三、应变片的灵敏系数和横向效应
• 横向效应 • 应变片灵敏系数(即 灵敏度)k定义为：把 • 当材料产生纵向应变ε x 时，由于横向效应，将 应变片粘贴在处于单 在其横向产生一个与纵 向应力状态的试件表 向应变符号相反的横向 应变ε y＝-μ ε x，因此， 面，使其敏感栅纵向 应变片上横向部分的线 中心线与应力方向平 栅与纵向部分的线栅产 行时，应变片电阻值 生的电阻变化符号相反， 使应变片的总电阻变化 的相对变化与沿其纵 量减小，此种现象称为 向的应变ε x之比值， 应变片的横向效应，用 即 横向效应系数H来描述。 dR • k R
五、应变片的选用
• 1、按工作环境选用 温度（低温、常温、高温）；湿度；使用时间 • 2．按被测物的材料性质选用 材料的粗糙度（玻璃、混泥土）与基长有关 • 3．按被测试件的受力状态和应变性质选用 单向受力、复杂受力（应变花）；应变场变化梯度； 长时动态应变（选高阻值短基长应变片以提高信噪比 和频率响应特性） • 4．按测量精度选用 • 一般选纸基片；要求高时选胶基片；测试线路中有电 阻随机源时选高阻值片

四、应变片的工作特性
• 1．应变片的尺寸 栅长×栅宽 基长×基宽 • 2 ．应变片的电阻 标称电阻 60Ω 、 120Ω 、 350Ω 、 500Ω 、 1000Ω • 3．机械滞后量(Zf) 加载和卸载时对于同一载荷的应变差。 • 4．零点漂移(p)和蠕变(θ) 外载不变，温度不变而应变随 时间改变的现象。 • 5．应变极限 在常温下能正确反映测点应变的最大值。一 般应变极限值在6000με～10000με之间。 • 6．绝缘电阻(Rm) • 7．疲劳寿命(N) 在测点有±1500 με交应变作用下，应变 片连续工作不损坏的最高循环次数。一般106次。 • 8．最大工作电流
桥臂四个电阻Rl＝R2＝R3＝R4＝R，此称等臂电桥。 等臂电桥单臂工作时的情况 ： 设Rl为工作应变片，当试件受力作用产生应变时， 其阻值有一增量△ R ，此时，桥路就不平衡，产 生输出电压，由于△R<<R ，输出电压为：
U BD
R 1 .E kE 4R 4
基本关系式表明：等臂电桥的输出电压与应变在 一定范围内成线性关系。
非等臂电桥四臂工作时： 设电桥四臂均为工作应变片，其电阻为Rl，R2，R3，R4， 当应变片未受力时，电桥处于平衡状态，电桥输出电压 为零。当受力后，电桥四臂都产生电阻变化分别为△R1, △R2, △R3及△R3 R1 R4 R2 E ( R1 R2 )( R3 R4 )
§3—2 应变测量电路
• 第一次转换－应变片将应变信号转换成电阻相对变 化量。 • 第二次转换－应变基本测量电路则是将电阻相对变 化量再转换成电压或电流信号，以便显示、记录和 处理。 • 电阻应变仪 －应变测量电路 ：通常转换后的信号很 微弱，必须经调制、放大、解调、滤波等变换环节 才能获得所需的信号 。 • 惠斯登电桥电路 －按电源供电方式分，分直流电桥 和交流电桥。电桥电路可有效地测量10-3～10-6数量 级的微小电阻变化率，且精度很高，稳定性好，易 于进行温度补偿，所以，在电阻应变仪和应变测量 中应用极广。
第三章 电阻应变测量技术
• 基本原理：弹性元件受力变形→应变片 电阻改变→测量电路（应变仪）→应变 • 应变片：将弹性材料的变形（应变）转 变为电阻变化的传感器。 • 主要特点：灵敏度和精度高；测量范围 广；输出为电信号；容易掌握。
§3—1 电阻应变片
一、应变片的构造和工作原理 1.构造
2.工作原理
R ③ 电源对称电桥： Rl＝R4，R2＝R3 ，并令 R2 3 R1 R4
则其电压输出为
U BD
R1 R2 R3 R4 kE E ( ) ( 1 2 3 4 ) 2 2 R1 R2 R3 R4 (1 ) (1 )
金属丝的电阻应变效应：
dR k 0 R
金属丝的电阻相对变化率与应变成正比。 k0 为金属丝对应变的灵敏度
二、应变片的类型
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•
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• •
1．金属丝式应变片 丝绕式、短接式 直径 0.02~0.05mm的镍铬合金或康铜 (Ni,Cu) 丝经丝绕机绕成栅状。短接式敏感栅轴 向为平行排列的电阻丝，横向是由粗宽而电阻率小的金属丝焊接而成。 2．箔式应变片 在厚度0.003～0.01mm的合金箔的一面涂胶形成胶基，另一面涂感光材料，经照 相制版、光刻腐蚀法形成敏感栅，最后在表面涂一层胶膜保护层制成。 形状尺寸精密，箔材宽平易于粘贴，散热性好，横向系数小。 3．半导体电阻片 用锗或硅等半导体材料根据其压阻效应制成。灵敏系数大，横向系数小，体积小、 机械滞后小，频率响应高、频带宽。用于微小应变、高频超高频动态应变测量。 热稳定性差。 压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化。 dρ/ρ=πeσ=πeEε 4．应变花 在一个基底上按一定角度排列几个敏感栅制成的应变片。用于测量一点几个方向的 应变，从而获得平面应力状态下一点的主应变和方向。 5．应力电阻片 应变片的横向应变与纵向应变之比设计成材料的泊松比μ，应变仪读数既为纯纵 向应变，乘以弹模E可得应力。
一、直流电桥
由四个电阻Rl，R2， R3，R4，组 成四个桥臂； A ， C 为供桥端， 接电压为E的直流电源，B，D为 输出端，电桥的输出电压为
U BD
R1 R3 R2 R4 .E ( R1 R2 )( R3 R4 )
当UBD＝0时，电桥处于平衡状 态，故电桥的平衡条件为 R1R3-R2R4=0 或 R1 R2 R4 R3
忽略二阶微量，△R ·△ R ＝0
根据三种桥臂配置情况进行分析： ① 全等臂电桥，即，Rl＝R2＝R3＝R4＝R， 其电压输 出为
U BD E R1 R2 R3 R4 kE ( ) ( 1 2 3 4 ) 4 R1 R2 R3 R4 4
② 输出对称电桥： Rl＝R2，R3＝R4 ，其电压输出与全 等臂电桥相同。