第3-1章 电阻应变片(电阻应变测量技术)

条件下的电阻值。 单片阻值：单个应变片的标定电阻值。 标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一定值，如 120Ω、240Ω。一般应变仪是按120Ω应变片要求设计 的。 平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、 求公差。如120 ±0.5%或120±0.6Ω。
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§3-1 电阻应变片
5 应变片的选用与应变片粘结工艺
(2)应变片粘结工艺：
1 应变片检查:外观检查、电阻值检查 2 表面处理:刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风 机烘干 3 贴片与固化:画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶 4 粘贴质量检查:外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检 查、连接电阻应变仪检查 5 连接导线:导线固定、导线焊接 6 防潮处理:凡士林、石蜡等
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§3-1 电阻应变片
3 分类
②箔式应变片 3- 10μm厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷。 照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的 一种传感器。横向效应小，散热好于丝式。 ③薄膜式应变片：800℃ 厚度≤0.1μm的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等 特殊条件
R k R
X
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（2）横向效应
由于横向应变使得应变片的总电阻变化量减小的现 象，降低灵敏度，称横向效应。横向效应用横向效 应系数H描述。
H通过实际测定，一般较小，只有高精度测量才考 虑修正。
y x
2）电阻应变测试技术的缺点：
（1）测出的是平均应变； （2）贴片技术要求高； （3）测试仪表结构复杂，不易掌握使用和维修； （4）普通应变片输出信号小，在强电磁场中易受干扰。
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3
§3-0 概述
电阻应变测量基本原理:
①电阻应变片：待测非电量应变值 ε 电阻变化△R
（3）引线：Φ0.15-0.18的镀锡（铱、银）软铜线。
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§3-1 电阻应变片
3 分类
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§3-1 电阻应变片
3 分类
(1)金属类
①金属丝式应变片：丝绕式、短接式 Φ0.01-0.03mm ，响应时间为10-7s， 散热效果差，许用电流低。 圆角线栅，横向效应大； 直角线栅，制作复杂。
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§3-1 电阻应变片
2 构造
（1）电阻丝：敏感材料，关键性部分。
要求：电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小， 可加工性能（压延性）好。 材料：铜镍、镍铬、铁铬铝等高阻合金。
（2）基底与覆盖层：定位，传力，保护
要求：绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮， 热稳定，温度应变小。 材料：纸基、胶基、纸浸胶基
②电阻应变仪：测量△R 将应变片的△ R → △ U或△ I 放大器 输出到显示和记录设备
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§3-1 电阻应变片
电阻应变效应公式(μ金属丝泊松比；ε金属丝纵向应变)
L
r
A
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§3-1 电阻应变片
说明：
应变敏感系数
实理际论情分形析：电阻应变片的实际灵敏度K≤KS。
解：
H
H
1 H



Y X

H 11 HH 0.003.030.2Y8X 5 0(5.2) 85
0.9%0.03
0.285 1
1 0.03 0.285
4%
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§3-1 电阻应变片
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（7）应变极限：应变片最大应变测量值。
一般规定：应变片显示的值与机械应变的相对误差达到 规定标准（一般10%）时的机械应变即为应变极限。此时， 认为应变片失去了工作能力。
（8）绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的
电阻值。
应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。一般 >2M 欧，高精度测试>50M欧。


X HY 1 H

X
X

H
1 H



Y X

(5)
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
例：设H=0.03，μ＝0.285 单向应力状态下横向效应误差估计： εy=-μεx
平面受力条件横向效应误差估计：双向受压的混凝土梁，设： εx /εy=1，估 计横向效应产生的误差。
4 应变片的参数和工作特性
（3）应变片的规格——几何参数
应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之 积，S=L*b。 L-栅长标距 b-栅宽 注意：尽量选用L大、 b小的应变片。
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（4）应变片电阻值:指应变片在未安装、不受外力、室温
⑵ε:
σ = E ε=Mh / 2I
(1)
y = -ML2 / 3EI
(2)
ε= -hy / L2 =0.0005=500微应变
⑶K:
K= (△R/R)/ ε=2
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梁高 h=5mm
P 梁长 L=150mm
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§3-1 电阻应变片
2 构造：电阻丝 基底与覆盖层 引线
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（5）机械滞后量：恒温时，在加、卸载过程中对各个应力
水平分别测得的指示应变量的最大差值。
产生原因:金属丝、粘贴计、基底等的残余变形，在测 试时尚未完全释放。 消除方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。 如用于制造传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影 响。
第三章 电阻应变测量技术
学习要求
熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握电 阻应变的测量电路，以及应用电阻应变技术
进行应力和应变测量。
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§3-0 概述
1）电阻应变测试技术的优点：
（1）测量范围广、灵敏度和精确度高； （2）应变片尺寸小、重量轻、惯性小，对被测试件工作状态和应力状 态影响极小； （3）频率响应快，机械滞后小； （4）适用范围广； （5）能实现远距离测量，易实现测试工作自动化。
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§3-1 电阻应变片
5 应变片的选用与应变片粘结工艺
(1) 应变片选用：
1 工作环境 温度保证、地下工程中防潮特性好
2 被测物的材料性质 弹模高，基长小；粗晶粒岩石混凝土选用基长长
3 按被测试件受力状态和应变性质：应变花 变化大选用基长小，变化小选用基长大
4 按测量精度： 材料 电阻值、灵敏度
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§3-1 电阻应变片
3 分类
（3）应变花: 在一个基底上有几个按一定角度排列的
敏感栅的应变片。
测量主应力方向未知条件下平面应力状态。 自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（1）灵敏系数
单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平 行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之 比值。
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（6） 零漂、蠕变
零漂：不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变 化。 蠕变：恒温情况下，受恒定力的作用时应变测量值随时 间而变化。 产生原因：应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产 生的热电势造成的。
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➢ ①电阻丝的电阻温度变化。 ➢ ②应变片与试件温度膨胀系数的差异造成的误差。
①
②
△R/R= αs △T + K（βsh－βs） △T
ε= △R/R /K
εt= αs △T /K + （βsh－βs） △T
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为何要使用应变仪？
例：温度应变的定量估算
ε 大极了！ 应变片的康铜丝αs=20×10-6/℃，线膨胀系数βs =15×10-6
L=150mm,室温、单向受力状态， 应变片丝栅方向与最大主应变方 向一致，采用砝码在梁一端施加
梁高 h=5mm
作 用 力 P=0.1KN ， 测 得 挠 度 为
P
1.5mm，实测量得电阻由120Ω
变为120.12Ω，求得应变片的实 梁长
际灵敏度K。
L=150mm
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电大阻应丝变端时头，横K向s通变常形不；是常数；
基但底对传于递康变铜形等的少影数响几种电阻丝而言， Ks
基本为定值,因此它们可用于大应变
（≥8000~10000με）的量测。
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§3-1 电阻应变片
例题：等强度梁静态应变测试
等 强 度 钢 梁 ， 钢 梁 的 μ=0.285 ，
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等强度梁： 截面按一定规律变化，距作用力任何 距离的截面上的应力相等。
σ
截面弯矩
M/W Fl/(
bh2
)
6Fl
截面惯性系数
6
bh2


6l Eb0h2
F
F
h
b
l
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§3-1 电阻应变片
解：
⑴ △R/R : △R/R =（120.12-120）/120=0.001
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§3-1 电阻应变片
（2）半导体式应变片（压阻效应）
半导体材料，根据压阻效应制成。 灵敏系数高，K>100，可直接用万用 表测应变响应时间仅有10-11s 热稳性能差；大应变时，非线形较大， 多用于测量500以下的小应变。
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测量ΔR ！ = 60×10-6 ＝60με
△T=+10℃ ，σ=Eε=12MPa，造成被测物体受拉假象。
△T=-10℃ ,εt=-60με， σ=Eε=-12MPa，受压。
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/℃，碳素钢试件t的线膨胀系数βsh=11×10-6 /℃，碳素钢弹
模E=2×106Kg/cm2，应变片灵敏度K=2.0，当环境温度△T 变化±10℃时，求应变片的温度应变εt？
必须消除温度 εt= αs △T /K + （βsh- βs） △T
解：温度升高10℃， △T=+10℃
效应，高精度 εt= αs △T /K + （βsh- βs） △T = 20×10-6×10/2+（11×10-6-15×10-6 ） × 10
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（2）横向效应的影响
设此时测点的真实应变为εx 、εy，实测应变为ε’x ，由式2、 3得。

' X

R R
K

KX K
X HY X 1 H


X HY 1 H
(4)
相对误差为
H


' X
X
X
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（2）横向效应的测量误差
不考虑H
R R

KXX
(1)
考虑H：
R R

KX
( X

HY )
(2)
标定的灵敏度K
K

R R
X

K X X H X
X


K X 1 H
(3)
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为何要使用应变仪？
➢1με应变对应的电阻变化？
1 106 R / 2
R
R 2R 2106 120 0.00024
ΔR小极了！
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为何要使用应变仪？ ➢应变片的温度效应
➢ 因环境温度变化引起的虚假应变。
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（10）应变片的许用电流:不影响工作特性的最大电流。
控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由厂 家提供。 一般丝式应变片许用电流为20～25mA，测动态时可 达75～100mA。箔式应变片散热性能好，可达 200mA以上。
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（9）动态测量时的特性
疲劳寿命：应变片承受特定的交变荷载至破坏（脱片、 断栅等）时的使用次数。 频率响应：应变波由试件传递到应变片所需时间为动态 频率响应时间，金属丝式τ为10-7s，半导体式τ为1011s，可以认为应变片是基本没有惯性的。