应力应变测量

应力应变测量•在工程中，应力、应变是很常用的机械参量。通过对机械零件和机械结构的应变、应力测量，可以分析其受力状况和工作状态，验证设计计算，确定工作过程和某些物理现象的机理。第一节应变与应力的测量应力是一重要的机械量，它表征了构件的受载状态，负载水平和强度能力，因此应力测量是其它力参数测量的基础。应力的测量，实质上是先测量应变，然后计算出应力的大小。一、应变的测量常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变。△R电阻应变片△U测量电路1应变的测量的原理应变片粘贴在试件上,当试件变形时应变片随之而变形，这时应变片的电阻值也发生变化。显示与记录第一节电阻应变片第一节电阻应变片电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。第一节电阻应变片一、金属电阻应变片常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片(又称电阻丝应变片)出现得较早，现仍在广泛采用。其典型结构如图所示。把一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等)绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。第一节电阻应变片金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1—10μm，散热好，粘结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。电阻应变计(片)（1）直径为0.003mm~0.01mm的合金丝绕成栅状制成的丝绕式电阻应变计；（2）箔材经光刻腐蚀工艺制成的栅状箔式电阻应变计。8电阻应变计—种类按基片上敏感栅的个数划分：单轴应变计，多轴应变计。单轴应变计双轴应变计90º应变花双轴应变计（90º应变花）三轴应变计（45º应变花）单轴应变片—敏感栅只有一根轴线，用于测量单向应变。应变花：双轴—二轴90三轴—三轴45用于测量平面应变状态。电阻应变计—种类FFFFll电阻应变计工作原理应变片感受到的应变第一节电阻应变片R＝ρl／A当每一可变因素分别有一增量dl、dA和dρ时，所引起的电阻增量为:式中：A=πr2，r为电阻丝半径，dRdAARdllRdR23222lldRdldrdrrrdldrdRlr第一节电阻应变片电阻的相对变化率式中-----电阻丝轴线相对变形，或称纵向应变-----电阻丝轴线相对变形，或称横向应变drdrldlRdR2ldl/rdr/当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为式中μ——电阻丝材料的泊松比；dρ／ρ——电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力σ有关。ldlrdr第一节电阻应变片Ed式中E—电阻丝材料的弹性模量；λ—压阻系数，与材质有关。从而得到：)(E21E2RdR第一节电阻应变片(1十2μ)ε项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电阻材料，1十2μ是常数。λEε项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，λE是很小的，可忽略。上式可简化为：)(21RdR上式表明了电阻相对变化率与应变成正比电阻应变片的应变系数或灵敏度。用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度k，多在1.7—3.6之间。一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等。其中以120Ω为最常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。第一节电阻应变片12dRRk常数16电阻应变计—主要性能参数lb注意：R和k都是标称值电阻应变片的种类、材料和参数1.电阻应变片的种类电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可分为：丝式应变片箔式应变片薄膜应变片半导体应变片（1）丝式应变片①回线式应变片将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上而制成的，是一种常用的应变片。②短接式应变片敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5～10倍的镀银丝短接而构成。优点：克服了回线式应变片的横向效应。缺点：由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。（2）箔式应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成。主要优点是：①制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求；②敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的大，故粘合面积大；③敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；④散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；⑤敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。（3）薄膜应变片薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成其厚度在0.1m以下。第一节电阻应变片(4)半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率ρ发生很大变化。分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。(1十2μ)ε项是由几何尺寸变化引起的，λEε是由于电阻率变化而引起的。对半导体面言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分，故上式可简化为第一节电阻应变片)(E21RdRERdR第一节电阻应变片半导体应变片灵敏度这一数值比金属丝电阻应变片大50一70倍。ERdRS半导体应变片优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等。缺点：温度稳定性能差、灵敏度分散度大(由于晶向、杂质等因素的影响)以及在较大应变作用下，非线性误差大等，这些缺点给使用带来一定困难。应变片的后续电路为电桥电路。第二节应变片的主要特性第二节应变片的主要特性一横向效应二温度误差及其补偿第二节应变片的主要特性（一）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变ε，电阻圆弧段：沿轴向压应变εr电阻Kεrε回线式应变片敏感栅半圆弧形部分dldθθ第二节应变片的主要特性应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。第二节应变片的主要特性（二）温度误差及其补偿1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化△t时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化tKRKRRsgtt)(0000tRRRRtt00温度误差第二节应变片的主要特性相应的虚假应变输出tKtKRRsgtt)(/000可得由于温度变化而引起的总电阻变化为tKRtRRRRsgttt)(000第二节应变片的主要特性温度补偿单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕温度补偿第二节应变片的主要特性①电桥补偿法R1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R(a)(b)R1R2R3R4UsrUscR2R1被测试件补偿块第二节应变片的主要特性电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。第二节应变片的主要特性②应变片的自补偿法粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片第二节应变片的主要特性a.选择式自补偿应变片实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKtsgt)(0sgK优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。第二节应变片的主要特性b.双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成R1R2组合自补偿法选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达±0.45μm/℃的高精度)()(//111222112221ggttKKRRRRRR第二节应变片的主要特性③热敏电阻补偿TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK第五节电阻应变片的应用第五节电阻应变片的应用第五节电阻应变片的应用一、拉弯联合作用下弯矩或拉力的测量杆件受拉力P和弯矩M联合作用，在弹性范围内工作，P、M的联合作用可看成是P、M单独作用的叠加。杆件在P、M单独作用下其上下表面的应变为：A——杆件的截面积；W——杆件的抗弯截面系数E——被测件材料的弹性模量EWMEAPMP；第五节电阻应变片的应用根据叠加原理，杆件在P、M联合作用下，其上表面和下表面的应变为：MPMP21；第五节电阻应变片的应用MMPMPKRKRKRRRR2)()(21210MMKRKRRR22001、弯矩M的测量测弯矩的贴片与接桥如右图所示，R1=R2=R，电阻增量△R0：相对电阻的增量为：仪器的应变读数为：)ˆ(2ˆ/ˆ00KKKRRM取2ˆMMEWEWM具有温度补偿功能第五节电阻应变片的应用PMPMPKRKRKRRRR2)()('''11''1'10PPKRKRRR2200PKRR00/ˆ2、拉力P的测量温度补偿需在补偿板上另贴两片月R2’、R2”串联组成补偿桥臂EAPP第五节电阻应变片的应用二、其他测量实例1应变式力传感器（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；柱式力传感器第五节电阻应变片的应用R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第五节电阻应变片的应用2梁式力传感器等截面梁结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷l0lFh①等截面悬臂梁EbhlF26第五节电阻应变片的应用XlFh②等强度悬臂梁EhblF206第五节电阻应变片的应用③双端固定梁EbhlF243第五节电阻应变片的应用3薄壁圆环式力传感器21)]2/([32EbhhRF在外力作用下，各点的应力差别较大第五节电阻应变片的应用BK-2S称重传感器产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中供桥电压12VDC输入阻抗380±20Ω输出阻抗350±10Ω绝缘电阻≥2000MΩ工作温度-10~+50℃第五节电阻应变片的应用BK－4轮辐式传感器系列采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数量程（t）1，2，5，10，20，30，50供桥电压12VDC灵敏度1．5~2mV/V输入阻抗730±20Ω非线性（%FS）0.