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第五章应力、应变测试

本章主要内容n应力、应变测试方法n应力、应变测试原理n电阻应变片的特性及应用n电阻应变片的信号调理电路n电阻应变仪

应力、应变测试方法n测量应力、应变的目的为了研究机械结构、桥梁、建筑等某构件在工作状态下的受力、变形情况，通过测试测得构件的拉、压应力、扭矩及弯矩，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的测试数据。n应力、应变及其关系在杆件受到拉伸（或压缩）的情况下，只有一个主应力σ，它1的方向与外加载荷F的方向平行，该方向的应变为ε，并且有1E为材料弹性模量

应力、应变测试方法n常用测试方法l电阻应变测量l脆性涂层法l云纹方法l激光全息干涉法l激光散班干涉法l声弹性lX光衍射法l光测弹性力学

应力、应变测试方法n电阻应变测量特点利用电阻应变片将应变转换为电参量进行测试。测试时，将电阻应变片粘贴在被测物体表面，随零部件变形即可产生成比例的电阻变化。广泛应用于工程测量和科学实验中。l非线性小，电阻的变化同应变成线性关系；l应变片尺寸小，重量轻，惯性小，具有良好的动态特性，频率响应好；贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响。l适用于静态测量和动态测量。l测量应变的灵敏度和精度高，动态测试精度可达1%，静态为0.1%。l测量范围大，变形范围1%~2%。

应力、应变测试方法n应力测试系统应变片电桥盒应变仪记录仪应变片——能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理基于金属电阻丝的电阻应变效应电桥盒——将电阻微小的变化进行处理的测量电路。应变仪——用于将电桥的输出信号进行放大的高增益放大器。应变仪还具有阻抗变换的作用。

电阻应变片的结构及分类n应变片的结构

电阻应变片的结构及分类n应变片的分类丝式体型箔式金属应变片薄膜型体型应变片薄膜型半导体应变片扩散型PN结及其他形式

电阻应变片的结构及分类n应变片的分类l金属丝式应变片U型V型H型电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝。电阻丝是应变片受力后引起电阻值变化的关键部件，它是一根具有很高电阻率的金属细丝，直径约为0.01～0.05mm。常用材料有铜镍合金、捏铬合金、铂、铂铬合金、铂钨合金等

电阻应变片的结构及分类要求电阻丝材料具有电阻温度系数小、温度稳定性良好、电阻率大等特性，同时，金属电阻丝的相对灵敏系数要大，且能在相当大的应变范围n应变片的分类纸基应变片：制造简单，便宜，易于粘贴。耐热性和耐潮性差。适合短期室内实验室使内保持常数。用，使用温度在70℃以下丝质应变片纸浸胶基应变片：具有一定耐潮湿性，适合长期使用。使用温度为180℃胶基应变片：耐蚀性和绝缘性能好，弹性系数高，使用温度在-50~+170℃

电阻应变片的结构及分类l金属箔式应变片金属丝经高温液化后，高压高速喷射，而后雾化沉积在基片上，形成3~10μm层，再用光刻腐蚀法形成电路。优点：横向效应很小，允许电流大，柔性好、蠕变小、疲劳寿命长，生产效率高。

电阻应变片的结构及分类l半导体式应变片优点：灵敏度高、频率响应范围宽、体积小、横向效应小。缺点：温度系数大、灵敏度离散大以及在较大变形下非线性比较严重。半导体式应变片是以半导体单晶硅条作敏感元件的，工作原理是基于半导体材料的压阻效应。即施加一定载荷产生应力时，电阻率会发生一定的变化。

应力、应变电测法原理n电阻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。这种现象称“应变效应”。原始电阻值受力拉伸后电阻值的变化金属导线受拉变化图

应力、应变电测法原理ε—μ—泊松比λ—阻系数E—性模量纵向应变横向应变轴向应力金属丝电阻率K为单根金属丝的灵敏度。当金属丝发生单位长度的变化时，电阻变化率与其应变的比值，即单位应变的电阻变化率。

应力、应变电测法原理电阻的相对变化量由两方面因素决定：1）对于金属材料，电阻的变化主要由金属丝几何尺寸的改变引起；电阻丝灵敏度系数（dR/R）/ε为（1+2μ）。2）对于半导体材料，其工作原理基于半导体的压阻效应，材料受力后，材料的电阻率发生变化。其灵敏度系数为（dR/R）/ε为λE。用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值

电阻应变片的特性及应用n应变片的主要参数l几何尺寸1）基长l：应变片的敏感元件在纵轴方向的长度。在应变变化梯度大的场合，应使用小基长的应变片，但基长很小时，横向灵敏度大。2）基宽b：在与应变片纵轴垂直方向，应变片敏感元件外侧之间的距离。基宽以较小为佳，但是太小会影响散热。

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