第五章 应力、应变测试.

金属细丝，直径约为0.01～0.05mm。常用材料有铜镍合金、捏铬
合金、铂、铂铬合金、铂钨合金等
要求电阻丝材料具有电阻温度系 电阻应变片的结构及分类 数小、温度稳定性良好、电阻率大等 应变片的分类 特性，同时，金属电阻丝的相对灵敏 纸基应变片：制造简单，便宜，易于粘贴。耐热性 系数要大，且能在相当大的应变范围 和耐潮性差。适合短期室内实验室使 内保持常数 。 丝质应变片
X光衍射法 光测弹性力学
应力、应变测试方法

电阻应变测量特点
利用电阻应变片将应变转换为电参量进行测试。测试时，将 电阻应变片粘贴在被测物体表面， 随零部件变形即可产生成比 例的电阻变化。广泛应用于工程测量和科学实验中。 非线性小，电阻的变化同应变成线性关系； 应变片尺寸小，重量轻，惯性小，具有良好的动态特性，频率响应 好；贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响。 适用于静态测量和动态测量。 测量应变的灵敏度和精度高，动态测试精度可达1%，静态为0.1%。 测量范围大，变形范围1%~2%。

应力、应变及其关系
在杆件受到拉伸（或压缩）的情况下，只有一个主应力 σ 1，它 的方向与外加载荷F的方向平行，该方向的应变为 ε 1，并且有
1 E1
E为材料弹性模量
应力、应变测试方法

常用测试方法
电阻应变测量 脆性涂层法
云纹方法
激光全息干涉法 激光散班干涉法
声弹性
绝缘电阻
应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的 电阻值Rm。通常要求Rm在50～100 MΩ以上。绝缘电阻过低， 会造成应变片与试件之间漏电，使应变片的指示应变产生误差。 Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条 件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选 取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。
用，使用温度在70℃以下
纸浸胶基应变片：具有一定耐潮湿性，适合长期使用。 使用温度为180℃ 胶基应变片：耐蚀性和绝缘性能好，弹性系数高， 使用温度在-50~+170℃
电阻应变片的结构及分类
金属箔式应变片
金属丝经高温液化后，高压高速喷射，而后雾化沉积在基片上，形 成3~10μm层，再用光刻腐蚀法形成电路。
E
电阻应变片的特性及应用

应变片的主要参数
几何尺寸
1）基长l：应变片的敏感元件在纵轴方向的长度。在应变变化梯度 大的场合，应使用小基长的应变片，但基长很小时，横向灵敏度大。
2）基宽b ：在与应变片纵轴垂直方向，应变片敏感元件外侧之间的 距离。基宽以较小为佳，但是太小会影响散热。
电阻应变片的特性及应用

应变片的结构
电阻应变片的结构及分类
应变片的分类
体型 金属应变片 薄膜型 应变片 半导体应变片 体型 薄膜型 扩散型
PN结及其他形式
丝式 箔式
电阻应变片的结构及分类

应变片的分类
金属丝式应变片
U型
V型
H型
电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝。电阻丝是应变 片受力后引起电阻值变化的关键部件，它是一根具有很高电阻率的
应力、应变电测法原理

电阻应变效应
导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻 值相应发生变化。这种现象称“应变效应”。 原始电阻值
L R A
受力拉伸后电阻值的变化
L L dR d dL 2 dA A A A
金属导线受拉变化图
dR dL d dA R L A
应力、应变测试方法

应力测试系统
应变片 电桥盒 应变仪 记录仪
应变片——能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转 换原理基于金属电阻丝的电阻应变效应
电桥盒——将电阻微小的变化进行处理的测量电路。
应变仪——用于将电桥的输出信号进行放大的高增益放大器。应变仪 还具有阻抗变换的作用。
电阻应变片的结构及分类
应力、应变电测法原理
纵向应变
ε —应变 μ—为泊松比 λ —压阻系数
dL L
E—弹性模量
横向应变
轴向应力 金属丝电阻率
dr dl r l
E
d
dR 1 2 E R

E
dR K R
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K为单根金属丝的灵敏度。当金属丝发生单 位长度的变化时，电阻变化率与其应变的 比值，即单位应变的电阻变化率。
第五章 应力、应变测试
本章主要内容

应力、应变测试方法 应力、应变测试原理


电阻应变片的特性及应用
电阻应变片的信号调理电路
电阻应变仪
应力、应变测试方法

测量应力、应变的目的
为了研究机械结构、桥梁、建筑等某构件在工作状态下的受力、 变形情况，通过测试测得构件的拉、压应力、扭矩及弯矩，为结构 设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的测试数据。
电阻应变片的特性及应用
电阻值R
应变片的阻值指应变片没有粘贴也不受力时，在室温下测定 的电阻值。应变片阻值也有一个系列，如60Ω、120Ω、350Ω、
600Ω和1000Ω，其中以120Ω最为常用。阻值大，承受电压大，
优点：横向效应很小 ，允许电流大 ，柔性好、蠕变小、疲劳寿命 长 ，生产效率高 。
电阻应变片的结构及分类
半导体式应变片
胶膜衬底 P-Si
优点：灵敏度高、频 率响应范围宽、体积 小、横向效应小 。
缺点：温度系数大、 灵敏度离散大以及在 较大变形下非线性比 较严重。
内引线 外引线 焊接板
半导体式应变片是以半导体单晶硅条作敏感元件的 ，工作原 理是基于半导体材料的压阻效应。即施加一定载荷产生应力时，电 阻率会发生一定的变化。
应力、应变电测法原理
电阻的相对变化量由两方面因素决定： 1）对于金属材料，电阻的变化主要由金属丝几何尺寸的改变引起； 电阻丝灵敏度系数（dR/R）/ ε 为（1+2μ ）。 2）对于半导体材料，其工作原理基于半导体的压阻效应，材料受力 后， 材料的电阻率发生变化。其灵敏度系数为（dR/R）/ ε 为λ E。 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下， 被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应 变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时， 便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值