电阻应变计的原理及使用

第二章电阻应变计的原理及使用2.1电阻应变测量技术基础(一)、电测法的定义用电阻应变片(应变计或电阻片)作为敏感元件，用应变仪器,测定受力构件的表面或者内部应变,再根据应力-应变的关系式,确定构件表面或者内部应力状态的一种实验应力分析方法。（二）、原理将电阻片牢固地粘贴在构件表面,构件变形连同应变片一起变形,应变片的变形产生了电阻的变化,通过测量电桥(电阻应变测量装置或电阻应变仪),使这微小的电阻变化转换成与应变成正比的模拟电信号(电压或电流)的变化,经过信号放大,将其变换成构件的应变值显示出来。（三）、电测的实质非电量参数－传感器（应变片）－电量参数电测是将物理与力学、机械等非电量参数通过敏感元件（应变片）转换成电量来进行测量的一种实验方法非电量参数:应变,应力,力,扭矩,加速度,位移,压力电量参数:电压（电流），电容,电感传感器:应变片（四）、电测分类1）电阻应变测量2）电容应变测量3）电感应变测量（五）、优点1测量精度高,量程大（应变仪上所读出的最大应变值）,灵敏度高（应变仪上所读出的最小应变值.一般应变片:1微应变）；标距（任何类型的应变计都不能测出一点的应变）（箔式应变片:0.2毫米）半导体应变片：0.1微应变.测量范围:±20000(微应变);对高灵敏度测量系统可测取10-2量级的微应变.2应变片尺寸小,重量轻,安装方便(粘贴),对试件的工作状态和应力分布影响很小。3频率响应快,机械滞后小。如:电阻应变片响应时间为10-7S半导体应变计的响应时间为10-11S即构件应变立即传递给应变片。可以测量静态到动态或冲击下的动应变。4可在恶劣环境下测量如高速旋转,高温,低湿,深水,强磁场,核辐射等。5自动化程度高,可以实现遥控测量将应变仪与计算机结合,可以实现图形显示,磁带记录,多点测量,自动打印。6制造多种传感器（载荷、扭距、压力、加速度）（六）、缺点1单点测量一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的某个方向的应变;并且只代表栅长范围内的平均应变。2应变片一般只能测量构件表面的应力应变,3对结构三维应力测量很难进行。4尽管应变片很小,但对应力集中的测量,仍无法精确。电阻应变测量系统:电阻应变片,电阻应变仪以及记录仪工作条件:一般工作条件:温度-30C—60C介质:大气或压力不大的液体工作过程:应变电阻变化电流变化放大记录电阻应变片电阻应变仪记录器电阻应变片:直接与被测量对象接触,把非电量的物理参数转化成电量,并传输给放大部分电阻应变仪:把十分微弱的电信号进行放大,以推动显示记录仪器工作,把被测信号记录下来。七、构成2.2电阻应变片构造BL应变片的形状：栅状，一般应变片中的金属丝均为栅状。原因：(1)用应变片进行应变测量时，对应变片中金属丝需加一定的电压，为防止电流过大，产生发热及熔断现象，要求金属丝有一定的长度（单线长度30－80毫米），以获得较大的初始电阻值（120欧姆）(2)测量构件应变时，又要求尽可能缩短应变片的长度以接近一点的真实应变。电阻片组成敏感栅是应变片的敏感元件引出线基底（聚酰亚胺塑料、纸基）覆盖层，粘结剂（一）敏感栅材料（铜镍、镍铬、）灵敏系数高,在相当大的应变范围内保持不变电阻率高,分散性低,稳定及重复性好电阻温度系数低耐疲劳/耐腐蚀/焊接性能好具有较大的拉伸变形,易于加工成丝（或箔片）,易于消除加工效应应变计常用金属金属材料的物理性能参见P9的表2-1（二）基底材料厚度小,电绝缘性好热稳定性好机械强度高/应变极限大,抗潮湿,耐腐蚀无滞后和徐变粘合能力强透明,便于安装与定位基底的作用：基底与试件直接接触，并用粘结剂相互粘牢。基底的作用是保持敏感栅的几何形状和相对位置，保证电阻片与试件共同变形，以准确地把试件变形传递给敏感栅，而且保证试件与敏感栅之间有足够大的绝缘度。常用纸基或胶膜薄片制成。（三）引线引线是用来引出敏感栅的输出电信号，而比敏感栅丝尺寸大的金属导线。为了减少引线带来的误差，通常采用低电阻率和电阻温度系数较小的材料（铜)制成，其形状有细丝和扁带两种。为了便于焊接连线，一般在表面会镀锡、银。（四）覆盖材料（材料要求与基底相同）纸基胶基玻璃纤维布覆盖层的作用：覆盖层的作用是保护敏感栅的作用，防止有害介质腐蚀，材料与基底相同。（五）粘结剂足够的抗剪能力,粘结强度高,能准确/稳定地传递变形/徐变/和机械滞后电绝缘性好/无腐蚀/无毒/耐老化/化学稳定性好/便于保存固化温度低/时间短/使用工艺简单环境温度/湿度/介质对粘结剂性能影响小2.4应变片的分类常用：丝绕式金属箔电阻片箔丝组合应变片半导体应变片构造基本相同按敏感栅材料分：金属电阻应变计,半导体应变计金属电阻应变计又分：工作温度常温应变计（－30C～＋60C），低温应变计（低于－30C）中温应变计（－30C～350C），高温应变计（350C以上）敏感栅制造方法：丝式应变计，箔式应变计，敏感栅结构：单轴应变计；多轴应变计（应变花）；应变花基底材料分：纸基应变计胶基应变计金属基（高温应变片类型之一）临时基底（高温应变片类型之一）安装方式：粘贴式，焊接式，喷涂式，埋入式电阻值：市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化，主要规格有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等，其中120Ω用得最多。各种各样的应变片各种各样的箔式应变片丝绕式:采用0.012-0.05mm直径的镍铬或铜镍合金丝在专用的机器上绕成栅状(敏感栅)，基底和复盖层用绝缘薄纸或胶膜，引出线为0.25mm左右的镀银铜线，以便焊接导线。这种应变片的栅长难以做得很小，且应变横向效应大。但是价格低廉，使用广泛。丝绕式标距:最小1.6毫米丝绕式标距:指敏感栅沿轴向方向测量变形的有效长度箔式应变片:光刻腐蚀工艺:用厚为0.003～0.01mm的康铜或镍铬箔片，涂以底胶，利用光刻技术腐蚀成栅状，再焊上引出线涂上复盖层。尺度准确,线条均匀,灵敏系数/电阻值离散性低丝栅面积扁而平,横向效应小,粘结面积大,粘结牢靠,散热性好,可准确稳定传递变形;减小零点漂移可以制成各种工艺的应变花/及小标距(0.2毫米)应变片便于生产,质量好/成品高,抗潮/绝缘性好/徐变/机械滞后小标距:0.2---200毫米最短标距：0.2毫米—梯度大,应力集中最长标距：200毫米---混凝土金属箔电阻片水泥混凝土内埋式电阻应变计该应变计采用四片箔片应变计组成半桥线路，内经防水密封，外以水泥混凝土烧铸保护。在混凝土构件浇铸时将该应变计预埋在欲测量之力点，当构件受力时就能测出该力点之载荷变形。半导体应变片的敏感栅为半导体，灵敏系数高，用数字欧姆表就能测出它的电阻变化，可作为高灵敏度传感器的敏感元件。半导体应变片几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽略不计，可得从而可得半导体应变片灵敏度系数为KS=πＬELRER△最突出优点半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ可达60～150，能直接与记录仪器连接而不需放大器，使测量系统简化。此外，其横向效应小，机械滞后小和体积小。缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差。当应变较大时，非线性严重。由于受晶相、杂质等因素影响，灵敏度分散度大。特殊应变片裂缝扩展片(断裂)，疲劳寿命片(交变)大应变量应变片(橡胶)双层应变片(薄壁壳)防水应变片(水下)膜式应变片(模式压力传感器)屏蔽式应变片(电磁场)温度场.残余应力/埋入/应变片/制成传感器应变片的筛选应变片的基地与覆盖层无破损折曲、敏感栅平直、排列整齐、无绣斑、气泡、无霉点用低压（100V）高阻表检查绝缘电阻量测应变片的初始电阻值。偏差小于0.6欧姆选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电流和应变极限等。应变片的精度普通级：教学精密级：高精度传感器和精密测试高精密级2.6粘贴应变片工艺：粘贴工艺:1）用砂布或打磨机打磨，除去油漆和锈迹，形成光滑而又不是抛得很光的表面。2）用侵有溶剂（丙酮）的纱布或脱脂棉擦洗，除去油脂痕迹。3）用碱性溶液处理表面，使表面对粘合剂有适当得的化学亲和力。4）在试件上标出应变片粘贴位置（划线定位），再进行一次擦洗。6）将应变片（经挑选合格的）底面涂上一层薄而均匀的502胶水.放在调好的位置上。7)用聚乙烯薄膜压盖住用手指滚压挤多余胶水，揭掉薄膜。保持适当时间使其固化。8)将引出线与软导线焊接在固定端子上检查质量。包括有无短路和断路，绝缘电阻是否符合要求（一般不低于100MΩ)（正常的粘结剂层电阻可达10000M欧姆。）等。9）然后立即涂上防护层（硅橡胶或者凡士林或者914环氧树脂或者石蜡）固定端子2.3应变片的工作特性（一）电阻丝的应变效应定义：（W.Thomas）金属丝（大部分）受到拉伸（或缩短）时，电阻值会增大（或减小），这种电阻值随变形发生变化的物理现象------电阻应变效应规律：在一定的变形范围内电阻值的相对变化（电阻变化率）与其长度的相对变化（应变）之间保持线性关系，而且对拉压应变是一样：R：线材长度为l的初始电阻；R:丝材伸长l后电阻值的变化；=l/l：（应变）Ks常数：物理意义：每单位应变所造成的相对电阻变化，标志着该类丝材电阻应变效应显著与否，称之为灵敏系数。SKRR△灵敏系数:(原因)假设导体截取一段长度l，截面积为A，电阻率为，则其电阻（欧姆定律）lRA若、A和l均发生变化，则其电阻也变化,对上式两边取对数后全微分Al根据金属物理和材料力学理论知与成近似线性关系若半径为r的圆导体，A=πr2，代入上式，电阻的相对变化为材料泊桑比dRddldARlA式中dA表示导体长度变化时,由于泊松效应造成的截面积改变。ddd22ADlADlddddd()(12)VAllCCCVAllldldAdA与,1)表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量。2)表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量3)不同属性的导体，这两项所占的比例相差很大。代入上式，可以得到：dd[(12)(12)]RlCRl式中，μ金属丝材料的泊松比，C为与材料种类和加工方法有关的常数。令(12)(12)sKC而dl/l=ε，这样式成为SKRdRRR△（若导体截面为宽b厚t的矩形的导体，也可通过类似推导得出）Ks取决于以下两个因素：1）几何尺寸:电阻丝材料本身的机械性能，即由于金属丝拉伸后,（2+1）项表达的几何尺寸变化;2）物理性质:电阻丝受力后材料的单位应变系数电阻变化率，即为d//dL/L项。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原因.显然，Ks愈大，单位纵向应变引起的电阻值相对变化愈大，说明应变片愈灵敏。可用不同的导体材料制成应变片，目前主要有金属电阻应变片和半导体应变片两类。大部分金属合金丝的灵敏系数(2--4)。2.5应变片的工作特性：应变片的灵敏系数：单向应力，轴向应变片的电阻变化与轴向应变之比。机械滞后：对贴应变片的试件反复加载，其特性曲线不重合。蠕变：恒定力；应变－时间的变化零点漂移：不受力，恒定温度，应变－时间的关系应变极限：加载，当应变片的指示应变与试件实际应变的相对误差小于10％时，试件的应变为应变极限绝缘电阻：应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值（50－200兆欧姆）疲劳极限：恒定的交变载荷下，不使应变片产生破坏的循环次数。应变片电阻：没有安装，不受力时测量电阻。横向效应系数:温度效应2.6温度效应制成的应变计粘贴在某构件上，由于环境温度变化引起构件温度变化，所产生的电阻相对变化———温度效应因素：应变栅合金的灵敏度发生变化应变片栅丝伸长与缩短基底材料伸长与缩短。应变片材料电阻温度系数影响。热输出传感器在实际工作