电阻应变测量原理及方法

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1、目录电阻应变测量原理及方法 21. 概述 22. 电阻应变片的工作原理、构造和分类 22.1 电阻应变片的工作原理 22.2 电阻应变片的构造 42.3 电阻应变片的分类 43. 电阻应变片的工作特性及标定 63.1 电阻应变片的工作特性 63.2 电阻应变片工作特性的标定 104. 电阻应变片的选择、安装和防护 124.1 电阻应变片的选择 124.2 电阻应变片的安装 134.3 电阻应变片的防护 145. 电阻应变片的测量电路 145.1 直流电桥 155.2 电桥的平衡 175.3 测量电桥的基本特性 185.4 测量电桥的连接与测量灵敏度 196. 电阻应变仪 246.1 静态电阻应

2、变仪 246.2 测量通道的切换 266.3 公共补偿接线方法 277. 应变-应力换算关系 287.1 单向应力状态 287.2 已知主应力方向的二向应力状态 297.3 未知主应力方向的二向应力状态 298. 测量电桥的应用 318.1 拉压应变的测定 318.2 弯曲应变的测定 348.3 弯曲切应力的测定 358.4 扭转切应力的测定 368.5 内力分量的测定 37电阻应变测量原理及方法1. 概述电阻应变测量方法是实验应力分析方法中应用最为广泛的一种方法。该方法是用应变 敏感元件电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变应力关系得到构件表面的应 力状态，从而对构件进行应力分析。电阻应变

3、片（简称应变片）测量应变的大致过程如下：将应变片粘贴或安装在被测构 件表面，然后接入测量电路（电桥或电位计式线路），随着构件受力变形，应变片的敏感 栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电 路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由指示仪表或记录仪器指示或记 录。这是一种将机械应变量转换成电量的方法，其转换过程如图1 所示。测量电路的输出 信号经放大、模数转换后可直接传输给计算机进行数据处理。图 1 用电阻应变片测量应变的过程电阻应变测量方法又称应变电测法，之所以得到广泛应用，是因为它具有下列优点1 测量灵敏度和精度高。其分辨率达1微应变（ ）,

4、1微应变=10-6应变（）。 2测量范围广。可从1 微应变测量到2 万微应变。3电阻应变片尺寸小，最小的应变片栅长为0.2 毫米；重量轻、安装方便，对构件无附加力，不会影响构件的应力状态，并可用于应力梯度变化较大的应变的测量。4频率响应好。可从静态应变测量到数十万赫的动态应变。 5由于在测量过程中输出的是电信号，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。6可在高温、低温、高速旋转及强磁场等环境下进行测量。 7可制成各种高精度传感器，测量力、位移、加速度等物理量。该方法的缺点是：1只能测量构件表面的应变，而不能测构件内部的应变。2一个应变片只能测定构件表面一个点沿某一个方向的应变，不能进行全域性的测量

5、。 3只能测得电阻应变片栅长范围内的平均应变值，因此对应变梯度大的应力场无法进 行测量。2. 电阻应变片的工作原理、构造和分类2.1 电阻应变片的工作原理由物理学可知，金属导线的电阻值R与其长度L成正比，与其截面积A成反比，若金属导线的电阻率为P，则用公式表示为当金属导线沿其轴线方向受力而产生变形时，其电阻值也随之发生变化，这一现象称为应变-电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，可将式(1)取对数并微分，得dRdP dL dA= + R p LA1a)式中dLL为金属导线长度的相对变化，可用应变表示，即LdL=L1b)dA为导线截面积的相对变化，若导线直径为D,则 AdA dD二 2二 2A

6、D1c)式中卩为导线材料的泊松比。将式(lb)和(c)代入式(la)即可得dRdp下=V +(1 + 2 卩)2)式(2)表明，金属导线受力变形后，由于其几何尺寸和电阻率发生变化，从而使其 电阻发生变化。可以设想，若将一根金属丝粘贴在构件表面上，当构件产生变形时，金属 丝也将随之变形，利用金属丝的应变-电阻效应就可将构件表面的应变量直接转换为电阻 的相对变化量。若令电阻应变片就是利用这一原理制成的应变敏感元件。dR/ d PPK =R 二一+ (1+ 2卩)S 则式(2)写成KS为金属导线(或称金属丝)的灵敏系数，它表示金属导线对所承受的应变量的灵敏程度。由式（3）看出，这一系数不仅与导线材料

7、的泊松比有关，且与导线变形后电阻率 的相对变化有关。我们希望金属导线电阻的相对变化与应变量之间呈线性关系，即希望KS 为常数。实验表明，大多数金属导线在弹性范围内电阻的相对变化与应变量之间是呈线性 关系的，在金属导线的弹性范围内（1+2 ）值一般在 1.41.8 之间。2.2 电阻应变片的构造不同用途的电阻应变片，其构造不完全相同，但一般都由敏感栅、引线、基底、盖层 和粘结组剂成，其构造简图如图2 所示。敏感栅是应变片中将应变量转换成电量的敏感部分，是用金属或 半导体材料制成的单丝或栅 状体。敏感栅的形状与尺寸直 接影响应变片的性能。敏感栅 如图 3 所示，其纵向中心线称 为纵向轴线，也是应变

8、片的轴 线。敏感栅的尺寸用栅长 L 和栅宽B来表示。栅长指敏感 栅在其纵轴方向的长度，对于 带有圆弧端的敏感栅，该长 度为两端圆弧内侧之间的距 离，对于两端直线的敏感栅， 则为两直线内侧的距离；在 与轴线垂直的方向上敏感栅 外侧之间的距离为栅宽。栅 长与栅宽代表应变片的标称尺寸。一般应变片栅长在0.2 毫米至 100 毫米之间。 引线 用以从敏感栅引出电信号的镀银线状或镀银带状导线，一般直径在0.150.3毫 米之间。基底 用以保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置的部分，基底尺寸通常代表应变片 的外形尺寸。粘结剂 用以将敏感栅固定在基底上，或者将应变片粘结在被测构件上，具有一定的电绝 缘性能。

9、盖层 用来保护敏感栅而覆盖在敏感栅上的绝缘层。2.3 电阻应变片的分类1按应变片敏感栅材料分类 根据应变片敏感栅所用的材料不同可分为金属电阻应变片和半导体应变片。半导体应 变片的敏感栅是由锗或硅等半导体材料制成的；金属电阻应变片则又分为金属丝式应变 片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。a. 金属丝式应变片丝绕式短接式图 4 金属丝式应变片金属丝式应变片的敏感栅是用直径为0.010.05毫米的镍合金或镍铬合金的金属丝 制成的，它有丝绕式和短接式两种， 见图 4。前者是用一根金属丝绕制而 成，敏感栅的端部呈圆弧形；后者则 是用数根会属丝排列成纵栅，再用较 粗的金属丝与纵栅两端交错焊接而 成，敏感栅

10、端部是平直的。丝绕式应变片敏感栅的端部呈 圆弧形，当被测构件表面存在两个方向应变时（即平面应变状态）敏感栅不但感受轴线方 向的应变，同时还能感受到与轴线方向垂直的应变，这就是电阻应变片的横向效应。丝绕 式应变片的横向效应较大，测量精度较低，且端部圆弧部分形状不易保证，因此，丝绕式 应变片性能分散。短接式应变片敏感栅的端部平直且较粗，电阻值很小，故其横向效应很 小，加之制造时敏感栅形状较易保证，故测量精度较高。但由于敏感栅中焊点较多，容易 损坏，疲劳寿命较低。b. 金属箔式应变片金属箔式（简称为箔式）应变片，见图5,是用厚_-度为0.0020.005毫米的金属箔（铜镍合金或镍铬合:金）作为敏感栅

11、的材料。该应变片制作大致分为刻图、一制版、光刻、腐蚀等工艺过程，见图6。箔式应变片制 造工艺易于实现自动化大量生产，易于根据测量要求制图 5 金属箔式应变片成任意图形的敏感栅，制成小标距应变片和传感器用的特殊形状的应变片。图 6 金属箔式应变片制作流程箔式应变片敏感栅端部的横向部分可以做成比较宽的栅条，其横向效应很小；箔栅的 厚度很薄，能较好的反映构件表面的应变，也易于粘贴在弯曲的表面上；箔式应变片蠕变 小、散热性能好、疲劳寿命长，测量精度高。由于箔式应变片具有以上诸多优点，故在各 个测量领域中得到广泛的应用。c. 金属薄膜应变片 金属薄膜应变片的敏感栅是用真空蒸镀、沉积或溅射的方法将金属材料

12、在绝缘基底上 制成一定形状的薄膜而形成的，膜的厚度由几埃到几千埃不等，有连续膜和不连续膜之分， 其性能也不一样。金属薄膜应变片易于制成高温应变片，直接将应变片做在传感器弹性元 件上。2. 按应变片敏感栅结构形状分金属电阻应变片按敏感栅的结构形状可分为a.单轴应变片单轴应变片一般是指具有一个敏感栅 的应变片，见图 4、图 5，这种应变片可用 来测量单向应变。若把几个单轴敏感栅做在 同一个基底上，则称为平行轴多栅应变片或 同轴多栅应变片，如图 7 所示，这类应变片 用来测量构件表面的应变梯度。平行轴多栅应变片同轴劣栅应变片图 7 单轴多栅应变片b.应变花（多轴应变片）由两个或两个以上轴线相交成一定

13、角度的敏感栅制成的应变片称为多轴应变片，也称 为应变花，用于测量平面应变，图8 所示是几种比较典型的应变花，也有应变片轴线不等夹角和敏感栅重叠在一起的应变花。O(a)二轴 90(b)三轴45(c)三轴60图 8 多轴应变花3. 按应变片的工作温度分 每种应变片只能在一定的工作温度范围内中使用，根据应变片的工作温度可分为：常温应变片其工作温度为-3OoC至+6O0C。一般的常温应变片使用时温度基本保持不变，否 则会有热输出，若使用时温度变化大，则可使用常温温度自补偿应变片。中温应变片其工作温度为+600C至+350oCo高温应变片 工作温度高于+3500C时，均为高温应变片。低温应变片 工作温度

14、低于-30oC时，均为低温应变片。3. 电阻应变片的工作特性及标定3.1 电阻应变片的工作特性用来表达应变片的性能及特点的数据或曲线，称为应变片的工作特性。应变片使用范 围非常广泛，使用条件差异甚大，对应变片的性能要求不同，因此对不同条件下使用的应 变片，对其检测的工作特性不同，下面仅介绍常温应变片的工作特性。1. 应变片电阻（R）指应变片在未经安装也不受力的情况下，室温时测定的电阻值。根据测量对象和测量 仪器的要求选择应变片的电阻值。在允许通过同样工作电流的情况下，选用较大电阻值的 应变片，这样可提高应变片的工作电压，使输出信号加大，提高测量灵敏度。用于测量构件应变的应变片阻值一般为120

15、欧姆，这与检测仪器（电阻应变仪）的设 计有关；用于制作应变式传感器的应变片阻值一般为350、500和 1000 欧姆。制造厂对应变片的电阻值逐个测量，按测量的应变片阻值分装成包，并注明每包应变 片电阻的平均值以及单个应变片阻值与平均值的最大偏差。2. 应变片灵敏系数（K）指在应变片轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化arr与安装应变片 的试件表面上轴向应变e的比值，即AR5)K = -应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅灵敏系数，但还与敏感栅的结构型式和几何尺寸 有关；此外，试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅的，所以应变片的灵敏系 数还与基底和粘结剂的种类及厚度有关。因此应变片

16、的灵敏系数受到多种因素的影响，无 法由理论计算得到。应变片灵敏系数是由制造厂按应变片检定标准，抽样在专门的设备上进行标定的，并 将标定得到的灵敏系数在包装上注明。应变片灵敏系数一般在1.802.50之间。图 9 应变片的机械滞后3. 机械滞后（ Zj）指在恒定温度下，对安装有应变片的试件加载 和卸载，以试件的机械应变（试件受力产生的应变） 为横坐标、应变片的指示应变为纵坐标绘成曲线， 见图 9，在增加或减少机械应变过程中，对于同意 一个机械应变量，应变片的指示应变有一个差值， 此差值即为机械滞后，即Z.=肛.。ji机械滞后的产生主要是敏感栅、基底和粘结剂 在承受机械应变之后留下的残余变形所致。

17、制造或 安装应变片时，若敏感栅受到不适当的变形，或粘 结剂固化不充分，都会产生机械滞后量。为了减小 机械滞后，可在正式测量前预先加载和卸载若干次。4. 零点漂移（P）和蠕变（9 ）对于已安装在试件上的应变片，当温度恒定时，即使试件不受外力，不产生机械应变， 但应变片指示应变会随着时间的增加而逐渐变化，这一变化即称之为零点漂移，简称零漂。 若温度恒定，试件产生恒定的机械应变，这时应变片指示应变也会随着时间的变化而变化， 该变化称为蠕变。零漂和蠕变反映了应变片的性能随时间的变化规律，只有当应变片用于较长时间的测 量时才起作用。实际上零漂和蠕变是同时存在的，在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值。零漂主

18、要由敏感栅通工作电流后的温度效应、应变片制造和安装过程中的内应力以及 粘结剂固化不充分等所引起；蠕变则主要由粘结剂和基底在传递应变时出现滑移所致。5应变极限（ lim）机械应变今悴图 10 应变片的应变极限指在温度恒定时，对安装有应变片的试件逐 渐加载，直至应变片的指示应变与试件产生的应变 （机械应变）的相对误差达到 10时，该机械应 变即为应变片的应变极限，见图10。在图3.10中 实线 2 是应变片的指示应变随试件机械应变的变 化曲线，虚线 1 为规定的误差限（10%），随着机械 应变的变增加，曲线 2 由直线渐弯，直至曲线2 与 虚线 1相交，相交点的机械应变即为应变片的应变 极限。制造

19、厂按应变片检定标准，在一批应变片中 按一定比例抽样测定应变片的应变极限，取其中最 小的应变极限值作为该批应变片的应变极限。6绝缘电阻（R/应变片的绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。绝缘电阻愈小，由于 分流作用，使得流经敏感栅的电流愈小，其中一部分电流会流经被测试件，致使测量灵敏 度降低，直接影响测量灵敏度；绝缘电阻小，还会引起零点漂移。提高绝缘电阻的办法主 要是选用绝缘性能好的粘结剂和基底材料。7横向效应系数（H）前面指出，应变片的敏感栅除有纵栅外，还有圆弧形或直线形的横栅，横栅主要感受 垂直于应变片轴线方向的横向应变，因而应变片的指示应变中包含有横向应变的影响，这 就是应变片的

20、横向效应。应变片横向效应的大小用横向效应系数H来衡量，H值愈小，表 示应变片横向效应影响愈小。将应变片置于平面应变场中，沿应变片轴线方向的应变为 x，垂直于轴线方向的横 向应变为J此时应变片敏感栅的电阻相对变化可表示为AR | 二 K + K x x y y6)AR _（ARRRxy式中（tar）和Car）分别为由和引起的敏感栅电阻的相对变化；K和K分别为应变R xR yxyxy片轴向和横向灵敏系数，它们可表示为K = R-x(6a)xCar） K =-yyy横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值取百分数，定义为横向效应系数H,即应变片横向效应系数主要与敏感栅的型式和几何尺寸有关，还受到应变片基底和

21、粘结 剂质量的影响。因此，应变片的横向效应系数应在专门的装置上进行标定。不同种类的应 变片，其横向效应的影响也不同，丝绕式应变片的横向效应系数最大，箔式应变片次之， 短接式应变片的H值最小，常在0.1%以下，故可忽略不计。近年来，由于箔式应变片设计的合理性以及箔材质量的提高、制造工艺的先进性，使 得横向效应的误差非常小，均优于0.1%，因此箔式应变片的横向效应亦可忽略不计。8.热输出（ t） 应变片安装在可以自由膨胀的试件上，试件不受外力作用，当环境温度发生变化时， 应变片的指示应变会随着环境温度的变化而变化，该变化称之为热输出（ t）,即这时应 变片的指示应变值的变化不是由于试件内存在的应力

22、所至，而是由于环境温度变化所产生 的。敏感栅材料的电阻温度系数、敏感栅材料与试件材料之间线膨胀系数的差异，是应变 片产生热输出的主要原因。若敏感栅材料的电阻温度系数为a ,当温度变化t时，应变 片电阻的相对变化为MR =aAt，以指示应变表示为1人8 / = -a - At（8）tK若试件和敏感栅的线膨胀系数分别为BB ,当B工B且温度变化 t时，由m s m s 此产生的应变为8 / =（卩-卩）At（9）tm s将以上两项相加，则得应变片的热输出为8 =Ala + K（P - 卩）（10）t K m s表 1 常温应变片工作特性的质量等级工作特性说明质量等级ABC应变片电阻对标称值的偏差（

23、%）136对平均值的公差（%）0.20.40.8灵敏系数对平均值的标准误差（）123机械滞后室温下（U ）51020蠕变室温下（口 /小时51525应变极限室温下（口 ）1000080006000绝缘电阻室温下（MQ ）1000500500横向效应系数(%)124疲劳寿命循环次数1061061059.疲劳寿命（N）在幅值恒定的交变应力作用下，应变片连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数称为应变片的疲劳寿命。当应变片出现以下任何一种情况时，即认为是疲劳损坏：1）敏感栅或引线发生断路；2）应变片输出幅值变化 10 ；3）应变片输出波形上出现尖峰。疲劳寿命是反映应变片对动态应变适应能力的参数。表 1

24、 中列出了不同质量等级的常温应变片各项工作性能的要求3.2 电阻应变片工作特性的标定应变片的各项工作特性需在专门的设备上抽样标定。在有关的技术标准中，规定了应 变片工作特性的标定设备和标定方法等。下面仅介绍应变片灵敏系数和横向效应系数的标 定方法。1灵敏系数的标定按照应变片灵敏系数的定义，在进行标定时，应采用一单向应力状态的试件，通常用 纯弯曲梁，如图11 （a）所示。载荷P通过加载横梁施加在标定梁的q、C2两点，使得C 段为纯弯曲区，因此，qc2区段内沿其长度方向为单向应力状态，其上下表面的应变大小 相等、方向相反。a)图 11 应变片灵敏系数标定hf将被标定应变片安装在梁的纯弯曲区段内的上

25、下表面，且应变片的轴线与梁的轴线方 向一致。在C段中间安装一个三点挠度仪。当梁弯曲时，由挠度仪上的千分表可读出测 得的挠度f （即梁在三点挠度仪长度a范围内的挠度），如图11 （b）所示。再根据材料力 学公式和几何关系，即可求得梁纯弯曲区段上下表面的轴向应变，其值为11)+ f2 + hf式中h为标定梁截面高度。如果再由惠斯顿电桥直接测量出在该载荷作用下应变片电阻的 相对变化号值，则可由公式（5）计算得到应变片的灵敏系数K。R曽值的测定一般都采用电阻应变仪。若电阻应变仪的灵敏系数和读数应变分别以K0和8 d表示，则R值可由下式求得应变片的灵敏系数K则由下式计算ARR K 8 K = = （88

26、jj一般在标定应变片灵敏系数时，应变仪的灵敏系K设置为2。应该指出，当应变片使用环境与应变片标定环境不同时，会产生误差，对于高精度的测量，应进行相应的修正。2横向效应系数的标定应变片横向效应系，对于早期的应变片制作工艺，这项指标显得非常重要，它直接影 响应变测量精度。但随着应变片制作工艺水平的提高，应变片几何形状的改变，包括对敏 感栅材料的处理以及制作工艺自动化程度的提高，这项指标对于应变测量精度的影响已微 乎其微。标定应变片横向效应系数时，一般采用图12 所示的单向应变场标定装置。其标定区的截面形 状为n,中间薄壁部分的厚度仅为5毫米左右， 而两边尺寸较大。两侧边用许多螺钉与侧板连接。 通过

27、加载手柄对标定区施加力矩，标定区产生弯 曲变形时。由于标定区沿y方向的刚度很大，当 x 方向产生很大变形时， y 方向的应变接近于零 （通常要求 x 方向的应变达到 100050 微应变 时，y方向的应变小于2微应变），可以认为是单 向应变场。在单向应变场中，可以精确地标定出 应变片的横向效应系数。将被标定应变片粘贴在标定区的表面，并使应变片的轴线分别平行和垂 直于单向应变方向。轴线平行于x方向的应变片,试件图 12 横向效应系数标定其轴向应变为8 、横向应变则为零；而轴线垂直于X方向、平行于y方向的应变片，其x0轴向应变为零、横向应变为8 。由公式（6）可得平行于x方向的应变片的电阻变化为A

28、R _(AR下I下丿xK8x x 0_AR、x I R丿x18x0x0平行于y方向的应变片的电阻变化为K y x 0根据公式（7），标定得到应变片横向效应系数为X100%另由公式（12）得到以下关系AR、I R丿x=K 0 xdK0 yd15)式中应变仪的灵敏系数K 一般设置为2, 和 分别为由应变仪读出的轴线为x方向0 xd yd和y方向应变片的应变。将公式（15）代入公式（14），标定得到应变片横向效应系数为H = -d 100%（16）xd3热输出的标定 由于热输出的大小与标定试件材料的线膨胀系数有关，制造者只能针对几种比较典型 的材料标定应变片的热输出，例如，钛合金、碳素结构钢、不锈钢

29、、铝合金、镁合金等， 它们的线膨胀系数分别为9、11、17、23、27 （X10-6/C）。当被侧构件的材料与上述材料 不同时，需根据测量精度要求，确定是否重新标定。标定热输出应在均匀温度场内进行，温度不均匀度不大于2C。标定试件尺寸通常 取宽度约为50毫米，长度约为100毫米，厚度为23毫米。标定试件太薄，升温时易变 形，标定试件太大则易造成温度不均匀。标定热输出时，试件在温度场中应能自由膨胀，不致产生附加应力。应变片与测量仪 器的连接要采用三线接线法，以消除导线对热输出的影响。升温速率为35 C/分。4. 电阻应变片的选择、安装和防护在应变测量时，只有正确选择和安装使用应变片，才能保证测量

30、精度和可靠性，达到 预期的测试目的。4.1 电阻应变片的选择应变片的选择，应根据试验环境、应变性质、应变梯度及测量精度等因素来决定。1测量环境 测量时应根据构件的工作环境温度选择合适的应变片，使得在给定的试验温度范围 内，应变片能正常工作。潮湿对应变片性能影响影响极大，会出现绝缘电阻降低、粘结强度下降等现象，严重时将无法进行测量。为此，在潮湿环境中，应选用防潮性能好的胶膜 应变片，如酚醛一缩醛、聚脂胶膜应变片等，并采取有效的防潮措施。应变片在强磁场作用下，敏感栅会伸长或缩短，使应变片产生输出。因此，敏感栅材 料应采用磁致伸缩效应小的镍铬合金或铂钨合金。2应变性质对于静态应变测量，温度变化是产生

31、误差的重要原因，如有条件，可针对具体试件材 料选用温度自补偿应变片。对于动态应变测量，应选用频率响应快、疲劳寿命高的应变片， 如箔式应变片。3应变梯度应变片测出的应变值是应变片栅长范围内分布应变的平均值，要使这一平均值接近于 测点的真实应变，在均匀应变场中，可以选用任意栅长的应变片，对测试结果无直接影响； 在应变梯度大的应变场中，应尽量选用栅长比较短的应变片；当大应变梯度垂直于所贴应 变片的轴线时，应选用栅宽窄的应变片。4测量精度一般认为以胶膜为基底、以铜镍合金和镍铬合金材料为敏感栅的应变片性能较好，它 具有精度高、长时间稳定性好以及防潮性能好等优点。4.2 电阻应变片的安装常温应变片的安装采

32、用粘贴方法。应变片粘贴操作过程如下：1检查和分选应变片应变片粘贴前应对应变片进行外观检查和阻值测量。检查应变片敏感栅有无锈斑、基 底和盖层有无破损，引线是否牢固等。阻值测量的目的是检查应变片是否有断路、短路情 况，并按阻值进行分选，以保证使用同一温度补偿片的一组应变片的阻值相差不超过 0.1 欧姆。2粘贴表面的准备首先除去构件（或试件）粘贴表面的油污、漆、锈斑、电镀层等，用砂布交叉打磨出 细纹以增加粘结力，接着用浸有酒精（或丙酮）的脱脂棉球擦洗，并用钢划针划出贴片定位 线，再用细砂布轻轻磨去划线毛刺，然后再进行擦洗，直至棉球上不见污迹为止.3贴片粘结剂不同，应变片粘贴的过程也不同。以氰基丙稀酸

33、酯粘结剂502 胶为例，在应变 片基底底面涂上 502 胶（挤上一小滴 502 胶即可），立即将应变片底面向下放在被测位置 上，并使应变片轴线对准定位线，然后将氟塑料薄膜盖在应变片上，用手指柔和滚压挤出 多余的胶，然后手指静压一分钟，使应变片与被测件完全粘合后再放开，从应变片无引线 的一端向有引线的一端揭掉氟塑料薄膜。（注意：502 胶不能用的过多或过少，过多使胶层太厚影响应变片测试性能，过少则 粘结不牢不能准确传递应变，也影响应变片测试性能。此外小心不要被502 胶粘住手指， 如被粘住用丙酮泡洗）4固化贴片时最常用的是氰基丙稀酸酯粘结剂（如5 02 胶水、5 0 1胶水）。用它贴片后， 只要

34、在室温下放置数小时即可充分固化，而具有较强的粘结能力。对于需要加温加压固化 的粘结剂，应严格按粘结剂的固化规范进行。5测量导线的焊接与固定待粘结剂初步固化以后，即可焊接导线。常温静态应变测量时，导线可采用 0.10.3 毫米的单丝包铜线或多股铜芯塑料软线。 导线与应变片引线之间最好使用接线端子片，如图 13 所示。接线端子片是用敷铜板图 13 应变片引线和接线端子的连接腐蚀而成的。接线端子片应粘贴在应变 片引线端的附近，将应变片引线与导线 都焊在端子片上。常温应变片均用锡 焊。为了防止虚焊，必须除尽焊接端的 氧化皮、绝缘物，再用酒精等溶剂清洗， 并且焊接要准确迅速，焊点要丰满光 滑，不带毛刺。

35、已焊好的导线应在试件上沿途固定。固定的方法有用胶布或用胶（如用 502 胶）等。6检查对已充分固化并已联接好导线的应变片，在正式使用前必须进行质量检查。除对应变 片作外观检查外，尚应检查应变片是否粘贴良好、贴片方位是否正确、有无短路和断路、 绝缘电阻是否符合要求等。4.3 电阻应变片的防护对安装后的应变片，应采取有效的防潮措施。防潮剂应具有良好的防潮性，对被测件表面和导线有良好的粘结力；弹性模量低，不 影响被测件的变形；对粘结剂无损坏作用，对应变片无腐蚀作用；使用工艺简单。防护方法的选择取决于应变片的工作条件、工作期限及所要求的测量精度。对于常温 应变片，常采用硅橡胶密封防护方法。这种方法是用

36、硅橡胶直接涂在经清洁处理过的应变 片及其周围，在室温下经1224小时固化，放置时间越长，固化越好。硅橡胶使用方便、 防潮性能好、附着力强、储存期长、耐高低温、对应变片无腐蚀作用，但粘结强度较低。5. 电阻应变片的测量电路通过应变片可以将被测件的应变转换为应变片的电阻变化。但通常这种电阻变化是很 小的。为了便于测量，需将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号，再通过放大器将 信号放大，然后由指示仪或记录仪器指示或记录应变数值。这一任务是由电阻应变仪来完 成的。而电阻应变仪中将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）变化是由应变电桥（即惠 斯顿电桥）来完成的。应变电测早期，由于受电子技术的限制，电阻

37、应变仪在比较长的一段时间内都选用交流电桥。但从 20 世纪八十年代以后，由于电子技术的迅猛发展，直流放大器性能越来越 好，高精度直流放大器愈来愈多，选择的范围愈来愈广，现在，已很难见到交流电桥的电 阻应变仪了，因此，本书中只讲述直流电桥在应变电测中的应用。5.1 直流电桥B%电桥即惠斯顿电桥，如图 3.14 所示。设电桥各桥臂电阻分 别为 R、R、R 、R ，其中的任一个桥臂电阻都可以是应变片电 1234阻。电桥的A、C为输入端，接直流电源，输入电压为比; 而B、D为输出端，输出电压为U。下面分析当R、R、R、RBD1234变化时，输出电压的大小。从ABC半个电桥来看，AC间的 电压为U ,流

38、经R的电流为AC17 UI = ACR + R12由此得出 R 两端的电压降为图 14 惠斯顿电桥RU 二 IR 二 i UAB 1 1AC12同理， R 两端的电压降为RU =3 UAD R + R ac34故可得到电桥输出电压为RRU = U - U =1 U -3 U0 AB AD R + R AC R + R AC123417）RR -R R1 4UR + R 丿3 + R 丿 ac1234由公式（3.17）可知，要使电桥平衡，即要使电桥输出电压U为零，则桥臂电阻必须满足18）RR =R R1423若电桥初始处于平衡状态，即满足公式（18）。当各桥臂电阻发生变化时，电桥就有 输出电压。

39、设各桥臂电阻相应发生了 R、 R、 R、 R的变化，则由公式（17）可1234计算得到电桥的输出电压为（R +AR ）G +AR ）-（R +AR ）（R +AR ）U =144223H U0R+ AR+ R+ AR丿孤 + AR + R +AR 丿 AC11223344将公式（18）代入上式，且由于AR 1时，括号中分母ARfR前面的系数m/ （1+m）l/2,而公式（24）中ARR前的系数却等于12。 因此，在立式桥m1的情况下，当立式桥与等臂电桥的AR,；R 值相等时，立式桥的非线性系数比等臂电桥小；而当mV1时, 则其结果相反。根据以上分析，立式桥的非线性系数是不确定的，因此 在应变测

40、量中，只应用等臂电桥和卧式电桥。B5.2 电桥的平衡对于一个测量电桥，希望它在测量前处于平衡状态，使电桥输出u为零，即满足RR=RR。但是，由于应变片01 42 3阻值的偏差，以及接触电阻和导线电阻等的影响，往往R R14%图 17 电桥平衡调整电路HR2R3,因此需要在测量电桥中增加平衡电路，即在电桥中增加电阻R和电位器R，见图17。56分析平衡电路，见图3.18 (a),将R分为R和R 两部分，见图18 (b),使6 6 6R = nR ， R = n R6 1 6 6 2 6并且n + n = 1。计算图18 (b)的星形连接转换成图18 (c)的三角形连接，得12R = nR + R1

41、 1 6 n 512( 27)R = n R + R2 2 6 n 51而R和R；分别是并联在R1和R2上的，通过调节R；和R；,可使电桥平衡，即满足RR=RR。考虑到电桥测量精度，平衡调节范围不宜过大，因此要求四个桥臂的电阻差值1 42 3不大于0.30.5欧姆，而R和R 一般取100千欧姆和10千欧姆。56BBBa)(b)(c)图 18 电桥平衡调整电路的等效电路5.3 测量电桥的基本特性测量电桥的应用，即为直流电桥(惠斯顿电桥)的应用。直流电桥的桥臂电阻与电桥输出电压之间的关系见公式(21)，为U (NR NR-ACNRNR3 +4R R34若四个桥臂电阻均为电阻应变片，则根据AR/R

42、= Ke得到公式(22),为U K (= AC.41-8 -823令 8 = 8 - 8 - 8 + 8 ( 28) d 1234UK则U =ACe(29)04 d8d 称为读数应变。由公式(28)和(29)可得读数应变d4U 0 + (30)d U K 1 2 3 4AC分析公式(30)，可总结测量电桥具有以下基本特性： 1两相邻桥臂电阻应变片所感受的应变，代数值相减； 2两相对桥臂电阻应变片所感受的应变，代数值相加。 在应变电测中，合理地利用电桥特性，可实现如下测量： 1消除测量时环境温度变化引起的误差；2.增加读数应变(d),提高测量灵敏度；3在复杂应力作用下，测出某一内力分量引起的应变

43、。 要实现电桥特性的合理利用，关键在于测量电桥的连接。5.4 测量电桥的连接与测量灵敏度根据电桥桥臂接入应变片的情况，测量电桥的连接方式可分为半桥接线法、全桥接线R、R为电阻应变片1 2R、R为固定电阻34图19半桥接线法法和串并联接线法几种连接方式。1半桥接线法测量电桥中R、R两桥臂电阻为电阻应变片，R、R两桥臂1234电阻为固定电阻，见图 19，该连接方式称为半桥接线法。在半桥接线法中，根据两应变片工作情况的不同，又分为单 臂半桥接线法和双臂半桥接线法。a. 单臂半桥接线法在两电阻应变片中，一片应变片粘贴在被测件上(被测件包括试件、零件或构件)，一片应变片粘贴在与被测件材料相同、 但不受任

44、何外力的补偿块上。粘贴在被测件上的应变片称为工作 应变片，粘贴在补偿块上的应变片称为补偿应变片，也称为温度补偿应变片。粘贴在被测件上的电阻应变片，其敏感栅的电阻值一方面随被测件的应变而变化，另方面，当环境温度变化时，敏感栅的电阻值还将随温度改变而变化，同时，由于敏感栅 材料和被测件材料的线膨胀系数不同，敏感栅有被迫拉长或缩短的趋势，也会使其电阻值发生变化。这样，通过应变片测量出的应变值中包含了环境温度变化而引起的应变，造成 测量误差。应用单臂半桥接线法可消除测量时环境温度变化引起的误差。如图20 (a)所示构件，要测定构件上某一点(A点)的应变，只需在该点粘贴一片应变片，并在与构件相同材料的补

45、偿块上粘贴一片应变片，组成图20 (b)所示的测量电桥。构件上应变片为工作应变 片叫，接入AB桥臂，它将直接感 受构件受力后产生的应变 和环 境温度变化产生的应变 ；补偿 t 块不受外力，并放置在构件附近 与构件同温度场中，补偿块上应机翼补偿应变片b)a)图20单臂半桥接线法应变测量变片为温度补偿应变片R，接入BC桥臂，它将只感受环境温度变化产生的应变匕。2t由公式(28)可得读数应变耳d = =+ = d 1 2 t t读数应变耳就等于构件上被测点的应变。单臂半桥接线法实现了消除测量时环境温d度变化引起的应变。b.双臂半桥接线法 两电阻应变片均为工作应变片，均粘贴在被测试件上，当被测件受外力

46、作用产生应变 时，应变片敏感栅电阻随之变化，当然，当环境温度发生变化时，应变片电阻也会发生 变化，应用双臂半桥接线法，一方面可消除环境温度变化引起的误差，另一方面还可以增 加读数应变，提高测量灵敏度。如图21 (a)所示一悬臂梁，要测定悬臂梁在F力作用下，I -I截面处的应变。 梁弯曲时，同一截面的上表面纤维产生拉应变，下表面产生压应变，拉压应变值相等。因 此，I T 截面上、下表面的应变大小相等，符号相反。在I T 截面上、下表面各 粘贴一片应变片，并用双臂半桥接线法组成图21 (b)所示测量电桥。两桥臂应变片感受 梁在F力作用下的应变和环境温度变化产生的应变 t，分别为 二+1t = +

47、2t由公式(3.28)得读数应变dd 二一 二+ ( + )二 2 d 1 2 t tFBRCA工作 应变片工作 应变片a)b)图 21 双臂半桥接线法应变测量读数应变勺是悬臂梁I -I截面d 处应变的两倍，即 = d2双臂半桥接线法，消除了环境温 度变化引起的误差，也增加了读数应 变，提高了测量灵敏度。(测量灵敏 度，指测量电桥桥臂中应变片感受被 测件真实应变的敏感程度，亦指测量电桥读数应变值的大小。)2.全桥接线法测量电桥中 R、 R、 R、 R 四桥臂电阻均为电阻应变片。根据四个应变片工作情况的1234不同，又分为对臂全桥接线法和四臂全桥接线法。a. 对臂全桥接线法测量电桥中RA?、R4

48、四桥臂应变片中RR4为工乍应变片，R3为补偿应变片，即R、R应变片粘贴在被测构件上，R、R应变片粘贴在补偿块上(反之R、R作为1 4 2 3 2 3 工作应变片，R、R应变片作为补偿应变片也可以)。14如图22(a)所示一板试件，要测定在一对轴力F作用下板试件上产生的轴向应变礼。F在板试件同一截面的正、反两面各粘贴一片应变片，同时在与板试件相同材料的补偿块上也粘贴两片应变片，见图22 (b),并用对臂全桥接线法组成图22 (c)所示测量电桥。tf(a)图 22 对臂全桥接线法应变测量四桥臂应变片感受的应变分别为 = = + 14Ft = =23t由公式(28)可得读数应变dd = + = +

49、+ +d 1 2 3 4 F t t t F t= 2F板试件的轴向应变F为F1 = F 2 d用对臂全桥接线法组成的测量电桥，同样消除了环境温度变化引起的误差，也增加了 读数应变，提高了测量灵敏度。b.四臂全桥接线法 测量电桥中R、R、R、R四桥臂应变片均为工作应变片。1234测量图22 (a)所示板试件在F力作用下的轴向应变f，也可以在板试件的同一截面F正、反两面，沿轴线方向和垂直轴线方向各粘贴一片应变片，见图23 (a)，并用四臂全桥接线法组成图23 (b)所示测量电桥。四桥臂应变片感受的应变分别为 = = + 14Ft = =卩 +2 3 F t由公式(28)可得读数应变dd = +

50、= + (|L1 + ) (|L1 + ) + + d 1 2 3 4 p t p t p t p t=2(1+卩)p板试件的轴向应变F为F1 = F2(1+ 卩)d用四臂全桥接线法组成的测量电桥，不但消除了环境温度变化引起的误差，而且增加了读数应变，提高了测量灵敏度。(a)Da)Db)图 23 四臂全桥接线法应变测量在应变测量中，也可以将应变片串联或并联起来图 24 串、并联接线法3串并联接线法 接入测量桥臂，如图24所示。图24 (a)为串联半桥接线法，图24 (b)为并联半桥接线 法。串、并联也可以用全桥接线法。串、并联时的读数应变仍可以用公式(28)计算，各桥臂中的应变仍为E 、 。3

51、4a.串联时桥臂应变计算设AB桥臂中串联了 n个阻值为R的电阻应变片，则该桥臂的总阻值为nR。当每个应变片的电阻变化分别为 R、 R、只时，贝9 12n1(AR)1(AR + AR +AR，)= I I = I 12ni K | R 丿 K |nR丿串联接线后桥臂感受的应变为各个应变片感受应变的算术平均值。当每个桥臂中串联的各个应变片感受的应变相同时，即& = &=& =时，12n贝 =它表明，串1联接线法不会增加读数应变，即不能提高测量灵敏度。当桥臂中串联的各 应变片感受的应变相同时，桥臂应变就等于串联的单个应变片感受的应变值。但是串联后 的桥臂电阻增大，在限定电流的情况下，可以提高供桥电压

52、来提高电桥输出电压。b.并联时桥臂应变计算设AB桥臂中并联了 n个阻值为R的电阻应变片，先推导并联电阻的变化与等效电阻 变化的关系，以及单个电阻应变片的应变变化与等效电阻的等效应变变化的关系。设n个电阻R、R、R并联，其等效电阻为R,记R的倒数为f(R)，贝V12n1+ -Rn11= + +R R12取全微分，有-i11df(R)=-丄dR 二-丄dR-丄dR - dRR 2R 2 1 R 2 2R 2 n12n桥臂并联电阻R、R、R等于R,则等效电阻R二R/n，有12n00Jdf(R )=即也可写成由此得dR = -dR -dR -R 21 R 2200n 2dR = dR + dR +12

53、+dRndR = (dR + dR + dR )n 212ndR1 dRdRdR丄dRR2I Ro所以丄竺=1 (+1 K R n 12可见，阻值相同的应变片并联时，其桥臂应变等于桥臂中并联应变片感受到应变的平 均值。所以，并联接线法也不能提高读数应变，不能提高测量灵敏度。但是在通过应变片的 电流不超过最大工作电流的条件下，电桥的输出电流可以提高n倍，有利于电流检测。不 过由于桥臂电阻的减小，对测量电桥的供桥电路也提出了更高的要求。通过对以上各种接桥方式的分析可见，采用不同的接桥方式，所得的读数应变是不同 的，即电桥的测量灵敏度是不同的。因此，测量电桥实际应用时，因根据具体情况灵活应 用。6.

54、 电阻应变仪电阻应变仪是根据应变检测要求而设计的一种专用仪器。它的作用是将电阻应变片组 成测量电桥，并对电桥输出电压进行放大、转换，最终以应变量值显示或根据后续处理需 要传输信号。根据被测构件的应变变化特点，电阻应变仪分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪。 静态电阻应变仪测量静态或缓慢变化的应变信号，动态电阻应变仪测量连续快速变化的应 变信号。6.1 静态电阻应变仪随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，应变测量仪器也向着数字化和计算机化方 向发展。目前，静态电阻应变仪已全部发展为静态数字电阻应变仪，在静态数字电阻应变 仪中又分为有输出接口和无输出接口两类电阻应变仪。无输出接口的静态数字电阻应变

55、仪，只能将测量的静态应变用数字显示出来，有输出接口静态数字电阻应变仪，不但可以 将测量的静态应变用数字显示出来，还可以与计算机通讯，记录保存或打印测量结果。通常，静态数字电阻应变仪具有多个测量通道（20 个通道以内）。对于更多测量通道， 一般都采用应变测试系统，由计算机管理、操作、控制并进行实时数据采集，传送、存贮 或事后处理、打印结果等。1无输出接口静态数字电阻应变仪测_cn_里电桥图 25 无输出接口静态数字电阻应变仪无输出接口静态数字电阻应变仪的工作 原理框图如图 25 所示。它由测量电桥、测量通道手动切换开关、 放大器、A/D转换器、数字显示和直流电源等 组成。应变片根据测量要求组成测量电桥， 通过手动切换旋钮，将测量电桥信号传 输给放大器，信号放大后经 A/D 转换器，由 数字显示测量结果。2有输出接口静态数字电阻应变仪有输出接口静态数字电阻应变仪的工作原理框图如图26 所示测量电桥模拟放大电路测量电桥功率驱动电路继电器测量通道切换网络单片计算机输出接口电子开关1图 26 有数字输出接口静态数字电阻应变仪框图它由测量电桥、测量通道切换网络、模拟放大电路、A/D转换电路、光电隔离、单片 计算机、键盘输入、显示输出、测量数据保有电路和直流电源等组成。