工程实验力学 第2版 教学课件 ppt 作者 计欣华 邓宗白 鲁阳 等编著 参编：张明等 第2章　电阻应变计的原理及使用

1、工程实验力学,主编,第2章 电阻应变计的原理及使用,2.1 电阻应变计的工作原理 2.2 电阻应变计的结构 2.3 电阻应变计的分类 2.4 电阻应变计的工作特性 2.5 电阻应变计工作特性的标定 2.6 电阻应变计的粘结剂 2.7 电阻应变计的常规使用技术,2.1 电阻应变计的工作原理,2.1 电阻应变计的工作原理,2.2 电阻应变计的结构,图2-1 电阻应变计的结构,电阻应变计主要由敏感栅、基底、覆盖层及引线所组成，敏感栅用粘结剂粘在基底和覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型结构如图2-1所示。,2.2 电阻应变计的结构,2.2.1 敏感栅 2.2.2 基底 2.2.3 引线 2.2.4 覆盖层,2.2.1 敏感栅,通常对制造应变计敏感栅的材料的要求主要是： 1)灵敏系数Ks高，而且在较大的应变范围内保持为常数。 2)敏感栅材料的弹性极限要高于被测构件材料的弹性极限，以免在测试中因敏感栅先出现塑性变形而影响测试精度。 3)电阻率高，分散度小，随时间变化小。 4)电阻温度系数小，在较宽的温度范围内保持不变；分散度小，对温度循环有完全的重复性；有足够的稳定性，以减小由温度变化而引起的测量

2、误差。 5)伸长率高，耐腐蚀性好，疲劳强度高。 6)焊接性能好，易熔焊和电焊；对引线的热电势小。 7)加工性能好，以便制成细丝或箔片。,2.2.1 敏感栅,图2-2 敏感栅的尺寸,表2-1 应变计常用金属材料的物理性能,2.2.1 敏感栅,2.2.2 基底,(1)纸 用纸作为应变计基底的优点是柔软并易于粘贴，应变极限大和价格低廉；缺点是耐湿性和耐久性差。 (2)胶膜 环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂和聚酰亚胺等有机类粘结剂均可制成薄膜，用做应变计的基底。 (3)玻璃纤维布 无碱玻璃纤维布的耐湿性、机械强度和电绝缘性能都很好，并且耐化学药品、耐高温(400450)，多用做中温或高温应变计的基底，由它制成的应变计的刚度比胶膜基底要大。 (4)金属薄片 不锈钢及耐高温合金等金属薄片或金属网可作为焊接式应变计的基底。,2.2.3 引线,电阻应变计的引线是从敏感栅引出的丝状或带状金属导线。通常，在制造应变计时就将引线和敏感栅连接好，使其成为应变计的一部分，但也有某些箔式应变计在出厂时不带引线。 引线应具有低的和稳定的电阻率以及小的电阻温度系数。常温应变计的引线材料多用纯铜，为了便于焊接，可在纯铜引线

3、的表面镀锡。中温应变计、高温应变计的引线可以在纯铜引线的表面镀银、镀镍、镀不锈钢，或者采用银、镍铬(或改良型)、镍、铁铬铝、铂或铂钨等作引线。高疲劳寿命的应变计可采用铍青铜作引线。,2.2.4 覆盖层,电阻应变计的覆盖层是用来保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温下氧化。常用制作基底的胶膜或浸含有机胶液(例如环氧树脂、酚醛树脂等)的玻璃纤维布作为覆盖层，也可以在敏感栅上涂敷制片时所用粘结剂作为保护层。覆盖层的材料包括纸、胶膜及玻璃纤维布等。,2.3 电阻应变计的分类,根据许用的工作温度范围可分为常温、中温、高温及低温应变计： 1)高温应变计：许用工作温度在350以上。 2)中温应变计：许用工作温度在60350之间。 3)常温应变计：许用工作温度在-3060之间。 4)低温应变计：许用工作温度在-30以下。 根据基底材料可分为：纸基、胶膜基底(缩醛胶基、酚醛基、环氧基、聚酯基、聚烯亚胺基等)、玻璃纤维增强基底、金属基底及临时基底等。 根据安装方式可分为粘贴式、焊接式和喷涂式三类。,根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类： (1)金属应变计 包括丝式(丝绕式、短接式

4、)应变计、箔式应变计和薄膜应变计。 (2)半导体应变计 包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计。 (3)金属或金属氧化物浆料应变计 主要是厚膜应变计。,2.3 电阻应变计的分类,2.3 电阻应变计的分类,2.3.1 金属丝式应变计 2.3.2 金属箔式应变计 2.3.3 薄膜应变计 2.3.4 半导体应变计 2.3.5 几种特殊的应变计,2.3.1 金属丝式应变计,1.丝绕式应变计 2.短接式应变计,2.3.1 金属丝式应变计,图2-3 丝绕式应变计,2.3.1 金属丝式应变计,图2-4 短接式应变计,1.丝绕式应变计,丝绕式应变计的疲劳寿命和应变极限较高，可作为动态测试用传感器的应变转换元件。丝绕式应变计多用纸基底和纸盖层，其造价低，容易安装。但由于这种应变计敏感栅的横向部分是圆弧形，其横向效应较大，测量精度较差，而且其端部圆弧部分制造困难，形状不易保证相同，使应变计性能分散，故在常温应变测量中正逐步被其他片种代替。,2.短接式应变计,短接式应变计也有纸基和胶基等种类。短接式应变计由于在横向用粗铜导线短接，因而横向效应系数很小(0.1%)，这是短接式应变计的最大优

5、点。另外，在制造过程中敏感栅的形状较易保证，故测量精度高。但由于它的焊点多，焊点处截面变化剧烈，因而这种应变计疲劳寿命短。,2.3.2 金属箔式应变计,与丝绕式应变计相比，箔式应变计的优点是： 1)敏感栅很薄，且箔材与粘合层的接触面积要比丝材的大，粘贴牢固，有利于变形传递，因而它所感受的应变状态与试件表面的应变状态更为接近，测量精度高。 2)敏感栅薄而宽，在相同的横截面积条件下，箔栅的表面积比丝栅的要大，散热性好，故允许通过较大的电流，因而可以输出较强的信号，以提高测量灵敏度。 3)敏感栅的横向端部为较宽的栅条，故横向效应较小。 4)箔式片能保证尺寸准确，线条均匀，故灵敏系数分散性小。 5)箔式应变计的蠕变小、疲劳寿命长。,2.3.2 金属箔式应变计,6)加工性能好，能制成为各种形状和尺寸的应变计，尤其可以制造栅长很小的或敏感栅图案特殊的应变计 7)制造工艺自动化，可成批生产，生产效率高。,2.3.2 金属箔式应变计,图2-5 金属箔式应变计 a)单轴应变计 b)测扭矩应变计 c)多轴应变计(应变花),金属电阻应变计还可以按敏感栅的结构形状分为下述几类： (1)单轴应变计 单轴应变计一

6、般是指具有一个敏感栅的应变计(图、图2-4、图2-5a)。 (2)单轴多栅应变计 把几个单轴敏感栅粘贴在同一个基底上，可构成平行轴多栅和同轴多栅，如图2-6所示。 (3)应变花(多轴应变计) 具有两个或两个以上轴线相交成一定角度的敏感栅制成的应变计称为多轴应变计，也称为应变花，如图2-5c、图2-7所示。,2.3.2 金属箔式应变计,图2-6 单轴多栅应变计 a)平行轴多栅 b)同轴多栅,2.3.2 金属箔式应变计,图2-7 应变花 a)二轴90 b)三轴45 c)三轴60 d)三轴120,2.3.2 金属箔式应变计,2.3.3 薄膜应变计,薄膜应变计的“薄膜”不是指用机械压延法所得到的薄膜，而是用诸如真空蒸发、溅射、等离子化学气相淀积等薄膜技术得到的薄膜。它是通过物理方法或化学/电化学反应，以原子、分子或离子颗粒形式受控地凝结于一个固态支撑物(即基底)上所形成的薄膜固体材料。其厚度约在数十埃()至数微米(m)之间。薄膜若按其厚度可分为非连续金属膜、半连续膜和连续膜。,2.3.4 半导体应变计,半导体应变计的优点是： 1)灵敏系数大，比金属丝式、金属箔式大几十倍，因而输出的信号大。 2

7、)横向效应系数小。 3)机械滞后小。 4)本身的体积小，便于制作小型传感器。 半导体应变计的缺点是： 1)电阻值和灵敏系数的温度稳定性差。 2)压阻系数离散，故灵敏系数的离散度较大，而且拉伸和压缩时的灵敏系 3)在大应变情况下，灵敏系数的非线性大。,图2-8 半导体应变计 a)单轴半导体应变计 b)自补偿应变计 c)互补偿应变计,2.3.4 半导体应变计,2.3.5 几种特殊的应变计,1.裂纹扩展应变计 2.疲劳寿命应变计 3.大应变量应变计 4.双层应变计 5.防水应变计 6.屏蔽式应变计,1.裂纹扩展应变计,图2-9 裂纹扩展应变计,2.疲劳寿命应变计,疲劳寿命应变计是由经过退火处理的康铜箔制成的敏感栅夹在两层浸过环氧树脂的玻璃纤维布中间形成。当应变计粘贴在承受交变载荷的构件上时，应变计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.大应变量应变计,图2-10 大应变量应变计,4.双层应变计,在进行薄壳、薄板应变的测量时，需

8、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。双层应变计为解决这些问题提供了条件，在不太厚的塑料上、下表面粘贴应变计，并在应变计表面涂环氧树脂保护层。使用时将此双层应变计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.防水应变计,在潮湿环境或水下，特别在高水压作用下，应采用防水应变计。常温短期水下应变测量可在箔式应变计表面涂防护层(如水下环氧树脂)。长期测量可用热塑方法将应变计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计的基底和覆盖层制成防水应变计。,6.屏蔽式应变计,屏蔽式应变计的上、下两面均有铜箔构成屏蔽层，常用于电流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。,2.4 电阻应变计的工作特性,2.4.1 应变计的电阻值 2.4.2 应变计的灵敏系数 2.4.3 应变计的横向效应系数 2.4.4 应变计的机械滞后 2.4.5 应变计的零点漂移和蠕变 2.4.6 应变计的应变极限 2.4.7 应变计的

9、疲劳寿命 2.4.8 应变计的绝缘电阻 2.4.9 应变计的温度特性 2.4.10 最大工作电流,2.4.1 应变计的电阻值,应变计的电阻是指应变计在室温环境、未经安装且不受力的情况下，测定的电阻值。 应变计电阻值的选定主要根据测量对象和测量仪器的要求。推荐的应变计电阻的系列为60、120、200、350、500、1000。在允许通过同样工作电流的情况下，选用较大的应变计电阻，就可以提高应变计的工作电压，以达到较高的测量灵敏度。由于电阻应变仪和其他常用应变测量仪器测量电桥的桥臂电阻习惯上按120设计，故120的应变计为最常用。,2.4.2 应变计的灵敏系数,应变计的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两者又不相等，这主要有两个原因：以丝式应变计为例，由于横栅的存在，使制成敏感栅之后的灵敏系数小于丝材的灵敏系数，差别的大小与敏感栅的结构形式和几何尺寸有关；试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，由于端部过渡区的影响又使应变计的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数，此差数不仅与基底和粘结剂的种类及其厚度有关，还受粘结剂的固化程度以及应变计安装质量的影响。,2.4.3 应变计的横向效应系数,2.4.4 应变计的机械滞后,造成应变计机械滞后的主要原因有： 1)粘合剂受潮变质，或过期失效，或固化处理不良。 2)粘贴技术不佳，比如部分脱落或粘合层太厚。 3)基底材料性能差。 4)试件的残余应力以及应变计敏感栅在制造和粘贴过程中产生的残余应力。,2.4.4 应变计的机械滞后,图2-11 应变计机械滞后,2.4.5 应变计的零点漂移和蠕变,在温度恒定的条件下，即使被测构件未承受应力，应变计的指示应变也会随时间的增加而逐渐变化，这一变化称为零点漂移，简称零漂。如果温度恒定，且应变计承受恒定的机械应变，这时指示应变随时间的变化则称为蠕变。 零漂和蠕变所反映的是应变计的性能随时间的变化规律，只有当应变计用于较长时间测量时才起作用。实际上，零漂和蠕变是同时存在的，在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值。,2.4.6 应变计的应变极限,在一般情况下，决定应变极限大小的主要因素是： 1)粘结剂和基底材料传递应变的性能。 2)引线与敏感栅焊点的布置形式。 3)应变计的安装质量。,2.4.7 应变计的疲劳寿命,应变计的疲劳寿命是指应变计在恒定幅值的

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