1、第六章第六章 应变测试系统应变测试系统6.1 6.1 应变片应变片6.2 6.2 应变测量桥路应变测量桥路6.3 6.3 布片与组桥布片与组桥6.4 6.4 提高应变测量精度的措施提高应变测量精度的措施6.16.1应变片应变片n 金属线材的应变效应金属线材的应变效应dRdR)21(形变效应形变效应压阻效应压阻效应/RdRK n 应变片灵敏系数应变片灵敏系数 安装在被测试件上的安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应应变在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化力时引起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比表面轴向应变之比 应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应
2、变应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数丝的灵敏系数n 应变片的结构和作用应变片的结构和作用 基底：固定敏感栅，将试件应变传给敏感栅，绝缘；基底：固定敏感栅，将试件应变传给敏感栅，绝缘；敏感栅：应变转化为电阻；敏感栅：应变转化为电阻；引线：接入电路，信号转化；引线：接入电路，信号转化；覆盖层：保护敏感栅；覆盖层：保护敏感栅；粘结剂：固定作用。粘结剂：固定作用。应变应变电阻变化电阻变化电流或电电流或电压变化压变化放大放大记录记录n 电阻应变测量过程电阻应变测量过程n 电阻应变测量的特点电阻应变测量的特点 优点：尺寸小，重量轻；频率响应好；测优点：尺寸小，重量轻；频率响应好；测量范围
3、广；可在恶劣条件下使用，价格便宜；量范围广；可在恶劣条件下使用，价格便宜；测量精度比较高。测量精度比较高。缺点：一片应变片只能测量一点某方向的应变；缺点：一片应变片只能测量一点某方向的应变；一次性；只能测量栅长范围内的平均应变。不适一次性；只能测量栅长范围内的平均应变。不适于在于在10001000摄氏度以上的高温环境下工作摄氏度以上的高温环境下工作 。横向效应横向效应 机械滞后机械滞后 零点漂移零点漂移 蠕变：在某一恒定应变状态下，保持温度不变，蠕变：在某一恒定应变状态下，保持温度不变，其指示应变值随时间而变化的特性。其指示应变值随时间而变化的特性。应变极限：真实应变与指示应变。应变极限：真实
4、应变与指示应变。动态寿命：在某一交变应变幅度下，应变片所动态寿命：在某一交变应变幅度下，应变片所能经受的有效工作循环次数。能经受的有效工作循环次数。10105 5-10-107 7次。次。动态响应动态响应n 电阻应变的工作特性电阻应变的工作特性n 温度误差及温度补偿温度误差及温度补偿 应变片的温度误差：由于测量现场环境温度的改应变片的温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差变而给测量带来的附加误差p 温度效应（由于温度变化引起的电阻温度系温度效应（由于温度变化引起的电阻温度系数变化）数变化）p 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同 温度补偿
5、方法：自补偿法，线路补偿法。温度补偿方法：自补偿法，线路补偿法。tKsgt)(00n 应变片主要参数应变片主要参数 几何尺寸几何尺寸 电阻值电阻值 绝缘电阻绝缘电阻 灵敏度系数灵敏度系数 允许电流允许电流 其他其他n 应变片的选用应变片的选用（1 1）敏感栅材料）敏感栅材料 要求灵敏系数稳定，电阻率高，电阻温度要求灵敏系数稳定，电阻率高，电阻温度系数小，加工性和焊接性好。系数小，加工性和焊接性好。200200以下一般选以下一般选用用康铜康铜材料，材料，300 300 以上镍铬合金等材料以上镍铬合金等材料（2 2）底基材料的选择）底基材料的选择 要求弹性模数小，绝缘电阻高，薄且抗温要求弹性模数小
6、，绝缘电阻高，薄且抗温抗热性能好。纸基：简单、便宜，抗热性能好。纸基：简单、便宜，7070以下；以下；胶基：使用温度可达胶基：使用温度可达100300 100300；玻璃纤维布；玻璃纤维布基：使用温度可达基：使用温度可达400500 400500。（3 3）栅长的选择）栅长的选择 应变片测出的应变是测点粘贴区域内应变应变片测出的应变是测点粘贴区域内应变的平均值，为保证测定的应变接近于测点的真的平均值，为保证测定的应变接近于测点的真实应变，一般选择栅长小的应变片。当测量材实应变，一般选择栅长小的应变片。当测量材质不均匀的木材、混凝土试件时，应采用栅长质不均匀的木材、混凝土试件时，应采用栅长的应变
7、片的应变片（4 4）灵敏系数的选择）灵敏系数的选择 宜选用灵敏系数大的应变片，一般宜选用灵敏系数大的应变片，一般K=2K=2（5 5）测试环境的选择）测试环境的选择 温度、湿度、高压等环境条件对应变片的温度、湿度、高压等环境条件对应变片的性能影响大性能影响大 表面处理表面处理 粘贴粘贴 粘合层的固化粘合层的固化 粘贴质量检查粘贴质量检查 防潮防水保护防潮防水保护 n 应变片的粘贴应变片的粘贴6.2 6.2 应变测量桥路应变测量桥路n 直流电桥直流电桥 电压输出电压输出RRUIi2112RRUIi4334 R R1 1上的电压降为：上的电压降为：RRURIRUi2111211 R R4 4上的电
8、压降为：上的电压降为：RRURUi4344 输出电压为：输出电压为：ioURRRRRRRRUUU)(4321423141 若：若：，则：，则：，电桥平衡电桥平衡RRRR42310oU 当各桥臂电阻发生变化时，输出电压发生变化：当各桥臂电阻发生变化时，输出电压发生变化：111RRR若：若：222RRR333RRR444RRR则：则：ioURRRRRRRRRRRRRRRRU)()()(4433221144223311工作桥臂：接入的是应变片，有电阻变化。工作桥臂：接入的是应变片，有电阻变化。根据电桥工作中桥臂电阻值变化情况可分为根据电桥工作中桥臂电阻值变化情况可分为半桥单臂半桥单臂、半桥双臂半桥双
9、臂和和全桥全桥三种联接方式。三种联接方式。全等臂桥全等臂桥 各桥臂电阻相等：各桥臂电阻相等：RRRRR4321R 很小，远小于桥臂电阻值，故略去分母中的很小，远小于桥臂电阻值，故略去分母中的R)(4)(4443322114321KKKKURRRRRRRRUUiiOioURRRRRRRRRRRRRRRRU)()()(4433221144223311 一般组桥时，各桥臂的参数要求相同，可以认为一般组桥时，各桥臂的参数要求相同，可以认为KKKKK4321 所以：所以：)(44321KUUio 如果如果相邻桥臂相邻桥臂的电阻变化相反，但大小相等，即的电阻变化相反，但大小相等，即R R1 1=R R3
10、3=R R，R R2 2=R R4 4=-=-R R，则有：，则有：KUKUUiio)(4RRUSOB/电桥的灵敏度电桥的灵敏度iBUS 所以全等臂桥所以全等臂桥 半桥半桥043RR)(421KUUio2iBUS 所以半桥灵敏度为：所以半桥灵敏度为：单臂桥单臂桥0432RRR14KUUio4iBUS 所以单臂桥灵敏度为：所以单臂桥灵敏度为：n 特性特性 应变电桥的和差特性：应变电桥的和差特性：相邻相减，相对相加相邻相减，相对相加)(44321KUUio 可实现温度补偿，输出电压可实现温度补偿，输出电压放大等作用。放大等作用。n 温度补偿温度补偿PiTTPioKUKUU4)(4PPTR1TR2p
11、 补偿片和工作片的性能参数完全相同补偿片和工作片的性能参数完全相同p 贴补偿片的材料与被测试件材料相同贴补偿片的材料与被测试件材料相同p 补偿片和工作片尽量放近一些，处于同一补偿片和工作片尽量放近一些，处于同一温度场温度场p 工作片、补偿片接在相邻桥臂上工作片、补偿片接在相邻桥臂上注意：注意：6.3 6.3 布片与组桥布片与组桥n 电桥的特点电桥的特点 是电桥的平衡条件，实际测量是电桥的平衡条件，实际测量时需先进行预调平衡。时需先进行预调平衡。如相邻两臂有大小相等，符号一致的变化，或如相邻两臂有大小相等，符号一致的变化，或是相对两臂有大小相等，符号相反的变化，则不破是相对两臂有大小相等，符号相
12、反的变化，则不破坏电桥的平衡。坏电桥的平衡。和差特性。和差特性。RRRR2341n 组桥及示例组桥及示例 桥路的接法有两种，一为半桥接法，一为全桥桥路的接法有两种，一为半桥接法，一为全桥接法。半桥接法是四个臂中只有两个参加工作。或接法。半桥接法是四个臂中只有两个参加工作。或一个参加工作，一个仅作温度补偿。全桥接法是桥一个参加工作，一个仅作温度补偿。全桥接法是桥路的四个臂均参与工作，既当工作片也当补偿片。路的四个臂均参与工作，既当工作片也当补偿片。此时，四个片必须贴于同一材料上，并在同温度情此时，四个片必须贴于同一材料上，并在同温度情况下工作，不相邻的两个应变片的应变量应相同，况下工作，不相邻的
13、两个应变片的应变量应相同，另两片的应变量数值与前者相等，但符号相反另两片的应变量数值与前者相等，但符号相反,或或者是两个补偿片。者是两个补偿片。解：方法一：解：方法一：PioKUU4PPTR1TR2方法二：方法二：R2R1 PTTTPPPPR1R2感受横向拉力感受横向拉力PiTPTPiioKUKUKUU)1(4)()(4)(421比较两种方法比较两种方法例例1：求受拉试件应变。：求受拉试件应变。例例2：求如图所示试件由弯矩引起的应变。：求如图所示试件由弯矩引起的应变。MM解：方法一：解：方法一：MMTR2R1 0R2R1 MTTTMMiTTMioKUKUU4)(4方法二：方法二：MMR2R1
14、R2R1 MTTTMMMiTMTMiioKUKUKUU24)()(4)(421例例3：求试件由拉力和弯矩共同引起的应变。：求试件由拉力和弯矩共同引起的应变。MMPP解解：M R2R1 P TTTMMPPMiTMPTMPioKUKUU24)()(4（1）测弯矩应变排除拉力应变。）测弯矩应变排除拉力应变。MMR2R1PP（2）测拉力应变排除弯矩应变。）测拉力应变排除弯矩应变。方法一：贴温度补偿片，接成全桥。方法一：贴温度补偿片，接成全桥。MMR3R1PPR2R4 00R4R30 M0 R2R1 P TTTMMPPTTPiTTMPTTMPioKUKUU24)()(4方法二：方法二：R2MMR3R1P
15、PR4A A向向R1R2A A向向R4R3 M R2R1 P TTMMPPTTPMPMPiTMPTMPTMPTMPioKUKUU)1(24)()()()(46.4 6.4 提高应变测量精度的措施提高应变测量精度的措施n 提高供桥电压提高供桥电压n 增大输出电流增大输出电流n 减小贴片误差减小贴片误差n 减小接触电阻减小接触电阻n 长导线电阻影响的修正长导线电阻影响的修正n 测量应变的定度测量应变的定度n 其他措施其他措施例例4 4：用一电阻应变片测量一结构上某点的应力。：用一电阻应变片测量一结构上某点的应力。应变片电阻应变片电阻R=160R=160，灵敏系数，灵敏系数S=2.03S=2.03，
16、接入电，接入电桥的一臂。若电桥由桥的一臂。若电桥由10V10V直流电源供电，测得输直流电源供电，测得输出为出为5mV5mV，求该点沿应变片敏感方向的应变和应，求该点沿应变片敏感方向的应变和应力。构件材料的弹性模量力。构件材料的弹性模量 PaPa。101010E于是被测点应变为于是被测点应变为:解解:单臂工作电桥的输出电压为：单臂工作电桥的输出电压为：KUUio433010103.21010544KUUi被测点应力为被测点应力为:MPaPaE20010210201018103例例5 5、某车床加工外圆表面时，表面振纹主要由、某车床加工外圆表面时，表面振纹主要由转动轴上齿轮的不平衡惯性力而使主轴箱
17、振动所转动轴上齿轮的不平衡惯性力而使主轴箱振动所引起。振纹的幅值谱和主轴箱传动示意图如题图引起。振纹的幅值谱和主轴箱传动示意图如题图所示。传动轴所示。传动轴I I、传动轴、传动轴IIII和主轴和主轴IIIIII上的齿轮齿上的齿轮齿数为数为z z1 1=30=30，z z2 2=40=40，z z3 3=20=20，z z4 4=50=50。传动轴转速。传动轴转速n n1 1 =2000r/min=2000r/min。试分析哪一根轴上的齿轮不平衡量。试分析哪一根轴上的齿轮不平衡量对加工表面的振纹影响最大？为什么？对加工表面的振纹影响最大？为什么？解：解：1 1）计算各轴的转速和转动频率：）计算各
18、轴的转速和转动频率：轴轴I I的转动频率：的转动频率：（HzHz）轴轴IIII的转速：的转速：(r/min)(r/min)轴轴IIII的转动频率：的转动频率：（HzHz）轴轴IIIIII的转速：的转速：(r/min)(r/min)轴轴IIIIII的转动频率：的转动频率：（HzHz）3.33602000f15002000403021nzzn25601500f6001500302043nzzn1060600f2 2）判别）判别 由计算结果知，轴由计算结果知，轴IIII的转动频率的转动频率f fII=25(Hz)=25(Hz)与幅与幅频图频图A(f)A(f)中最大幅值处的频率相吻合，故知轴中最大幅值处的频率相吻合，故知轴IIII上的齿轮上的齿轮不平衡量对加工表面的振纹影响最大。不平衡量对加工表面的振纹影响最大。
