14應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)課件

第六章應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)6.1應(yīng)變片6.2應(yīng)變測(cè)量橋路6.3布片與組橋6.4提高應(yīng)變測(cè)量精度的措施第六章應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)6.1應(yīng)變片16.1應(yīng)變片金屬線材的應(yīng)變效應(yīng)形變效應(yīng)壓阻效應(yīng)應(yīng)變片靈敏系數(shù)安裝在被測(cè)試件上的應(yīng)變?cè)谄漭S向受到單向應(yīng)力時(shí)引起的電阻相對(duì)變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比應(yīng)變片的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)6.1應(yīng)變片金屬線材的應(yīng)變效應(yīng)形變效應(yīng)壓阻效應(yīng)應(yīng)變片靈敏2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和作用基底：固定敏感柵，將試件應(yīng)變傳給敏感柵，絕緣；敏感柵：應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻；引線：接入電路，信號(hào)轉(zhuǎn)化；覆蓋層：保護(hù)敏感柵；粘結(jié)劑：固定作用。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和作用基底：固定敏感柵，將試件應(yīng)變傳給敏感柵3應(yīng)變電阻變化電流或電壓變化放大記錄電阻應(yīng)變測(cè)量過(guò)程電阻應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，重量輕；頻率響應(yīng)好；測(cè)量范圍廣；可在惡劣條件下使用，價(jià)格便宜；測(cè)量精度比較高。

缺點(diǎn)：一片應(yīng)變片只能測(cè)量一點(diǎn)某方向的應(yīng)變；一次性；只能測(cè)量柵長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。不適于在1000攝氏度以上的高溫環(huán)境下工作。應(yīng)變電阻變化電流或電壓變化放大記錄電阻應(yīng)變測(cè)量過(guò)程電阻應(yīng)4橫向效應(yīng)機(jī)械滯后零點(diǎn)漂移蠕變：在某一恒定應(yīng)變狀態(tài)下，保持溫度不變，其指示應(yīng)變值隨時(shí)間而變化的特性。應(yīng)變極限：真實(shí)應(yīng)變與指示應(yīng)變。動(dòng)態(tài)壽命：在某一交變應(yīng)變幅度下，應(yīng)變片所能經(jīng)受的有效工作循環(huán)次數(shù)。105-107次。動(dòng)態(tài)響應(yīng)電阻應(yīng)變的工作特性橫向效應(yīng)蠕變：在某一恒定應(yīng)變狀態(tài)下，保持溫度不變，其指示5溫度誤差及溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差溫度效應(yīng)（由于溫度變化引起的電阻溫度系數(shù)變化）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同溫度補(bǔ)償方法：自補(bǔ)償法，線路補(bǔ)償法。溫度誤差及溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度6應(yīng)變片主要參數(shù)幾何尺寸電阻值絕緣電阻靈敏度系數(shù)允許電流其他應(yīng)變片主要參數(shù)幾何尺寸7應(yīng)變片的選用（1）敏感柵材料要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定，電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，加工性和焊接性好。200℃以下一般選用康銅材料，300℃以上鎳鉻合金等材料（2）底基材料的選擇要求彈性模數(shù)小，絕緣電阻高，薄且抗溫抗熱性能好。紙基：簡(jiǎn)單、便宜，70℃以下；膠基：使用溫度可達(dá)100~300℃；玻璃纖維布基：使用溫度可達(dá)400~500℃。應(yīng)變片的選用（1）敏感柵材料要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定，電阻8（3）柵長(zhǎng)的選擇應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)變是測(cè)點(diǎn)粘貼區(qū)域內(nèi)應(yīng)變的平均值，為保證測(cè)定的應(yīng)變接近于測(cè)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變，一般選擇柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片。當(dāng)測(cè)量材質(zhì)不均勻的木材、混凝土試件時(shí)，應(yīng)采用柵長(zhǎng)的應(yīng)變片（4）靈敏系數(shù)的選擇宜選用靈敏系數(shù)大的應(yīng)變片，一般K=2（5）測(cè)試環(huán)境的選擇溫度、濕度、高壓等環(huán)境條件對(duì)應(yīng)變片的性能影響大（3）柵長(zhǎng)的選擇應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)變是測(cè)點(diǎn)粘貼區(qū)域內(nèi)應(yīng)變9表面處理粘貼粘合層的固化粘貼質(zhì)量檢查防潮防水保護(hù)

應(yīng)變片的粘貼表面處理應(yīng)變片的粘貼106.2應(yīng)變測(cè)量橋路直流電橋電壓輸出6.2應(yīng)變測(cè)量橋路直流電橋電壓輸出11R1上的電壓降為：R4上的電壓降為：輸出電壓為：若：，則：，電橋平衡R1上的電壓降為：R4上的電壓降為：輸出電壓為：若：12當(dāng)各橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓發(fā)生變化：若：則：工作橋臂：接入的是應(yīng)變片，有電阻變化。根據(jù)電橋工作中橋臂電阻值變化情況可分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋三種聯(lián)接方式。當(dāng)各橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓發(fā)生變化：若：則：工作橋臂13全等臂橋各橋臂電阻相等：很小，遠(yuǎn)小于橋臂電阻值，故略去分母中的全等臂橋各橋臂電阻相等：很小，遠(yuǎn)小于橋臂電阻值，故14一般組橋時(shí)，各橋臂的參數(shù)要求相同，可以認(rèn)為所以：如果相鄰橋臂的電阻變化相反，但大小相等，即△R1=△R3=△R，△R2=△R4=-△R，則有：電橋的靈敏度所以全等臂橋一般組橋時(shí)，各橋臂的參數(shù)要求相同，可以認(rèn)為所以：如果相15半橋所以半橋靈敏度為：半橋所以半橋靈敏度為：16單臂橋所以單臂橋靈敏度為：?jiǎn)伪蹣蛩詥伪蹣蜢`敏度為：17特性應(yīng)變電橋的和差特性：相鄰相減，相對(duì)相加可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，輸出電壓放大等作用。特性應(yīng)變電橋的和差特性：相鄰相減，相對(duì)相加可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)18溫度補(bǔ)償PPR1R2溫度補(bǔ)償PPR1R219補(bǔ)償片和工作片的性能參數(shù)完全相同貼補(bǔ)償片的材料與被測(cè)試件材料相同補(bǔ)償片和工作片盡量放近一些，處于同一溫度場(chǎng)工作片、補(bǔ)償片接在相鄰橋臂上注意：補(bǔ)償片和工作片的性能參數(shù)完全相同注意：206.3布片與組橋電橋的特點(diǎn)是電橋的平衡條件，實(shí)際測(cè)量時(shí)需先進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡。如相鄰兩臂有大小相等，符號(hào)一致的變化，或是相對(duì)兩臂有大小相等，符號(hào)相反的變化，則不破壞電橋的平衡。和差特性。

6.3布片與組橋電橋的特點(diǎn)21組橋及示例橋路的接法有兩種，一為半橋接法，一為全橋接法。半橋接法是四個(gè)臂中只有兩個(gè)參加工作?；蛞粋€(gè)參加工作，一個(gè)僅作溫度補(bǔ)償。全橋接法是橋路的四個(gè)臂均參與工作，既當(dāng)工作片也當(dāng)補(bǔ)償片。此時(shí)，四個(gè)片必須貼于同一材料上，并在同溫度情況下工作，不相鄰的兩個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變量應(yīng)相同，另兩片的應(yīng)變量數(shù)值與前者相等，但符號(hào)相反,或者是兩個(gè)補(bǔ)償片。組橋及示例橋路的接法有兩種，一為半橋接法，一為全橋22解：方法一：PPR1R2方法二：R2R1PPPR1R2感受橫向拉力比較兩種方法例1：求受拉試件應(yīng)變。解：方法一：PPR1R2方法二：R2R1PPPR123例2：求如圖所示試件由彎矩引起的應(yīng)變。MM解：方法一：MMR2R10R2R1M例2：求如圖所示試件由彎矩引起的應(yīng)變。MM解：方法一：MMR24方法二：MMR2R1

R2R1M方法二：MMR2R1R2R1M25例3：求試件由拉力和彎矩共同引起的應(yīng)變。MMPP解：M

R2R1P（1）測(cè)彎矩應(yīng)變排除拉力應(yīng)變。MMR2R1PP例3：求試件由拉力和彎矩共同引起的應(yīng)變。MMPP解：M26（2）測(cè)拉力應(yīng)變排除彎矩應(yīng)變。方法一：貼溫度補(bǔ)償片，接成全橋。MMR3R1PPR2R400R4R30M0R2R1P（2）測(cè)拉力應(yīng)變排除彎矩應(yīng)變。方法一：貼溫度補(bǔ)償片，接成全橋27方法二：R2MMR3R1PPR4A向R1R2A向R4R3M

R2R1P方法二：R2MMR3R1PPR4A向R1R2A向R4R3286.4提高應(yīng)變測(cè)量精度的措施提高供橋電壓增大輸出電流減小貼片誤差減小接觸電阻長(zhǎng)導(dǎo)線電阻影響的修正測(cè)量應(yīng)變的定度其他措施6.4提高應(yīng)變測(cè)量精度的措施提高供橋電壓29例4：用一電阻應(yīng)變片測(cè)量一結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的應(yīng)力。應(yīng)變片電阻R=160Ω，靈敏系數(shù)S=2.03，接入電橋的一臂。若電橋由10V直流電源供電，測(cè)得輸出為5mV，求該點(diǎn)沿應(yīng)變片敏感方向的應(yīng)變和應(yīng)力。構(gòu)件材料的彈性模量Pa。例4：用一電阻應(yīng)變片測(cè)量一結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的應(yīng)力。應(yīng)變片電阻R=130于是被測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?

解:單臂工作電橋的輸出電壓為：被測(cè)點(diǎn)應(yīng)力為:

于是被測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?解:單臂工作電橋的輸出電壓為：被測(cè)點(diǎn)應(yīng)31例5、某車床加工外圓表面時(shí)，表面振紋主要由轉(zhuǎn)動(dòng)軸上齒輪的不平衡慣性力而使主軸箱振動(dòng)所引起。振紋的幅值譜和主軸箱傳動(dòng)示意圖如題圖所示。傳動(dòng)軸I、傳動(dòng)軸II和主軸III上的齒輪齒數(shù)為z1=30，z2=40，z3=20，z4=50。傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1=2000r/min。試分析哪一根軸上的齒輪不平衡量對(duì)加工表面的振紋影響最大？為什么？例5、某車床加工外圓表面時(shí)，表面振紋主要由轉(zhuǎn)動(dòng)軸上齒輪的不平32解：1）計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：軸I的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：（Hz）軸II的轉(zhuǎn)速：(r/min)軸II的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：（Hz）軸III的轉(zhuǎn)速：(r/min)軸III的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：（Hz）2）判別由計(jì)算結(jié)果知，軸II的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fII

=25(Hz)與幅頻圖A(f)中最大幅值處的頻率相吻合，故知軸II上的齒輪不平衡量對(duì)加工表面的振紋影響最大。解：1）計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：2）判別由計(jì)算結(jié)果知，33第六章應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)6.1應(yīng)變片6.2應(yīng)變測(cè)量橋路6.3布片與組橋6.4提高應(yīng)變測(cè)量精度的措施第六章應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)6.1應(yīng)變片346.1應(yīng)變片金屬線材的應(yīng)變效應(yīng)形變效應(yīng)壓阻效應(yīng)應(yīng)變片靈敏系數(shù)安裝在被測(cè)試件上的應(yīng)變?cè)谄漭S向受到單向應(yīng)力時(shí)引起的電阻相對(duì)變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比應(yīng)變片的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)6.1應(yīng)變片金屬線材的應(yīng)變效應(yīng)形變效應(yīng)壓阻效應(yīng)應(yīng)變片靈敏35應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和作用基底：固定敏感柵，將試件應(yīng)變傳給敏感柵，絕緣；敏感柵：應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻；引線：接入電路，信號(hào)轉(zhuǎn)化；覆蓋層：保護(hù)敏感柵；粘結(jié)劑：固定作用。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和作用基底：固定敏感柵，將試件應(yīng)變傳給敏感柵36應(yīng)變電阻變化電流或電壓變化放大記錄電阻應(yīng)變測(cè)量過(guò)程電阻應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，重量輕；頻率響應(yīng)好；測(cè)量范圍廣；可在惡劣條件下使用，價(jià)格便宜；測(cè)量精度比較高。

缺點(diǎn)：一片應(yīng)變片只能測(cè)量一點(diǎn)某方向的應(yīng)變；一次性；只能測(cè)量柵長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。不適于在1000攝氏度以上的高溫環(huán)境下工作。應(yīng)變電阻變化電流或電壓變化放大記錄電阻應(yīng)變測(cè)量過(guò)程電阻應(yīng)37橫向效應(yīng)機(jī)械滯后零點(diǎn)漂移蠕變：在某一恒定應(yīng)變狀態(tài)下，保持溫度不變，其指示應(yīng)變值隨時(shí)間而變化的特性。應(yīng)變極限：真實(shí)應(yīng)變與指示應(yīng)變。動(dòng)態(tài)壽命：在某一交變應(yīng)變幅度下，應(yīng)變片所能經(jīng)受的有效工作循環(huán)次數(shù)。105-107次。動(dòng)態(tài)響應(yīng)電阻應(yīng)變的工作特性橫向效應(yīng)蠕變：在某一恒定應(yīng)變狀態(tài)下，保持溫度不變，其指示38溫度誤差及溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差溫度效應(yīng)（由于溫度變化引起的電阻溫度系數(shù)變化）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同溫度補(bǔ)償方法：自補(bǔ)償法，線路補(bǔ)償法。溫度誤差及溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度39應(yīng)變片主要參數(shù)幾何尺寸電阻值絕緣電阻靈敏度系數(shù)允許電流其他應(yīng)變片主要參數(shù)幾何尺寸40應(yīng)變片的選用（1）敏感柵材料要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定，電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，加工性和焊接性好。200℃以下一般選用康銅材料，300℃以上鎳鉻合金等材料（2）底基材料的選擇要求彈性模數(shù)小，絕緣電阻高，薄且抗溫抗熱性能好。紙基：簡(jiǎn)單、便宜，70℃以下；膠基：使用溫度可達(dá)100~300℃；玻璃纖維布基：使用溫度可達(dá)400~500℃。應(yīng)變片的選用（1）敏感柵材料要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定，電阻41（3）柵長(zhǎng)的選擇應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)變是測(cè)點(diǎn)粘貼區(qū)域內(nèi)應(yīng)變的平均值，為保證測(cè)定的應(yīng)變接近于測(cè)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變，一般選擇柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片。當(dāng)測(cè)量材質(zhì)不均勻的木材、混凝土試件時(shí)，應(yīng)采用柵長(zhǎng)的應(yīng)變片（4）靈敏系數(shù)的選擇宜選用靈敏系數(shù)大的應(yīng)變片，一般K=2（5）測(cè)試環(huán)境的選擇溫度、濕度、高壓等環(huán)境條件對(duì)應(yīng)變片的性能影響大（3）柵長(zhǎng)的選擇應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)變是測(cè)點(diǎn)粘貼區(qū)域內(nèi)應(yīng)變42表面處理粘貼粘合層的固化粘貼質(zhì)量檢查防潮防水保護(hù)

應(yīng)變片的粘貼表面處理應(yīng)變片的粘貼436.2應(yīng)變測(cè)量橋路直流電橋電壓輸出6.2應(yīng)變測(cè)量橋路直流電橋電壓輸出44R1上的電壓降為：R4上的電壓降為：輸出電壓為：若：，則：，電橋平衡R1上的電壓降為：R4上的電壓降為：輸出電壓為：若：45當(dāng)各橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓發(fā)生變化：若：則：工作橋臂：接入的是應(yīng)變片，有電阻變化。根據(jù)電橋工作中橋臂電阻值變化情況可分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋三種聯(lián)接方式。當(dāng)各橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓發(fā)生變化：若：則：工作橋臂46全等臂橋各橋臂電阻相等：很小，遠(yuǎn)小于橋臂電阻值，故略去分母中的全等臂橋各橋臂電阻相等：很小，遠(yuǎn)小于橋臂電阻值，故47一般組橋時(shí)，各橋臂的參數(shù)要求相同，可以認(rèn)為所以：如果相鄰橋臂的電阻變化相反，但大小相等，即△R1=△R3=△R，△R2=△R4=-△R，則有：電橋的靈敏度所以全等臂橋一般組橋時(shí)，各橋臂的參數(shù)要求相同，可以認(rèn)為所以：如果相48半橋所以半橋靈敏度為：半橋所以半橋靈敏度為：49單臂橋所以單臂橋靈敏度為：?jiǎn)伪蹣蛩詥伪蹣蜢`敏度為：50特性應(yīng)變電橋的和差特性：相鄰相減，相對(duì)相加可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，輸出電壓放大等作用。特性應(yīng)變電橋的和差特性：相鄰相減，相對(duì)相加可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)51溫度補(bǔ)償PPR1R2溫度補(bǔ)償PPR1R252補(bǔ)償片和工作片的性能參數(shù)完全相同貼補(bǔ)償片的材料與被測(cè)試件材料相同補(bǔ)償片和工作片盡量放近一些，處于同一溫度場(chǎng)工作片、補(bǔ)償片接在相鄰橋臂上注意：補(bǔ)償片和工作片的性能參數(shù)完全相同注意：536.3布片與組橋電橋的特點(diǎn)是電橋的平衡條件，實(shí)際測(cè)量時(shí)需先進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡。如相鄰兩臂有大小相等，符號(hào)一致的變化，或是相對(duì)兩臂有大小相等，符號(hào)相反的變化，則不破壞電橋的平衡。和差特性。

6.3布片與組橋電橋的特點(diǎn)54組橋及示例橋路的接法有兩種，一為半橋接法，一為全橋接法。半橋接法是四個(gè)臂中只有兩個(gè)參加工作。或一個(gè)參加工作，一個(gè)僅作溫度補(bǔ)償。全橋接法是橋路的四個(gè)臂均參與工作，既當(dāng)工作片也當(dāng)補(bǔ)償片。此時(shí)，四個(gè)片必須貼于同一材料上，并在同溫度情況下工作，不相鄰的兩個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變量應(yīng)相同，另兩片的應(yīng)變量數(shù)值與前者相等，但符號(hào)相反,或者是兩個(gè)補(bǔ)償片。組橋及示例橋路的接法有兩種，一為半橋接法，一為全橋55解：方法一：PPR1R2方法二：R2R1PPPR1R2感受橫向拉力比較兩種方法例1：求受拉試件應(yīng)變。解：方法一：PPR1R2方法二：R2R1PPPR156例2：求如圖所示試件由彎矩引起的應(yīng)變。MM解：方法一：MMR2R10R2R1M例2：求如圖所示試件由彎矩引起的應(yīng)變。MM解：方法一：MMR57方法二：MMR2R1

R2R1M方法二：MMR2R1R2R1M58例3：求試件由拉力和彎矩共同引起的應(yīng)變。MMPP解：M

R2R1P（1）測(cè)彎矩應(yīng)變排除拉力應(yīng)變。MMR2R1PP例3：求試件由拉力和彎矩共同引起的應(yīng)變。MMPP解：M59（2）測(cè)拉力應(yīng)變排除彎矩應(yīng)變。方法一：貼溫度補(bǔ)償片，接成全橋。MMR3R1PPR2R400R4R30M0R2R1P（2）測(cè)拉力應(yīng)變排除彎矩應(yīng)變。方法一：貼溫度補(bǔ)償片，接成全橋60方法二：R2MMR3R1PPR4A向R1R2A向R4R3M

R2R1P方法二：R2MMR3R1PPR4A向R1R2A向R4R3616.4提高應(yīng)變測(cè)量精度的措施提高供橋電壓增大輸出電流減小貼片誤差減小