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1、第13章应变电测法本讲稿第一页，共二十九页13.1 概概 述述 应变电测法把非电量的变化转换为电学量的变化进行测量，应变电测法把非电量的变化转换为电学量的变化进行测量，是目前实验应力分析中应用最广泛的一种测试方法。是目前实验应力分析中应用最广泛的一种测试方法。(1)电阻应变计测试法电阻应变计测试法 一、应变电测法一、应变电测法 二、应变电测法分类二、应变电测法分类 (2)电容应变计测试法电容应变计测试法(3)电感应变计测试法电感应变计测试法 本讲稿第二页，共二十九页三、电阻应变计测试法三、电阻应变计测试法(1)将电阻应变计粘贴在被测构件的表面上，当被测构将电阻应变计粘贴在被测构件的表面上，当被
2、测构件变形时，电阻应变计随同构件一起变形，其阻值件变形时，电阻应变计随同构件一起变形，其阻值亦发生相应的变化。亦发生相应的变化。13.1 概概 述述(2)利用电阻应变仪测定应变计电阻值的变化，再换算利用电阻应变仪测定应变计电阻值的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压成应变值或者输出与此应变成正比的电压(或电流或电流)信号，由记录仪记录下来，得到所测构件表面的应变。信号，由记录仪记录下来，得到所测构件表面的应变。(3)根据应力根据应力应变关系确定构件表面的应力状态。应变关系确定构件表面的应力状态。本讲稿第三页，共二十九页四、电阻应变计测试法的优点四、电阻应变计测试法的优点(1)测量灵
3、敏度和精度高。测量灵敏度和精度高。13.1 概概 述述(2)传感元件尺寸小、重量轻，能满足应力梯度较大传感元件尺寸小、重量轻，能满足应力梯度较大情况下的应变测量。情况下的应变测量。(3)不仅可测量静态应力，而且可测量动态应力，不仅可不仅可测量静态应力，而且可测量动态应力，不仅可在高温或低温环境下测量在高温或低温环境下测量,而且还可用于遥测。而且还可用于遥测。最小应变读数可为最小应变读数可为l微应变，精确度可达微应变，精确度可达l%2%。本讲稿第四页，共二十九页五、电阻应变计测试法的缺点五、电阻应变计测试法的缺点(1)只能测量构件表面的应变，而不能测内部的应变。只能测量构件表面的应变，而不能测内
4、部的应变。13.1 概概 述述(2)只能测量构件表面一个点沿某一方向的应变，而只能测量构件表面一个点沿某一方向的应变，而不能进行全域性测量。不能进行全域性测量。(3)由于只能测量栅长范围内的平均应变，因而对应变由于只能测量栅长范围内的平均应变，因而对应变梯度较大的应变场的测量误差较大。梯度较大的应变场的测量误差较大。六、电阻应变计六、电阻应变计测量系统的组成测量系统的组成(1)电阻应变计电阻应变计(2)电阻应变仪电阻应变仪(3)记录仪记录仪本讲稿第五页，共二十九页13.2 电阻应变计电阻应变计 电阻应变计由覆盖层、敏感栅、基底、引出线和粘接剂电阻应变计由覆盖层、敏感栅、基底、引出线和粘接剂五部
5、分组成。五部分组成。一、结构一、结构13.2.1 电阻应变计的结构和工作原理电阻应变计的结构和工作原理 本讲稿第六页，共二十九页二、二、主要性能参数主要性能参数 13.2 电阻应变计电阻应变计1.基长基长(标距标距)L基宽基宽B2.电阻值电阻值R一般有一般有60、120、200、350、500 或或1000，最常用的是，最常用的是120。3.灵敏系数灵敏系数K 或或 本讲稿第七页，共二十九页三、三、工作原理工作原理 13.2 电阻应变计电阻应变计1.在测试时，电阻应变计随同构件一起变形，从而引起在测试时，电阻应变计随同构件一起变形，从而引起应变计电阻值的变化。应变计电阻值的变化。2.测出电阻的
6、改变量测出电阻的改变量R，便可求出应变，便可求出应变 。或或 本讲稿第八页，共二十九页(1)金属金属一、根据敏感栅的材料不同一、根据敏感栅的材料不同 13.2.2 电阻应变计的分类电阻应变计的分类13.2 电阻应变计电阻应变计(2)半导体半导体(3)金属或金属氧化物浆料金属或金属氧化物浆料二、金属应变计分类二、金属应变计分类(1)丝式应变计丝式应变计(2)箔式应变计箔式应变计(3)薄膜应变计薄膜应变计 本讲稿第九页，共二十九页三、三、金属应变计按敏感栅的结构形状分类金属应变计按敏感栅的结构形状分类 13.2 电阻应变计电阻应变计(1)单轴应变计单轴应变计(2)多轴应变计多轴应变计 多轴应变计由
7、两个或两个以上相交成一定角度的敏感多轴应变计由两个或两个以上相交成一定角度的敏感栅制成，通常称为栅制成，通常称为应变花应变花。本讲稿第十页，共二十九页四、四、选用电阻应变计时需要考虑以下几项因素选用电阻应变计时需要考虑以下几项因素 13.2 电阻应变计电阻应变计(1)应力状态应力状态(2)应力梯度应力梯度 单向应力状态可用单轴应变计，而平面应力状态应选单向应力状态可用单轴应变计，而平面应力状态应选用应变花。用应变花。应力梯度大时应选用小标距应变计，而应力梯度小应力梯度大时应选用小标距应变计，而应力梯度小时可选用标距大一些的应变计。时可选用标距大一些的应变计。(3)试件材质和表面质量试件材质和表
8、面质量 材质均匀、表面光滑时可用小标距应变计，材质不材质均匀、表面光滑时可用小标距应变计，材质不匀、表面粗糙时，则应选用大标距应变计。匀、表面粗糙时，则应选用大标距应变计。本讲稿第十一页，共二十九页13.2 电阻应变计电阻应变计(4)环境条件环境条件 (5)与应变仪匹配与应变仪匹配 在高温高湿等恶劣环境条件下，应选专用应变计。在高温高湿等恶劣环境条件下，应选专用应变计。应变计须与应变仪的供桥电压应变计须与应变仪的供桥电压(或电流或电流)相匹配，以免相匹配，以免测量时应变计过度发热，影响精度甚至烧坏。测量时应变计过度发热，影响精度甚至烧坏。本讲稿第十二页，共二十九页13.3 电阻应变仪电阻应变仪
9、 从从ABC半个电桥来看，半个电桥来看，A、C间的电压为间的电压为U。采用惠斯顿电桥作为基本测量电路。采用惠斯顿电桥作为基本测量电路。13.3.1 测量电路原理测量电路原理 流经流经R1的电流为的电流为 R1 两端的电压降为两端的电压降为 R4 两端的电压降为两端的电压降为 一、电桥平衡条件一、电桥平衡条件 本讲稿第十三页，共二十九页电桥的输出电压为电桥的输出电压为 电桥输出电压电桥输出电压 得得上式称为上式称为电桥平衡条件电桥平衡条件。13.3 电阻应变仪电阻应变仪本讲稿第十四页，共二十九页二、直流电桥转换原理二、直流电桥转换原理 设初始处于平衡状态的电桥各桥臂设初始处于平衡状态的电桥各桥臂
10、的阻值分别产生微小增量的阻值分别产生微小增量 电桥的输出电压为电桥的输出电压为 展开上式，简化为展开上式，简化为 13.3 电阻应变仪电阻应变仪本讲稿第十五页，共二十九页等臂电桥等臂电桥 半等臂电桥半等臂电桥 代入代入得得 13.3 电阻应变仪电阻应变仪上式是直流电桥转换原理的基本关系式。上式是直流电桥转换原理的基本关系式。本讲稿第十六页，共二十九页表明表明 13.3 电阻应变仪电阻应变仪(1)电桥的输出电压与应变计感受的应变成线性关系。电桥的输出电压与应变计感受的应变成线性关系。电阻应变仪就是利用这种关系，以电桥输出电压电阻应变仪就是利用这种关系，以电桥输出电压的大小来确定应变值；的大小来确
11、定应变值；(2)各个应变计感受的应变对输出电压的影响是线性叠加各个应变计感受的应变对输出电压的影响是线性叠加的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同，这称为的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同，这称为电桥的加减特性电桥的加减特性。本讲稿第十七页，共二十九页应变计所测得的电阻变化将由两部分组成应变计所测得的电阻变化将由两部分组成 13.3 电阻应变仪电阻应变仪(1)是由构件机械变形引起的电阻变化；是由构件机械变形引起的电阻变化；(2)是由温度变化引起的电阻变化。是由温度变化引起的电阻变化。13.3.2 温度补偿温度补偿 在某些情况下，温度引起的应变的大小可以与构件的实在某些情况下，温度引起的应变
12、的大小可以与构件的实际应变相当。因此，在电阻应变计测量中，应采取措施际应变相当。因此，在电阻应变计测量中，应采取措施消除温度的影响。消除温度的影响。本讲稿第十八页，共二十九页13.3 电阻应变仪电阻应变仪1.补偿块补偿法补偿块补偿法2.工作片补偿法工作片补偿法 桥路补偿法桥路补偿法 在同一被测构件上粘贴几个工作应变计，将它们适当地接入在同一被测构件上粘贴几个工作应变计，将它们适当地接入电桥中。电桥中。此方法是准备一块与被测构件材料相同但不受力的补偿此方法是准备一块与被测构件材料相同但不受力的补偿块，与被测构件放置在同一温度环境中。块，与被测构件放置在同一温度环境中。本讲稿第十九页，共二十九页一
13、、组桥方式来达到的测量目的一、组桥方式来达到的测量目的 13.3 电阻应变仪电阻应变仪(1)实现温度补偿；实现温度补偿；(2)从复杂的组合应变中测出指定成分而排除其他成从复杂的组合应变中测出指定成分而排除其他成分；分；13.3.3 应变计接入电桥的方法应变计接入电桥的方法(3)扩大应变仪的读数，以减少读数误差，提高测扩大应变仪的读数，以减少读数误差，提高测量灵敏度。量灵敏度。本讲稿第二十页，共二十九页二、几种典型组桥方式二、几种典型组桥方式 13.3 电阻应变仪电阻应变仪1半桥接线法半桥接线法 等臂电桥等臂电桥有以下两种情况：有以下两种情况：(1)半桥测量半桥测量 若在测量电桥的桥臂若在测量电
14、桥的桥臂AB和和BC上接电阻应变计，而另上接电阻应变计，而另外两桥臂外两桥臂AD和和DC接应变仪内部的固定电阻接应变仪内部的固定电阻R，则称为，则称为半桥接线法半桥接线法。(2)单臂测量单臂测量 本讲稿第二十一页，共二十九页13.3 电阻应变仪电阻应变仪2全桥接线法全桥接线法 等臂电桥等臂电桥有以下两种情况：有以下两种情况：(1)全桥测量全桥测量 在测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变计，称为在测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变计，称为全全桥接线法桥接线法。(2)对臂测量对臂测量 本讲稿第二十二页，共二十九页13.4 常温静态常温静态应变测量应变测量(1)研究构件的应力应变分布规律；研究构件的应
15、力应变分布规律；13.4.1 静态测量的实施静态测量的实施(2)研究构件的强度问题；研究构件的强度问题；(3)研究构件局部位置的应力集中；研究构件局部位置的应力集中；(4)研究构件所受的载荷状况。研究构件所受的载荷状况。1.静态应变测量的目的静态应变测量的目的 本讲稿第二十三页，共二十九页2.静态应变测量的一般步骤静态应变测量的一般步骤 13.4 常温静态应变测量常温静态应变测量(1)根据测量目的和要求选择测点位置，确定应变计的布置根据测量目的和要求选择测点位置，确定应变计的布置和组桥方案；和组桥方案；(2)根据构件尺寸、材料、测量精度要求和应力梯度，根据构件尺寸、材料、测量精度要求和应力梯度
16、，选择应变计种类、栅长和型式，并预先检查电阻值，选择应变计种类、栅长和型式，并预先检查电阻值，按阻值不同分组使用；按阻值不同分组使用；(3)根据测量精度要求、数据采集的数目和速度来选择根据测量精度要求、数据采集的数目和速度来选择使用手动平衡的静态电阻应变仪、自动记录的数字使用手动平衡的静态电阻应变仪、自动记录的数字式应变仪或其他数据采集、处理系统；式应变仪或其他数据采集、处理系统；本讲稿第二十四页，共二十九页(4)应变计的粘贴、布线、防护和检查；应变计的粘贴、布线、防护和检查；13.4 常温静态应变测量常温静态应变测量(5)应变仪的调试；应变仪的调试；(6)加载测量；加载测量；(7)测量数据分
17、析及完成报告。测量数据分析及完成报告。本讲稿第二十五页，共二十九页在构件表面上任一点沿着主应力方向粘贴一个应变在构件表面上任一点沿着主应力方向粘贴一个应变计，测得应变后，便可由单向应力状态的胡克定律计，测得应变后，便可由单向应力状态的胡克定律求得主应力值求得主应力值。13.4.2 测点位置及方位的确定测点位置及方位的确定 式中式中E为被测构件材料的弹性模量。为被测构件材料的弹性模量。1.已知主应力方向的单向应力状态已知主应力方向的单向应力状态 13.4 常温静态应变测量常温静态应变测量本讲稿第二十六页，共二十九页可沿两个主应力方向各粘贴一个应变计。可沿两个主应力方向各粘贴一个应变计。由广义胡克
18、定律求得主应力由广义胡克定律求得主应力 2.已知主应力方向的二向应力状态已知主应力方向的二向应力状态 13.4 常温静态应变测量常温静态应变测量式中，式中，为被测构件材料的泊松比。为被测构件材料的泊松比。本讲稿第二十七页，共二十九页可在被测点处粘贴一个三轴应变花可在被测点处粘贴一个三轴应变花。测量三个线应变测量三个线应变 3.未知主应力方向的二向应力状态未知主应力方向的二向应力状态 13.4 常温静态应变测量常温静态应变测量求得求得 以以 电阻应变计方向为参考轴方向电阻应变计方向为参考轴方向 本讲稿第二十八页，共二十九页主应力方向和主应变方向一致，得到主应力方向和主应变方向一致，得到主应力为主应力为 13.4 常温静态应变测量常温静态应变测量主应变为主应变为 本讲稿第二十九页，共二十九页