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090422应变片基本原理培
应力分析系统培训——原理部分
戚宇君 市场及技术支持部
2009年4月22日
什么是应力
“应力” 是在施加外力的影响下物体内部产生的力。如图示,在柱体的上面向其施加外力P 的时候,物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力―内力。内力被物体(这里是柱体)的截面积所除后得到的值(单位截面积上的内力)即是“应力”(单位为Pa(帕斯卡)或N/m2)。如圆柱横断面积为A(m2),所受外力为P(N 牛顿),由外力=内力可得,应力为:
什么是应变
棒被拉伸的时候会产生伸长变形Δl,棒的长度则变为l+Δl。这里,由伸长量Δl 和原长l 的比所表示的伸长率(或压缩率)就叫做“应变”,记为ε。
棒在被拉伸的状态下,变长的同时也会变细。直径为d0 的棒产生Δd 的变形时,直径方向的应变如下式所示。
应变属于无量纲数,没有单位。由于量值很小,通常用1×10−6(百万分之一)“微应变”表示或um/m。
泊松比
轴向应变与横向应变的比称为泊松比,记为ν 。每种材料都有其固定的泊松比,且大部分材料的泊松比都在0.3 左右。
杨氏模量
各种材料的应变与应力的关系已经通过实验进行了测定。图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。
应力与应变的比例常数E 被称为弹性系数或扬氏模量,不同的材料有其固定的扬氏模量。
应变的大小
举例:从每边长1cm的铁棒上面垂直施加10kN(约1020kgf)的力时,会产生多大的应变呢?
应力:
应变:
这里有多少个物应变?!
应变片
一般的应变片是在基底材料上(15-16μm)上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅(3-6μm),然后再覆盖上一层保护的覆盖构成。
使用时我们将应变片贴在被测定物上,使其随着被测定物的应变一起伸缩,这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。(很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之正比变化)应变片就是使用这个原理,通过测量电阻的变化而对应变进行测定。
应变片
R:应变片原电阻值Ω(欧姆)
ΔR:伸长或压缩所引起的电阻变化Ω(欧姆)
K:比例常数(应变片常数)(金属应变计该系数一般在2左右)
ε:应变
电阻变化与应变的关系
如果一个120欧姆的应变计接受1000个物应变的变化,相对产生的电阻变化为多少?!
应变片的变化范围
我们来计算120 欧姆的应变计接受1000个物应变应变产生的电阻的变化。
电阻变化率为
惠斯顿电桥
惠斯顿电桥
惠斯顿电桥适用于检测电阻的微小变化,应变片的电阻变化也用这个电路来测量。如图示,惠斯顿电桥由四个电阻组合而成。
如果
R1 = R2 = R3 = R4
则无论输入多大电压,输出电压e 总为0,这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏,就会产生与电阻变化相对应的输出电压。
惠斯顿电桥通常如何使用
四分之一桥输出电压:
全桥输出电压:
第一种半桥桥输出电压:
第二种半桥桥输出电压:
温度补偿
半桥方式温度补偿:
使用两枚应变片的半桥法。如图示,
在被测物上贴上应变片(A),在与被测物材质相同的材料上贴上应变片(D),并将其置于与被测物相同的温度环境里。
如示,将两枚应变片联入桥路的相邻边,这样因为(A),(D)处于相同的温度条下,由温度引起的伸所量相同,即由温度引起的应变相同,所以由温度引起的输出电压为零。
第一种半桥桥输出电压:
温度补偿
在热膨胀系数为β s 的被侧物表面贴上敏感
栅热膨胀系数为β g 的应变片。则温度每变化1 度,其所表现出来的应变εT 如下式所示。
α:电阻元件的温度系数
Ks : 应变片的应变片常数
上式中,Ks 为由敏感栅材料决定的应变片常数,β s,β g分别为由各自材料决定的被测物与敏感栅的热膨胀系数,
这三项均为定值,如果可以调整α就可以使由温度引起的应变变为零。
在箔材的制作过程中可以通过热处理对α 的值进行控制。而且它是与特定的被测物的热膨胀系数β s 相对应的。 如果α选型错误 ,不仅不会补偿温度引起的应变还会引起较大的测量误差。
图示单应变片双线的联接方式将导线的电阻全部串联入了应变片中。导线较短时不会有太大的问题,但如果导线较长就会产生影响。导线所使用的铜的电阻温度系数3.93×10−6 / 。C。当使用0.3mm2,电阻值0.062Ω/m的导线10m(来回20m)时,温度上升1 C 。所产生的输出电压换算成应变的话大约为
20×10−6。
为了减小导线的影响,可以使用3
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