应力应变测试技术讲稿.ppt
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1、关于应力应变测试技术第一页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 第一节第一节 电阻应变片电阻应变片 电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。电阻应变式传感器可分为金金属属电电阻阻应应变变片片式式与半半导体应变片式导体应变片式两类。第二页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝丝式式和箔箔式式
2、两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片(又 称电阻丝应变片)出现得 较早,现仍在广泛采用。其典型结构如图所示。把 一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等,直径0.025mm左右)绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出导线接于电路上。第三页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造,适于大批量生产。其线条均匀,尺寸准确,阻值用光刻技术制造,适于大批量生产。其线
3、条均匀,尺寸准确,阻值一致性好。箔片厚约一致性好。箔片厚约110m110m,散热好,粘结情况好,传递试件,散热好,粘结情况好,传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。第四页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 RlA 当当每每一一可可变变因因素素分分别别有有一一增增量量dl、dA和和d时时,所所引引起起的电阻增量为的电阻增量为:式中:式中:A=r2,r为电阻丝半径,为电阻丝半径,r3第五页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力
4、应变测试技术 电阻的相对变化率电阻的相对变化率 式中式中 -电阻丝轴线相对变形,或称纵向应变电阻丝轴线相对变形,或称纵向应变 -电阻丝轴线相对变形,或称横向应变电阻丝轴线相对变形,或称横向应变 当电阻丝沿轴向伸长时,必沿径向缩小,两者之间的关系为当电阻丝沿轴向伸长时,必沿径向缩小,两者之间的关系为 式中式中电阻丝材料的泊松比;电阻丝材料的泊松比;d电阻丝电阻率相对电阻丝电阻率相对变化,与电阻丝轴向所受正应力变化,与电阻丝轴向所受正应力有关。有关。第六页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 式中式中 E E 电阻丝材料的弹性模量;电阻
5、丝材料的弹性模量;压阻系数,与材质有关。压阻系数,与材质有关。从而得到:从而得到:第七页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术(1(1十十2)2)项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电阻材项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电阻材料,料,1 1十十22是常数。是常数。EE项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说,起的。对于金属电阻丝来说,EE是很小的,可忽略。上式可简化为:是很小的,可忽略。上式可简化为:上式表明了电阻相对变化率与应变成正比上式表明了电阻相对变化率与应
6、变成正比第八页,讲稿共四十六页哦 电阻应变片的应变系数或灵敏度电阻应变片的应变系数或灵敏度。用用于于制制造造电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻丝丝的的灵灵敏敏度度S S,多多在在1.73.61.73.6之之间。间。一一般般市市售售电电阻阻应应变变片片的的标标准准阻阻值值有有60、120、350、600和和1000等等。其其中中以以120为为最最常常用用。应应变变片片的的尺尺寸寸可可根根据使用要求来选定。据使用要求来选定。第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术第九页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测
7、试技术 二、半导体应变片二、半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。所所谓谓压压阻阻效效应应是是指指单单晶晶半半导导体体材材料料在在沿沿某某一一轴轴向向受受到到外外力力作用作用时,时,其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。从半导体物理可知,半导体在压力、温从半导体物理可知,半导体在压力、温度及光辐射作用下,能使其电阻率度及光辐射作用下,能使其电阻率发生发生很大变化。很大变化。分析表明,单晶半导体在外力作用下,原分析表明,单晶半导体在外力作用下,原子点阵排列规律发生变化,导致载流子迁移子点阵排列规律发生变化,导致载
8、流子迁移率及载流子浓度的变化,从而引起电阻率的率及载流子浓度的变化,从而引起电阻率的变化。变化。第十页,讲稿共四十六页哦 分分析析表表明明,单单晶晶半半导导体体在在外外力力作作用用下下,原原子子点点阵阵排排列列规规律律发发生生变变化化,导导致致载载流流子子迁迁移移率率及及载载流流子子浓浓度度的的变变化化,从从而引起电阻率的变化。而引起电阻率的变化。(1(1十十2)2)项项是是由由几几何何尺尺寸寸变变化化引引起起的的,EE是是由由于于电电阻阻率率变变化化而而引引起起的的。对对半半导导体体面面言言,后后者者远远远远大大于于前前者者,它它是半导体应变片电阻变化的主要部分,故上式可简化为是半导体应变片
9、电阻变化的主要部分,故上式可简化为 第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术第十一页,讲稿共四十六页哦第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 半导体应变片灵敏度半导体应变片灵敏度 这一数值比金属丝电阻应变片大这一数值比金属丝电阻应变片大50一一70倍。倍。半导体应变片半导体应变片优点优点:灵敏度高,机械滞后小、横向效应小、体积小等。:灵敏度高,机械滞后小、横向效应小、体积小等。缺点缺点:温度稳定性能差、灵敏度分散度大:温度稳定性能差、灵敏度分散度大(由于晶向、杂质等因由于晶向、杂质等因素的影响素的影响)以及在较大
10、应变作用下,非线性误差大等,这些缺点以及在较大应变作用下,非线性误差大等,这些缺点给使用带来一定困难。给使用带来一定困难。应变片的后续电路为电桥电路。应变片的后续电路为电桥电路。第十二页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性一一 横向效应横向效应二二 温度误差及其补偿温度误差及其补偿第十三页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术(一)横向效应(一)横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段:沿轴向拉应变
11、,电阻圆弧段:沿轴向压应变r 电阻 Kl lr回线式应变片敏感栅半圆弧形部分b O lrrdld0第十四页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分,从而应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分,从而降低了整个电阻应变片的灵敏度,带来测量误差,其大小与敏感栅的构降低了整个电阻应变片的灵敏度,带来测量误差,其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长,而横栅愈宽、愈短,则横向造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长,而横栅愈宽、愈短,则横向效应的影响愈小。效
12、应的影响愈小。第十五页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术(二)温度误差及其补偿(二)温度误差及其补偿 1 1、敏敏感感栅栅电电阻阻随随温温度度的的变变化化引引起起的的误误差差。当当环环境境温温度度变变化化t t 时时,敏敏感感栅栅材材料料电电阻阻温温度度系系数数为为 ,则则引引起起的的电电阻阻相对变化为相对变化为2 2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t t时,因试时,因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同,应变片将产生附加件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同,应变片将产生附
13、加拉长(或压缩),引起的电阻相对变化拉长(或压缩),引起的电阻相对变化 温度温度误差误差 第十六页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术相应的虚假应变输出相应的虚假应变输出可得由于温度变化而引起的总电阻变化为可得由于温度变化而引起的总电阻变化为第十七页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术温度补偿温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 第十八页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要
14、特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术 电桥补偿法电桥补偿法 R1+RRb-RU0R1RR4R3URbR被测试件补偿块第十九页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性应变片的主要特性第七章第七章 应力应变测试技术应力应变测试技术电桥补偿法电桥补偿法优点:简单、方便,在常温下补偿效果较好,优点:简单、方便,在常温下补偿效果较好,缺点:在温度变化梯度较大的条件下,很难做到工作缺点:在温度变化梯度较大的条件下,很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况,因而影响补片与补偿片处于温度完全一致的情况,因而影响补偿效果。偿效果。第二十页,讲稿共四十六页哦第二节第二节 应变片的主要特性
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