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应变电阻仪在高分子材料力学测试中的

应用

摘要：应力应变是力学测试中重要而通用的物理量，杨氏模量表征材料抵抗

变形的能力，俗称刚性。高分子材料力学测试中最常用的仪器是拉力机和引伸计，

杨氏模量可以通过应力应变计算得到。当材料的刚性大导致应变非常小或材料表

面容易打滑时，引伸计就无法应用得到精确的结果。应变电阻仪采用应变片测量

材料的微小应变，精度很高，可以解决以上问题，并能获得不同方向的模量。

关键词：惠斯通电桥拉伸模量复合材料纵横剪切面内剪切压缩泊松比

1.应变电阻仪的原理

应变电阻仪主要利用惠斯通电桥和应变片来进行微小应变的测定，即应变片

将应变转换为电阻变化，通过惠斯通电桥来检测应变片电阻的微小变化。

如下图1所示，惠斯通电桥由四个同等阻值的电阻组合而成。如果：

或

则无论输入多大电压，输出电压总为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。如下图2所示，将这个电路中

的R与应变片相连，有应变（形变）产生时，记应变片电阻的变化量为ΔR，则

1

输出电压的计算公式如下所示：

，即：

上式中除了ε均为已知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应

变的大小。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

阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测

定。

应变电阻仪由于其能准确测量到样品应变的变化，配合万能试验机使用，在

高分子材料的力学测试中有着广泛的应用。下面介绍应变电阻仪在高分子力学测

试中的应用实例。

2．在塑料拉伸模量中的应用

弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，它是反映

材料抵抗弹性变形能力的指标。聚合物的拉伸模量可以衡量材料产生弹性变形难

易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度

越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。使用得较多的就是两点法来

计算（如以下公式）。

式中：E-拉伸模量，单位为MPa；

t

σ-应变值ε=0.0005(0.05%)时测量的应力，单位为MPa；

11

σ-应变值ε=0.0025(0.25%)时测量的应力，单位为MPa。

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对于一般的高分子材料，可以通过引伸计来测量拉伸模量，引伸计的精度要

求是1%以上，下图说明了不同的试样标距对引伸计有不同的精度要求。

图3假定精度为1%，不同标距时模量测定的引伸计精度要求

对于样品尺寸较小，无法使用较大标距而无法保证引伸计的精度满足测试要

求时，可以通过应变仪的方式进行测量。应变片的精度可以达到0.01%，所以用

应变片精确的应变，同时测量出对应的力值，通过应变仪与拉力机的配合，能准

确测量它的拉伸模量。以下图4为利用应变电阻仪测定玻纤增强尼龙材料拉伸模

量的曲线图，可以看到曲线在弹性段有较好的线性拟合度，通过两点法可以准确

计算出样品的拉伸模量。

图4：应变电阻仪测定玻纤增强尼龙材料拉伸模量曲线图（横坐标-微应变，

纵坐标-力值）

3．在复合材料力学性能测量中的应用

3.1纵横剪切

在±45°铺层的连续纤维层合板样品中心表面粘贴纵向横向两个电阻应变片

（如图5所示），然后按照GB/T3355-2014操作步骤可以准确测定复合材料剪

切强度、剪切弹性模量、极限剪切应变等纵横剪切性能（如图6、7所示）。

图5：复合材料纵横剪切样品图示（说明：1-试样；2-横向应变片；3-纵向

应变片；h-试样厚度）

图6：复合材料纵横剪切测试示意图图7：复合材料纵横剪切曲线图

3.2面内剪切

将开有对称V型槽口的试样夹持在一对专用夹具上，通过试验机的拉伸在试

样工作区内产生剪应力，通过应变电阻仪记录试验在剪切时的剪应变，最终使试

样因剪切而破坏，最终计算得到复合材料面内剪切强度、剪