阻值,应变片的标准名义电阻值通常为60、120、350、500、1000?五种，一般为120Ω。 c）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 在单向应力状态下的标准标定装置上(纯弯曲梁或等强度梁,钢材的泊松比为0.285)用实验方法确定的。测量时应变片沿梁的主应力方向粘贴,应变片的相对电阻变化与粘贴处的表面应变之比为其灵敏系数;生产单位在每批次中按一定比例抽样检查,取其平均值作为产品的灵敏系数。 d)最大工作电流 e)温度效应 (1)温度变化引起的电阻变化 (2)被测试件与应变片膨胀系数不同引起的附加应变 考虑进行补偿：桥路补偿（常温下测量）、用温度自补偿片（高温下测量） 应变片的主要参数 f）横向灵敏度： 由于由于丝栅圆弧段的存在，电阻丝的变形不但受轴向应变εx的作用，同时也受横向应变εy的作用。 横向灵敏系数 轴向灵敏系数 横向灵敏度： K0—应变片的灵敏系数 不仅与丝栅的材料、形状有关，而且与应变场的比值有关。应变场的影响直接与横向影响灵敏度的大小有关。 一般H5% 横向效用的影响与修正 应变片的横向效应的修正 应变片出厂时给出的应变片的灵敏系数K，是在标定梁上抽样标定的，即在εy/εx=-μ 条件下得到的 实测中，以K来代替K0，则仪器的应变读数为 其相对误差： 为消除横向效应的影响，沿两个方向贴片测量： g）其它： 表示应变计性能的参数 工作温度 机械滞后 蠕变、零漂 疲劳寿命 频率响应特性等 四、 应变片的种类: （1）丝绕式应变片 （2）短接式应变片 优点：克服了回线式应变片的横向效应。 缺点：在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。 （3）箔式应变片 利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成。 （4）应变花 （5）半导体应变计 简化为： 优点：灵敏度大,体积小。 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 ?为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关。 用半导体材料(锗或硅)作为敏感元件。 受应变后，其电阻率会发生变化，其电阻值也会随之改变——压阻效应。 金属应变片 五、应变片的选用 1、构件的工作条件 （1）静态载荷：铜镍合金（康铜） 动态载荷：镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金 （2）工作温度 表2-1 电阻丝合金材料使用温度 表2-2 基底材料的耐温范围 （3）湿度 2、测点的应力状态 （1） 应力梯度变化大的：小标距