应变测量技术

上海交通大学应变测量技术孙红云1110509105B1105093目录一、前言 (3)二、电测法 (3)2.1、金属电阻应变片 (3)2.1.1金属电阻应变片的分类及其结构 (3)2.1.2 金属电阻应变片工作原理简介 (4)2.1.3 应变花 (5)2.1.4 金属电阻应变片电桥电路图 (6)2.1.5 温度补偿 (7)2.2 半导体应变片 (11)2.2.1 半导体应变片的定义及其应用 (11)2.2.2半导体应变片分类 (12)2.2.3 半导体应变片的优缺点 (13)2.3 应变电测法的优缺点 (13)三、光测法 (14)3.1 光弹法的分类 (14)3.1.1三维光弹性 (14)3.1.2散光光弹性 (14)3.2.3 双折射贴片 (15)3.1.4 全息干涉法 (15)3.2 光弹实验原理的阐述 (15)3.3 光纤应变测量技术 (16)3.3.1 低相干法光纤应变测量原理 (16)3.4 光测法的主要优点 (19)四、应变测量技术举例： (19)4.1 一种基于微波二极管的动态应变测量装置 (19)4.2 一种基于光透过测量技术方法： (22)五、附录 (24)一、前言应变测量是材料和结构力学性能试验中的一项基本任务，是了解材料在力学载荷等因素作用下的变形、损伤和失效行为的基础，对于确定结构设计许用值、结构寿命预测和评估等均有重要价值。

应变测量方法主要包括：电测法、光测法、声发射、脆性涂层法、应变机械测量法等。

其中以电测法和光测法应用最为广泛。

二、电测法电测法是借助于电子仪器，将应变这一非电量转为电量的测量方法。

它可以用于现场测定和模拟测定。

电测法中应用最广泛的是电阻应变测试法，基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。

这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

2.1、金属电阻应变片电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

其应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

2.1.1金属电阻应变片的分类及其结构金属电阻应变片分为丝式、箔式，薄膜式三种。

金属丝电阻应变片的典型结构见图。

它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。

金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。

金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。

由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。

薄膜式应变片的敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的。

其厚度一般在0.1μm以下。

实际上，通常是将薄膜式应变片与传感器的弹性体制成一个不可分割的整体，亦即在传感器弹性体的应变敏感部位表面上首先沉积形成很薄的绝缘层，然后在其上面沉积薄膜应变片的图形，然后再覆上一层保护层。

由于薄膜式应变片与传感器的弹性体之间只有一层超薄绝缘层（厚度仅为几个纳米），很容易通过弹性体散热，因此允许通过比其他种类应变片更大的电流，并可以获得更高的输出和更佳的稳定性。

2.1.2 金属电阻应变片工作原理简介金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。

电阻应变效应的理论公式如下:L R Sρ= 22;;mmmρ→Ω∙→→式中：电阻率（） L 金属丝的长度（m ） S 金属丝的截面积（mm ）。

由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L 、S 三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。

当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加;当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。

因此，只要能测出电阻值的变化，便可金属丝的应变情况。

这种转换关系为0R R K ε∆=00.24~0.4R LLε∆→→∆→式中：金属丝电阻值的变化量；K 金属材料的应变灵敏系数，它主要由试验方法确定， 且在弹性极限内基本为常数。

金属材料的轴向应变值，即，因此又称长度应变值， 对于金属丝而言，其值在之间。

在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械零件的表面。

当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。

这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。

2.1.3 应变花为同时测定一点几个方向的应变，常把几个不同方向的敏感栅固定在同一个基底上，这种应变片称作应变花。

应变花的各敏感栅之间由不同的角度α 组成。

它适用于平面应力状态下的应变测量。

应变花的角度α 可根据需要进行选择。

2.1.4 金属电阻应变片电桥电路图金属电阻应变片应用于力学测量时，需要和电桥电路一起使用;由于应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移现象，故多采用交流放大器对信号进行放大处理，所以应变片电桥电路一般都采用交流电供电，组成交流电桥。

根据读数方法的不同，电桥又分为平衡电桥和不平衡电桥两种。

平衡电桥仅适合测量静态参数，而不平衡电桥则适合测量动态参数。

由于直流电桥和交流电桥在工作原埋上相似，为了方便起见，下面仅就直流不平衡电桥进行介绍。

图所示电路是输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。

第一桥臂接电阻应变片1R ，其他三个桥臂接固定电阻。

当应变片1R 发生应变时，由于没有阻值变化电桥维持初始平衡条件的1423R R R R ∙=∙，因而输出为零，即()14230out U A R R R R =∙-∙=。

当应变片产生应变时，应变片产生1R ∆的电阻变化，电桥处于不平衡状态，此时2411234141212411311OUT CD CB DB U U U U R R U U R R R R R R R R R U R R R R R R ==-=∙-∙-∆++∆∙=∙⎛⎫⎛⎫∆-++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭假设21=R n R ，并考虑到电桥初始平衡条件1423R R R R ∙=∙，省略去分母中的微量11R R ∆，则上式可写成为()1211+OUT R n U U R n ∆≈∙。

从式中可以看出，输出电压正比于应变片发生应变时产生的电阻变化量们。

2.1.5 温度补偿当电阻应变片安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，在温度变化的情况下，它的电阻会发生变化的现象，称为电阻应变片的温度效应。

温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻会发生变化，并且，应变片和构件都会因温度变化而产生变形，从而使应变片的电阻值随温度变化而变化。

这种温度效应将影响电阻应变片测量构件表面应变的准确性。

通常，将温度效应产生的应变片的电阻相对变化所对应的应变量，称为热输出。

温度误差及其产生原因：温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变，电阻与温度关系000(1)t R R a t R R t α=+∆=+∆可用下式表达：00ta t R R R R t α∆=-=∆式中，t R 为温度为t 时的电阻值；0R 为温度为0t 时的电阻值；t ∆为温度的变化值；ta R ∆为温度变化t ∆时的电阻变化；α为敏感栅材料的电阻温度系数。

将温度变化∆t 时的电阻变化折合成应变，则：KtK R R ta ta ∆=∆=αε0/ (2) 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。

如粘贴在试件上一段长度为0l 的应变丝，当温度变化t ∆时，应变丝受热膨胀至1t l ，而应变丝0l 下的试件伸长为2t l 。

t l l t l l t ∆+=∆+=丝丝ββ0001)1(t l l l l t t ∆=-=∆丝β0011 t l l t l l t ∆+=∆+=试试ββ0002)1(t l l l l t t ∆=-=∆试β0022 t l l l l t t ∆=-=∆丝β0011式中，0l 为温度为0t 时的应变丝长度；1t l 为温度t 时的应变丝长度；2t l 为温度t 时应变丝下试件的长度；β丝、β试为应变丝和试件材料的线膨胀系数；1t l ∆、2t l ∆为温度变化t ∆时应变丝和试件膨胀量。

如β丝≠β试，则1t l ∆≠2t l ∆，由于应变丝与试件是粘结在一起的，若ββ 丝试，则应变丝被迫从1t l ∆拉长至2t l ∆，使应变丝产生附加变形t l β∆。

()t l l l l t t t ∆-=∆-∆=∆试丝βββ012折算为应变()t l l t t ∆-=∆=试丝ββεββ0引起的电阻变化为：()t K R K R R t t ∆-==∆试丝ββεββ00 由于温度变化t ∆而引起的总电阻变化为：()t Kta K R R t t ∆-+∆=∆=丝试ββε0/ 总附加虚假应变量为()t K R t R R R R t t t ∆-+∆=∆+∆=∆丝试ββαβα00可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变，从而给测量带来误差。

电阻应变片的温度效应主要取决于敏感栅和构件材料的性能和温度变化范围。

但实际上，它还与基底和粘结剂材料、应变片制造工艺和使用条件等有关温度补偿方法 1) 温度自补偿应变片当温度变化时、应变片产生的电阻变化等于零或者相互抵消，而不产生虚假应变的应变片为温度自补偿应变片。

温度自补偿应变片有三种：选择式、联合式、组合式，其中组合式利用两种电阻材料的温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性将两者串联制成应变片，此应变片温度自补偿效果最佳.①选择式自补偿应变片 实现温度补偿的条件为 :()0=∆-+∆=t Ktt 丝试ββαε()丝试ββα--=K② 双金属敏感栅自补偿应变片这种应变片也称组合式自补偿应变片。

这是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅。

③ 热敏电阻补偿法如下图所示，热敏电阻Rt 处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt 的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。