壓力測量和應(yīng)變測量

1、第六章 壓力測量和應(yīng)變測量壓力測量壓力是反映發(fā)動機(jī)和試車臺設(shè)備工作過程特性的重要參數(shù)。 燃燒室壓力是發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中測量的基本參數(shù)之一，測出壓力隨時間的變化關(guān)系，可以知道發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)是否合理，裝藥能否正常燃燒，藥柱是否符合質(zhì)量要求等。由壓力時間數(shù)據(jù)還可間接計(jì)算出發(fā)動機(jī)的推力、藥柱的燃燒速度和發(fā)動機(jī)的流量系數(shù)等。通常將發(fā)動機(jī)工作在設(shè)計(jì)狀態(tài)的壓力稱為穩(wěn)態(tài)壓力(或稱緩變壓力)。發(fā)動機(jī)工作過程中有時會產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩燃燒，其壓力變化的頻率范圍為10020000Hz。通常稱此頻率范圍內(nèi)變化的壓力為脈動壓力。不穩(wěn)定燃燒是固體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一，它不僅會產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力和強(qiáng)烈的振動，給導(dǎo)彈整體結(jié)構(gòu)和

2、彈上儀器設(shè)備帶來不利影響，而且會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)壓力和傳熱率的迅速增長，導(dǎo)致燃燒室破壞。因此，脈動壓力的測量是非常需要的。 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程的壓力稱為點(diǎn)火壓力。 點(diǎn)火壓力本是指點(diǎn)火器(對于大型發(fā)動機(jī)，點(diǎn)火器實(shí)際是一個小型固體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī))的壓力，有時也包括燃燒室壓力的上升段。 點(diǎn)火壓力屬于速變壓力范疇。 在高模試驗(yàn)中需要測量的一個重要參數(shù)是真空壓力。真空壓力數(shù)據(jù)不僅描述了高空模擬環(huán)境的壓力條件，而且還作為燃燒室壓力和真空沖量的修正依據(jù)。 選擇壓力傳感器應(yīng)根據(jù)被測參數(shù)的幅值與頻率、測量精度與靈敏度要求以及使用條件等綜合考慮。 固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中，壓力測量普遍采用電阻應(yīng)變式和壓阻式壓力傳感器，需要測量很

3、高頻率的壓力時，也可采用壓電式傳感器。 穩(wěn)態(tài)壓力測量對傳感器頻率響應(yīng)要求不高，而希望測量精度高一般選用結(jié)構(gòu)較簡單、輸出較大的高精度應(yīng)變式壓力傳感器。6.1傳感器選擇 用于測量點(diǎn)火壓力和脈動壓力的傳感器，必須具有很高的頻率響應(yīng)特性。 由于高頻傳感器的過載能力低，選擇傳感器量程時，應(yīng)充分估計(jì)到可能出現(xiàn)的最大值。 此外，為了使壓力傳遞系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)好，在安裝傳感器時應(yīng)使其敏感膜片與燃燒室內(nèi)壁平齊，在不得不使用轉(zhuǎn)接管道時，管道應(yīng)盡可能短，所以還要求傳感器的溫度特性和抗沖擊振動性能好。 最常用的測量速變壓力的傳感器是水冷應(yīng)變式壓力傳感器。其殼體上裝有冷卻水進(jìn)出管接頭，以一定壓力或一定流速的水直接冷卻膜片

4、，可使膜片受壓面的工作溫度達(dá)1000。此種傳感器的固有頻率為2040kHz，各向抗沖擊振動可達(dá)1000m/s2。其缺點(diǎn)是精度不高，靈敏度較低。 壓阻式壓力傳感器是一種新型的傳感器。 與應(yīng)變式傳感器相比，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、滯后與蠕變小、固有頻率高、可靠性高、壽命長、抗干擾力強(qiáng)、體積小。 其缺點(diǎn)是非線性、電阻溫度系數(shù)與靈敏度溫度系數(shù)均較大，需采取補(bǔ)償措施才可得到較好的結(jié)果。 壓電式壓力傳感器的固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)很好，但由于其精度低，使用時應(yīng)慎重選擇。(1)靜態(tài)校準(zhǔn) 壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)一般用二等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)壓力源，必要時也可用一等標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)。 壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)與推力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)

5、所用儀器和校準(zhǔn)過程相似。(2)動態(tài)校準(zhǔn) 壓力傳感器動態(tài)校準(zhǔn)通常采用階躍壓力激勵和正弦壓力激勵兩種方法。6.2傳感器校準(zhǔn) 激波管是一個較為理想的階躍壓力發(fā)生器，在傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)中最常使用。 由激波管作為動態(tài)壓力源所組成的壓力傳感器動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖所示，包括激波管、氣源與控制系統(tǒng)、激波速度測量系統(tǒng)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)四大部分。階躍壓力激勵1、2壓電式壓力傳感器；壓電式壓力傳感器；3被校傳感器；被校傳感器；4觸發(fā)傳感器觸發(fā)傳感器. 激波管是一個具有恒等截面、內(nèi)壁非常光滑、兩端封閉的細(xì)長管，由膜片分隔成兩個密封的腔室，具有較高壓力的稱為高壓室，具有較低壓力的稱為低壓室。 當(dāng)兩室壓差達(dá)到一定值時

6、，膜片爆破，高壓室氣體向低壓室迅速膨脹，形成入射激波。 激波后面壓力突變，產(chǎn)生一個正的階躍壓力。入射激波到達(dá)低壓室端面后被反射，形成反射激波和反射激波階躍壓力。 選擇不同材料和不同厚度的膜片，可得到需要的階躍壓力值和上升時間。 被校準(zhǔn)的傳感器安裝在低壓室端面或側(cè)壁，其敏感面應(yīng)與激波管內(nèi)壁平齊。 傳感器安裝位置不同，所感受的激波亦不同。 由于受敏感面形狀和尺寸的影響，側(cè)壁安裝比末端安裝所感受壓力的上升時間長。 如果傳感器實(shí)際使用時是通過連接管道安裝，則應(yīng)將傳感器與連接管道作為一個系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。 氣源與控制系統(tǒng)用于對激波管各室充氣。 要求具有壓力調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)高壓氣體壓力，使加壓平穩(wěn)。系統(tǒng)中有差

7、壓室，在校準(zhǔn)壓差傳感器時，差壓室用于給傳感器加平衡壓力或參考壓力。 在校準(zhǔn)低量程傳感器時，為使激波管處于最佳工作狀態(tài)，采用真空泵使低壓室壓力低于大氣壓，并需用差壓室保持傳感器兩邊的壓力平衡。 氣源和激波管各室均裝有壓力指示儀表。 在低壓室側(cè)壁上相隔一定距離安裝兩只壓力傳感器，用于測量激波經(jīng)過的時間間隔，確定激波速度。 傳感器應(yīng)具有高的固有頻率，通常選用壓電式傳感器。 傳感器的敏感面應(yīng)與激波管內(nèi)壁平齊安裝。其輸出經(jīng)過匹配電路接至電子計(jì)時儀器。測量的數(shù)據(jù)除用于計(jì)算激波速度外，還可計(jì)算激波傳遞過程的衰減梯度。 記錄系統(tǒng)中一般不用濾波器，以免丟失有用信息。只有在校準(zhǔn)固有頻率低的傳感器時，為了消除干擾，

8、可使用低通濾波器。 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)或波形曲線，按照被校傳感器的安裝位置，采用一定的計(jì)算方法，給出傳感器動態(tài)特性參數(shù)：上升時間、阻尼比、超調(diào)量、振蕩頻率和固有頻率等，或用頻率響應(yīng)函數(shù)表示。正弦壓力法 正弦壓力發(fā)生器是利用機(jī)械裝置對氣體或液體進(jìn)行周期性的壓縮而獲得正弦變化的壓力的設(shè)備。下圖是一種正弦壓力發(fā)生器校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖。 正弦信號發(fā)生器輸出的電信號，經(jīng)功率放大后加到電磁振蕩器上，使其產(chǎn)生一定頻率和振幅的機(jī)械振動。振動作用于壓力室，壓縮其中的介質(zhì)，獲得正弦變化的壓力。被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器安裝在壓力室上，它們的輸出同時送入記錄儀器，功率放大器的輸出亦接至記錄器。 改變正弦信號發(fā)生器的頻率，可得到傳感

9、器在不同頻率壓力作用下的輸出，由這些數(shù)據(jù)就可求出被校傳感器的頻率特性(幅頻特性和相頻特性)。6.3穩(wěn)態(tài)壓力測量(1)測量系統(tǒng) 測量系統(tǒng)在試驗(yàn)現(xiàn)場一般用機(jī)械校準(zhǔn)，也可用電校準(zhǔn)。 機(jī)械校準(zhǔn)采用二等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)作壓力源。傳感器連同安裝轉(zhuǎn)接件一起裝在壓力計(jì)上，測量系統(tǒng)按照試驗(yàn)狀態(tài)連接和調(diào)節(jié)，壓力計(jì)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力施加于傳感器，對整個測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。 此法可以得到較高的測量精度，但是試驗(yàn)現(xiàn)場的條件不易保證標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)對工作環(huán)境的要求，校準(zhǔn)時間也長。(2)傳感器安裝位置 測量發(fā)動機(jī)燃燒室壓力時，傳感器的安裝位置對于能否準(zhǔn)確測量有著重要作用。 為了獲取可靠的測量數(shù)據(jù)，需使測壓位置與裝藥和燃燒室形狀無關(guān)，應(yīng)

10、選擇在無氣體速度的地區(qū)。否則，必須分析由動壓頭引起的壓力分量，這樣會造成很大的困難。因此，通常將測壓點(diǎn)選在發(fā)動機(jī)的前底區(qū)。6.4脈動壓力與點(diǎn)火壓力測量 脈動壓力與點(diǎn)火壓力統(tǒng)稱為速變壓力，測量系統(tǒng)基本相同。 測量系統(tǒng)的組成與校準(zhǔn) 傳感器的安裝測量系統(tǒng)的組成與校準(zhǔn) 采用應(yīng)變式或壓阻式傳感器時，組成測量系統(tǒng)的儀器與推力測量系統(tǒng)相同。 但由于光線示波器頻響不夠高，通常不直接用于記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而用磁帶記錄器記錄。 磁帶記錄器以高的帶速記錄，以較低的帶速重放，由光線示波器記錄曲線，供分析處理，或由數(shù)字式動態(tài)信號分析儀進(jìn)行處理。也可以用高速數(shù)據(jù)采集，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄與分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 高頻壓力傳感器的靈敏度較

11、低，一般需經(jīng)放大后輸入記錄器，應(yīng)選用寬頻帶的直流放大器，以保證被測信號不失真。低通濾波器;的截止頻率應(yīng)根據(jù)被測信號的最高頻率來選擇。 如果選用壓電式壓力傳感器，則應(yīng)配電荷放大器或輸入阻抗極高的電壓放大器。 對于脈動壓力測量，通常需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。 測量系統(tǒng)在試驗(yàn)現(xiàn)場一般只進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法與穩(wěn)態(tài)壓力測量系統(tǒng)相同。使用水冷卻傳感器時，由于冷卻水對傳感器的靈敏度和零點(diǎn)都會產(chǎn)生影響，因此最好在通冷卻水的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)。 現(xiàn)代測量儀器具有很寬的頻響范圍，只要選用恰當(dāng)，整個測量系統(tǒng)的動態(tài)特性主要決定于傳感器本身及其安裝方式。所以，通常只需在實(shí)驗(yàn)室測定傳感器及其安裝組件的動態(tài)響應(yīng)特性，而不必在

12、試驗(yàn)現(xiàn)場對測量系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)。傳感器的安裝 a.空腔的影響 b.振動的影響 c.安裝位置 d.安裝力矩 e.熱傳導(dǎo)與熱輻射的影響a.空腔的影響 為了準(zhǔn)確地測量高頻壓力振蕩，應(yīng)使傳感器敏感膜片與燃燒室內(nèi)壁平齊安裝。 但是，發(fā)動機(jī)內(nèi)猛烈的振蕩燃燒可能引起嚴(yán)重的熱交換，以致于水冷卻的傳感器也難免受破壞。 這就需要通過轉(zhuǎn)接管道來安裝傳感器。此外，由于結(jié)構(gòu)尺寸等原因，傳感器的安裝也常常需要使用轉(zhuǎn)接件。 如圖下所示，傳感器膜片前方存在空腔。 堵在管道和前空腔中的燃?xì)獠⒉粎⒓影l(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的燃?xì)饬鲃舆^程。燃燒室內(nèi)的壓力振蕩要通過這段氣體的傳遞，才能作用于膜片上。 由于轉(zhuǎn)接管道的加入，將使測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

13、降低。 當(dāng)要求測壓系統(tǒng)頻率響應(yīng)高時，必須考慮傳感器安裝的影響。最好是使傳感器敏感膜片與燃燒室內(nèi)壁平齊安裝，不得不使用轉(zhuǎn)接件時，應(yīng)使管道盡可能粗而短，容腔盡可能小，以使轉(zhuǎn)接件對測壓系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響盡量小。 由于液體介質(zhì)中的音速較氣體介質(zhì)中高，且液體具有更好的隔熱作用，因此在實(shí)際使用中，常常在轉(zhuǎn)接管道內(nèi)充滿合適的液體介質(zhì)(如硅油)，可獲得好的頻響特性。但是，必須注意，腔內(nèi)液體中不能混有氣體，否則將會產(chǎn)生氣擊，難以估計(jì)其動態(tài)特性。 對于使用轉(zhuǎn)接管道安裝的傳感器，應(yīng)將傳感器與轉(zhuǎn)接件按實(shí)際使用形式安裝后進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，以確定壓力傳遞系統(tǒng)的實(shí)際頻率特性。 測壓管道、接口及傳感器內(nèi)腔本身都應(yīng)盡可能連續(xù)平滑，

14、防止發(fā)生反射。反射作用出現(xiàn)在信一號中類似噪聲，會帶來測量誤差。 b.振動的影響 不穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動，將會影響壓力傳感器的輸出。 在發(fā)動機(jī)上安裝兩只型號規(guī)格完全相同的壓力傳感器，一只按正常方式安裝用于側(cè)量壓力，另一只安裝在承受相同振動但不與壓力相通的位置。 比較發(fā)動機(jī)工作時這兩只傳感器的輸出，即可得知振動對壓力傳感器輸出所造成的影響。必要時，可采用加速度補(bǔ)償壓力傳感器，或采用加速度計(jì)測出加速度值，再對壓力傳感器的輸出進(jìn)行修正。 c.安裝位置 測量點(diǎn)火壓力的傳感器安裝在點(diǎn)火器的測壓位置。 測量脈動壓力的傳感器安裝位置的選擇原則是應(yīng)使燃燒室內(nèi)不穩(wěn)定燃燒的各種振型可根據(jù)測得的瞬時相位和幅值加以判

15、別。 縱向振型的判別是用三個傳感器沿軸向排成一列，分別安裝在燃燒室頂部、噴管收斂段和二者之間。用這三個傳感器測得的相位、幅值和頻率，就可以確定縱向的各次諧波。 為判別切向振型，需在同一橫截面上不同位置安裝幾個傳感器。圖是兩種較為合適的方案。d.安裝力矩 傳感器的安裝力矩必須符合規(guī)定。力矩過小會因密封不良引起泄漏，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。 不合適的安裝力矩(過大或過小)還會影響傳感器的靈敏度和其他性能。e.熱傳導(dǎo)與熱輻射的影響 由于熱傳導(dǎo)與熱輻射造成的溫度變化會影響傳感器的性能，特別是溫度靈敏度和溫度零漂，它們可能成為一種主要的誤差源。除了選用溫度性能好的傳感器外，還可采取以下措施來減小溫度影響

16、。 在傳感器膜片上涂敷各種形式的燒蝕涂層，以保護(hù)膜片; 采用隔熱或加溫的方法使傳感器溫度保持恒定; 在不能消除溫度對傳感器輸出產(chǎn)生的影響時，應(yīng)在數(shù)據(jù)處理中對這些影響予以修正。6.5其它壓力測量(1)真空壓力測量 a.傳感器選擇 測量真空壓力一般選用應(yīng)變式或壓阻式差壓傳感器或絕壓傳感器，量程為98kPa或稍高。 b.測點(diǎn)位置 真空艙內(nèi)可能存在壓力梯度，測壓位置的選擇原則是保證測量數(shù)據(jù)能真實(shí)地反映高空模擬環(huán)境的特征。 對于新使用的試驗(yàn)艙，需進(jìn)行多點(diǎn)測量，以確定在所關(guān)心的區(qū)域內(nèi)的壓力梯度，然后選擇合適的測點(diǎn)位置。 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)至少應(yīng)有兩個檢測點(diǎn)，一般選在發(fā)動機(jī)前封頭中心和噴管出口面附近。 c.傳感

17、器與測量系統(tǒng)的校準(zhǔn) 傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)采用活塞式真空壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)壓力源。校準(zhǔn)方法及所用儀器與一般壓力傳感器相同。 測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)可用真空壓力計(jì)施加標(biāo)準(zhǔn)壓力，也可用電校準(zhǔn)。 d.傳感器的安裝 采用差壓傳感器測量真空壓力時，實(shí)際測量的是艙壓與大氣壓之差。傳感器需要通過連接管道來安裝，傳感器的兩個壓力腔分別接至測壓位置和試驗(yàn)艙外。 管道的延遲時間可以通過實(shí)驗(yàn)來測定，然后在數(shù)據(jù)處理中對測量結(jié)果予以修正。 由于低壓傳感器對振動很敏感，因此在安裝傳感器時應(yīng)采取減振措施。(2)壓差測量 發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的高速氣流，使發(fā)動機(jī)周圍空間出現(xiàn)壓力梯度。 特別是對于大型發(fā)動機(jī)，其軸向長度可達(dá)數(shù)米，前封頭與后封頭之間的

18、壓力差將會對推力測量產(chǎn)生不可忽視的影響。 因此，需要測量壓差，用以對推力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。 測量壓差有兩種方法一種方法是用一只差壓傳感器，將其兩個壓力輸入口通過轉(zhuǎn)接管道分別置于前、后封頭測壓位置，直接測得壓差數(shù)據(jù)。由于需要知道的是與推力相對應(yīng)的同一瞬時兩測點(diǎn)的壓力差，因此必須考慮轉(zhuǎn)接管道延遲時間的影響，在數(shù)據(jù)處理中加以修正。 另一種方法是用兩只低壓傳感器，分別安裝在前、后封頭測壓位置，由兩個獨(dú)立的測量通道記錄數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過計(jì)算給出壓差值。 測量發(fā)動機(jī)周圍空間壓差一般選用應(yīng)變式或壓阻式傳感器，其測量系統(tǒng)與穩(wěn)態(tài)壓力測量系統(tǒng)相似。傳感器安裝應(yīng)注意的問題與真空壓力測量相同。6.6 應(yīng)變測量 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中測

19、量應(yīng)變是為了分析發(fā)動機(jī)殼體與噴管組件等的應(yīng)力分布情況，確定其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為驗(yàn)證與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 在大型發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)考核試驗(yàn)中，應(yīng)變是一個重要參數(shù)，測量通道數(shù)可達(dá)幾十路，甚至上百路。 電阻應(yīng)變計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量范圍寬、測量精度高、動態(tài)響應(yīng)好、使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性與可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，且安裝時不破壞被測結(jié)構(gòu)，不擾亂應(yīng)力分布。因此，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測量中被普遍采用。6.6.1應(yīng)變計(jì)選擇 測量應(yīng)變所用的應(yīng)變計(jì)主要根據(jù)被測對象的材料、應(yīng)變范圍、工作條件和測量精度要求等來選擇。另外，還希望應(yīng)變計(jì)的粘貼工藝盡量簡單。由于應(yīng)變測點(diǎn)一般較多，且應(yīng)變計(jì)不能多次安裝重復(fù)使用，所以選擇應(yīng)變計(jì)還應(yīng)注意性能一致、

20、價格低廉。 對于金屬材料的應(yīng)變測量，一般選用紙基絲式應(yīng)變計(jì)，可測應(yīng)變范圍為1%( )。對于非金屬纖維復(fù)合材料，選用紙浸膠基絲式塑性應(yīng)變計(jì)(俗稱大應(yīng)變計(jì))，其測量范圍可達(dá)20%，發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中選用測量范圍10%以下的應(yīng)變計(jì)。箔式應(yīng)變計(jì)不適用于纖維纏繞殼體，因?yàn)闅んw表面局部樹脂龜裂會使應(yīng)變計(jì)的敏感柵斷裂，造成不真實(shí)的測量結(jié)果，甚至超出測量系統(tǒng)的量程，導(dǎo)致測量失敗。410 在高溫下工作時，應(yīng)選用高溫應(yīng)變計(jì)。高溫應(yīng)變計(jì)的粘貼一般需加溫加壓固化，工藝較復(fù)雜。 目前已研制出在常溫下固化可在高溫下使用的膠粘劑，簡化了粘貼操作。 某些高溫應(yīng)變計(jì)采用點(diǎn)焊或滾焊的方法安裝。但焊接方法不適用于非金屬材料試件，在金屬殼

21、體發(fā)動機(jī)上使用也受限制，因此很少采用。 除了單個應(yīng)變計(jì)外，還可選用各種型式的應(yīng)變花。 對于單向應(yīng)力測量，沿應(yīng)力方向粘貼一片應(yīng)變計(jì)即可。 對于平面應(yīng)力測量，當(dāng)主應(yīng)力方向已知時，沿主應(yīng)力方向和與其垂直的方向各貼一片應(yīng)變計(jì)，就可測得平面應(yīng)力。 如果主應(yīng)力方向未知，則需要測量三個不同方向的應(yīng)變才能求得平面應(yīng)力的大小和方向。 按照各個應(yīng)變計(jì)軸線的方向，有四種基本的組合方式，如下圖所示。應(yīng)變花的形式應(yīng)變花的形式(a)等角三軸型；等角三軸型；(b)直角三軸型；直角三軸型；(c)雙直角四軸型；雙直角四軸型；(d)T-四軸型四軸型.6.6.2應(yīng)變計(jì)粘貼 應(yīng)變計(jì)通常采用粘貼的方法安裝在被測表面上，通過膠粘劑所形成

22、的膠層的傳遞作用來測量試件表面變形。 因此，如何使膠粘劑將被測表面的應(yīng)變正確無誤地傳遞給應(yīng)變計(jì)，是應(yīng)變測量的關(guān)鍵問題之一。 合理地選擇膠粘劑和正確的粘貼工藝，是保證應(yīng)變測量精度的必要條件(1)膠粘劑a.對膠粘劑的要求 膠粘劑不僅使應(yīng)變計(jì)同試件表面一起工作，而且在一定程度上直接影響應(yīng)變計(jì)的特性，如滯后、蠕變、零漂、靈敏系數(shù)、線性以及動態(tài)特性等。綜合各方面的因素，對粘貼應(yīng)變計(jì)用的膠粘劑提出以下要求： 1)有較高的剪切強(qiáng)度; 2)除具有一定的剛度外，還應(yīng)有一定的韌性; 3)粘貼工藝簡單; 4)固化引起的收縮率盡量小; 5)固化后吸濕性小，電氣絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性好; 6)化學(xué)性能穩(wěn)定，易于保存;

23、7)對應(yīng)變計(jì)和試件無腐蝕作用。 幾乎沒有一種膠粘劑能同時滿足上述要求。實(shí)際使用中，只能根據(jù)不同的試驗(yàn)條件，針對主要性能要求，選擇合適的膠粘劑。b.常用膠粘劑 膠粘劑分為天然的和合成的兩大類。合成的又分為有機(jī)和無機(jī)兩類。 粘貼應(yīng)變計(jì)主要使用有機(jī)類，無機(jī)類(如硅酸鹽膠粘劑和磷酸鹽膠粘劑)僅用于高溫應(yīng)變計(jì)的粘貼。 常用的有機(jī)膠粘劑有：硝化纖維素、氰基丙烯酸脂、環(huán)氧類、酚醛類、有機(jī)硅、聚酷和聚酞亞胺等。這些膠粘劑都有其各自的特點(diǎn)與適用范圍。c.膠粘劑的選擇 膠粘劑應(yīng)根據(jù)所用應(yīng)變計(jì)及其工作條件來選擇。 首先要注意膠粘劑的種類是否和應(yīng)變計(jì)的基底材料相適應(yīng)。 還應(yīng)考慮工作環(huán)境的溫度、潮濕程度和有無化學(xué)腐蝕，

24、對穩(wěn)定性和疲勞壽命的要求，加溫加壓固化的可能性，粘貼操作時間的長短等因素。 最好使用應(yīng)變計(jì)制造廠家指定或推薦的膠粘劑。 (2)應(yīng)變計(jì)粘貼工藝 應(yīng)變計(jì)的粘貼質(zhì)量對測量精度影響很大。采用相同的應(yīng)變計(jì)和膠粘劑，如果粘貼方法、處理工藝和熟練程度不同，測量結(jié)果可能有很大差異。 因此，必須有完善的粘貼一工藝。應(yīng)變計(jì)粘貼工藝流程a.檢查應(yīng)變計(jì) 應(yīng)變計(jì)外觀應(yīng)無銹斑、破損或變形，電阻值應(yīng)在出廠給定范圍。b.試件表面處理 試件表面的清理對于能否保證應(yīng)變計(jì)的粘貼質(zhì)量起著重要作用。 首先除去試件表面的漆層和氧化層。 然后用規(guī)定粒度的砂布沿與粘貼軸線成45夾角的方向交叉打磨表面。 最后用丙酮、四氯化碳和無水乙醇等溶劑擦

25、拭被測表面。在清理干凈的表面上，沿縱向與橫向劃出定位標(biāo)志線。c.粘貼應(yīng)變計(jì) 粘貼方法因所用膠粘劑和應(yīng)變計(jì)種類不同而異。有些應(yīng)變計(jì)和膠粘劑出廠時介紹有粘貼使用方法，熟練的操作者又有自己的技巧和習(xí)慣。無論采用何種方法粘貼，都應(yīng)保證膠層薄而均勻，無氣泡，應(yīng)變計(jì)無扭曲變形，定位準(zhǔn)確。d.膠粘劑的固化 嚴(yán)格按照所用膠粘劑的固化程序所規(guī)定的溫度、壓力和時間，進(jìn)行固化處理。e.粘貼質(zhì)量檢查 在應(yīng)變計(jì)粘貼到試件上后，即對粘貼質(zhì)量進(jìn)行初步檢查。應(yīng)變計(jì)外觀無破損變形，并確定應(yīng)變計(jì)無短路和斷路現(xiàn)象，方可進(jìn)行固化處理。 固化完成之后，主要檢查以下內(nèi)容： 應(yīng)變計(jì)粘貼前后電阻值之差在允許范圍內(nèi)。 應(yīng)變計(jì)引線與金屬試件之間

26、的絕緣電阻應(yīng)大于100 。低的絕緣電阻會使應(yīng)變計(jì)的零漂、蠕變和滯后增大，還可能引入嚴(yán)重的干擾。 膠層中不能有影響測量性能的氣泡。f.安裝連接線 應(yīng)變計(jì)的引線與連接線之間通常用錫焊連接。要求焊點(diǎn)光滑、牢固可靠，切忌虛焊。否則會導(dǎo)致測量系統(tǒng)不能正常工作。g.防護(hù)處理 當(dāng)應(yīng)變計(jì)在潮濕環(huán)境下工作時，水分會產(chǎn)生如下作用：降低絕緣電阻;降低粘合層的粘接強(qiáng)度;膠粘劑吸潮膨脹使應(yīng)變計(jì)受力而出現(xiàn)虛假應(yīng)變;應(yīng)變計(jì)通電時產(chǎn)生電解現(xiàn)象，使線柵受腐蝕電阻增大，從而引起測量誤差，甚至無法使用。因此，需對應(yīng)變計(jì)采取防潮措施。 為了防止由于環(huán)境溫度變化使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生熱輸出而帶來測量誤差，可在應(yīng)變計(jì)表面覆蓋毛氈、石棉布等隔熱物。

27、這些覆蓋層還可在一定程度上保護(hù)應(yīng)變計(jì)，防止受機(jī)械損傷。6.6.3應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)校準(zhǔn) 應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)是應(yīng)變計(jì)最重要的性能參數(shù)，出廠時給出的值是抽樣在專用的校準(zhǔn)裝置上測定的。實(shí)際應(yīng)用中，也應(yīng)進(jìn)行抽檢。 靈敏系數(shù)校準(zhǔn)裝置是一種施加一定的載荷時能產(chǎn)生已知應(yīng)變的裝置。常用的有純彎曲梁和等強(qiáng)度梁，習(xí)慣上統(tǒng)稱為應(yīng)變梁。 純彎曲梁為一個等截面梁(等彎矩梁)。這種梁加工較簡單，容易保證精度。 下圖為純彎曲梁的一種加載方式。假定在外力作用下梁變形成為圓弧，則梁表面的應(yīng)變?yōu)椋?式中：h梁截面的高度(mm) ； l弦長(mm)； f與l對應(yīng)的撓度(mm)。 可見，測出撓度f，就可計(jì)算出應(yīng)變 ，f通常用千分表測量。

28、等強(qiáng)度梁(等應(yīng)力梁)如下圖所示。梁的左端固定在基座上，右端加載。應(yīng)變值按下式計(jì)算： 式中： F對梁施加的外力(N)； E梁材料的彈性模量(N/mm2)。 等強(qiáng)度梁受力時每一個截面上的應(yīng)力都是相同的。 為了保證梁的等應(yīng)力性，加載點(diǎn)必須在梁的兩斜邊的交點(diǎn)上(圖中的T點(diǎn))。此外，梁的長度L與根部寬度b之比，應(yīng)不小于9：1。等強(qiáng)度梁校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)比純彎曲梁簡單，但精度往往較差。26lFEh b 進(jìn)行靈敏系數(shù)校準(zhǔn)時，按規(guī)定方法將應(yīng)變計(jì)粘貼在應(yīng)變梁上。對梁施加載荷，使其產(chǎn)生已知應(yīng)變值。用高精度的靜態(tài)應(yīng)變儀測量應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變量，就可求得應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)k： 式中： 應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)調(diào)節(jié)器所設(shè)定的值； 應(yīng)變儀讀數(shù)

29、； 應(yīng)變梁所產(chǎn)生的應(yīng)變值。 另一種測量方法是用精密電橋(或其他高精度的測量電阻的儀表)測出應(yīng)變計(jì)初始電阻R和在載荷作用下的電阻變化量R,按下式計(jì)算k值： ttkktktRkR6.6.4測量系統(tǒng) 應(yīng)變測量一般采用單工作臂電橋(電橋的一個臂是應(yīng)變計(jì)，其余三個臂為固定電阻)。當(dāng)需要溫度補(bǔ)償時，可采用半橋方式(見下節(jié))。因此，測量系統(tǒng)應(yīng)具有組橋功能。 動態(tài)應(yīng)變儀作二次儀表（精度較低,但使用方便）測量系統(tǒng)組成如下圖所示。 動態(tài)應(yīng)變儀具有組成電橋、提供激勵電源、零點(diǎn)平衡、放大與電校準(zhǔn)等功能。 激勵電源一般為數(shù)千赫的正弦電壓。目前已有用方波作激勵源的，可減小分布電容的影響并提高抗干擾能力。 動態(tài)應(yīng)變儀中的放

30、大器為交流載波放大器，保證了工作的穩(wěn)定性。 采用直流放大器的應(yīng)變測量系統(tǒng)如圖所示。 激勵電源為精密直流穩(wěn)壓電源，其輸出電壓可調(diào)，以適應(yīng)不同測量需要。 當(dāng)單工作臂電橋采用二線制接法時(左圖)，兩根連接導(dǎo)線處于同一橋臂中，由于溫度變化引起導(dǎo)線電阻變化會帶來測量誤差。為了消除這種誤差 應(yīng)采用三線制接法(右圖)。兩導(dǎo)線分別接在兩相鄰橋臂中，其電阻變化對電橋輸出的影響相互抵消。校準(zhǔn) 應(yīng)變測量系統(tǒng)采用電校準(zhǔn)法進(jìn)行校準(zhǔn)。 最常用的方法是以應(yīng)變量校準(zhǔn)儀代替應(yīng)變計(jì)接入測量系統(tǒng)，由它產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。 應(yīng)變量校準(zhǔn)儀是根據(jù)電阻與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，由若干性能穩(wěn)定的精密電阻組成，其精度可以做到很高。 使用時，按照測

31、量需要選擇校準(zhǔn)應(yīng)變值。6.6.5應(yīng)變測量中的溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)粘貼在試件表面，除感受載荷作用產(chǎn)生的真實(shí)應(yīng)變外，溫度變化會使其電阻改變而產(chǎn)生虛假應(yīng)變。當(dāng)被測對象溫度變化范圍大時，由溫度造成的誤差是不可忽視的。虛假應(yīng)變 可用下式表示式中： k應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)； 應(yīng)變計(jì)敏感元件材料的電阻溫度系數(shù)(1/)； 試件材料的線膨脹系數(shù)(1/)； 應(yīng)變計(jì)敏感元件材料的線膨脹系數(shù)(1/)； 溫度變化量()。實(shí)際上，溫度對應(yīng)變計(jì)輸出的影響比上式復(fù)雜得多。針對具體使用情況，可通過實(shí)驗(yàn)方法測出虛假應(yīng)變與溫度的對應(yīng)關(guān)系，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在應(yīng)變測量中，通常用溫度補(bǔ)償方法來消除溫度變化所帶來的誤差。1tgsgttk gstg(1)功電路補(bǔ)償法 電路補(bǔ)償法是在測量電路中采取措施，抵消由于溫度變化引起的應(yīng)變計(jì)熱輸出。 補(bǔ)償計(jì)法 熱電阻補(bǔ)償法 熱電偶補(bǔ)償法a.補(bǔ)償計(jì)法 選擇兩片具有相同特性的應(yīng)變計(jì)(最好是同一批的)，一片貼在應(yīng)變測量位置，同時感受應(yīng)變與溫度的變化；