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第三章 力的測量,第一節(jié) 電阻應變計 電阻應變計，也稱應變計或應變片，是利用電阻應變效應做成的傳感器，是一種能將機械構件上的應變的變化轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感元件，是常用的傳感器之一，下圖為其構造簡圖。排列成網(wǎng)狀的高阻金屬絲構成敏感柵1，用粘合劑粘在絕緣的基片2上。敏感柵上粘有蓋片(即保護片)3。,第一節(jié) 電阻應變計,電阻絲較細，一般在0.0150.06mm，其兩端焊有局的低阻鍍錫銅絲(0.10.2mm)4作為引線，以便與測量電路連接。圖中，l成為應變計的標距，也成(基)柵長，a稱為(基)柵寬，l*a稱為應變計的使用面積。,第一節(jié) 電阻應變計,使用時，用粘合劑將應變計貼在被測事件表面上。試件形變時，應變計的敏感柵與試件一同變形，使其電阻發(fā)生變化，由測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，再由顯示器紀錄儀將其顯示紀錄。應變計的電阻變化是與應變成比例的，因此，由顯示紀錄的電壓或電流的變化，可得知被測試件應變的大小。 電阻應變計的工作原理是基于電阻應變效應的，下面加以介紹。,第一節(jié) 電阻應變計,（一）、電阻應變效應 金屬導線的電阻值與其長度L成正比，與其橫截面積S成反比，用公式表示為： 式中金屬導線的電阻率。 如果金屬導線沿其軸線方向產(chǎn)生變形，則其電阻值也隨其發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為金屬導線的應變一電阻效應。為了說明產(chǎn)生這一效應的原因，對上式取對數(shù)后，再微分得：,式中，dLL為金屬導線長度的相對變化率，用來表示，即 dSS為導線橫截面積的相對變化率，當金屬導線為圓形截面，其直徑為D 時，則,第一節(jié) 電阻應變計,橫向收縮和縱向伸長的之比用泊松比表示，則 代入式得,第一節(jié) 電阻應變計,由上式看出，金屬導線受力變形后，其幾何尺寸和電阻率發(fā)生變化，從而使其電阻發(fā)生變化?？梢栽O想，如果將一根直徑較細的金屬絲粘貼在工程構件的表面上，利用金屬絲的應變一電阻效應把構件表面的應變量直接變換成金屬絲電阻的相對變化，這樣就可以用電測的方法進行應變測量。,第一節(jié) 電阻應變計,（二）、金屬絲的靈敏系數(shù) 用一根直的金屬絲通過基底粘貼到被測試件上，當被測試件受力產(chǎn)生的應變量傳遞到金屬絲之后，金屬絲的電阻發(fā)生變化。金屬絲電阻的相對變化與其所承受的應變量有直接關系，由式得,第一節(jié) 電阻應變計,令 ，代入得 K0是單根金屬絲的靈敏系數(shù)，它表示金屬絲對所承受的應變量的靈敏程度。K0的大小受兩個因素影響：一是由(1+2u)所表達的幾何尺寸改變引起的；二是由金屬絲受力后電阻率發(fā)生變化引起的，即 。,第一節(jié) 電阻應變計,這就從機理上對電阻應變效應作了一定的說明?？上?，電阻率到底依據(jù)什么規(guī)律隨應變量變化，至今尚無圓滿的解釋。所以K0無法從理論上求出，而只能從實驗中求得。 一般的金屬絲在彈性區(qū)內(nèi)，泊松比u=0.2-0.4，在塑性區(qū)內(nèi),u=0.5，假如導線變形后其電阻率不發(fā)生變化，則各種金屬絲的靈敏系數(shù)K0=1.41.8(彈性區(qū))或K0=2.0(塑性區(qū))。,第一節(jié) 電阻應變計,但是實驗測得的幾種不同材料金屬絲的靈敏系數(shù)一般都超過2.0，如表3-1所示。這說明金屬絲變形后其電阻率發(fā)生了變化。,第一節(jié) 電阻應變計,第一節(jié) 電阻應變計,電阻絲的靈敏系數(shù)K0是電阻材料的重要特性參數(shù)，在一定范圍內(nèi)，應變與電阻變化率RR存在著線性關系，其比值為一常數(shù)。實驗證明，康銅的 與RR之間不但有良好的線性關系，而且這種線性關系遠遠超過應力-應變曲線的線性范圍。它說明康銅在進入塑性變形區(qū)以后，K0仍保持常數(shù)。這就是應變片能用于應變測量的理論依據(jù)。,第一節(jié) 電阻應變計,由于具有一定阻值的單根電阻絲的長度很長，不便于直接使用，所以在應變測量中通常都將電阻絲做成柵狀，稱為敏感柵。應當指出，敏感柵靈敏系數(shù)與是不同的，值需由實驗確定。 （三）、電阻應變片的構造 下圖是目前常用的電阻絲式應變片的結構示意圖。它由基底、黏結層、敏感柵、覆蓋層和引線組成。,1、3-黏結層；2-基底；4-覆蓋層；5-敏感柵；6-引線；7-試件,第一節(jié) 電阻應變計,a基底 用以固定和支撐敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置。當應變片粘貼在試件上后，基底與黏結劑一起把試件的變形傳給敏感柵，并使敏感柵與試件絕緣。 基底材料主要有紙和有機聚合物。用紙作基底的應變片稱為紙基應變片，這種應變片除了熱穩(wěn)定性和抗潮濕性稍差外，,第一節(jié) 電阻應變計,其他性能都能滿足使用要求，故目前在70以下的測量中多使用它。用有機聚合物(如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺等)作基底的應變片稱為膠基應變片，可用于工作溫度較高，濕度很大(甚至水下)或長期測量中。在高溫條件下工作的應變片，多采用石棉、無堿玻璃布或金屬薄片等作基底。 b敏感柵,第一節(jié) 電阻應變計,應變片的核心部分，其作用是感受試件的應變，并將機械應變轉(zhuǎn)換成電阻變化。 敏感柵的材料應滿足下列要求：(1)靈敏系數(shù)保持常數(shù)，并能在較大的應變范圍內(nèi)保持線性；(2)電阻率高，可制造小型應變片，供測量應力集中時使用；(3)電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；(4)加工和焊接性能好，以利于制片；(5)具有足夠的機械強度，以防制片時被拉斷。,第一節(jié) 電阻應變計,上述各項要求很難全部滿足，只能根據(jù)使用條件挑選。一般說來，當測量靜態(tài)應變時，應選用電阻溫度系數(shù)較低的材料。當測量動態(tài)應變時，應選用靈敏系數(shù)較高的材料。國產(chǎn)應變片的敏感柵材料多用康銅、鎳鉻合金和p型單晶硅等。 c引線,第一節(jié) 電阻應變計,用以從敏感柵引出電信號的絲狀或帶狀導線。引線的材料一般用低阻值的鍍錫銅絲。 d覆蓋層 覆蓋層的作用是幫助基底維持敏感柵的幾何形狀，同時保護敏感柵不與外界金屬物接觸，以避免形成短路或機械損傷。覆蓋層的材料多用膠膜或浸含有有機膠液(如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)的玻璃纖維布，也可在敏感柵上涂敷制片時所用的黏結劑作為保護層。,第一節(jié) 電阻應變計,e黏結劑 黏結劑是具有一定電阻絕緣性能的黏結材料，用它將敏感柵固定在基底上，或?qū)兤幕坠潭ㄔ诒粶y試件的表面上。,第一節(jié) 電阻應變計,（四）、應變計的分類 從尺寸上講，長的有幾百mm，短的僅0.2mm；從結構形式上看，有單片，雙片，應變花和各種特殊形狀的圖案；就使用環(huán)境上說，有高溫，低溫，水，核輻射，高壓，磁場等；而安裝形式，有粘貼式、焊接式、噴射式、埋入式、火焰噴涂等。,第一節(jié) 電阻應變計,主要的分類方法是根據(jù)敏感元件材料的不同，將應變積分為金屬式和半導體式兩大類。 1、金屬電阻應變計 金屬電阻應變計常見的形式有絲式，箔式，薄膜式等。,第一節(jié) 電阻應變計,絲式應變是最早應用的品種。金屬絲彎曲部分可做成圓弧，瑞角或直角，如圖所示。彎曲部分做成圓弧(U)形勢最早常用的一種形式，制作簡單但橫向效應相對較大，制作工藝復雜，將逐漸被橫向效應小，其他方面性能更優(yōu)越的箔式應變計所代替。,（a）普通絲式；（b）短接絲式；（c）箔式；（d）半導體應變片,第一節(jié) 電阻應變計,箔式應變計的線柵是通過光刻，腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵(厚度一般在0.0030.01mm)。與絲式應變計相比有如下優(yōu)點： 工藝上能保證線柵的尺寸正確，線條均勻，大批量生產(chǎn)時，阻值離散程度小。 可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應變計和微型小基長(如基長為0.1mm)的應變計。,第一節(jié) 電阻應變計,敏感柵截面積為矩形，表面積大，散熱好，在相同截面情況下能通過較大電流（直徑為0.025mm的康銅絲式應變片允許電流為35mA，箔式片可大幾倍）。 厚度薄，具有較好的可撓性，它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。 蠕變小，疲勞壽命高。 橫向效應小。 便于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。,第一節(jié) 電阻應變計,第一節(jié) 電阻應變計,薄膜式應變計是采用真空濺射或真空沉積技術，在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜(厚度在零點幾納米到幾百納米)，再加上保護層制成。其優(yōu)點是靈敏度高，允許通過的電流密度大，工作溫度范圍廣，可工作于-197317，也可用于核輻射等特殊情況下。 制作應變計敏感元件的金屬材料應有如下要求：,第一節(jié) 電阻應變計,電阻率大。這樣，在一定電阻值要求下，同樣線徑，所需電阻絲長度短。 電阻溫度系數(shù)小。高溫使用時，還要求耐高溫氧化性能好。 具有良好的加工焊接性能。 因此，常用的敏感元件材料是康銅(銅鎳合金)。,第一節(jié) 電阻應變計,2、半導體應變計 它是用p型或n型硅或鍺的單晶體為材料，按應力引起電阻變化最大的晶軸方向，經(jīng)過切片、磨片、腐蝕、制作、焊接電極、片子老化處理、粘貼、加溫和加壓等工藝制成示意圖,第一節(jié) 電阻應變計,第一節(jié) 電阻應變計,半導體應變計有如下優(yōu)點：靈敏系數(shù)大，比金屬應變計的靈敏度約大50100倍，輸出信號大，以致不需放大就可以用示波器等簡單儀器紀錄測量結果。此外，機械滯后小、橫向效應小、尺寸小等。,半導體,定義： 指常溫下導電性能介于導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。這種材料在某個溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加電荷載流子的濃度，電阻率下降,負的電阻溫度系數(shù) 。半導體在收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的應用。鍺和硅是最常用的元素半導體；還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等 。,半導體,半導體應用 ：最早的實用“半導體”是電晶體（Transistor）/ 二極體（Diode）。 一、在無線電收音機（Radio）及電視機（Television）中，作為“訊號放大器 /整流器”用。 二、近來發(fā)展太陽能（Solar Power），也用在光電池（Solar Cell）中。,半導體,三、半導體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學等應用的70%的領域，有較高的準確度和穩(wěn)定性，分辨率可達0.1，甚至達到0.01也不是不可能，線性度0.2%，測溫范圍-100+300，是性價比極高的一種測溫元件。 半導體照明 ：半導體發(fā)光二極管,半導體,晶體管（transistor）是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關，和一般機械開關（如Relay、switch）不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。,半導體,同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性： 構件沒有消耗無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。由于技術上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名。 消耗電能極少僅為電子管的十分之一或幾,半導體,十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子。一臺晶體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的。 不需預熱一開機就工作。例如，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現(xiàn)畫面。電子管設備就做不到這一點。開機后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測量、記錄等,半導體,方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的。 結實可靠比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。,半導體,晶體管還特別適合用作開關。它也是第二代計算機的基本元件。人們還常常用硅晶體管制造紅外探測器。就連可將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵靥柲茈姵匾捕寄苡镁w管制造。,半導體,太陽能光伏:光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。 把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱器受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需熱水。,第一節(jié) 電阻應變計,（四）、電阻應變片的工作特性 電阻應變片是一種重要的敏感元件。它在實驗應力分析中是測量應變和應力的主要傳感元件。應變片的優(yōu)點：測量應變的靈敏度和精確度高,測量范圍大,尺寸小，重量輕，對試件工作狀態(tài)和應力分布影響很小,能適應各種環(huán)境,價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。,第一節(jié) 電阻應變計,應變片的缺點：在大應變下具有較大的非線性，半導體應變計的非線性更為明顯；輸出信號較微弱，故抗干擾能力較差。 1、電阻應變片的靈敏度系數(shù) 電阻應變片的電阻相對變化 與應變 之間在很大范圍內(nèi)是線形的，即 。,第一節(jié) 電阻應變計,電阻應變計的靈敏度系數(shù)k主要取決于敏感柵材料的靈敏系數(shù)，但兩者又不相等，其原因:一是由于橫柵的存在（以絲式應變片為例），使制成敏感柵之后的靈敏系數(shù)小于金屬絲的靈敏系數(shù)；二是試件表面的變形是通過基底和粘結劑傳遞給敏感柵，由于端部過渡區(qū)的影響又使應變片的靈敏系數(shù)小于敏感柵的靈,第一節(jié) 電阻應變計,敏系數(shù)，此差值不僅與基底和黏結劑的種類有關，還受黏結劑的固化程度以及應變片安裝質(zhì)量的影響。因此，應變片的靈敏系數(shù)是受多種因素影響的綜合性指標。 電阻應變片的靈敏系數(shù)是應變片最重要的參數(shù)之一，在直接測量零件應力時，需根據(jù)靈敏系數(shù)進行測量和換算。在實際使用中，應盡可能選用靈敏系數(shù)大，穩(wěn)定好的應變片，以使傳感器有較大的輸出，,第一節(jié) 電阻應變計,提高測量精度。靈敏系數(shù)的名義值是通過抽樣試驗確定的，因此是一個平均值。 2、 電阻應變片的許用電流 應變片接入測量電路中，其敏感柵允許通過的最大工作電流叫做應變片的許用電流。當應變片通過電流時，由于焦耳熱量，使應變片溫度不斷升高。當溫度達到一定值時，由于熱效應，一方面引起應變儀指針漂移，另一方面黏結劑開始軟化，不能把,第一節(jié) 電阻應變計,試件變形全部傳遞給敏感柵，于是產(chǎn)生測量誤差。嚴重時，將會把基底燒毀，因此必須對通過應變片的最大電流予以限制。為了保證測量精度，靜態(tài)測量時，一般小于25mA；動態(tài)測量時，可達到到75mA，甚至達到100mA。箔式應變片散熱條件好，可取稍大些。 3 、電阻應變片的橫向效應,第一節(jié) 電阻應變計,將同樣長的金屬線材做成敏感柵后，對同樣應變，應變計敏感柵的電阻變化較小，靈敏度有所下降。這種現(xiàn)象稱為應變計的橫向效應。 為了減小橫向效應，可采用直角線柵式應變計或箔式應變計。,第一節(jié) 電阻應變計,第一節(jié) 電阻應變計,4、應變片的溫度效應 電阻應變片是利用金屬細絲的應變電阻效應測量應變的，由于環(huán)境溫度變化也會引起金屬絲的電阻變化，這樣就在測量應變的結果中引進了附加的影響。由溫度變化引起應變片的電阻變化，稱為電阻應變片的溫度效應。應變片的溫度效應是一種虛假應變（也稱為熱輸出），必須在測量中消除，否則將會大大降低測量精度。,第一節(jié) 電阻應變計,溫度對應變片電阻值的影響很大，其原因如下： （1）、當溫度變化時，由于應變片敏感柵材料本身的溫度效應引起應變片電阻值改變；（2）、應變片粘貼在試件上之后，當溫度變化時，由于應變片和試件材料的熱膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加變形（伸長或縮短），從而使電阻值發(fā)生附加變化;,第一節(jié) 電阻應變計,（3）、由于溫度升高，黏結劑強度降低并軟化產(chǎn)生蠕變，試件的變形將不能準確地傳遞給敏感柵，故使應變片的靈敏系數(shù)也降低（相當于應變量減?。?。這些虛假應變是相當大的，有時甚至會超過被測量的機械應變值。因此，在應變片粘貼在試件上之后，除了機械應變產(chǎn)生電阻變化外，溫度變化引起的電阻變化也疊加上去了，形成虛假應變信號，從而造成測量誤差。,第一節(jié) 電阻應變計,由此可見，溫度的影響不容忽視。為了提高測量精度，必須采取溫度補償措施，以消除或降低溫度帶來的影響。常用的溫度補償法有兩種：橋路補償法和溫度補償法，此兩種方法適用于常溫場合。若溫度過高，必須采用冷卻水套冷卻；若溫度再高，則需采用高溫應變片和高溫黏結劑。,第一節(jié) 電阻應變計,5、應變片的機械滯后 應變片粘貼在被測構件上后，當溫度恒定時，應變片的指示應變與構件表面的機械應變之間應當是一個確定的關系，不論是加載還是卸載過程都應當如此。然而實驗表明（如圖3-7所示），在增加或減少機械應變的過程中，對于同一機械應變量，應變片的指示應變有一個差值，此差值即為機械滯后。,第一節(jié) 電阻應變計,新安裝的應變片，第一次承受應變載荷時，常常產(chǎn)生較大的機械滯后，經(jīng)過幾次加載卸載循環(huán)之后，機械滯后便明顯地減少。所以，在正式測試之前都要預先加卸載若干次，一般不少于三次，以減少機械滯后對測量數(shù)據(jù)的影響。,第一節(jié) 電阻應變計,機械滯后的產(chǎn)生主要是由于敏感柵、基底和黏結劑在承受機械應變之后留下的殘余變形所致。制造或安裝應變片時，黏結劑固化不好或應變片在高溫下工作時，機械滯后都會增加。,第一節(jié) 電阻應變計,第一節(jié) 電阻應變計,（五）、 電阻應變片的選用 1、應變片的選擇與檢查 根據(jù)被測構件材質(zhì)、形狀、受力狀況、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、零件外形尺寸、使用期限和配套儀器等因素選擇合適的應變片。 （1）應變片的尺寸選擇。一般應力測點多時，選用210mm的應變片；如果貼片空間允許，應選用標距大的應變片；對集中應,第一節(jié) 電阻應變計,力和沖擊應力的測量時，選用小標距應變片；對材質(zhì)不均勻、強度不等的材料，選用大標距應變片。 （2）應變片的電阻值，一般應變儀的制造都以120為標準。提高供橋電壓，是為了使傳感器得到較大的電壓輸出，故應選用較高阻值的應變片，常選350或更高些。,第一節(jié) 電阻應變計,（3）應變片的外觀檢查：用放大210倍的放大鏡檢查應變片敏感柵是否平直整齊，應變片柵間是否有粘貼不好的地方。紙基片要查看有無霉斑和銹點。箔式應變片還應檢查敏感柵上有無針孔、缺口和裂紋。 2、應變片的粘貼工藝 （1）試件表面處理,第一節(jié) 電阻應變計,為使應變片牢固地粘貼在試件表面上，必須對試件表面進行機械、化學處理，處理面積約為應變片的23倍。首先除去油污、銹斑、涂料、氧化膜和鍍層等，使之露出試件材料表面，然后用紗布或砂紙交叉打磨。用浸有丙酮、四氯化碳溶劑的紗布或脫脂棉球進行擦洗，直至棉球不見黑跡為止。如環(huán)境濕度大，還應對試件加熱烘干，使水分蒸發(fā)，然后再貼片。,第一節(jié) 電阻應變計,（2）貼片 用脫脂棉蘸丙酮或無水乙醇擦洗處理好的貼片表面及應變片的背面，晾干后均勻地涂粘結劑，開始濃縮時（時間視膠種類及溫度而定，一般以手指觸試不粘手，但留下指痕為度）將應變片貼上并找正位置。然后墊上一層玻璃紙，用手指滾壓趕出氣泡，使片貼牢。膠層（包括片基）約5080um左,第一節(jié) 電阻應變計,右。如發(fā)現(xiàn)有粘貼不牢處或翹起現(xiàn)象（尤其是在柵絲端部），可再補膠擠壓，然后加壓晾干。 （3）固化處理 對室溫固化黏結劑，貼片后加一定壓力或指壓固化后即可。如用加熱固化黏結劑貼片，則要按規(guī)定的固化規(guī)范加熱固化。加壓時應先墊一層聚四氟乙烯薄膜或玻璃紙，再墊橡皮或毛氈加壓固化。,第一節(jié) 電阻應變計,（4） 粘貼質(zhì)量檢查 首先檢查應變片是否貼正、貼牢，有無氣泡和發(fā)皺現(xiàn)象。然后用萬用表檢查應變片有無無壓壞和斷絲，最后用高阻表或搖表（對膠基應變片可用100V以下?lián)u表）檢查柵絲與試件間的絕緣（一般應在500M以上）。 3 、導線的處理,第一節(jié) 電阻應變計,A 應變片引線的固定 為防止應變片引線被拉斷，應設法進行保護固定。一般常溫下可采用在引線下面粘貼一層橡皮膏（氯化鋅橡皮膏或其他絕緣膠帶），然后在引線上面再蓋覆蓋層使引線固定?；蛴霉潭ǘ俗诱迟N在適當位置進行連接。不論用哪種固定方法，都應使引線呈彎形，具有拉伸余量，與試件間要有良好的絕緣。,第一節(jié) 電阻應變計,B導線的焊接 導線接頭處多用錫焊，一般用熔點約180左右的焊錫（40鉛、60錫）。焊劑用松香或無瘸蝕性焊錫膏。電烙鐵通常用4060W，細導線和應變片引線的焊接宜用30W以下。焊接前先做好準備工作，焊接時迅速準確，時間不宜過長，以免產(chǎn)生過多的氧化物或損壞應變片的基底和絲柵。焊點要豐滿光滑，牢固可靠，切忌虛焊。焊完要用丙酮或酒精等溶劑將焊劑清洗干凈。,第一節(jié) 電阻應變計,4 、應變片的防護 為保證應變片的絕緣應采取妥善的防護措施，使潮氣、水、油與應變片隔絕。目前采用的防護劑大致有：石蠟涂料、環(huán)氧樹脂、酚醛一縮醛類膠等。 防潮劑涂層的范圍一般應從應變片基底四周各向外擴展1015mm，要把應變片膠層,第一節(jié) 電阻應變計,引線和與它連接的導線以及焊點等全部覆蓋上。涂層的厚度，薄的0.1mm，厚的2mm左右。太厚了對試件有局部加強效應而影響測量精度。在大應變情況下，涂層太厚有時會產(chǎn)生裂紋,第二節(jié) 測量電路,在電阻應變測量中，由于應變片的電阻變化很?。ㄒ话阍诎俜种畮字寥f分之幾），用一般的測量儀表不能精確地直接測量出來。因此必須采用一定形式的測量電路，將這微小的電阻變化量轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。再經(jīng)電子放大器放大，然后用儀表顯示或記錄。通常采用的測量電路有電橋電路和電位計式電路。而電橋電路又分直流電橋電路、交流電橋電路和雙電橋電路。,第二節(jié) 測量電路,一、 電橋電路及分類 電橋電路可測量10-3l0-5數(shù)量級的微小電阻的變化，精度高，穩(wěn)定性好，易于進行溫度補償，所以電橋電路應用十分廣泛。 電橋可有下述幾種分類方法 A 按供橋電源分 （1）直流電橋。即采用直流電源供橋，當電橋輸出信號功率足夠大，而不采用放大環(huán)節(jié)時，或采用自激調(diào)制放大環(huán)節(jié)時，可采用直流電橋。,第二節(jié) 測量電路,（2）交流電橋。一般采用頻率較高（音頻范圍）的交流電源。當采用載波調(diào)制放大環(huán)節(jié)時，可采用交流電橋。 B 按電橋工作方式分 （1）平衡電橋。測量前將電橋調(diào)整為平衡狀態(tài)。測量時因橋臂阻值發(fā)生變化使電橋失去平衡，此時調(diào)節(jié)電橋的某橋臂的電阻值，使電橋回復到平衡狀態(tài)，即電橋輸出,第二節(jié) 測量電路,為零。再以該橋臂電阻的調(diào)整量讀出被測信號的大小。這種方法也叫“零讀法”。平衡電橋的優(yōu)點是測量精度高，因為讀數(shù)與電源電壓無關。但此法讀數(shù)前要經(jīng)過平衡調(diào)節(jié)，故只用于靜態(tài)測量。 （2）不平衡電橋。測量前將電橋調(diào)整為平衡狀態(tài)。測量時因橋臂阻值發(fā)生變化使電橋失去平衡，此時可在其測量端接指示儀表直接讀出輸出的電壓或電流值。若測量端接示波器記錄，可用于動態(tài)測量。,第二節(jié) 測量電路,第二節(jié) 測量電路,C 按電橋的輸出信號分 （1）電壓輸出電橋。當電橋的輸出端接放大器（如應變儀的放大器）時，因放大器的輸入阻抗高，遠大于電橋的輸出阻抗，電橋的輸出端可視為開路狀態(tài)，即只有電壓輸出，則該類電橋稱為電壓輸出電橋。 （2）功率輸出電橋。當電橋的輸出端接電流表（內(nèi)阻極?。r，為使電流表得到最大,第二節(jié) 測量電路,功率，要求電流表內(nèi)阻與電橋輸出電阻相匹配，該類電橋稱為功率輸出電橋。 D 按電橋臂阻值分 （1）全等臂電橋。4個橋臂的阻值均相等，即在圖3-8中，R1R2R3R4R。 （2）半等臂電橋。即在圖3-8中，R1R2Ra，R3R4Rb，RaRb。,第二節(jié) 測量電路,二、 電橋工作原理 最簡單的電橋電路如圖3-9所示，它由4個橋臂電阻頭尾相接而成。一個電橋可取為應變片，從1、1,2為應變片或14均為應變片的等幾種形式。當為前兩種形式時，在其余橋臂中接入電阻溫度系數(shù)很小的精密無感固定電阻。頂點A、C和B、D分別稱為電橋的輸入端和輸出瑞（在電工技術里常稱為電源端和測量端）。,第二節(jié) 測量電路,下面，推導輸入端加有一定電壓時，電橋輸出電壓的表達式。電橋的輸入電壓（電橋電源）可以是直流或交流的。為了能用簡單的方式說明問題，不妨假定圖中的電源為直流。在對于直流電橋和交流電橋而言，其一般規(guī)律是相同的。,第二節(jié) 測量電路,第二節(jié) 測量電路,先討論輸出端開路的情況，它最簡單，但卻很有意義。因為，應變電橋的輸出總是接到電子放大器的輸入端，而放大器的輸入阻抗一般很大，以致可近似認為電橋輸出端是開路的（實際上是流過測量端的電流很?。?。在電橋設計中，這種電橋稱為電壓橋。這樣，問題就變?yōu)榍驜、D兩點間的電位差。,第二節(jié) 測量電路,如圖所示，設輸入電壓E恒定。因為BD間開路，故電流 電阻和上的電壓降分別為,第二節(jié) 測量電路,它們分別等于A點與B點，A點與D點之間的電位差，即 將兩式相減，可得D、B兩點間的電位差即電橋輸出電壓為,第二節(jié) 測量電路,記為,第二節(jié) 測量電路,當 U=0時，表示電橋處于平衡，得 ，此即直流電橋的平衡條件。如果原處于平衡的電橋，各臂阻值分別有變化，電橋的輸出電壓將如何？得（3-2）,第二節(jié) 測量電路,注意，此式推導中利用了電橋平衡條件，而且是針對等臂或半等臂電橋。因此，在測試中接橋時，應予注意。,第二節(jié) 測量電路,如果電橋四臂均接入相同的應變片，則據(jù)式(3-3）有,第二節(jié) 測量電路,以上所講，是電壓橋，其電橋輸出端為開路的情況。如果電橋負載為有限值，將對電橋的輸出電壓產(chǎn)生什么影響？在圖 3-10中，應變電橋輸出瑞接有負載電阻。,第二節(jié) 測量電路,第二節(jié) 測量電路,在有些電阻應變儀中，為了使電橋功率能更有效的輸出，選擇適當?shù)呢撦d電阻使得電橋功率輸出最大，這種電橋稱為功率橋。 從電工學得知當電橋負載電阻與電橋內(nèi)阻相等時，電橋輸出功率最大此時獲得最佳匹配。與電壓橋相同推導方法，可以得到，在等臂電橋中，當各臂阻值發(fā)生變化時，功率橋輸出電壓與電流為,第二節(jié) 測量電路,由上可見，功率橋輸出電壓為電壓橋的一半，但電橋各橋臂阻值變化對電壓影響的規(guī)律完全相同。,第二節(jié) 測量電路,三、電橋的和差特性 式中應變以代數(shù)值代入，拉應變?yōu)檎龜?shù)，壓應變?yōu)樨摂?shù)，可以看出，電橋的輸出電壓與電阻變化（或應變）的符號有關，并可以得出電橋的和差特性：相鄰臂電阻變化（或應變），同號相減，異號相加；相對臂電阻變化（或應變），同號相加，異號相減。該特性是應變測量中布片組橋與溫度補償?shù)囊罁?jù)。,第二節(jié) 測量電路,為了提高電橋靈敏度，對于二臂或四臂工作的電橋，在組橋連線時，一定要把電阻變化（應變）符號相同的應變片接在相對橋臂而電阻變化（應變）符號相反的應變片接在相鄰橋臂。 四、橋路的溫度補償 1、電橋補償法 由于溫度的變化引起應變片電阻值的變化，會給測量結果帶來相當大的誤差，,第二節(jié) 測量電路,因此必須采取溫度補償措施。利用電橋和差特性原理補償是一種既簡單又完善的補償方法。在測量時，應變片不僅要感受到來自試件表面的應變，而且要“感受”到由于溫度變化而產(chǎn)生的虛假應變 。只要通過恰當?shù)牟计拖鄳慕M橋，使電橋輸出表達式中不含 ，測量結果中就不會受溫度變化的影響，從而達到溫度補償?shù)哪康摹?第二節(jié) 測量電路,對單臂工作電橋，必須采用補償片。在圖所示的電橋電路中，R3、R4為應變儀內(nèi)部精密無感電阻，R1、R2是兩個同型號、同規(guī)格的應變片，R1貼在被測試件上，使之與試件一起變形，叫做工作片。R2貼在另一與被測試件材料完全相同，且置于與R1片同一溫度場中不受力的補償塊上。R2叫做溫度補償片。,第二節(jié) 測量電路,因此，溫度變化引起的電阻變化量（R1）t和（R2）t或和數(shù)值相等，符號相同。由于R1與R2接在橋路內(nèi)相鄰臂上，則由電橋和差特性可知，（R1）t和（R2）t或和在電橋輸出表達式中互相抵消，這樣應變片的溫度效應在橋路中就得到補償。 一般情況下，接入同一電橋各臂的應變片型號和規(guī)格是相同的，因此不管它們貼片方向如何，只要置于同一溫度場中，,第二節(jié) 測量電路,由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化量（或“感受”到的虛假應變）都是相同的。 對單臂工作電橋，溫度補償片必須貼在不受力的補償塊上。而在相鄰臂為工作臂的雙臂電橋和四臂工作電橋中，由于相鄰臂的工作片已能對溫度效應進行補償，因此無需另外再貼溫度補償片，因工作片本身就是溫度補償片了。這樣就簡化了測量工作。,第二節(jié) 測量電路,第二節(jié) 測量電路,2、其他溫度補償方法 （1）、輔助測溫元件微型計算機補償法,第二節(jié) 測量電路,（2）雙金屬敏感柵自補償應變計 圖3-11電阻溫度系數(shù)符號不同的雙金屬敏感柵自補償應變計,第三節(jié) 電阻應變儀,利用電阻應變片作為傳感元件來測量應變的專用電子儀器稱為電阻應變儀。它的功能是將應變電橋的輸出電壓放大，向顯示記錄器輸出按被測量（應變、應力、力等）變化的電信號。 一、 應變儀的分類 應變儀的種類很多，根據(jù)不同的著眼點，有不同的分類方法。,第三節(jié) 電阻應變儀,1、 根據(jù)應變儀中放大器的種類分 A 直流放大式應變儀 它采用直流電橋，放大器則采用差分放大器或調(diào)制型直流放大器。由于系直流供電，不存在分布電容的影響，故可使用較長的連接導線，易于預調(diào)平衡，并且工作頻率范圍較寬010kHz）。但是，為解決直流放大器的零漂問題，這種應變儀結構較復雜，造價較高。它適用于對被測量的靜態(tài)測量。,第三節(jié) 電阻應變儀,B 載波放大式應變儀 它采用交流電橋，放大器則是載波式放大器，整個儀器結構簡單，性能穩(wěn)定，使用廣泛。它的缺點是容易受分布電容的影響，連接導線不能太長，預調(diào)平衡較麻煩。它適用于對被測量進行動態(tài)測量。 2 、根據(jù)應變儀所測應變的頻率響應范圍分 A 靜態(tài)電阻應變儀,第三節(jié) 電阻應變儀,工作頻率為0Hz，用以測量靜應變。采用交流供橋-載波放大形式的靜態(tài)應變儀的一般原理框圖如圖3-12所示。它一般采用雙電橋零讀法，即兩組電橋通常保持平衡狀態(tài)。當測量應變片的阻值隨機械變形而變化時，測量橋失去平衡。此時相應地調(diào)整讀數(shù)橋上可調(diào)電阻，以讀數(shù)橋輸出的不平衡電壓來平衡測量電橋輸出的信號電壓，使指示器指零，從讀數(shù)橋的橋臂電阻變化讀得被測值的大小。,第三節(jié) 電阻應變儀,雙橋零讀法不僅具有測量橋四臂可同時工作和與電源電壓波動無關等優(yōu)點，而且讀數(shù)橋的橋臂可采用低阻值的精密線繞無感電阻，便于制造。靜態(tài)電阻應變儀每次只能測一個點，即只能和相應測點的應變片構成一個應變電橋。測另一個點時，需要重新接線，構成另外一個電橋。當進行多點測量時，必須配用多點預調(diào)平衡箱，以解決接點和預調(diào)平衡問題。,所有測點的應變片均預先連接于箱體上，然后靠開關逐點轉(zhuǎn)換接入應變儀，并可在測量前對每個電橋進行預調(diào)平衡。其中又分為手動預調(diào)平衡和切換及自動預調(diào)平衡和切換兩類。 B 靜動態(tài)電阻應變儀 靜動態(tài)電阻應變儀用以測量工作頻率在0200Hz的靜動態(tài)應變。這種應變儀用于測量靜態(tài)應變時，可配用預調(diào)平衡箱作多點靜態(tài)應變測量，且設有靈敏系數(shù)調(diào)節(jié)裝置；,用于動態(tài)應變測量時，只能測量一個測點。 靜動態(tài)電阻應變儀基本結構與靜態(tài)應變儀相似，電橋部分也是采用雙橋零讀法。但為滿足動態(tài)應變測量的需要，除有平衡指示外，在相敏檢波器后還需加設低通濾波器。經(jīng)濾波后，才能將信號送到記錄器記錄。 C 動態(tài)電阻應變儀,第三節(jié) 電阻應變儀,動態(tài)應變儀工作頻率一般為02kHz（個別達10kHz），采用直讀法，并配備顯示記錄儀表進行顯示記錄。傳統(tǒng)的采用交流供橋-載波放大形式的動態(tài)電阻應變儀的一般原理框圖如圖3-13所示。它采用單電橋直讀法，即將測量電橋輸出的信號電壓（或電流）放大后直接指示被測值的大小。另外設有標定橋作為應變信號的比較基準。一臺動態(tài)應變儀有多個通道，每一個通道只能測量一個點。例如，Y6D3A型。,第三節(jié) 電阻應變儀,第三節(jié) 電阻應變儀,D 超動態(tài)電阻應變儀 它主要用來測量爆炸和高速沖擊等瞬態(tài)應變用。它的電橋采用直流供橋電壓，以提高輸出靈敏度；它的放大器分前后兩級，均為單端輸入差分放大器，采用負反饋并附有伺服放大器，使漂移產(chǎn)生的誤差得到抵消和補償。此外，它還備有圖像顯示器和高速同步攝影記錄儀。例如，Y6C9型。,第三節(jié) 電阻應變儀,E 特種應變儀 它是適用于特殊應變測量需要、具備某種特殊效能的專用應變儀。如大變形測量裝置（適用于塑性變形范圍的應變測量，能消除一般應變測量中變形較大時所產(chǎn)生的較大非線性誤差）；靜動態(tài)應變分析儀（適用于用應變花進行平面應力測量，能數(shù)字顯示所測3個方向的行自動運算，數(shù)字顯示所測點的主應力大小和方向）；遙測應變儀（適用于運動件等的非接觸式測量）；測壓儀（適用于軋機負荷指示）。,第三節(jié) 電阻應變儀,二、電阻應變儀的組成及工作原理 1、電阻應變儀的組成 A 電橋 載波放大式應變儀采用交流電橋，測量電橋由貼在試件上的應變片或固定電阻組成。它的主要作用是將應變片的電阻變化按一定比例轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，同時實現(xiàn)應變信號的調(diào)制。,第三節(jié) 電阻應變儀,它由應變儀內(nèi)的振蕩器供給一個振幅穩(wěn)定的正弦波電壓作為橋壓，其頻率通常比被測信號的頻率高510倍，稱為載波。載波信號在電橋內(nèi)被緩慢變化的被測信號調(diào)制后，變成振幅隨被測信號的大小而變化的調(diào)幅波，然后輸至交流放大器放大。這種調(diào)幅波有利于采用頻率特性要求較低的窄頻帶交流放大器，從而簡化了儀器的結構。 B 放大器,第三節(jié) 電阻應變儀,載波放大式應變儀多采用多級窄頻帶交流放大器，其作用是將電橋輸出的微弱調(diào)幅波電壓信號進行不失真的電壓和功率放大，以便得到足夠的功率去推動指示或記錄儀表。經(jīng)放大器放大后的調(diào)幅波的頻率和相位與電橋輸出的調(diào)幅波相同，只是振幅放大了。,第三節(jié) 電阻應變儀,C 相敏檢波器 相敏檢波器的作用是解調(diào)，即將放大后的調(diào)幅波還原成與被測信號波形相同的波形。它與普通檢波器不同之處是能夠根據(jù)來自放大器的調(diào)幅波的相位辨別原來被測信號的極性，即能辨別被測信號是拉應變還是壓應變。,第三節(jié) 電阻應變儀,D 低通濾波器 相敏檢波后的波形中仍帶有高頻載波分量和高次諧波。低通濾波器的作用就是把這些殘余的載波分量和高次諧波濾掉，而讓被測信號波形通過，以便在輸出端得到與被測信號變化規(guī)律完全一樣的、經(jīng)過放大了的電信號。濾波器一般采用由電感、電容組成的低通濾波器。濾波器的頻率特性很大程度上決定了應變儀的頻率特性。,第三節(jié) 電阻應變儀,E 振蕩器 載波放大式應變儀中的振蕩器是一個他激電源，用來產(chǎn)生一種幅值穩(wěn)定的高頻正弦波電壓，作為電橋的供橋電壓（即載波電壓），同時提供相敏檢波器的參考電壓(即解調(diào)電壓）以實現(xiàn)鑒相解調(diào)。靜態(tài)應變儀的振蕩頻率（即載波頻率）在5002000Hz，動態(tài)應變儀在550kHz之間，視應變儀工作頻率范圍而定。,第三節(jié) 電阻應變儀,F 電源 電源用以供給振蕩器和放大器一個穩(wěn)定的工作電壓，一般采用由220V交流電供電的直流電子穩(wěn)壓器。該電壓不隨供電網(wǎng)絡電壓的波動而波動，也不隨負載的變化而變化。,第三節(jié) 電阻應變儀,G 指示儀表或記錄器 靜態(tài)應變儀中的指示器系直流微安（或毫安）表，一般僅作調(diào)零指示，也有的兼作讀數(shù)用。動態(tài)應變儀中，被測信號一般是具有一定頻率的交變信號，故不宜采用指針式電表，而是將濾波器輸出的被測信號送到專門的記錄器（如以前常用的光線示波器）進行顯示記錄。,第三節(jié) 電阻應變儀,2 、電阻應變儀的工作原理 當測量電橋工作橋臂上的應變片受機械變形而產(chǎn)生的電阻變化時，在電橋中調(diào)制了由振蕩器來的正弦載波，在電橋輸出端輸出一個微弱的調(diào)幅波信號。調(diào)幅波的包絡線與應變信號相似，頻率與載波信號頻率相近。,第三節(jié) 電阻應變儀,由于電橋輸出的電壓一般為毫伏級，它無法產(chǎn)生幾十毫安電流推動光線示波器振子工作，因此要把這微弱的電壓信號送入交流放大器進行無失真放大。放大后的信號保持了應變信號的形狀，但功率卻大大增加。又由于光線示波器振子的頻率響應遠低于應變儀電橋電源的角頻率，無法將波形記錄下來；同時放大后的調(diào)幅波形可看做是上下對稱的，不能辨別應變片的受力,第三節(jié) 電阻應變儀,方向，因此要用相敏檢波器將上下對稱的調(diào)幅波形變換成對應于應變片受力方向的波形。這樣應變儀輸出的信號就能區(qū)別應變片是處于受拉還是受壓狀態(tài)。所以要把已放大了的調(diào)幅波送入相敏檢波器進行解調(diào)，即將載波去掉而保留應變信號的調(diào)幅波形。因相敏檢波后輸出的電流波形中仍然含有載波及其高次諧波分量，它將影響,第三節(jié) 電阻應變儀,到記錄儀器的正常工作，使振子發(fā)熱。另外，含有載波的波形將使記錄曲線模糊。所以還要通過低通濾波器將殘余的高頻載波及其高次諧波分量去掉，以保留應變信號波形。這個放大了的應變信號就可以推動記錄裝置工作，從而在記錄紙上繪出一條與機械變形過程一致的電信號波形。,第三節(jié) 電阻應變儀,綜上所述電阻應變儀的工作原理可簡單地概括為調(diào)制、放大和解調(diào)3個過程。即設法把緩慢變化的應變信號預先變換成頻率較高的交流信號，然后送入交流放大器進行放大，最后再把放大后的交流信號輸入相敏檢波器和濾波器恢復為緩慢變化的電壓或電流信號。,第四節(jié) 應力應變測量,應力是個重要的機械量，它表征了構件的受載情況、負荷水平和強度能力，應力測量也是其他力參數(shù)測量的基礎。應力測量的方法很多，如機械測法、電測法和光測法等，目前以電阻應變法應用最廣泛。 一、 應力應變的關系 電阻應變片測量的基本方法是根據(jù)測量的目的，選好測點，貼上電阻應變片，組成,第四節(jié) 應力應變測量,測量電橋，連接電阻應變儀，測量受力后構件表面各點應變，然后再根據(jù)應力和應變的關系計算出應力。 在彈性變形范圍內(nèi)，受軸向拉伸的構件,其截面上的正應力 與其軸向應變 成正比，即 式中E構件材料的彈性模量，對于碳素鋼E（2.02.1）105Nmm2。,第四節(jié) 應力應變測量,由上式可知，對于受單向拉伸（或壓縮）的構件，只要沿其受力方向粘貼一枚應變片，測出軸向應變 代入上式，即可求出橫截面上該點的正應力 。 二、測點的選擇 測點越多，越能了解構件的應力分布情況，但增加了測試和數(shù)據(jù)處理的工作量。因此，應根據(jù)以最少的測點達到足夠真實地反映構件受力狀態(tài)的原則，來選擇測點。,第四節(jié) 應力應變測量,一般考慮如下： （1）預先對構件進行大致的受力分析，預測其變形，找出危險斷面及危險位置。這些點一般是處在應力最大或變形最大的部位，然后根據(jù)受力分析和測試要求并結合實踐經(jīng)驗最后選定測點。 （2）在截面尺寸急劇變化的部位或因孔、槽導致應力集中的部位，應適當多布置一些測點，以便了解這些區(qū)域的應力梯度情況。,第四節(jié) 應力應變測量,（3）如果最大應力點的位置難以確定，或者為了了解截面應力分布規(guī)律和曲線輪廓段應力過渡情況，在截面上或過渡段上比較均勻地布置57個測點。 （4）在不受力或已知應變、應力的位置上安排一個測點，以便在測試時進行監(jiān)視和比較，有利于檢查測試結果的正確性。,第四節(jié) 應力應變測量,在測點選定之后，應變片的布置和電橋連接，應根據(jù)測量目的、對載荷的估計以及在復合載荷下測量應變時應能消除相互影響等情況而定。最終使應變測量的輸出信號大、能實現(xiàn)溫度補償、粘貼方便、能消除構件感受的附加應變，以提高測量的靈敏度和精度。,第四節(jié) 應力應變測量,三、 單一變形時的應變測量 1 、單向拉伸（壓縮）應變測量 對于單向拉伸（壓縮）應變測量，為了進行溫度補償，常采用全橋四臂電橋，其布片和組橋方案如圖所示，采用四枚阻值R、靈敏系數(shù)相同的應變片組全橋。,第四節(jié) 應力應變測量,第四節(jié) 應力應變測量,應變片R1和R2貼在圓形試件正面，R1沿拉力方向即試件軸向粘貼，R2沿與拉力垂直方向（即試件周向）粘貼；R3和R4貼在試件的背面，且正對R1和R2。 假設拉力作用不偏心時，由拉力P產(chǎn)生的沿試件軸向的應變?yōu)?，由溫度變化引起的虛假應變?yōu)?，測量時應變片R1、R2、R3、R4感受到的應變分別用1、2、3、4表示。,第四節(jié) 應力應變測量,由于R1與R2貼片點很近，認為是貼在同一點上。同理，認為R3和R4也是貼在同一點上，則,第四節(jié) 應力應變測量,式中 拉力作用點在R1與R3貼片點的連線上，但偏離圓心時（如圖所示）試件受到一個附加彎矩作用，R1、R3感受到的應變偏差。,第四節(jié) 應力應變測量,根據(jù)圖（b）所示的組橋圖，電橋輸出電壓為 上式中不含 、 ，僅含有 ，說明如圖示的貼片組橋方案的電橋輸出電壓僅隨平均拉應變（僅隨拉力變化）而變化，這就消除了拉力偏心和溫度變化的影響。,第四節(jié) 應力應變測量,2、 彎曲應變測量 測量方案可有三種： （1）一片工作，外加補償塊法； （2）兩片工作組半橋（圖3-16）； （3）四片工作組全橋（圖3-17）。 各種組橋方案中各橋臂所感受的應變及電橋輸出見表3-1。,圖3-16 測彎曲應變的布片與組半橋圖,3-17 測彎曲應變的布片與組全橋圖,表5-1 彎曲應變?nèi)N測量方案的比較,第四節(jié) 應力應變測量,3、扭轉(zhuǎn)應變測量 當圓軸受扭矩作用時，在圓軸表面取一單元體，則處于純剪應力狀態(tài)，如圖3-18。因為圓軸受扭時其表面任一點的應力狀態(tài)都是平面應力狀態(tài)，所以必須用平面虎克定律公式來計算應力。 與主應力 、 相對應的主應變?yōu)?、，并且,圖3-18 測扭轉(zhuǎn)應變的布片圖,測扭轉(zhuǎn)應變的組橋圖,表3-2 扭轉(zhuǎn)應力兩種應變測量方案的比較,第四節(jié) 應力應變測量,則 ， 式中W圓軸扭轉(zhuǎn)斷面的截面抗彎系數(shù)，對于實心圓軸 。,第四節(jié) 應力應變測量,由此可知，通過測量軸體表面的主應變即可確定扭矩M，這是測量傳動軸扭矩的主要方法之一。,第五節(jié) 測力傳感器,測力傳感器作為被測力（包括重力）的直接感受和一次轉(zhuǎn)換元件，廣泛應用于測力和稱重系統(tǒng)之中。測力傳感器的型式很多，根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理的不同，有電阻式、電感式、電容式、壓磁式、壓電式等類型。這里只對應用最為廣泛的電阻應變式傳感器進行扼要介紹。 一、電阻應變式測力傳感器的組成 電阻應變式測力傳感器的結構一般應具有以下幾個部分。,第五節(jié) 測力傳感器,（1）彈性元件。它是測力傳感器的本體及核心，在其工作表面粘貼電阻應變片，它們共同組成被測力的敏感元件，并作為被測對象傳力鏈中的一環(huán)。在被測力作用下，在彈性范圍內(nèi)，按虎克定律將被測力成比例地轉(zhuǎn)換為電壓，形成力值的信號源。彈性元件的型式和特性決定了整個傳感器的型式和特性。彈性元件一般由優(yōu)質(zhì)金屬材料制成。,第五節(jié) 測力傳感器,（2）加載裝置。它的作用是將被測力正確地施加在彈性元件的承載端，一般都帶有調(diào)位和均力功能，有時還具有排除干擾的能力。加載裝置的結構是根據(jù)傳感器的結構和受力方式而定。 （3）支承和固定裝置。作用是將彈性元件承受的被測力均勻而固定地傳遞給被測物傳力鏈中的其他零件或基礎，以保持傳感器的正確工作位置并形成穩(wěn)定的支承和約束條件。,第五節(jié) 測力傳感器,（4）外殼。包容在彈性元件外圍，往往帶有可靠的密封裝置，以防彈性元件及應變電路的機械損傷和受有害物的侵蝕。根據(jù)傳感器的結構和工作條件，外殼可與固定裝置合為一體。 (5)引線裝置。將彈性元件上應變電路的引線通過接線端子或接插件可靠地引出。,第五節(jié) 測力傳感器,此外，有些測力傳感器還帶有其他輔助環(huán)節(jié)，如潤滑裝置，冷卻裝置，預放大裝置等，圖3-20為壓力傳感器的一般結構。 1球面加載頭；2一上蓋；3一壓環(huán)；4一彈性元件；5一立變片；6一外殼；7一安裝螺孔，8一導線插頭,圖3-20 壓式測力傳感器結構圖,第五節(jié) 測力傳感器,二、常用的測力傳感器彈性元件 在設計電阻應變式測力傳感器的彈性元件時，需要確定它的強度（承載能力）、剛度、輸出電壓以及靈敏度等基本參數(shù)，它們是決定彈性元件幾何尺寸及技術性能的主要依據(jù)。下面介紹幾種常見的彈性元件。,第五節(jié) 測力傳感器,1、柱式彈性元件。這類彈性元件為一簡單截面的柱體，多為圓柱形、棱柱形及圓筒形 等（如圖3-21）。這種彈性元件結構簡單，加工方便，具有較大的強度和剛度，多用于稱重及拉力測量中。 以測拉（壓）力為目的時，拉（壓）力叫做測量載荷。,圖3-21 柱式彈性元件,第五節(jié) 測力傳感器,由于載荷的偏心或試件的精度偏差而產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)等載荷，這些載荷會干擾拉（壓）力測量載荷的精度，通常稱之為非測量載荷。柱形彈性元件尺寸較小，抗非測量載荷的性能較差，而圓筒形只要彈性元件幾何形狀和布片組橋合理與準確，就能夠較好地排除非測量載荷的影響。用于測拉（壓）的柱式彈性元件應變片的布置見圖3-22，可按半橋或全橋方式工作。,圖3-22 應變片在柱式彈性元件上的布片及組橋方式,第五節(jié) 測力傳感器,柱式彈性元件的彈性模量E、橫截面積A及高度H，在被測力P的作用下，當應變片按圖3-22配置組成全橋時，其電壓輸出為 可見，電橋的輸出電壓與力值成正比。,第五節(jié) 測力傳感器,（2）梁式彈性元件。按彎曲方式工作的梁式彈性元件，常做成固定端梁或懸臂梁式。它具有結構簡單、加工方便和靈敏度高等優(yōu)點，多用于小載荷的計量裝置。 固定端梁式彈性元件如圖3-23所示。,圖3-23 兩端固定彈性元件簡圖,第五節(jié) 測力傳感器,梁的長度、寬度和厚度分別為l、b、h，載荷P作用于梁的中間位置。當應變片沿梁的軸向兩兩平行地貼于梁的上下表面（距中間斷為x），并組成全橋時，其電壓輸出為 由上式可知，將應變片貼于梁的中間截面處，則有最高的電壓輸出。而當把應變片粘貼在x14處時，電橋輸出為零，因該處的彎矩為零，故應避免在此“死區(qū)”布片。,第五節(jié) 測力傳感器,具有一端固定并在自由端承受被測力的懸臂梁彈性元件，常做成等強度（變斷面）形式 如見圖3-24。,圖3-24 等強度懸臂梁彈性元件簡圖,第五節(jié) 測力傳感器,如果梁的工作長度、厚度及最大寬度分別為l、h、bmax。當懸臂梁加載端受載荷P時，應變片順軸向成對貼于梁的上下表面并組成全橋時，其電壓輸出為,第五節(jié) 測力傳感器,（3）彈性元件。隨著科研水平的提高，電子儀器的進步，對力傳感器的要求越來越高，人們除了要求其精度進一步提高外，還提出了抗偏心、抗側(cè)向力和抗過載能力等更高的要求。力傳感器長期以來采用的彈性元件多為簡單的柱式、筒式、梁式等。這是根據(jù)正應力與載荷成正比的關系來測量的。雖然這類結構也能獲得較高的精度，但由于它存在一些不易克服的缺點，,第五節(jié) 測力傳感器,阻礙了其性能的進一步提高。為獲得更高精度和更優(yōu)良的性能，從20世紀70年代開始已成功地研制出切應力傳感器。 圖3-25為輪輻式切應力傳感器的結構簡圖。這種傳感器像一個車輪，在輪圈和輪軸之間成對并相互對稱地聯(lián)結著輻條。當被測力P作用在輪軸時，在輪輻上產(chǎn)生與被測力成比例的切應力。,圖3-25 輪輻式切應力傳感器的結構簡圖,第五節(jié) 測力傳感器,此切應力能引起與中性軸成45方向的相互垂直的兩個正負正應力，即由切應力引起的拉應力和壓應力，通過測量拉應力或壓應力值就可知切應力值的大小。因此，在輪輻式傳感器中，把應變片貼在與切應力成45的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應變，不過該應變不是由彎矩產(chǎn)生,第五節(jié) 測力傳感器,的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點是抗過載能力強，能承受幾倍于額定量程的過載。此外其抗偏心、抗側(cè)向能力也較強，精度在0.1之內(nèi)。,第五節(jié) 測力傳感器,