测试技术-3.3-电阻应变片的特性课件

《测试技术-3.3-电阻应变片的特性课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测试技术-3.3-电阻应变片的特性课件（20页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 3.3 电阻应变片的特性3.3.1 弹性敏感元件及其基本特性弹性敏感元件及其基本特性物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。弹性元件的基本特性有：3.3 电阻应变片的特性1.刚度刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示，其数学表达式为(3-13)式中：

2、作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）；弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。刚度也可以从弹性特性曲线上求得。图3-4中弹性特性曲线1上A点的刚度，可通过A点作曲线1的切线，该切线与水平夹角的正切就代表该弹性元件在A点处的刚度，即。若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是一个常数，即，如图3-4中的直线2所示。3.3 电阻应变片的特性2.灵敏度灵敏度通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为(3-14)图3-4 弹性特性曲线 3.3 电阻应变片的特性从式（3-14）可以看出，灵敏度就是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形

3、大。与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。3.3 电阻应变片的特性表3-2 常用弹性元件的结构和特性 3.3 电阻应变片的特性通常使用的弹性元件的材料为合金钢（40Cr，35CrMnSiA等）、铍青铜（Qbe2，QBr2.5等）、不锈钢（1Cr18Ni9Ti等）。传感器中弹性元件的输入量是力或压力，输出量是应变或位移。在力的变换中，弹性敏感元件通常有实心或空心圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等；变换压力的弹性敏感元件有弹簧管、膜片、膜盒、薄臂圆桶等。3.3 电阻应

4、变片的特性3.3.2 灵敏系数灵敏系数当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R。理论和实验表明，在一定应变范围内R/R与的关系满足下式：（3-15）式中，为应变片的轴向应变。定义为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。3.3 电阻应变片的特性必须指出：应变片的灵敏系数S并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数S0，一般情况下，SS0，这是因为，在单向应力产生应变时，S除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受

5、到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，S值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测来确定，应变片的灵敏系数称为标称灵敏系数。上述规定条件的是：试件材料取泊松比=0.285的钢材；试件单向受力；应变片轴向与主应力方向一致。3.3 电阻应变片的特性3.3.3 横向效应横向效应当将图3-5所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由n条长度为的直线段和直线段端部的n-1个半径为r的半圆圆弧或直线组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从到之间变化的应变，其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻

6、丝电阻的变化。综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数S较整长电阻丝的灵敏系数S0小，这种现象称为应变片的横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。3.3 电阻应变片的特性（a）应变片及轴向受力图 （b）应变片的横向效应图 图3-5 应变片轴向受力及横向效应 3.3 电阻应变片的特性3.3.4 绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50100M以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。

7、Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右。动态测量时可取75100mA。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流可取得小一些。3.3 电阻应变片的特性3.3

8、.5应变片的动态响应特性应变片的动态响应特性电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材v5000m/s。应变波由试件材料表面，经粘合层、基片传播到敏感栅，所需的时间是非常短暂的，如应变波在粘合层和基片中的传播速度为1000m/s，粘合层和基片的总厚度为0.05mm,则所需时间约为510-8 s,因此可以忽略不计。但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。图3-6所示为应变片对阶跃应变的响应特性。3.3 电阻应变片的特性 (

9、a)应变波为阶跃波；(b)理论响应特性；(c)实际响应特性 图3-6 应变片对阶跃应变的响应特性 3.3 电阻应变片的特性3.3.6 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 1.应变片的温度误差应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。(1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：(3-18)式中：温度为t时的电阻值；温度为t0时的电阻值；温度为t0时金属丝的电阻温度系数；温度变化值，。3.3 电阻应变片的特性(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的

10、线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。3.3 电阻应变片的特性2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。（1）线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。图3-8(a)是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压与桥臂参数的关系为：（3-26）式中，A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对

11、温度的补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变，如图3-8(b)所示。3.3 电阻应变片的特性当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有（3-27）工程上，一般按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。根据相关推算，电桥的输出电压仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。3.3 电阻应变片的特性3-8 电桥补偿法电桥补偿法 3.3 电阻应变片的特性应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数S和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。3.3 电阻应变片的特性（2）应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，可由式（3-26）得出，要实现温度自补偿，必须有（3-30）上式表明，当被测试件的线膨胀系数已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数、灵敏系数以及线膨胀系数，满足式（3-30），则不论温度如何变化，均有，从而达到温度自补偿的目的。