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1、电阻应变式传感器力及力矩测量第1页，共100页，编辑于2022年，星期一 本章内容本章内容 2.1 2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 2.2 2.2 电阻应变片的结构、种类和材料电阻应变片的结构、种类和材料 2.3 2.3 电阻应变片的主要参数电阻应变片的主要参数 2.4 2.4 电阻应变片的选用电阻应变片的选用 2.5 2.5 转转 换换 电电 路路 2.6 2.6 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿 2.7 2.7 电阻应变仪电阻应变仪 2.8 2.8 测力基本知识及测力传感器测力基本知识及测力传感器 2.9 2.9 力矩测量转速及力矩传感器力矩测量转
2、速及力矩传感器第2页，共100页，编辑于2022年，星期一电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器概述v工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电作用下电阻值变化的效应阻值变化的效应电阻应变效应电阻应变效应v结构简单，使用方便结构简单，使用方便v可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性弹性敏感敏感元件元件力、压力、压力、位力、位移移电阻电阻应变应变片片电桥电桥电路电路RUv易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；v灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；灵敏度高，测量速
3、度快，适合静态、动态测量；第3页，共100页，编辑于2022年，星期一 第4页，共100页，编辑于2022年，星期一应变片用于各种电子衡器应变片用于各种电子衡器 磅秤磅秤电子天平电子天平第5页，共100页，编辑于2022年，星期一材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试 第6页，共100页，编辑于2022年，星期一汽车衡汽车衡称重系统称重系统第7页，共100页，编辑于2022年，星期一汽车衡汽车衡第8页，共100页，编辑于2022年，星期一2.1 2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机
4、械变形的大小而发生相应的变化的现象金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。第9页，共100页，编辑于2022年，星期一金属丝的轴向应变；金属丝的轴向应变；金属丝的径向应变金属丝的径向应变（dS/S=2dr/r）x=-Y ；泊松系数；(Poisson ratio)第10页，共100页，编辑于2022年，星期一 式中：式中：K KS S 金属丝的灵敏系数；金属丝的灵敏系数；(gage factor)令：令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数在金属丝的弹性范围内
5、，灵敏系数K KS S 为常数，即为常数，即 ：线性关系线性关系ex通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。例如，当表示之。例如，当 x x为为0.0000010.000001时，在工程中常表示时，在工程中常表示为为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为微应变。在应变测量中，也常将之称为微应变()()。对金属材对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于1 1 10-310-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。，否则有可能超过材料的极限强度而导致
6、断裂。第11页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2.12.2.1应变片的基本结构应变片的基本结构2.2 电阻应变片的结构、种类和材料电阻应变片的结构、种类和材料2.2.22.2.2应变片的种类应变片的种类第12页，共100页，编辑于2022年，星期一1.金属丝式应变片金属丝式应变片(bonded metal-wire gage)直径在直径在0.0120.05mm的金属丝的金属丝；2.金属箔式应变片金属箔式应变片(bonded metal-foil gage)厚度在厚度在0.0010.01mm的金属箔；的金属箔；第13页，共100页，编辑于2022年，星期一箔式应变片中的箔栅是金属箔通过
7、光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响
8、减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。中。3.3.金属薄膜式应变片金属薄膜式应变片(vacuum-deposited thin-metal-film gage,sputter-deposited thin-metal-film gage)厚度在厚度在0.1m以下的金属箔；以下的金属箔；第14页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2.3 2.2.3 应变片的材料应变片的材料1.1.敏感栅材料敏感栅材料 对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变
9、范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。常常用用材材料料有有：康康铜铜、镍镍铬铬合合金金、铁铁铬铬铝铝合合金金、铁铁镍镍铬铬合合金金、铂铂、铂钨合金等，如下表。铂钨合金等，如下表。第15页，共100页，编辑于2022年，星期一材
10、料名称材料名称化学成分化学成分%电电阻率阻率/(mm/m)电电阻温度系数阻温度系数/（10-6/）灵敏系数灵敏系数Ks线线膨膨胀胀系数系数/（10-6/）最高使用温度最高使用温度/康康铜铜Cu55Ni450.450.52202.015250(静静态态)400(动态动态)镍铬镍铬合金合金Ni80Cr201.01.11101302.12.314450(静静态态)800(动态动态)卡卡玛玛合金合金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.241.42202.42.613.3450(静静态态)800(动态动态)伊文合金伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.241.42202.42.61
11、3.3450(静静态态)800(动态动态)铁铬铝铁铬铝合金合金Fe余量余量Cr26,Al5.41.31.530402.614550(静静态态)1000(动态动态)铂钨铂钨合金合金Pt90.591.5W8.59.50.740.761391923.03.29800(静静态态)1000(动态动态)铂铂Pt0.090.1139004.69800(静静态态)1000(动态动态)铂铱铂铱合金合金Pt80,Ir200.35901.013800(静静态态)1000(动态动态)第16页，共100页，编辑于2022年，星期一基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感基底用于保持敏感栅、引线的几何
12、形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。长，其宽度称为基底宽。基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约膜，厚度约0.030.05mm2.2.基底材料基底材料3.3.黏合剂材料黏合剂材料 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方金属应变片时，
13、也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。第17页，共100页，编辑于2022年，星期一类类型型主要成分主要成分牌号牌号适
14、于黏合的基底适于黏合的基底材料材料最低固化条件最低固化条件固化固化压压力力/104Pa使用温度使用温度/硝化硝化纤维纤维素黏素黏合合剂剂硝化硝化纤维纤维素溶素溶剂剂万能胶万能胶纸纸室温室温10小小时时或或60202小小时时0.515080氰氰基丙基丙烯烯酸黏酸黏合合剂剂氰氰基丙基丙烯烯酸酸酯酯501，502纸纸、胶膜、玻璃、胶膜、玻璃纤维纤维布布室温室温1小小时时粘合粘合时时指指压压10080聚聚酯树酯树脂黏合脂黏合剂剂不不饱饱和聚和聚酯树酯树脂、脂、过过氧化氧化环环已已酮酮、萘萘酸酸钴钴干料干料胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布室温室温24小小时时0.30.550150环环氧氧树树脂脂类类黏黏
15、合合剂剂环环氧氧树树脂、聚硫酚脂、聚硫酚铜铜胺、胺、固化固化剂剂914胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布室温室温2.5小小时时粘合粘合时时指指压压6080酚酚醛环醛环氧、无机填料、固氧、无机填料、固化化剂剂509胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布20022小小时时粘合粘合时时指指压压100250环环氧氧树树脂、酚脂、酚醛醛、甲苯二、甲苯二酚、石棉粉等酚、石棉粉等J06-2胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布15031503小小时时2196250酚酚醛树醛树脂脂类类黏黏合合剂剂酚酚醛树醛树脂、聚乙脂、聚乙烯烯醇醇缩缩丁丁醛醛JSF-2胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布15011501小小时时1260150
16、酚酚醛树醛树脂、聚乙脂、聚乙烯烯醇醇缩缩甲甲乙乙醛醛1720胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布19031903小小时时60100酚酚醛树醛树脂、有机硅脂、有机硅J-12胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布20032003小小时时60350聚聚酰亚酰亚胺黏合胺黏合剂剂聚聚酰亚酰亚胺胺30-14胶膜、玻璃胶膜、玻璃纤维纤维布布28022802小小时时13150250磷酸磷酸盐盐黏合黏合剂剂磷酸二磷酸二氢铝氢铝无机填料无机填料GJ-14LN-3金属薄片、金属薄片、临时临时基底基底40014001小小时时550P10640034003小小时时700氧化物氧化物喷喷涂涂二氧化二二氧化二铝铝金属薄片、金属薄片、
17、临时临时基底基底800第18页，共100页，编辑于2022年，星期一4.4.引线材料引线材料是是从从应应变变片片的的敏敏感感栅栅中中引引出出的的细细金金属属线线。对对引引线线材材料料的的性性能能要要求求：电电阻阻率率低低、电电阻阻温温度度系系数数小小、抗抗氧氧化化性性能能好好、易易于于焊焊接接。大大多多数数敏感栅材料都可制作引线。敏感栅材料都可制作引线。2.32.3电阻应变片的主要参数电阻应变片的主要参数1.1.应变片电阻值（应变片电阻值（R R0 0）电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值为为6060、120120、350350，500500和和10001000 等等多种规格，以多种规格，以1
18、20120最为常用。最为常用。应应变变片片的的电电阻阻值值越越大大，允允许许的的工工作作电电压压就就大大，传传感感器器的的输输出出电电压压也也大大，相相应应地地应应变变片片的的尺尺寸寸也也要要增增大大，在在条条件件许许可可的的情情况况下下，应应尽量选用高阻值应变片。尽量选用高阻值应变片。第19页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2.绝缘电阻：指敏感栅与基底间的电阻值，要求绝缘电阻：指敏感栅与基底间的电阻值，要求10101010欧姆；欧姆；K K为为金金属属应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数。注注意意，K K是是在在试试件件受受一一维维应应力力作作用用，应应变变片片的的轴轴向向与与主主应应
19、力力方方向向一一致致，且且试试件件材材料料的的泊泊松松比比为为0.2850.285的的钢钢材材时时测测得得的的。测测量量结结果果表表明明，应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数K K恒恒小小于于线线材材的的灵灵敏敏系系数数K KS S。原原因因：胶胶层层传传递递变变形形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。3.3.应变片的灵敏系数（应变片的灵敏系数（K K）金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数用灵敏度系数K KS S表示。当金属丝做成应变片后，其电阻表示。当金属丝做成应变
20、片后，其电阻应变特性，应变特性，与与金属单丝情况不同金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在在很宽的范围内均为线性关系。即很宽的范围内均为线性关系。即第20页，共100页，编辑于2022年，星期一4.4.机械滞后机械滞后应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载载特特性性与与卸卸载载特特性性不不重重合合，即为机械滞后。即为机械滞后。产产生生原原因因：应应变变片片在在承承受受机机械械应应变变后后，
21、其其内内部部会会产产生生残残余余变变形形，使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生少少量量不不可可逆逆变变化化；在在制制造造或或粘粘贴贴应应变变片片时时，如如果果敏敏感感栅栅受受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。以减少因机械滞后所产
22、生的实验误差。第21页，共100页，编辑于2022年，星期一对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时间增加而变化的特性，称为应变片的时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。零点漂移。产产生生原原因因：敏敏感感栅栅通通电电后后的的温温度度效效应应；应应变变片片的的内内应应力力逐逐渐渐变变化化；粘粘结剂固化不充分等。结剂固化不充分等。5.5.零漂和蠕变零漂和蠕变如如果果在在一一定定温温度度下下，使使应应变变片片承承受受恒恒定定的的机机械械应应变变，其其电电阻阻值值随随时时间间增加而变化的特性称为增加而变化的特性称为蠕变蠕变
23、。一般蠕。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。的方向与原应变量的方向相反。产产生生原原因因：由由于于胶胶层层之之间间发发生生“滑滑动动”，使使力力传传到到敏敏感感栅栅的的应应变变量量逐逐渐渐减少。减少。这这是是两两项项衡衡量量应应变变片片特特性性对对时时间间稳稳定定性性的的指指标标，在在长长时时间间测测量量中中其其意意义义更更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。第22页，共100页，编辑于2022年，星期一6.6.应变极限、疲劳寿命应变极限、疲劳寿命 在在一一定定温温度度下下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应
24、应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%10%）时时的的最最大大真真实实应应变变值值。在在图图中中，真真实实应应变变是是由由于于工工作作温温度度变变化化或或承承受受机机械械载载荷荷，在在被被测测试试件件内内产产生生应应力力(包包括括机机械械应应力力和和热热应应力力)时时所所引引起的表面应变。起的表面应变。lim真实应变z指示应变i10%1主要因素：粘结剂和基底材料传递主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基强度较高的粘结剂
25、和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。高的应变极限。第23页，共100页，编辑于2022年，星期一疲劳寿命疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。7.7.允许电流：静态允许电流：静态25mA,25mA,动态：动态：7575100mA100mA；8.横向效应横向效应(transverse effect)如如图图，若若将将应应变变片片粘粘贴贴在在单
26、单向向拉拉伸伸试试件件上上，这这时时各各直直线线段段上上的的金金属属丝丝只只感感受受沿沿其其轴轴向向拉拉应应变变x x，故故其其各各微微段段电电阻阻都都将将增增加加，但但在在圆圆弧弧段段上上，沿沿各各微微段段轴轴向向(即即微微段段圆圆弧弧的的切切向向)的的应应变变却却并并非非是是x x。所所产产生生的的电电阻阻变变化化与与直直线线段上同长微段的不一样，在段上同长微段的不一样，在=90=90的的微微弧弧段段处处最最为为明明显显。由由于于单单向向位位伸伸时时，除除了了沿沿轴轴向向(水水平平方方向向)产产生生拉拉应应变变外外，按按泊泊松松关关系系同同时时在在垂垂直直方方向向上上产产生生负负的的压压应
27、应变变y y（=x x），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。第24页，共100页，编辑于2022年，星期一而而在在圆圆弧弧的的其其他他各各微微段段上上，其其轴轴向向感感受受的的应应变变是是由由+x x变变化化到到y y的的，因因此此圆圆弧弧段段部部分分的的电电阻阻变变化化，显显然然将将小小于于其其同同样样长长度度沿沿轴轴向向安安放放的的金金属属丝丝的的电电阻阻变变化化。由由此此可可见见，将将直直的的金金属属丝丝绕绕成成敏敏感感栅栅后后，虽虽然然长长度度相相同同，但但应应变变状状态态不不同同，应应变变片片敏敏感感栅栅的的电电阻阻变变化化较较直
28、直的的金金属属丝丝小小，因因此此灵灵敏敏系系数数有有所所降降低，这种现象称为应变片的低，这种现象称为应变片的横向效应。横向效应。应应变变片片的的横横向向效效应应表表明明，当当实实际际使使用用应应变变片片的的条条件件与与标标定定灵灵敏敏度度系系数数K K时时的的条条件件不不同同时时，由由于于横横向向效效应应的的影影响响，实实际际K K值值要要改改变变，由由此此可可能能产产生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。第25页，共100页，编辑于2022年，星期一9.9.动态响应特性动态响应特性 当当被被测测应应变变值值
29、随随时时间间变变化化的的频频率率很很高高时时，需需考考虑虑应应变变片片的的动动态态特特性性。因因应应变变片片基基底底和和粘粘贴贴胶胶层层很很薄薄，构构件件的的应应变变波波传传到到应应变变片片的的时时间间很很短短(估估计约计约0.2s)0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设设一一频频率率为为 f 的的正正弦弦应应变变波波在在构构件件中中以以速速度度 v 沿沿应应变变片片栅栅长长方方向向传播，在某一瞬时传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。，应变量沿构件分布如图所示。第26页，共100页，编辑于2022年，星期一设设应应变
30、变波波的的波波长长为为，应应变变片片的的基长为基长为l，其两端的坐标为，其两端的坐标为，应变片在其基长内测得的平均应变最大值为应变片在其基长内测得的平均应变最大值为:故应变波幅测量误差为故应变波幅测量误差为第27页，共100页，编辑于2022年，星期一由上式可见，相对误差由上式可见，相对误差的大小只决定于的大小只决定于 的比值，表中给出的比值，表中给出了为了为1/101/10和和1/201/20时时的数值。的数值。（%）1.620.52误差误差的计算结果的计算结果1/201/10第28页，共100页，编辑于2022年，星期一由由表表可可知知，应应变变片片栅栅长长与与正正弦弦应应变变波波的的波波
31、长长之之比比愈愈小小，相相对对误误差差愈愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10-1/201/10-1/20）时，）时，将小于将小于2%2%。因为因为式中式中 应变波在试件中的传播速度；应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。应变片的可测频率。取取 ，则，则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为，由上式可计算出栅长为L L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。第29页，共100页，编辑于2022年，星期一基长基长l0（mm）1235101520最
32、高工作频率（最高工作频率（KHz)25012583.3502516.612.5下表为钢材，下表为钢材，v=5000m/s,=5000m/s,2020的计算结果的计算结果（a a）阶跃输入信号）阶跃输入信号 （b b）理论输出信号）理论输出信号 （c c）实际输出信号）实际输出信号tk=0.8l/v,可测最高频率可测最高频率f=0.35/tk=0.35v/0.8l=0.44v/l对阶跃输入应变的响应对阶跃输入应变的响应第30页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 2.4 电阻应变片的应用电阻应变片的应用2.4.12.4.1应变片的选择应变片的选择1.1.应变片类型的选择应变片类型的选择
33、根根据据应应变变测测量量的的目目的的，被被测测试试件件的的材材料料和和应应力力状状态态、测测量量精精度度选选择应变片的形式。择应变片的形式。u对对于于测测试试点点主主应应力力方方向向已已知知的的一一维维应应力测量，选用单轴丝式或箔式应变片；力测量，选用单轴丝式或箔式应变片；u对对于于平平面面应应变变场场主主应应力力方方向向已已知知的的二二维维应应变变测测量量，可可以以使使用用直直角角应应变变花花，并并使使其其中中一一条条应应变变栅栅与与主主应应力力方方向向一一致致 第31页，共100页，编辑于2022年，星期一u对对于于应应变变式式传传感感器器，应应变变片片的的形形式式主主要要取取决决于于弹弹
34、性性元元件件。对对柱柱式式、梁梁式式、环环式式等等弹弹性性元元件件，它它们们工工作作时时受受拉拉/压压应应力力或或弯弯曲曲应应力力，所所以以应应变变片片均均采采用用单单轴轴应应变变片片；对对于于轮轮辐辐式式等等利利用用剪剪应应力力测测量量的的弹弹性性元元件件，一般使用双轴一般使用双轴4545应变片。应变片。u如如果果应应力力方方向向未未知知就就必必须须使使用用三三栅栅或或四四栅的应变花栅的应变花 2.2.材料的选择材料的选择 根根据据使使用用温温度度、时时间间、最最大大应应变变量量、精精度等要求选择。度等要求选择。第32页，共100页，编辑于2022年，星期一3.3.阻值的选择阻值的选择 国国
35、家家标标准准中中规规定定的的常常温温应应变变片片使使用用温温度度为为-30-30+600+600，常常温温应应变变片片一一般般采采用用康康铜铜制制造造；由由于于基基底底材材料料和和粘粘接接剂剂的的限限制制，目目前前200200250250的的中中温温箔箔式式电电阻阻应应变变片片一一般般都都使使用用卡卡玛玛合合金金制制作作；工工作作温温度度大大于于350350的的高高温温应应变变片片需需订订做做，常常用用金金属属基基底底，使使用用时时用用点点焊焊将应变片焊接在试件上。将应变片焊接在试件上。依依据据测测量量电电路路或或仪仪器器选选定定应应变变片片的的标标称称阻阻值值。如如配配用用电电阻阻应应变变仪
36、仪，常常选选用用120120阻值。阻值。第33页，共100页，编辑于2022年，星期一4.4.尺寸的选择尺寸的选择 测测量量时时为为提提高高灵灵敏敏度度，常常用用较较高高的的供供桥桥电电压压，由由于于350350，500500等等大大阻阻值值应应变变片片具具有有通通过过电电流流小小、自自热热引引起起的的温温升升低低、持持续续工工作作时时间间长、动态测量信噪比高等优点，应用越来越广长、动态测量信噪比高等优点，应用越来越广 按按照照试试件件表表面面粗粗糙糙度度、应应力力分分布布状状态态、粘粘贴贴面面积积大大小小、应应变变波波频频率率等等选选择择尺尺寸寸。若若被被测测试试件件材材质质均均匀匀、应应力
37、力梯梯度度大大，则则选选用用栅栅长长小小的的应应变变片片；对对材材质质不不均均匀匀而而强强度度不不等等的的材材料料(如如混混凝凝土土)，或或应应力力分分布布变变化化比比较较缓缓慢慢的的构构件件，应应选选用用栅栅长长大大的的应应变变片片；对对于于冲冲击击载载荷荷或或高高频频动动荷荷作作用用下下的的应应变变测测量量，还还要要考考虑虑应应变变片片的的动动态态响响应应特特性性。一一般般来来说说，应应变变片片栅栅长长越越小小，测量频率越高，越能正确反映出被测量点的真实应变。测量频率越高，越能正确反映出被测量点的真实应变。第34页，共100页，编辑于2022年，星期一型号与名称型号与名称特点和用途特点和用
38、途栅长栅长栅宽栅宽/mmmm标称阻标称阻值值/基底尺寸基底尺寸/mmmmSZ-5、10纸纸基基应变应变片片SZ-100纸纸基基应变应变片片用于金属、混凝土上用于金属、混凝土上应应力分析力分析531005120106BH120-02AA箔式箔式应变应变片片BH120-05AA箔式箔式应变应变片片BH120-1AA箔式箔式应变应变片片BH120-3AA箔式箔式应变应变片片BH120-5AA箔式箔式应变应变片片环环氧基底，用于氧基底，用于应应力力分析分析0.21.60.50.81.01.03.05.65.05.81202.43.02.42.43.22.66.83.69.04.0BH350-1AA箔式
39、箔式应变应变片片BH350-2AA箔式箔式应变应变片片BH350-3AA箔式箔式应变应变片片环环氧基底，用于氧基底，用于传传感感器器1.04.82.02.43.03.03504.06.46.03.67.64.4BH350-1HA箔式箔式应变应变花花BH350-2HA箔式箔式应变应变花花BH350-3HA箔式箔式应变应变花花环环氧基底，用于氧基底，用于传传感感器，器，45 52.02.83.03.15.02.33507.65.88.86.89.410.2BH350-2BA箔式箔式应变应变花花BH350-3BA箔式箔式应变应变花花环环氧基底，用于氧基底，用于传传感感器，器，0 0/90/902.0
40、2.73.03.83507.66.19.27.2BX120-02AA箔式箔式应变应变片片BX120-05AA箔式箔式应变应变片片BX120-1AA箔式箔式应变应变片片酚酚醛醛-缩醛缩醛基底，用基底，用于于应应力分析力分析0.21.00.50.81.01.01202.42.42.42.43.22.6第35页，共100页，编辑于2022年，星期一1.1.去污：采用手持去污：采用手持砂轮工具除去构件表面砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。布片
41、或脱脂棉球擦洗。2.4.22.4.2应变片的使用应变片的使用第36页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2.贴片：在应变片的表面贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶涂一层均匀的粘贴胶 ，用，用镊子将应变片放上去，并调镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面用手指揉和滚压，排出下面的气泡的气泡 。第37页，共100页，编辑于2022年，星期一3.3.测量测量 ：从分开的端子处，预先用从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变发现端子
42、折断和坏的应变片。片。第38页，共100页，编辑于2022年，星期一4.4.焊接：焊接：将引线和端子用烙铁将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把焊接起来，注意不要把端子扯断端子扯断。第39页，共100页，编辑于2022年，星期一5.5.固定：固定：焊接后用胶布将焊接后用胶布将引线和被测对象固引线和被测对象固定在一起，防止损定在一起，防止损坏引线和应变片坏引线和应变片。第40页，共100页，编辑于2022年，星期一2.5 2.5 转换电路转换电路应应变变片片将将应应变变的的变变化化转转换换成成电电阻阻相相对对变变化化R R/R R，要要把把电电阻阻的的变变化化转转换换成成电电压压或或电电流流的的
43、变变化化，才才能能用用电电测测仪仪表表进进行行测测量量。电电阻阻应应变变片片的的测测量量线线路路多多采采用用交交流流电电桥桥(配配交交流流放放大大器器)，其其原原理理和和直直流流电电桥桥相相似似。直直流流电电桥桥比较简单，因此首先分析直流电桥。比较简单，因此首先分析直流电桥。2.5.1恒压源直流电桥恒压源直流电桥第41页，共100页，编辑于2022年，星期一如如图图所所示示。电电源源E E为为恒恒压压源源，其其内内阻阻为为零零。根根据据电电路路学学中中的的克克希希霍霍夫夫定定律律，列列出电路方程：出电路方程：R2R4R1R3Ui恒压电桥电路原理图RoACDIoB第42页，共100页，编辑于20
44、22年，星期一式中式中R0为负载电阻，因而其输出电压为负载电阻，因而其输出电压U0为为:联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流I Io o为为:当当R1R4=R2R3时，时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻R0为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简两点可视为开路，上式可以化简为为:第43页，共100页，编辑于2022年，星期一设设R1为为应应变变片片的的阻阻值值，工工作作时时R1有有一一增增量量R1，当当为为拉拉伸伸应应变变时时，R1为为正正；压压缩缩应应变变时时，R1为
45、为负负。在在上上式式中中以以R1+R1代替代替R1，则，则(2-12)第44页，共100页，编辑于2022年，星期一由于由于R1 R1,略去略去(2-13)分母中的分母中的 R1/R1得：得：整理得：整理得：(2-13)定义定义桥臂比桥臂比：(2-14)第45页，共100页，编辑于2022年，星期一 (2-15)当当dKU/dn=0时，时，dKU最大，此时最大，此时n=1；即即R2=R1；R4=R3当当n=1时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：(2-16)定义定义电桥灵敏度：电桥灵敏度：第46页，共100页，编辑于2022年，星期一 单臂直流电桥的非线性误差单臂
46、直流电桥的非线性误差如果不略去（如果不略去（2-132-13）式中分母的）式中分母的RR1 1/R/R1 1项，则电桥实际输出值为项，则电桥实际输出值为U U0 0，非，非线性误差为：线性误差为：当当n=1n=1时，时，可可见见非非线线性性误误差差与与R1/R1R1/R1成成正正比比。对对金金属属电电阻阻应应变变片片，RR非非常常小小，电电桥桥非非线线性性误误差差可可以以忽忽略略。对对半半导导体体应应变变片片，由由于于其其灵灵敏敏度度大大，受受应应变变时时RR很大，非线性误差将不可忽略，因此应采用差动电桥。很大，非线性误差将不可忽略，因此应采用差动电桥。第47页，共100页，编辑于2022年，
47、星期一差动电桥差动电桥两臂差动两臂差动电桥的输出电压为：电桥的输出电压为：设初始时为设初始时为R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；则上式为；则上式为若工作时应变片一片受拉、一片受压，即若工作时应变片一片受拉、一片受压，即RR1 1=RR2 2=R=R，则，则可见，这时输出电压可见，这时输出电压U U0 0与与R/RR/R间成严格的线性关系，且电桥灵间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。敏度比单臂电桥提高一倍。第48页，共100页，编辑于2022年，星期一若采用四臂差动电桥（若采用四臂差动电桥（全桥全桥），如图，并设），如图，并设初始时初始时R R1 1
48、=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；工作时各个桥臂中；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：电阻应变片电阻的变化为：RR1 1、RR2 2、RR3 3、RR4 4；则电桥输出为：；则电桥输出为：若若RR1 1=R=R4 4=RR2 2=RR3 3=R=R，则有，则有 第49页，共100页，编辑于2022年，星期一2.5.22.5.2恒流源电桥恒流源电桥设供电电流为设供电电流为I I，当，当RR1 1=0=0时，且负时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为载电阻很大，通过各臂的电流为输出电压为：输出电压为：若电桥初始处于平衡状态，且若电桥初始处于平衡状态，且R R1 1=R=R2
49、2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；当；当R R1 1变为变为R+RR+R时，时，电桥输出电压为电桥输出电压为非线性误差比恒压源非线性误差比恒压源电桥减小电桥减小1/21/2 第50页，共100页，编辑于2022年，星期一2.5.32.5.3交流电桥交流电桥n交交流流载载波波放放大大器器具具有有灵灵敏敏度度高高、稳稳定定性性好好、外外界界干干扰扰和和电电源源影影响响小小及及造造价价低低等等优优点点，但但存存在在工工作作频频率率上上限限较较低低、长长导导线线时时分分布布电电容容影响大等缺点。影响大等缺点。n直直流流放放大大器器工工作作频频带带宽宽，能能解解决决分分布布电电容容问问题题，但但它
50、它需需配配用用精精密密稳稳定定电源供桥，造价较高。电源供桥，造价较高。近近年年来来随随着着电电子子技技术术的的发发展展，在在数数字字应应变变仪仪、超超动动态态应应变变仪仪中中已已逐逐渐渐采用直流放大形式的测量线路。采用直流放大形式的测量线路。1 1交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件交流电桥电路如图所示交流电桥电路如图所示,输出电压为输出电压为平衡条件为平衡条件为：第51页，共100页，编辑于2022年，星期一设各臂阻抗为设各臂阻抗为:式中，式中，r ri i、x xi i为相应各桥臂的电阻和电抗，为相应各桥臂的电阻和电抗，Z Zi i和和i i为复阻抗的模和幅角。为复阻抗的模和幅角。上式表明