第三章 电阻应变测量技术

第三章 电阻应变测量技术 基本原理：弹性元件受力变形→应变片电阻改变→测量电路（应变仪）→应变 应变片：将弹性材料的变形（应变）转变为电阻变化的传感器。 主要特点：灵敏度和精度高；测量范围广；输出为电信号；容易掌握。 §3—1 电阻应变片 一、应变片的构造和工作原理 1.构造 2.工作原理 金属丝的电阻应变效应： 金属丝的电阻相对变化率与应变成正比。k0 为金属丝对应变的灵敏度 二、应变片的类型 1．金属丝式应变片 丝绕式、短接式 直径0.02~0.05mm的镍铬合金或康铜(Ni,Cu)丝经丝绕机绕成栅状。短接式敏感栅轴向为平行排列的电阻丝，横向是由粗宽而电阻率小的金属丝焊接而成。 2．箔式应变片 在厚度0.003～0.01mm的合金箔的一面涂胶形成胶基，另一面涂感光材料，经照相制版、光刻腐蚀法形成敏感栅，最后在面涂一层胶膜保护层制成。 形状尺寸精密，箔材宽平易于粘贴，散热性好，横向系数小。 3．半导体电阻片 用锗或硅等半导体材料根据其压阻效应制成。灵敏系数大，横向系数小，体积小、机械滞后小，频率响应高、频带宽。用于微小应变、高频超高频动态应变测量。热稳定性差。 压阻效应：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。 dρ/ρ=πeσ=πeEε 4．应变花 在一个基底上按一定角度排列几个敏感栅制成的应变片。用于测量一点几个方向的应变，从而获得平面应力状态下一点的主应变和方向。 5．应力电阻片 应变片的横向应变与纵向应变之比设计成材料的泊松比μ，应变仪读数既为纯纵向应变，乘以弹模E可得应力。 三、应变片的灵敏系数和横向效应 应变片灵敏系数(即灵敏度)k定义为：把应变片粘贴在处于单向应力状态的试件表面，使其敏感栅纵向中心线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变εx之比值，即 横向效应 当材料产生纵向应变εx时，由于横向效应，将在其横向产生一个与纵向应变符号相反的横向应变εy＝-μεx，因此，应变片上横向部分的线栅与纵向部分的线栅产生的电阻变化符号相反，使应变片的总电阻变化量减小，此种现象称为应变片的横向效应，用横向效应系数H来描述。 四、应变片的工作特性 1．应变片的尺寸 栅长×栅宽 基长×基宽 2．应变片的电阻 标称电阻60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、1000Ω 3．机械滞后量(Zf) 加载和卸载时对于同一载荷的应变差。 4．零点漂移(p)和蠕变(θ) 外载不变，温度不变而应变随时间改变的现象。 5．应变极限 在常温下能正确反映测点应变的最大值。一般应变极限值在6000με～10000με之间。 6．绝缘电阻(Rm) 7．疲劳寿命(N) 在测点有±1500 με交应变作用下，应变片连续工作不损坏的最高循环次数。一般106次。 8．最大工作电流 五、应变片的选用 1、按工作环境选用 温度（低温、常温、高温）；湿度；使用时间 2．按被测物的材料性质选用 材料的粗糙度（玻璃、混泥土）与基长有关 3．按被测试件的受力状态和应变性质选用 单向受力、复杂受力（应变花）；应变场变化梯度；长时动态应变（选高阻值短基长应变片以提高信噪比和频率响应特性） 4．按测量精度选用 一般选纸基片；要求高时选胶基片；测试线路中有电阻随机源时选高阻值片 §3—2 应变测量电路 第一次转换－应变片将应变信号转换成电阻相对变化量。 第二次转换－应变基本测量电路则是将电阻相对变化量再转换成电压或电流信号，以便显示、记录和处理。 电阻应变仪 －应变测量电路 ：通常转换后的信号很微弱，必须经调制、放大、解调、滤波等变换环节才能获得所需的信号 。 惠斯登电桥电路 －按电源供电方式分，分直流电桥和交流电桥。电桥电路可有效地测量10-3～10-6数量级的微小电阻变化率，且精度很高，稳定性好，易于进行温度补偿，所以，在电阻应变仪和应变测量中应用极广。 一、直流电桥 由四个电阻Rl，R2， R3，R4，组成四个桥臂；A，C为供桥端，接电压为E的直流电源，B，D为输出端，电桥的输出电压为 当UBD＝0时，电桥处于平衡状态，故电桥的平衡条件为 R1R3-R2R4=0 或 桥臂四个电阻Rl＝R2＝R3＝R4＝R，此称等臂电桥。 等臂电桥单臂工作时的情况 ： 设Rl为工作应变片，当试件受力作用产生应变时，其阻值有一增量△R，此时，桥路就不平衡，产生输出电压，由于△R<内容

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