应变测试原理及工程实例

应变测试原理及工程实例
每次面世的新型汽车或火车都在轻型化上下了很大功夫，以提高其速度及节省燃料。

虽然使用薄的或细的轻型材料可以实现轻型化（效率化），但是如果不能保证必要的强度的话对安全性会有很大影响。

相反，如果只考虑强度的话就会使重量增加，对经济性造成影响。

因此，在机构的设计上，安全性与经济性的协调也是非常重要的因素。

为了在设计上既要保持这种协调性，又要保证强度，就必须要知道材料各个部位的“应力”。

但是，以现有的科学水平，无法对这种应力进行直接测量及判定。

因此要对表面的“应变”进行测量，进而计算出内部的“应力”。

1应变测量原理
1.1基本概念
所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。

如图所示，在柱体的上面向其施加外力P 的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力—内力。

内力被物体（这里是柱体）的截面积所除后得到的值（单位面积上的内力）即是“应力”（单位为Pa 帕斯卡或N/m 2）。

如圆柱横断面积为A （m 2），所受外力为P （N 牛顿），由外力=内力可得，应力。

2()P Pa A
σ=或者N/m 这里的截面积A 与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。

图1
棒被拉伸的时候会产生伸长变形l ∆，棒的长度则变为l l +∆。

这里，由伸长量l ∆和原长l 的比所表示的伸长率（或压缩率）就叫做“应变”，记作ε。

1l l
ε∆= 与外力同方向的伸长（或压缩）方向上的应变称为轴向应变。

应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。

由于量值很小，通常用6110-⨯ （百万分之一）“微
应变”表示，或简单的用μ表示。

棒在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。

直径为0d 的棒产生d ∆的变形时，
图2
直径方向的应变如下式所示：
20
=d d ε-∆ 这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。

轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为ν 。

每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。

21
==0.3ενε 各种材料的应变与应力的关系已经通过实验进行了测定。

图3所示为一种普通钢材（软铁）的应力与应变关系图。

应力与应变成直线关系的范围内胡克定律成立，对应的最大应力称为比例极限。

E σε=⋅或E σε
= 应力与应变的比例常数E 被称为纵弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。

如上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。

图3
1.2 应变的大小
应变到底小到什么程度呢？如图4所示，从42110m -⨯ （每边长1cm)的铁棒上面垂直
施加10kN 的力时，会产生多大的应变呢？让我们来计算一下。

首先，应力
34242
101010100110110P KN N MPa A m m σ--⨯====⨯⨯
再通过应力与应变的关系式计算出应变。

6
4910010010 4.851020620610
MPa E GPa σ
ε-⨯====⨯⨯ 通常，应变用百万分之一表示，本例中 6485485101000000ε-=
=⨯ 作为应变量，用648510-⨯ 应变，或485微应变表示。

图4
应变的正负，应变分为拉伸和压缩两种，分别用正负号加以区别。

→→拉伸正（+）
压缩负（-）
表示10的倍数的前缀
1.3 应变片原理
1.应变片的构造
应变片有很多种类。

一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅，然后再覆盖上一层薄膜作成迭层构造。

2.应变测定方法的种类
应变的测定方法有很多种，大致分为机械，光学，电子测定法。

每种方法都是考虑到物体的应变从几何学角度上看表现为物体上两点间距离的变化，从而对其进行测量为基础的。

物体材料的弹性系数己知的情况下，根据应变可以计算出应力。

所以经常通过测量应变以计算由于外力的作用而在物体内部产生的应力。

3.应变片的原理
将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。

很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。

应变片就是应用这个原理，通过沉量电阻的变化而对应变进行沉定。

一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。

即
R K R
ε∆=⨯ 在这里
R ： 应变片原电阻值Ω〔欧姆）
R ∆： 伸长或压缩所引起的电阻变化Ω（欧姆）
K: 比例常数（应变片常数）
ε： 应变
不同的金属材料有不同的比例常数K 。

铜铬合金（Adavance ）的K 值约为2。

这样，应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。

但是由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻变化也是极其微小的。

例如我们来计算1000×10-6的应变产生的电阻的变化。

应变片的电阻值一般来说是120欧姆，即
62100010120()
R -∆=⨯⨯Ω R ∆=120×2×1000×610-=0.24Ω
电阻变化率为
0.240.0020.2%120
R R ∆==→ 要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的，一般的电阻计无法达到要求。

为了对这种微小电阻变化进行沉量，我们使用带有惠斯通电桥回路的专用应变测量仪。

惠斯通电桥是由电阻R1、R2、R3、R4顺序连成的一个环形电路，在环形的一个对角上接直流电源作为激励，在另一个对角端之间接输出负载，R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，如下图所示。

那么桥路的输出电压V0为：
当R1/R2=R3/R4时，V O=0。

这种状态称为桥路平衡。

任何一个桥臂上的电阻值发生变化时，都会导致桥路不平衡，桥路就会有电压输出。

现在将R4替换为应变片，应变片阻值大小为R G，同时使桥臂上另外三个电阻的阻值为：R1=R2=R3=R G，那么在应变片没有产生应变时，桥路输出电压也为零。

如果产生应变，应变片阻值发生变化为△R，那么电桥输出电压V o相应发生变化:
四边的电阻中只有应变片产生变化，输出电压可写成：
其中，K为比例常数（应变片常数），E为桥路电压，一般的应变测量大部分都使用单应变片法。

1.4 惠斯通电桥构成
上例电路中只联入了一枚应变片，所以称为单一应变片法。

除此之外，还有双应变片发及四应变片法。

●双应变片法
如下图所示，在电桥中联入了两枚应变片，共有两种联入方法。

当两个应变片的电阻发生变化，联入方式上图（a）所示时，
或
联入方式上图（b）所示时，
或
也就是说当联入两枚应变片时，根据联入方式的不同，两枚应变片上产生的应变或加或减。

●双应变片法的用途
如图11 所示，同时对悬臂梁施加使其弯曲和伸长的两个作用力，在梁的上下表面对应的位置分别贴上一枚应变片，再联入桥路的相邻边或相对边就可以测知分别由弯曲和伸长所产生的应变。

下面对这种用法加以说明。

由于悬臂梁的弯曲，在应变片①上产生拉伸应变（正），在应变片②上产生压缩应变（负）。

因为两枚应变片与梁的末端距离相同，所以虽然二者的正负不同，但绝对值的大小相同。

这样，如果只想测量由于弯曲产生的应变，则如图12 所示，将①，②联入电桥的相邻边。

因为输出电压
且拉伸作用在应变片①，②上同时产生大小相等的正应变，所以括号中的项等于零。

另一方
面，由于弯曲变形而在应变片①，②上产生的应变大小相等，符号相反，从数学角度看括号中的项变为每枚应变片上产生的应变的2 倍，从而可以测得由于弯曲而产生的应变。

若如图13 所示，将应变片联入桥路的相对边，则输出电压
与上例相反，这种情况下，由于弯曲应变所产生的输出电压为零，由于拉伸应变所产生的输出电压变为每枚应变片所产生的电压的2 倍。

也就是说如图13 所示联接即可测得仅由拉伸作用所产生的应变。

●四应变片法的输出电压
四应变片法是桥路的四边全部联入应变片，在一般的应变测量中不经常使用，但常用于应变片式的变换器中。

如下图所示，当四条边上的应变片的电阻分别引起如R1+ΔR1, R2+ΔR2, R3+ΔR3, R4+ΔR4 的变化时
若四枚应变片完全相同，比例常数为K,且应变分别为ε1,ε2,ε3,ε4。

则上面的式子可写成下面的形式。

1.5 应变片温度补偿方法
在应变测量中会遇到一个问题，那就是温度对应变的影响。

因为被测定物都有自己的热膨胀系数，所以会随着温度的变化伸长或缩短。

因此如果温度发生变化，即使不施加外
力贴在被测定物上的应变片也会测到应变。

为了解决这个问题，可以应用温度补偿法。

●动态模拟法
这是使用两枚应变片的双应变片法。

如图14 所示，在被测物上贴上应变片（A）,在与被测物材质相同的材料上贴上应变片（D）,并将其置于与被测物相同的温度环境里。

如图所示，将两枚应变片联入桥路的相邻边，这样因为（A）,（D）处于相同的温度条件下，由温度引起的伸所量相同，即由温度引起的应变相同，所以由温度引起的输出电压为零。

●自我温度补偿法
从理论上讲，动态模拟法是最理想的温度补偿法。

但是有粘贴两枚应变所费劳力和模拟物的放置场所的选择等问题。

为了解决这个问题，可以使用只用一枚应变片即可进行温度补偿的自我温度补偿应变片。

这种方法根据被测物材料的热膨胀系数的不同来调节应变片敏感栅，因此使用适合被测物材料的应变片就可以仅用一枚应变片对应变进行测量，且不受温度的影响。

除了特殊的情况，现在基本上都使用自我温度补偿型应变片。

如下图所示，在热膨胀系数为βs 的被侧物表面贴上敏感栅热膨胀系数为βg 的应变片。

则温度每变化1度，其所表现出来的应变εT 如下式所示。

上式中，Ks 为由敏感栅材料决定的应变片常数，βs，βg分别为由各自材料决定的被测物与敏感栅的热膨胀系数，这三项均为定值，则通过调整α就可以使由温度引起的应变变为零。

此时
在箔材的制作过程中可以通过热处理对α的值进行控制。

而且它是与特定的被测物的热膨
胀系数βs 相对应的，如果用在不适用的被测物时，不仅不会补偿温度引起的应变还会引起
较大的测量误差。

自我温度补偿片的适用材料的热膨胀系数如下表所示。

1.6 应变片粘贴
应变片的粘贴方法根据应变片，粘贴剂，使用环境的不同而不同。

这里以常温室内测量为例。

选用普通型应变片（带有导线的KFG 应变片），速干性粘贴剂（氰基丙烯酸盐酸粘合剂系列CC-33A），低碳钢试验片。

●选择应变片
根据被测物与目的选择应变片的种类及长度。

应变片的热膨胀系数上表中所示，可以从中选择适用于被测物的应变片。

●除锈，保护膜
将应变片所要粘贴的部位（范围要大于应变片的面积）用砂布（#200～300）打磨，直到除去涂漆，锈迹及镀金等。

●确定粘贴位置
在需要测量应变的位置沿着应变的方向做好记号。

使用4H 以上的硬质铅笔或划线器，注意在使用划线器时，不要留下深的刻痕。

●对粘贴面的脱脂和清洁
用工业用薄纸蘸丙酮溶液对要粘贴应变片部位进行清洁。

在清洁过程中，沿着一个方向用力擦拭，然后再沿着相同方向擦拭。

如果来回擦拭会使污物反复附着，无法擦拭干净。

●涂粘贴剂
首先要确认好应变片的正反面。

向应变片的背面滴一滴粘贴剂（CC-33A）。

如果涂抹粘贴剂的话，先涂抹部分的粘贴剂会出现硬化使粘性下降。

因此不使用涂抹的方式。

●粘贴
将滴有粘贴剂的应变片立即粘在所作记号的中心位置。

●加压
在置于粘贴位置的应变片上面盖上附带的聚乙烯树脂片，并在上面用手指加压。

步骤⑤，⑥，⑦要连贯快速地进行。

将放好的应变片取下调整位置重新粘贴时会使粘性极大地下降。

●完成
加压一分钟左右，取下聚乙烯树脂片，确认是否已粘贴牢固。

这样整个粘贴过程结束。

为了达到更好的效果，最好将应变片放置60 分钟左右等粘贴剂完全硬化后再使用。

2 应变测试工程实例
本实验室具备江苏东华公司研制的DH5902数据采集系统，可可实现三线制1/4桥、半桥及全桥的连接。

通过信号输入线与电阻应变计连接，信号输入线的LEMO插头接入DH5902的数据采集通道，如下图所示（以三线制1/4桥的连接为例），+Eg表示供桥电压正极、-Eg 表示供桥电压负极、Vi+表现信号正极、Vi-表现信号负极。

桥路连接盒
桥路类型指在应变电桥中，根据不同的测试情况，接应变计的数量和方式有不同。

应变测试具体分为方式1到方式6，对于东华DH5902不同桥路有不同桥路连接方式，下图为应变片贴片方式及应变片和应变半桥、全桥输入线连接方式。

序号用途现场实例专用应变输入线连接示意
方式一
三线制1/4桥
适用于测量简单拉伸压缩或弯曲应变
方
式
二
半桥
（1片工作片, 1片补偿
片）
适用于测量简单拉伸压
缩或弯曲应变,环境较恶
劣
方 式 三
半桥
（2片工作片） 适用于测量简单拉伸压缩或弯曲应变,环境温度
变化较大
方
式
四
半桥
(2片工作片)
适用于只测弯曲应变,消
除了拉伸和压缩应变
方
式
五
全桥
(4片工作片)
适用于只测拉伸压缩的
应变
方 式 六
全桥 (4片工作片) 适用于只测弯曲应变
示。

产品
振动台
功率放大器
振动控制器
试验夹具
控制点
应变花位置B
应变花位置A
东华应变测试系统本试验中所用振动台东华应变测试系统如下图所示。

桥路转接盒
东华DH5902采集前端
本试验用的如下图所示的应变花，可根据式（1）应变花三个独立的应变数据计算出该点的最大主应变。

o
0o
45o
90
图1 应变花布置图
090
max 2
εεε+=
+
（1）
用上文提到的应变片粘贴方法，把应变花粘到产品关注的位置上，为防止应变片连接线之间短路，本试验用电烙铁将应变片接线柱和线缆进行焊接，并用热塑管借助助焊剂和镊子将应变片裸露的铜线进行隔离处理防止铜线之间短路，如下图所示。

产品上某应变花0度、45度、90度的应变大小和根据公式计算出的最大主应变如下图所示。

0度45度
90度最大主应变
3 小结
本文首先对应变测试相关的原理进行说明，具体包括应力应变基本概念、应变的大小、应变片原理、惠斯通桥路、应变片温度补偿方法、应变片粘贴等方面进行阐述说明；然后借助于一个对产品振动试验过程中的应变进行测试工程实例进行说明。