应变片的粘贴与应变测试练习

实验项目名称：应变片的粘贴与应变测试练习一、实验目的1．学习并掌握常温电阻应变片的粘贴技术。2．在结构上粘贴应变片，测量该位置的应变应力值，并与理论值比较。二、实验仪器1．电阻应变片，接线端子；2．数字万用电表，测量导线；3．悬臂梁、砝码、温度补偿块等；4．砂布、丙酮、药棉等清洗器材；5．502胶、防潮剂、玻璃纸及胶带；6．划针、镊子、电烙铁、剪刀等；7．静态电阻应变仪；三．实验原理应变电测法是工程中用于测量构件或结构在静、动载荷作用下产生应变量大小的一种重要测试方法。此方法技术成熟可靠，测量时，将应变片用专用胶水牢固地粘贴在研究对象表面，组成桥路，反映测点的应变量大小。应变片的结构电阻应变片(简称应变片)是由很细的电阻丝绕成栅状（如图3-1（a）所示）或用很薄的金属箔腐蚀成栅状（如图3-1（b）所示），并用胶水粘贴固定在两层绝缘薄片中制成。应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相同。现以丝绕式应变片为例说明。(a)(b)1-基底2-电阻丝3-引线图3-1电阻应变片的基本结构丝绕式应变片的结构如图3-1(a)所示，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。敏感栅为应变片的敏感元件，作用是敏感应变。敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用,敏感栅上面粘贴有覆盖层，敏感栅电阻丝两端焊接引出线3，用以和外接导线相连。电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理，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，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。由欧姆定理可知，金属丝的电阻与其材料的电阻率及其几何尺寸（长度和截面积）有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。由物理学可知，金属丝的电阻为：123L123LB（3-1）式中，R—金属丝的电阻（Ω）；金属丝的电阻率（Ω·m2/m）；L—金属丝的长度（m）；S—为金属丝的截面积（m2）。取如图3-2所示一段金属丝，当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d，则有金属丝电阻变化量dR为图3-2金属导体的电阻应变效应dddd2SLSSLLSR(3-2)以R除左式，L/S除右式，得ddddSSLLRR(3-3)设金属丝半径为r，有rrSSd2d(3-4)令，εx=dL/L为金属丝的轴向应变；εy=dr/r为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为xy(3-5)式中，μ—金属材料的泊松系数。将式（3-4）、式（3-5）代入式（3-3）得d)21(dxRR或xxRR/d21/d(3-6)令xxSRRK/d21/d(3-7)KS称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。由式（3-7）可看出，金属丝的灵敏系数KS受两个因素影响：第一项（1+2μ）是由于金属丝受拉伸后，几何尺寸发生变化而引起的；第二项xd//是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故。由于xd//还不能用解析式来表示，所以KS只能靠实验求得。实验证明，在弹性SLRLFFdL范围内，应变片电阻相对变化dR/R与应变x成正比，KS为一常数，可表示为xKRRSd(3-8)应该指出，将直线金属丝做成敏感栅之后，电阻—应变特性与直线时不同，相关标准需重新进行实验测定。实验表明，应变片的dR/R与εx的关系在很大范围内具有很好的线性关系，即xKRRd或xRRK/d(3-9)式中，K—电阻应变片的灵敏系数。由于横向效应的影响，应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数KS。灵敏度系数是通过抽样测定得到的，一般每批产品中按一定比例（一般为5%）的应变片测定灵敏系数K值，再取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”。用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面发生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因而应变片的电阻也发生相应的变化，如用仪器测出应变片的电阻值变化dR，则根据式（3-9）可得到被测对象的应变值εx，而根据应力—应变关系可得到应力值σ。E(3-10)式中，σ—试件的应力；ε—试件的应变。电阻应变片的种类电阻应变片的种类繁多，分类方法各异。1)按敏感栅形状分类按敏感栅形状分为：单轴、平行多轴、同轴多栅、二轴900、三轴450、三轴600、三轴1200等。2)按应变片工作温度分类3)按敏感栅材料分类金属电阻应变片半导体应变片金属丝应变片金属箔应变片金属薄膜应变片丝绕式短接式按材料分按工作温度分常温应变片-30ºC~60ºC中温应变片60ºC~350ºC高温应变片350ºC以上低温应变片-30ºC以下4)几种特殊的应变片为了适应工程实际和某些力学实验的需求，还有一些特殊形状的应变片，主要有以下几种形式。①裂纹扩展应变片裂纹扩展应变片敏感栅是由平行栅条组成。用于断裂力学实验时，检测构件在载荷作用下裂纹扩展的过程及扩展的速率。实验时粘贴在构件裂纹尖端处，随着裂纹的扩展，栅条依次被拉断，应变片的电阻逐级增加。根据事先作出的断裂顺序与电阻变化曲线，可推断裂纹的扩展情况。根据各栅条断裂的时间，即可计算出裂纹的扩展速率。②疲劳寿命应变片疲劳寿命应变片是由经过退火处理的康铜箔制成的敏感栅夹在两浸过环氧树脂的玻璃纤维布中间形成。当应变片粘贴在承受交变载荷的构件上时，应变片丝栅在交变载荷作用下发生冷作硬化，而使电阻发生变化，电阻变化值与交变应力的大小、循环次数成比例，通常可用实验方法来建立经验公式。使用时可由电阻变化来推算交变应变的大小及循环次数，从而预测构件的疲劳寿命。③大应变量应变片用于量测5%-20%大应变或超弹性范围应变用的。为避免丝栅与粗引线间的应力集中，中间采用细引线过渡。箔式应变片的引线应弯成弧形，然后再焊接，敏感栅是由经过获得大变形及退火处理的康铜制成，基底可用浸过增塑剂的纸（应变5%-12%）或聚酰亚胺（应变20%），粘结剂可用环氧树脂、聚氨酯填加增塑剂制成。这种应变片受压时敏感栅会发生轴向屈曲，故承受的拉应变远大于压应变。因此，当用于交变应变量测时，量测范围不应超过允许的压应变界限。④双层应变片在进行薄壳、薄板应变的测量时，需要在壳和板的内、外表面对称贴片。而对于体积小或密封的结构在内表面贴片几乎是无法进行的。双层应变片为解决这些问题提供了条件，在不太厚的塑料上、下表面粘贴应变片，并在应变片表面涂环氧树脂保护层。使用时将此双层应变片粘贴在被测构件的外表面，利用弯曲应变线性分布及轴向应变均匀分布特点，同时测出弯曲及轴向应变。⑤防水应变片在潮湿环境或水下，特别在高水压作用下，应采用防水应变片。常温短期水下应变量测可在箔式应变片表面涂防护层（如水下环氧树脂）。长期测量可用热塑方法将应变片夹在两块薄塑料板中间，或采用防水、防霉、防腐蚀的特种胶材料作为应变片的基底和覆盖层制成防水应变片。⑥屏蔽式应变片屏蔽式应变片的上、下两面均有铜箔构成屏蔽层，常用于电路变化幅度大的环境中的应变测量，如在电焊机旁或电气化机车轨道应变的测量。在强磁场中，若采用镍铬敏感材料，可减小磁致效应。电阻应变片的材料1）敏感栅材料制造应变片时，对敏感栅材料的要求：①灵敏系数KS和电阻率要尽可能高而稳定，电阻变化率R/R与机械应变之间应具有良好而宽广的线性关系，即要求KS在很大范围内为常数；②电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其它金属之间接触热电势小；④抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等。2）应变片基底材料应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基取代，因胶基性能各方面都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚约0.03~0.05mm。基底材料性能有如下要求：①机械强度好，挠性好；②粘贴性能好；③绝缘性能好；④热稳定性和抗湿性好；⑤无滞后和蠕变。3）引线材料康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为0.05~0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。其它类型敏感栅多采用直径与上述相同的铬镍、铁铬铝金属丝作为引线，与敏感栅点焊相接。应变片的主要工作参数1）应变片的尺寸如图3-2所示，顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离称为标距L，电阻丝式一般为5~180mm，箔式的一般为0.3~180mm。敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以B表示。小栅长的应变片对制造要求高，对粘贴的要求亦高，且应变片的蠕变、滞后及横向效应也大。因此应尽量选要栅长大一些的片子，应变片的栅宽也以小一些的为好。2）应变片的电阻值应变片的电阻值指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值通常为60、120、350、500、1000五种。用得最多的为120和350两种。应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。3）机械滞后对已安装的应变片，在恒定的温度环境下，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数，称为机械滞后。造成此现象的原因很多，如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太厚等。在测量过程中，为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载3~5次。4）热滞后对已安装的应变片试件可自由膨胀而并不受外力作用，在室温与极限工作温度之间增加或减少温度，同一温度下指示应变的差数，称为热滞后。这主要由粘结层的残余应力、干燥程度、固化速度和屈服点变化等引起。应变片粘贴后进行“二次固化处理”可使热滞后值减小。5）零点漂移对已安装的应变片，在温度恒定、试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移（简称零漂）。这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造成。6）蠕变对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。这主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。7）应变极限温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为10%）情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。8）绝缘电阻应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值称为绝缘电阻。此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差，尤其是不稳定绝缘电阻会导致测试失败。9）疲劳寿命对已安装的应变片在一定的交变机械应变幅值下，可连续工作而不致产生疲劳损坏的循环次数，称为疲劳寿命。疲劳寿命的循环次数与动载荷的特性及大小有密切的关系。一般情况下循环次数可达106~107。10）最大工作电流允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值，称为最大工作电流。该电流和外界条件有关，一般为几十毫安，箔式应变片有的可达500mA。流过应变片的电流过大，会使应变片发热引起较大的漂零，甚至将应变片烧毁。静态测量时，为提高测量精度，流过应变片的电流要小一些；短期动测时，为增大输出功率，电流可大一些。电阻应变片的粘贴在应变测量时，粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。对粘合剂有如下要求：①有一定的粘结强度；②能准确传递应变；③蠕变小；④机械滞后小；⑤耐疲劳性能好、韧性好；⑥长期稳定性好；⑦具有足够的稳定性能；⑧对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；⑨有适当的贮存期；⑩有较大的使用温度范围。选用粘合剂时要根据应变片的工作条件、工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定性要求，加温加压、固化的可能性，粘