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
2、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
3、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
4、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
5、：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)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
6、.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
7、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
8、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
9、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90b)三轴45c)三轴60d)三轴1202.3.2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
10、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)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
11、.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
12、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
13、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。
14、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
15、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
16、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交变应力作用下连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数。当应变计出现以下三种情形之一者，即可认为是疲劳损坏：敏感栅或引线发生断路；应变计输出幅值变化10%；应变计输
17、出波形上出现穗状尖峰。疲劳损坏的原因是，在动态应力测量时，应变计在交变应变的作用下，经过若干循环次数之后，其灵敏系数将随应变循环次数的增加而有所改变。这主要是由于敏感栅的缺陷(栅条上的针孔和裂隙)、内焊点接触电阻的变化、粘结剂强度下降以及应变计安装质量不好等因素所造成。要提高应变计的疲劳寿命，需特别注意引线与敏感栅之间的连接方式和焊点质量。2.4.8应变计的绝缘电阻应变计的绝缘电阻是指敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。当安装在试件上的应变计通入工作电流以后，绝缘电阻可认为是每段栅丝与“地”之间许多小电阻的并联值。由于并联电路的分流作用，
18、使通过敏感栅的电流变小。绝缘电阻越低，分流作用就越大，通过敏感栅上的电流就越小，致使测量灵敏度降低，直接影响测量结果。2.4.9应变计的温度特性1.热输出2.热滞后1.热输出1)应变计敏感栅材料本身的电阻随温度而改变。2)由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同，使敏感栅产生了附加变形。2.热滞后如果应变计是在升温和降温情况下循环工作，则发现在室温和极限工作温度之间增加或减少温度时，应变计的升温热输出曲线和降温热输出曲线并不重合。即在某一温度下，升温的曲线和降温的曲线之间有一个差值，此差值即为应变计的热滞后。2.4.10最大工作电流应变计接入测量线路，敏感栅中便通过一定的电流，一部分能量转换为
19、热能而使应变计产生温升。增加工作电流，虽然能够增大应变计的输出信号而提高测量灵敏度，但如果由此产生太大的温升，不仅会使应变计的灵敏系数发生变化，零漂和蠕变值明显地增加，有时还会将应变计烧坏。应变计的最大工作电流是指允许通过其敏感栅而不影响工作特性的最大电流值。表2-2常温应变计的工作特性指标2.4.10最大工作电流2.5电阻应变计工作特性的标定2.5.1灵敏系数、机械滞后及蠕变的标定2.5.2横向效应系数的标定2.5.3疲劳寿命的标定2.5.4热输出与热滞后的标定2.5.1灵敏系数、机械滞后及蠕变的标定1.灵敏系数的标定2.机械滞后的标定3.蠕变的标定1.灵敏系数的标定图2-12纯弯曲梁标定装
20、置2.机械滞后的标定机械滞后可以与灵敏系数在同一试验中进行标定，可采用载荷回零时的滞后值，即相邻两次载荷为零时指示应变之差，以其中绝对值最大者作为该批应变计的机械滞后值。3.蠕变的标定蠕变的标定是在温度恒定的条件下，保持应变计承受恒定的机械应变，记录指示应变随时间变化的规律。标定应变计的蠕变，允许采用标定灵敏系数的试件，试验可以在标定灵敏系数之前，也可以在其之后进行，但标定蠕变前必须保证应变计在4h内未曾承受机械应变。2.5.2横向效应系数的标定1.横向效应系数的标定2.应变计的横向效应对应变测量的影响1.横向效应系数的标定图2-13横向效应系数标定装置2.应变计的横向效应对应变测量的影响2.
21、5.3疲劳寿命的标定标定应变计的疲劳寿命多采用等强度悬臂梁装置。梁承受交变的单向应力，被测应变计安装在标定梁的上下表面，它们的轴线与单向应力方向平行。用电压表记录应变计的输出电平，并用示波器观察输出波形的变化。疲劳寿命的大小除了取决于应变计的性能外，还与标定试验时交变应变的幅值和频率有很大关系，通常规定梁表面应变的幅值为(100050)，振动频率在2050s-1之间。当标定条件需要改变时，应作特别的说明。2.5.4热输出与热滞后的标定标定热输出应在均匀温度场内进行，温度的不均匀度不大于2。试件尺寸通常取宽度约为50mm，长度约为100mm，厚度为23mm。试件如太薄，升温时易变形，试件太大则易
22、造成温度不均匀。安装试件时，试件应能够自由膨胀，不致产生附加的应力。应变计与测量仪器的连接，要注意消除导线对热输出的影响。测量温度的热电偶要与试件表面紧密接触。如无特殊说明，对于高温和中温应变计，热输出的标定只在升温过程中进行，升温速率为35/min。热滞后的标定则在升温与降温过程中连续进行。表2-3应变计的粘结剂分类一览表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2.7.1电阻应变计的选择2.7.2电阻应变计的粘贴2.7.3电阻应变计的防护2.7.1电阻应变计的选择1.根据测试的环境条件选用应变计2.根据被测构件的应变状态选用应变计3.根据被测构件的材料性质选用应变计4.根据应变
23、计的尺寸选用应变计5.根据应变计的电阻值选用应变计6.根据测试精度选用应变计1.根据测试的环境条件选用应变计(1)环境温度测量时应根据构件的温度选择合适的应变计，使得在给定的试验温度范围内，应变计能正常工作。(2)环境湿度潮湿对应变计性能影响极大，会出现绝缘电阻降低、粘结强度下降等现象，严重时则无法进行测量。(3)磁场环境应变计在强磁场作用下，敏感栅会伸长或缩短，使应变计产生输出。2.根据被测构件的应变状态选用应变计(1)应变分布梯度应变计测出的应变值是应变计栅长范围内的平均应变值。(2)应变性质对于静态应变测量，温度变化是产生误差的重要原因，如有条件，可针对具体试件材料选用温度自补偿应变计。
24、3.根据被测构件的材料性质选用应变计1)若被测构件的材料为弹性模量较高的均质材料(如金属材料)，则对应变计无特殊要求。2)若被测构件的材料为非均质材料(如木材、混凝土等)，则应选用栅长较大的应变计，以消除因材料不均匀而带来的影响。4.根据应变计的尺寸选用应变计应变计尺寸的选择，是根据试件的材料和应力状态，以及允许粘贴应变计的面积而定。例如，对于混凝土、铸铁、木材等表面粗糙、不匀的材料，选用栅长较大的应变计。对于表面光滑、均匀的材料，选用栅长较小的应变计。对于试件表面应力分布均匀或变化不大，且允许粘贴面较大的情况下，选用栅长较大的应变计。若在试件的应力集中区域，或允许粘贴面积很小的情况下，选用栅
25、长1mm的应变计。对于塑料等导热性差的材料，一般选用栅长大的应变计。5.根据应变计的电阻值选用应变计应变计电阻值的选择，一般根据测试仪器对应变电阻值和测量应变灵敏度的要求，以及测试条件等而定。例如，应力分析测试常用的电阻应变仪通常是按应变计电阻值为(1205)进行设计的。因此，应力分析测试时，普遍选用电阻值为120的应变计。而传感器上通常选用高电阻值(如350、500、1000，甚至5000)的应变计，因为这样可以提高其稳定性或输出灵敏度。有时为了减少应变计引线和连接导线的电阻对应变计应变灵敏度的衰减作用，或为了提高动态应变测量的信噪比，也选用高电阻值的应变计。6.根据测试精度选用应变计一般认
26、为以胶膜为基底、以铜镍合金和镍铬合金材料为敏感栅的应变计性能较好，它具有精度高、长时间稳定性好以及防潮性能好等优点。2.7.2电阻应变计的粘贴1.检查和分选应变计2.粘贴表面的准备3.贴片4.固化5.测量导线的焊接与固定6.检查1.检查和分选应变计贴片前应对应变计进行外观检查和阻值测量。检查应变计的敏感栅有无锈斑、基底和覆盖层有无破损、引线是否牢固等。阻值测量的目的是检查应变计是否有断路、短路情况，并按阻值进行分选，以保证使用同一温度补偿片的一组应变计的阻值相差不超过0.1。2.粘贴表面的准备首先，除去构件粘贴表面的油污、漆、锈斑、电镀层等，用砂布交叉打磨出细纹以增加粘结力，接着用浸有酒精(或
27、丙酮)的纱布片或脱脂棉球擦洗，并用钢画针画出贴片定位线。最后，再进行一次擦洗，直至纱布片或棉球上不见污迹为止。3.贴片在应变计的底面和处理过的粘贴表面上，各涂一层薄而均匀的胶，用镊子将应变计放上并调好位置，然后盖上氟塑料薄膜，用手指揉和滚压，挤出多余的胶，并排除应变计下面的气泡，使应变计和试件完全贴合。过适当时间后，从应变计无引线的一端开始向有引线的一端揭掉氟塑料薄膜，用力方向尽量与粘结表面平行。4.固化贴片时最常用的是氰基丙稀酸酯粘结剂(如502胶水、501胶水粘结剂)。用它贴片后，只要在室温下放置数小时即可充分固化，而具有较强的粘结能力。对于需要加温固化的粘结剂，应严格按规范进行。一般是用
28、红外线灯烘烤，但加温速度不能太快，以免产生气泡。待粘结剂初步固化以后，即可焊接导线。常温静态应变测量时，导线可采用?0.1?0.3mm的单丝纱包铜线或多股铜芯塑料软线。图2-14接线端子片固定导线示意图导线与应变计引线之间连接最好使用接线端子片，如图2-14所示。5.测量导线的焊接与固定5.测量导线的焊接与固定图2-14接线端子片固定导线示意图6.检查对已充分固化并已接好导线的应变计，在正式使用前必须进行质量检查。除对应变计作外观检查外，还应检查应变计是否粘贴良好、贴片方位是否正确、有无短路和断路、绝缘电阻是否符合要求(一般不低于100M)等。2.7.3电阻应变计的防护对安装后的应变计，应采取恰当的防潮措施。防护方法的选择取决于应变计的工作条件、工作期限及所要求的测量精度。对于常温应变计，常采用硅橡胶密封剂防护方法。这种方法是用硅橡胶直接涂在经一般清洁处理的应变计周围，在室温下经1224h即可粘合固化，放置时间越长，粘合效果越好。硅橡胶使用方便、防潮性能好、附着力强、储存期长、耐高低温、对应变计无腐蚀作用，但强度较低。另外，环氧树脂、石蜡或凡士林也可做防潮保护材料。
