应变测试方法

应变测试方法

电阻应变测试

1.电阻应变测量技术是用电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应力—应变关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。

用电阻应变片测量应变的过程：

2.分类：

（1）静态测量：对永远恒定的载荷或短时间稳定的载荷的测量。（2）动态测量：对载荷在2～1200HZ范围内变化的测量。

3.电阻应变测量方法的优点

（1）测量灵敏度和精度高。其最小应变读数为1με（微应变，1με=10-6 ε）在常温测量时精度可达1~2%。

（2）测量范围广。可测1με~20000με。

（3）频率响应好。可以测量从静态到数十万赫的动态应变。（4）应变片尺寸小，重量轻。最小的应变片栅长可短到0.178毫米，安装方便，不会影响构件的应力状态。

（5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。

（6）可在各种复杂环境下测量。如高、低温、高速旋转、强磁

场等环境测量。

4.电阻应变测量方法的缺点

（1）只能测量构件的表面应变，而不能测构件的内部应变。

（2）一个应变片只能测构件表面一个点沿某个方向的应变，而不能进行全域性测量。

电阻应变片

1.电阻应变片的工作原理

由物理学可知：金属导线的电阻率为

当金属导线沿其轴线方向受力变形时（伸长或缩短），电阻值会随之发生变化（增大或减小），这种现象就称为电阻应变效应。 将上式取对数并微分，得：

2.电阻应变片的构造

电阻应变片由敏感栅、引线、基底、盖层、粘结剂组成。其构造如图所示

L R=A ρdR d dL dA R L A ρρ=+-dR d (12)R ρμερ

=++

3.电阻应变片的分类

电阻应变片按敏感栅材料不同可分为金属电阻应变片和半导体应变片。其中金属电阻应变片分为：

(1)丝绕式应变片:敏感栅是用直径为0.01~0.05

毫米的铜镍合金或镍铬绕制而成。

优点：基底、盖层均为纸做成，价格便宜，易安装。

缺点：其横向效应大，测量精度较差，应变片性能分散。

(2)短接式应变片:将金属丝平行排成栅状，

端部用粗丝焊接而成。

优点：横向效应小，制造时敏感栅形状易保证，测量精度高。缺点：焊点多，疲劳寿命较低。

(3)箔式应变片:敏感栅采用的是0.002~0.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图制板、光刻及腐蚀等工艺制作。

优点：

①制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状，以适应不同的测量要求；

②敏感栅截面为薄而宽的矩形，其表面积即粘合面积大，传递试件应变性能好；

③横向效应好，可忽略；

④散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号； ⑤蠕变、机械滞后较好，疲劳寿命高。

(4)薄膜应变片：薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在0.1mm 以下。它采用真空蒸发法，将电阻材料蒸镀在基地上制成敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易于规模生产，是一种很有前途的新型应变片。

4.电阻应变片的主要性能

(1)应变片电阻（R ）:指应变片在未经安装、不受力的情况下，于室温时测定的电阻值。

常用的应变电阻值 (2)灵敏系数（K ）:在单向应力作用下，应变片的电阻相对变化 与试件表面沿应变片轴线方向的应变 之比值，称为应变片的灵敏系数，即：

注意：K 值是应变片的主要参数，它取决于敏感栅的材料、型式、几何尺寸、基底、粘结剂等多种因素。通常由制造厂在专用设备上标定给出K 值。常用的K=2.0~2.4.

(3)横向效应系数（H):应变片的敏感栅除有纵栅外，还有圆弧或直线形的横栅。横栅主要对垂直于应变片轴线方向的横向应变敏感，因而应变片指示应变中包含有横向应变的影响，这就是应变片的横向效应。

将应变片置于平面应变场中，沿应变片轴线方向的应变为 ， R 120=Ω

R R K=ε

∆

垂直于轴线方向的横向应变 ，应变片敏感栅电阻相对变化为： (4)热输出（εt ）:将应变片安装在自由膨胀的构件上，无外力作用，当环境温度变化时，则输出一定的指示应变，称为热输出，用εt 表示。

产生原因：

（1）由于温度变化，敏感栅材料的电阻率发生变化（温度效应）；

（2）敏感栅材料与被测构件材料之间的线膨胀系数不同。 设温度变化为ΔT ，且应变片的灵敏系数K 随温度变化可略去，则应变片的热输出为

(5)稳定性:它是反映应变片长期静态工作能力的重要性能，常用电阻漂移值和蠕变大小来表示。

（1）应变片的电阻值漂移:指在工作温度恒定，安装在未受外力作用的构件上，其应变片电阻值随时间的变化。

产生漂移原因：由于敏感栅、基底、粘结剂等材料在应变片的制造或安装过程中，内部形成的应力缓慢释放所致。

（2）应变片的蠕变:指在工作温度恒定，安装在承受外力，但变形恒定的构件上的应变片电阻值随时间的变化。

产生原因：粘结剂与基底在传递应变时出现滑动所致。 x y x x y y R R R

()()K K R R R εε∆∆∆=+=

+y εx t T e g 1+()T K

εαββ=⋅∆-∆

(6)机械滞后(Z j):在恒定温度下，对安装有应变片的试件加载—卸载。以试件的机械应变εj为横坐标，应变片的指示应变εi为纵坐标绘成曲线，加载与卸载曲线不重合，这种现象称为机械滞后。

机械滞后量：以加载曲线与卸载曲线中两

个指示应变的最大差值Z j来表示。

产生原因：敏感栅、基底和粘结剂在承受机械应变后产生残余变形所致。

消除：在正式测试前，反复加—卸载n次。

(7)应变极限(εlim ):在恒定温度下，对安装有应变片的试件逐渐加载，直至应变片的指示应变与试件的机械应变的相对误差达到10%。

此时，机械应变即作为该应变片的应变极限。

一般情况下，εlim > 800με

(8)绝缘电阻( R m ):应变片的绝缘电阻时指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。

一般情况下,R m > 500MΩ.

为使R m 提高，可选用绝缘性能好的粘结剂和基底材料。

(9)疲劳寿命（N）:在幅值恒定的交变应力作用下，应变片连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。疲劳损坏：（1）敏感栅或引线发生断路；

（2）应变片输出幅值变化达到10%；