第9章 应力测量.ppt

工程测试技术 9 应力测量 应变量电测法的优点： 1、应变计尺寸小、重量轻，粘贴在构件表面上，对构件的工作状态和应力分布影响很小； 2、测量范围广，能测量静应变和动应变； 3、用途广，可直接测量应变，还可以制成测量各种物理量的传感器； 4、测量精度较高，一般误差可小于1%； 5、输出量为电信号，可直接输入电子计算机进行数据处理，实现测量过程自动化。 9.1 测量系统 测量零件或部件上的应变量电测法的测试系统如图： 9.1 测量系统 9.1.1 电阻应变计 1、电阻应变计的工作原理——基于金属导线的应变-电阻效应，即当金属导线受力产生机械变形时，它的电阻发生变化。 金属导线的电阻值R 如果金属导线沿其轴线方向 受力而产生变形，则其 电阻值也随之发生变化， 这一物理现象被称为金 属导线的应变-电阻效应。 9.1 测量系统 将上式取对数进行微分后得： dL/L 为金属导线的长度相对变化，用应变量ε来表示 dA/A为导线截面积的变化，对于圆形截面的导线，若其直径为D ，则 导线直径的相对变化 （μ为导线材料的泊松比），上式可得： 在一定的应变范围内，金属丝的电阻率相对变化与他的体积相对变化有下列关系： 9.1 测量系统 式中：c——对于一定的金属材料和加工方法来说是常数。 整理以上各式，得 设 则 K称为灵敏系数，在一般情况下为常数。 由上式看出，金属导线受力变形后，由于其几何尺寸发生变化，从而使其电阻发生变化。如果将一根直径较细的金属丝粘贴在工件的表面上，利用金属丝的应变-电阻效应，把构件表面的应变量直接变为电阻的相对变化量，这样就可以用电测的方法来进行应变测量。电阻应变计就是利用这一原理而制成的传感元件。 9.1 测量系统 2、电阻应变计的结构与分类 电阻应变计一般由感应栅、基底、盖层、粘结剂和引线等组成。 感应栅是把应变量变换成电阻变化量的主要部分，一般是由金属或半导体材料制成的单丝或栅状体。 基底是用以保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置的部分。 盖层是用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。 粘结剂是具有一定电绝缘性能的粘结材料， 用它将敏感栅固定在基底上，或者将应变 计的基底固定在被测试件的表面上。 引线是用以从敏感栅引出电信号的丝状或带状 的导线。 9.1 测量系统 应变计的分类：按敏感栅的材料不同可分为金属电阻和半导体应变计两大类；按敏感栅的形状不同可分为丝式和箔式电阻应变计两类；按基底材料不同可分为纸基、胶基和金属基底三大类；按使用方式不同可分为粘贴式、焊接式、喷涂式和埋入式四类；按使用温度不同可分为低温、常温、中温和高温四类。 箔式应变计的敏感栅使用高阻值的金属片经光刻腐蚀成栅状。箔片常用的材料是很薄的（0.002~0.005mm）康铜、镍铬合金，比较柔软，可粘贴于复杂形状的构件表面，较真实地反映其应变值。粘贴牢固、散热性好、疲劳寿命长、蠕变小等优点，所以目前广泛采用。 半导体电阻应变计的敏感栅是一狭长的单晶硅半导体，硅片两端有黄金膜，引线自黄金膜上焊出。一般可在传感器中用作敏感元件。 9.1 测量系统 3、电阻应变计的工作特性 工作特性是为了满足实际测量工作的需要而规定的。下面介绍常温下应变计的工作特性。 应变计的电阻值——室温时应变计未经安装且不受外力的情况下，所测量的电阻值。国家推荐的标准电阻值：60、120、200、350、500、1000 Ω。在允许通过同样电流的情况下，选用较大的电阻可以提高测量敏感度。常用应变测量仪器的桥臂电阻习惯上按120Ω设计，故120Ω的电阻应变计是最常用的应变计。 应变计的灵敏系数K——在应变计轴线方向的单向应力作用下，应变计电阻的相应变化与安装应变计试件轴向应变的比值，即单位应变所引起的电阻相对变化。 9.1 测量系统 灵敏系数K取决于材料特性μ和c，当材料进入塑性变形范围，泊松比μ≈0.5，在弹性区时μ=0.2~0.4，即体积基本不变，K≈2.0。 实验表明，大多数金属导线在弹性范围内电阻的相对变化与应变量之间的关系是线性的，即K为常数。特别应当指出，康铜的灵敏系数K从弹性区到塑性区基本保持不变。因此大应变的应变计常用康铜制成。 绝缘电阻值——应变计的灵敏栅和引线与被测试件之间的电阻值，一般要求在500MΩ以上。绝缘电阻低，使测量灵敏度下降，并引起零漂。提高绝缘电阻的途径，主要是选用电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料，采取防潮措施等。 机械滞后——应变计安装在构件上，在恒温条件下加载和卸载过程中，在同一机械应变量作用