電阻應變片和電阻應變儀

電阻應變片和電阻應變儀純彎曲梁正應力測量、彎扭組合主應力彎矩扭矩測量一、應變片及電橋1.電阻應變片把一段細的金屬絲，夾貼在兩張絕緣紙之間，就構成一個最簡單的應變片,如圖5-11所示。應變片用特制的膠水，貼在構件的測點上。金屬電阻絲承受拉伸或壓縮變形的同時，電阻也將發(fā)生相應變化。實驗結果表明，在一定應變范圍內，電阻絲的電阻改變率R與應變lR成正比，即lR（5-1）kSR式中ks為比例常數(shù)，稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。蓋層基底引線粘結劑敏感柵圖5.11應變片的構造如將單根電阻絲粘貼在構件的表面上，使它隨同構件有相同的變形。從式（5-1）看出，如能測出電阻絲的電阻改變率，便可求得電阻絲的應變，也就是求得了構件在粘貼電阻絲處沿電阻絲方向的應變。由于在彈性范圍內變形很小，電阻絲的電阻改變量R也就很小。為提高測量精度，希望增大電阻改變量， 這就要求增加電阻絲的長度； 但同時又要求能反映一“點”處的應變，因此把電阻絲往復繞成柵狀，這就成為電阻應變片。和單根電阻絲相似，電阻應變片也有類似于式（ 5-1）的關系，R（5-2）kR式中比例常數(shù)k稱為電阻應變片的靈敏系數(shù)，它是電阻應變片的重要技術參數(shù)。溫度補償片實驗時不僅受力使應變片的電阻發(fā)生變化，當溫度變化時，也會使應變片的電阻變化，從而引起測量上的誤差。為此，要采取下述措施：設R1為貼在構件上的應變片， R2應選用與 R1規(guī)格型號完全相同的應變片，貼在與 R1相同材料的構件上，

R1只是受力的作用，

R2不受力。當溫度變化時，由于溫度變化而引起的電阻變化在 R1和R2上相同。由惠斯登電橋原理可知，這時讀數(shù) ε就不再受溫度變化的影響，故 R2就叫做補償片。3.橫向效應應變片是沿著長度方向工作的，當垂直于長度的方向有變形時，也會使應變片輸出讀數(shù)，從而引起誤差，這種現(xiàn)象叫做橫向效應。產生橫向效應的原因，是因為應變片系由許多金屬絲并聯(lián)而成的。在并聯(lián)處，也就是沿橫向也出現(xiàn)了“工作段” 。橫向效應越小越好，但不可能全無。在精密的測量中，要根據應變片的橫向效應系數(shù)，用指定的公式對讀數(shù)進行修正。4.應變電橋應變電橋有半橋接法和全橋接法兩種。當用兩個貼在測點上的應變片代替電橋上的兩個橋臂，另兩個橋臂由儀器內部的固定電阻來擔任時，稱為半橋接法。當貼在四個測點上的應變片，組成測量電橋時，稱為全橋接法。BR1R2ACUBDR4R3DE1圖5.12 惠斯登電橋UBDE1k(1234)（5-9)4上式表明，由應變片感受到的 (1 2 3 4)，通過電橋可以線性地轉變?yōu)殡妷旱淖兓疷BD。只要對 UBD進行標定，再將電壓量轉換成應變，就可以用儀表指示出所測定的(1 2 3 4)，即：r1234（5-10)式中 r為應變儀讀數(shù)。應變片和應變花在單向應力場中，可貼一片應變片。應變片的長度方向與應力方向一致?？捎脝蜗蚶瓑汉硕汕蟪鰬?，即σ=Eε。在平面應力場中，若主應力方向已知，可貼兩片應變片，分別與兩個主應力方向重合。如圖5-13所示。注意，此時分別輸出的 ε和ε，每一個讀數(shù)都是由應變片長度方向應1 2變和另一個主應力作用于橫向效應而產生的應變的代數(shù)和。 因此，還需要用一定的公式換算，才能得到真正的 ε和ε。1 2圖5.13應變花a)二軸

900

b)三軸

450

c)三軸

600

d)三軸

1200(3)在平面應力中，若主應力方向亦未知， 可按一定的角度貼三個應變片。

如圖

5-13b)、c)、d)所示通常把三個應變片做在一個基底上，叫應變花。根據應變花輸出三個讀數(shù)，

可用一定的公式算出主應力的大小和方向。二、電阻應變儀介紹公式（5-9）表明，通過電橋可把應變片感受到的應變轉變成電壓（或電流）信號，由于這一信號非常微弱， 所以要進行放大， 然后把放大的信號再用應變來表示出來， 這就是電阻應變儀的工作原理。 電阻應變儀按測量應變的頻率可分為， 靜態(tài)電阻應變儀、 靜動態(tài)電阻應變儀、動態(tài)電阻應變儀和超動態(tài)電阻應變儀。下面簡要介紹目前實驗室常用的 YJ－31型靜態(tài)電阻應變儀。1. 工作原理YJ-31型靜態(tài)電阻應變儀外形圖 5-14所示，圖 5-15所示為其工作原理框圖。主要技術指標該儀器的應變測量范圍： 0～19999με，分辨力為 1με/1個字，基本誤差為小于測量的±0.1%，即±2個字，靜穩(wěn)定性(零點漂移)4小時內±5με，動態(tài)穩(wěn)定性（靈敏度變化）2小時內不大于測量上限值的±0.1%。儀表各部分功能簡介(1)電源開關—開關向上撥動，表示儀器接通電源，否則關閉（此開關在后面板上） 。三芯直流插座—在直流供電時使用，插座的1#腳為＂＋＂電源、２#腳為＂－＂電源。(3)五芯切換插座—在測試點大于 10點以上時可通過該插座和預調平衡相連接， 注意1、2、3、4腳分別與橋路 A、B、C、D連接。標定、基零、測量是三位一體琴鍵互鎖開關，按其中一鍵，表示一種作用，而其它鍵不起作用。靈敏度電位器：根據應變片靈敏系數(shù)不同，可調節(jié)該電位器使儀器靈敏系數(shù)與應變片靈敏系數(shù)一致。當靈敏系數(shù)為2時，標定值為－10000με，靈敏系數(shù)與標定值關系如表5-1所示，當應變片靈敏系數(shù)不為表中列出的數(shù)值，則用戶可根據KK''原理求得相應的標定值。由上述可知，當K=2.00時,ε=-10000με,在已知K'的情況下可得:20000K調節(jié)靈敏度電位器，使儀器顯示為 '值，則此時儀器的靈敏系數(shù)為 K'值。調零電位器:當測量橋路處于不平衡狀態(tài)時,調節(jié)該電位器使儀器顯示為0000或－0000。(7)本機切換開關：在本機測量時開關置“本機”狀態(tài)，當 1～10點測量時開關置“切換”狀態(tài)。13 1 212345678910ABCD1DD2ABC3D4靈敏度 調零5切換本機標定基零測量6121110987圖5.14YJ-31型靜態(tài)電阻應變儀面板結構1—標準電阻2—接線柱3—顯示器4—調零電位器5—靈敏度電位器6—衰減按鍵7—測量按鍵8—基零按鍵9—標定按鍵10—切換鍵11—轉換開關12—多點調零電位器13—多點測量接線柱表5.1靈敏系數(shù)與標定值關系（橋臂電阻=120Ω）K值1.801.901.952.002.052.102.202.302.402.502.60111111052610256100009756952390918696833380007692(8) １～10點轉換開關：當開關置“ 1”狀態(tài)，表示第“ 1”點測量；當開關置“ 2”狀態(tài)，表示第“2”測量。依次類推，可測量１～10點。當開關置“切換”狀態(tài)可與外接預調平衡箱相連并測試。操作說明1）半橋測量時將D1、D、D2接線柱用連接片連接起來并旋緊。2）將標準電阻分別與A、B、C接線柱相連。3）接通電源開關。（4）按下“基零”鍵儀表顯示“0000”或“－0000”（儀表內部已調好）。（5）按下“測量”鍵，顯示測量值，將測量值調到“0000”或“－0000”。6）按下“標定”鍵儀表顯示-10000附近值（內部已調好）。7）將“本機、切換”開關置“切換”狀態(tài)。（8）進行多點測量時，將被測量應變片分別與對應的A、B、C接線柱相連，而主機的A、B、C接線柱上的標準電阻去掉。（9）多點測量：“切換”開關按次序所有點的平衡都調節(jié)在0000或-0000值上。（10）測量值記錄：采用逐點測量逐點記錄方式。5．注意事項1）要求被測量的應變片和溫度補償片的電阻值盡量選用一致，測量片和補償片上所用的連接導線的線徑希望相同，溫度特性盡量相同。2）測量片和補償片不受陽光暴曬，高溫輻射和空氣劇烈流動的影響，補償片應貼在與試件相同的材料上，與測量上保持在相同環(huán)境溫度。3）儀器在測量多點時，接線柱A、B、C上的標準電阻要拆下，以免與各測量橋上應變片相并聯(lián)而影響測量精度。4）儀器作全橋測量或者長導線使用時為了提高標定精度，最好使用外標定。F/2F/2b86d4dzh21375圖6.17純彎曲梁布片圖yBR1 R2A C UBDR4 R3DE1圖5.12 惠斯登電橋半橋單臂彎扭組合：MR745°綠線R8C 0°-45°藍線R9R445°綠線R5B 0°-45°藍線R6R145°綠線R2A 0°-45°藍線R3R10

180°90°0°

BRi RA CR0 R0D（b）主應力BR5 R11A CR0 R0D（c）彎矩BR1R3R11

45°綠線

AD 0°-45°藍線R12M截面M-M展開圖

270°

CR9 R7D（d）扭矩圖6.21 截面M-M展開圖及測量橋路圖1．確定主應力和主方向彎扭組合變形薄壁圓管表面上的點處于平面應力狀態(tài)，用應變花分別測出三個方向的線應變后（應變片組成圖6-21b所示電橋），應用廣義胡克定律即可求出主應力的大小和方向。主應力E111.212245452主方向

2 245 0 0 45（6-22）tan2

4545045450（6-23）式中：45,0,45分別表示與管軸線成-45°、0°和45°方向的線應變。由式（6-22）便可計算出M-M截面上四點的主應力。由式（6-23）可計算出各點相差90°的兩個0。2．彎矩M測定用上、下（即II、IV兩點）兩測點沿軸線方向（即0°方向）的應變片組成圖6-21c所示半橋接線，測得II、IV兩處由于彎矩引起的正應變值：Mr（6-24）2式中：εr—應變儀的讀數(shù)應變,εM—由彎矩引起的軸線方向的應變。若薄壁圓管的彈性模量E及橫截面尺寸已知，則可根據上面所測得的εM，用下式計算被測截面的彎矩M：MMEWrEW2（6-25)式中W—薄壁圓管橫截面的抗彎截面模量。扭矩T測定用I、III兩測點方向的四片應變組成圖6-21d所示的全橋測量線路，可測得扭矩引起主應變的實驗值r4

1

13)1(1(6-26)EE截面的扭矩 T可計算：T,TWpErWp(6-27)Wp14式中Wp——薄壁圓管的抗扭截面模量。4．與理論計算值進行比較