第六章应变片测试技术

一、 应变片灵敏系数 Ks 应变片灵敏系数 Ks是由制造厂在单向应力状态下的梁上测 定的（又称标定），一般采用等弯矩梁或等强度（应力）梁 。测定时，将应变片粘贴在梁的等应力区。 利用千分表测出梁的挠度，或通过已知大小的作用力F，求 得等应力区的应变ε，
按下述公式求得灵敏系数Ks
KS =
R/R

式中 R 为梁产生应变后，应变片电阻值的变化量。 图为等弯矩梁，在梁下表面中点贴应变片 R ，在上表面放置三点式挠度 计架，由千分表测出中点相对于L距离的挠度y。那么可以得到
KS =2S /
等弯矩梁应变的 理论计算公式
测定应变片Ks时，一般采用抽样1％的方法测定。在实 验中，采用下面公式，
U C K U 4
d s a
3Fa 2 Ebh
6 FL Ebh
2
等强度梁应变的理 论计算公式
二. 应变片横向效应系数 H 的测量
横向效应系数H的测量方法是在梁上测量的。在梁上粘 贴互相垂直的两片应变片Ra 及Rb。当加力F后，梁沿A方 向发生应变。这时沿B方向应变几乎为零，若测得应变片 Ra的应变为εa, Rb片的应变为εb，可得
h
d

M M M
l l b b h
h
式中：Ml 、Mb 、Mh:为长、宽、厚三个方向的压阻应变系数
dR ( M 1) ( M 1) ( M 1) R
l l b b h
h
假设εh=0,把εb=- μεl 代入上式，得
dR ( M 1) ( M 1) K R
l l b l l
l
假设εl=0,把εh =- μεb代入上式，得
dR ( M 1) ( M 1) K R
b b h b b
b
假设εl≠0,把εb ≠ 0，得
dR K K R
l l b
b
Kl—纵向灵敏度系数； Kb—横向灵敏度系数
令
该式
K H K
b
H—横向效应系数
11.允许电流[Ι]：当R=120Ω时， [Ι]=（13.5~16）
S 适合于钢试件 S为敏感栅面积，静态和精密测量电流取小值，动态测量电流取大值， 散热不好的材料，电流还要降低。
第五节 应变片组桥及其输出电压
金属应变片的电阻R为
L
A
R l / A
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
R
L
bh
R R R R dR d dL db dh L b h L d dL 1 L db L 1 dh L bh bh L b h b b h h
5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。
6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。
7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
6.2 应变片转换原理
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体 产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
1) 工作原理
第四节应变片的温度补偿及性能
一、应变片的温度补偿 当温度变化时，应变片的某些性能也会发生变化。其 中对测量影响大的性能有灵敏系数变动和电阻值R的变动。 使 Ks 变化的称为灵敏系数温漂；后者将影响电阻电桥的平 衡，使R变化引起零指示值变动，称为温度零漂。下面分别 讨论这两种漂移。 1. 温度零漂 应变片的温度零漂主要是由下述两方面原因引起的： R 1）电阻温度影响：假若令是电阻温度系数α引起的 ，为 电阻R变动量为
5.疲劳寿命：抽样0.1%，在± 1500µε（允许误差-50--+100µε），频率30Hz作用下，当输出应变值相差
100µε或出现穗状应变波形时，应变循环次数即为疲劳寿命
6.机械滞后：抽样0.1%，应变片测拉压（拉压力相同）应变时，试件产生的应变是某一个值。但应变片阻
值Δ R/R的变化不与其对应，由此引起输出应变也不相同，该差值就作为机械滞后的指标；
=KS (S -C )
二、应变片参数与性能要求 1.应变片的电阻值及偏差
温度系数不增大，曲线见图6-6
见表6-2。表中的平均值是一批应变片的各个阻值的平均值。
2.灵敏系数：采用抽样检查的方法，箔式片1%，丝片5%抽检。以公差或相对标准差表示；
3.横向效应系数H：1%抽样，加载到1000µε 4.应变极限：0.01%抽样，均匀慢加力，当应变片的输出应变大于机械应变的10%时，这个应变即为极限应变
优点 ：精度高、频响宽、体积小、重量轻。
应用：应力、外力、扭矩、重量、振动、压力等
2 应变片工作原理
是基于金属导体的应变效应，即 金属导体在外力作用下发生机械变形 时，其电阻值随着所受机械变形(伸 长或缩短)的变化而发生变化。
一、应变片构造及材料
构成: 1.敏感栅:用专用材料制成的电阻栅丝. 2.基底:固定栅丝的绝缘层. 3.引线:与栅丝焊接输出（电阻变换量）外接电桥中.
b 0 l

b
l
关。被测试件若处于双向应力状态中，若按下式
R KSl R
计算εl,会产生误差。相对误差为
时，γ=0 当H=0或单向应力状态下
b 0 l
H ( )
b 0 l
半导体应变计
dR dl 2dr d R l r
简化为：
dR d E R
1 H H ( ) R K K [1 ] R 1 H 1 H K [1 H ( )] 当应变片L方向与试件单向应力方向一致时，
b l S l S l 0 0 b S l 0 l
为 -μ0，则后一项为零。否则不为零。
应变片在实际使用时，如果应力为单项应力状态时， 且 ；或H=0，那么ΔR/R只与εl有 关。否则不但与εl有关，而且还与 有
7.蠕变：
0.01%抽样，在一小时内，在1000 ±100µε条件下，输出应变发生的变动量作为衡量指标；
8.绝缘电阻：应变片粘贴在试件表面后，敏感栅与零件之间的电阻； 9.灵敏系数的温度漂移：随温度逐渐增加到一定限度后，灵敏系数发生变化的百分比作为漂移的大小；
10.温度零漂：实际应变为零的状态下，当温度变化时，会产生输出应变；
H= b / a =R b /R a
三、 应变片的主要参数
1）几何参数：丝栅长L和丝栅宽度b，制造厂常 用 b×L表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值（60，120， 350，600，1000）欧姆。 3）灵敏系数Ks ：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
机械工程测试与数据处理技术
第六章、应变片测试技术基础
本章学习要求：
1.了解电阻应变片结构及类型； 2.掌握电阻应变片转换原理和应变片 灵敏系数测定； 3.了解应变片温度补偿及性能; 4.掌握应变片组桥及其输出特性; 5.掌握动态电阻应变仪工作原理。
第六章、应变片测试技术基础
6.1 电阻应变计
1. 定义 电阻应变计是一种测量应变的片状量具，简 称应变片。
对于等 弯矩梁
3Fa 2 Ebh
6 FL Ebh
2
测量灵敏系数时，常用应变仪来测量。将应变片与一固定电 阻（补偿片）组成半桥后接入应变仪，然后调零。应变仪的 灵敏系数指示钮调2.00。当梁受力后，用应变仪测得应变值 为s，而梁的实际应变值为ε，可以得到灵敏系数 应变仪测应变片灵敏系数
14.9
康
铜
Cu Ni
Ni Cr Ni Cr Al Fe
57% 1.7~2.1 43%
80% 2.1~2.5 20%
镍铬合金
0.9~1.1
110~150
14.0
镍铬铝 合金 (卡玛合金)
73% 20% 3~4 2.4~2.6 %
余量
1.33
-10~10
13.3
基底材料及粘接剂
纸基 :用纸作为基底,现在几乎不用了. 胶基 : 常用的基底材料: 胶膜:环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等. 特点:柔软、易于粘贴. 玻璃纤维布:耐高温（450℃）多用于测中 、高温, 刚度比胶膜大. 金属薄片:用不锈钢或合金做成,用焊接法把应变片 焊接在试件上.
R =RT
2）敏感栅材质与零件（钢材）的膨胀系数不同，引起敏感栅 产生变形。假若 S 为零件的膨胀系数， C 为敏感栅的线膨胀 系数 ，在温度差 T 下，应变片由于受到应变而产生的电 阻变化为
R =KSR(S -C )T
总的变化为
R=[ +KS (S -C )]RT
2.灵敏系数的温度漂移
一般情况下,可不考虑.采用高温片测高温状态下的应变时,要采取补 偿措施.
3.温度零漂补偿
开始
补偿温度零漂的方法有下述三种： 1）曲线修正法 2）电桥电路的组桥补偿法 3）自补偿应变片 （Ⅰ）在一个敏感栅上串联两种不同材质（即温度系数变 化相反）的金属丝； （Ⅱ）通过对敏感栅的退火温度的控制，即
可写成
l
dR K K R
l l b
b
dR K (1 H ) R
b l l l
由上式可知，当应变L 方向与试件单项应力状态的主应 力方向一致粘贴时， ， μ0为材料的泊松比

b 0
dR 与 l 成正比 R
l
这样,即:
dR K (1 H ) R
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。 2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆. 3.试件表面处理：贴片处置用细砂纸打磨干净，用 丙酮或酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹 为止。 4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。
=hy/L2
如图所示，采用等强度悬臂梁法。在 梁上表面贴应片R，并在距梁根部L处 放置千分表，当挂砝码F后，测出千 分表处的挠度y,按下式可计算出梁表 面应变ε 值，也可以在悬臂梁上放置 三点式挠度计架测挠度y，按式
=hy/L
2
计算应变ε 。此外也可测出梁各尺寸 后，按下式计算应变ε 。对于悬臂梁
对敏感栅材料性能的要求: 电阻率高;良好的加工性能,机械性能与焊接性能;具有一定热稳定性,灵敏系数大. 常用材料:康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝及金属铂（铂合金）等,前两种 用的多
有几种常见电阻应变片: 1.单轴电阻丝片 2.单轴常规箔片 3.单轴半导体应变片 4.剪切力片(扭矩片 ) 5.直角三轴片(直角应变片) 6.压力片 7.裂纹探测片 另外还有测大变形的单轴位移片(测水泥变形);测应力集中的应变片;测量薄 壳的弯曲应力以及薄膜中面应力的双层弯曲片 .测温、测疲劳、测残余应力 等应变片.
(f)单轴半导体应变片；(g) 二轴片； (h) 裂纹探测片；
(i)直角三轴片；(j)三角三轴片
压力片
三轴片
应变计
金属应变计
常用金属电阻丝材料物理性能
成 分 含量 灵敏度 电阻率 温度系数 线胀系数
材料名称
元素
sg
· mm2/m 0.49
×10-6 /° C
-20~20
×10-6 /° C
L d L dL L db L dh dR bh bh L bh b bh h
有：
其中
dR d dL db dh R L b h
b db b b
b
L dL l L L 由压阻效应可得到
h dh h h
l 0
l
若令
K K (1 H )
s l 0
代入上式，并用增量形式表达
该式可求灵敏系数
可写成
KS
若把
ຫໍສະໝຸດ Baidu
R KSl R
S l
：应变片的灵敏系数（Strain Gage Factor）出厂时，厂家给出
K K 1 H
0
dR K (1 H ) R
b l l l
b 0 l
式中λ—沿某晶向L的压阻系数；ε—沿某晶向L的应力；E—半导 体材料的弹性模量。
• 优点：灵敏度大;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
金属应变片与半导体应变计区别
金属应变片： 是随着试件的变形而形体改变
半导体应变计： 是随着试件的变形而发生电阻率的变化 结束
第三节 应变片灵敏系数测定