应变片应用技术说课讲解.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。应变片应用技术-应变片应用技术简介摘要：应变片是应变测量中常用的测试工具，应变片主要应用于传感器。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。关键词：应变片传感器应变测量一、应变片的分类1金属电阻应变片金属电阻应变片分为丝式、箔式，薄膜式三种。金属丝电阻应变片的典型结构见图。

2、它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。2.薄膜式应变片薄膜式应变片的敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的。其厚度一般在0.1m以下。实际上，通常是将薄膜式应变片与传感器的弹性体制成一个不可分割的整体，亦即在传感器弹性体的应变敏感部位表面上首先沉积形成很薄的绝缘层，然后在其上面沉积薄膜应变片的图形，然后再覆上一层保护层。由于薄膜式

3、应变片与传感器的弹性体之间只有一层超薄绝缘层（厚度仅为几个纳米），很容易通过弹性体散热，因此允许通过比其他种类应变片更大的电流，并可以获得更高的输出和更佳的稳定性。3.半导体应变片（1）体型半导体应变片这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体应变片可分为6种。普通型:它适合于一般应力测量；温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；高输出（高电阻）型：它的阻值很高（210千欧）,可接

4、成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。超线性型:它在比较宽的应力范围内,呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；P-N组合温度补偿型:它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。（2）薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制成的。它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变片。薄膜型半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片的优点，并避免了它的缺点，是一种较理想

5、的应变片。二、应变片的应用1电阻应变片的选择电阻应变片应具有的基本特性（1）具有适当的线性灵敏系数，并且稳定性较高；（2）具有蠕变自补偿功能；（3）具有小的电阻温度系数，热输出小，零点漂移小；（4）横向效应系数小，机械滞后小，疲劳寿命高；（5）具有较好的稳定性、重复性，并且能够在较宽的温度范围内工作；（6）适用于动态和静态测量。满足以上要求的电阻应变片的种类很多，具体选用时还要根据弹性体的结构、应力状态、材料、使用环境条件、以及电阻应变片的阻值、尺寸、蠕变匹配等因素，综合考虑选用合适的应变片。2应变片结构形式的选择根据应变测量的目的、被测试件的材料和其应力状态以及测量精度，选择应变片的形式，对

6、于测试点应力状态是一维应力的结构，可以选用单轴应变片，已经知道主应力方向的二维应力结构，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致，如主应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花。对于传感器设计来说，应变片的形式主要决定于弹性体的结构，如柱式、板环、双孔平行梁等弹性体，他们采样正应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片。另外象剪切桥式、轮辐式、剪切悬臂式、三梁剪切式弹性体一般使用双轴45应变片。平膜片压力传感器多采用全桥圆形应变片。3应变片尺寸的选择选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。若材质均匀、应力剃度大，应选用栅长小的应变片，若材质不均匀而强度不

7、等的材料（如混凝土）或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片。对于冲击载荷或高频动荷作用下的应变测量，还要考虑应变片的响应频率，如下表所示。一般来说，应变片丝栅越小，测量精度越高，越能正确反映出被测量点的真实应变，因此，在加工精度可以保证的情况下，综合考虑各种因素影响，应变片的栅长小一些比大一些好。4电阻值的选择国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、1000欧，目前传感器生产中大多选择350欧的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，大阻值应变片应用越来越广。并且大阻值应变片在测力应用范围，特别是材料试验机用的负荷传

8、感器，由于传感器的零飘特性，对测量精度影响极大，而高阻值（如1000G）应变片，不仅可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器的长期稳定性，而且再要求告分辨率的电子天平重应用也是非常有利的。因此，在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。5使用温度的选择使用环境温度对应变片的影响很大，应根据使用温度选用不同丝栅材料的应变片，国家标准中规定的常温应变片使用温度为3060C。一般康铜合金的最高使用温度为300C卡玛合金为450C，铁镍铝合金可以达到7001000C。常温应变片一般采用康铜制造，在应变片型号中省略使用温度。如果需要高温应变片需特别说明。由于基底材料和粘接胶的

9、限制，目前中温箔式电阻应变片一般都使用卡玛合金制作200250C左右的中温应变片。三、电阻应变片及电阻应变片式传感器在各个领域的应用电阻应变片式传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数，一般来说，电阻应变片式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，适合动态测量。现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。下面进行详细的描述。1电阻应变测试技术在土木工程中的应用应变计电测作为一种无损检测技术在各类工程结构中得到广泛应用。但是电阻应变片的测试结果受温度、湿度、导线长短等环境因素的影响极大。如何处理好这些问题是电阻应变片在土木工程中应用的关键。应变计电测使用电阻应变片可分为两种方法，一种是将

10、应变片直接粘贴在某一受载零件表面上进行测量。这种方法简单，但不够精确。另一种方法是将应变片粘贴在弹性元件上制成传感器，受载后建立载荷与电阻变化间的函数关系，通过预先确定的载荷标定曲线获得测量的载荷值。所获的的测量结果比较准确。2测定载荷各种结构物工作运行中要承受各种外力的作应，工程上将这些外力称为载荷。载荷是进行强度和刚度计算得主要依据。通常在设计时确定载荷有三种办法。即类比法、计算法和实测法。下面介绍实测法中的电阻应变法测定载荷。电阻应变法测定载荷的方法是利用由应变片、应变仪和指示记录器组成的测量系统进行载荷值的测量。先将应变片粘贴在零件或传感器上，在零件受载变形后应变片中的电阻随之发生变化

11、，经应变仪组成的测量电桥使电阻值的变化转换成电压信号并加以放大，最后经指示器或记录器显示出与载荷成比例变化的曲线，通过标定就可以得到所需数据值的大小。这种方法现已广泛应用于各种构造物的载荷测定，如船闸、桥梁以及房屋建筑等工程领域。3智能健康监测大型、重要的土木工程结构，如桥梁、超高层建筑、电视塔、水坝、核电站、海洋采油平台等，其服役期长达几十年甚至上百年，在疲劳、腐蚀效应及材料老化等不利因素影响下，不可避免的产生损伤累计甚至产生突发事故。虽然一些事故发生前出现了漏洞、塌陷、开裂等征兆，但因缺乏报警监测系统，无法避免事故的发生。因此，对现存的重要结构和设施进行健康检测，评价其安全状况，修复、控制

12、损伤及在新建结构和设施中增设长期的健康检测系统已成为必须，目前，钢筋结构的应变监测普遍测用电阻应变片，将之粘贴在结构表面或受理筋上后买入砼内，对钢筋砼结构进行实时/在线的智能健康监测。4存在的问题对于一些大体积砼结构而言，有体积大、受力变形相对较小的特征，往往会出现环境因素影响掩盖了结构的真实变形，使得应变片不能反映结构的真实受力状况。为了避免这种现象，在检测期间以及检测之前的准备过程中就应该采取一些措施，尽可能减小外界环境的影响，或者有效地将环境影响与结构变形区分开来，以保证检测结果的可靠性。其中较为明显的问题一般出在长导线电阻的影响和潮湿环境的影响。检测体积庞大的大型结构时，观测点数量相当

13、多，连接应变片与应变仪之间的导线一般都很长，导线电阻的影响不容忽视。检测潮湿环境下的工程界构或桥梁水下结构部位时，应变片的防潮。防水时保证量测结果可靠性的一个关键问题。四、应变片工程应用中的常见问题分析（一）、漂移应变片在使用中最常见的现象是漂移，即无应变信号时输出电压的基线移动，我们称之为零漂，零漂产生的原因大致有如下几种：1、桥路电压偏大应变片可以组成各种桥路形式，供桥电压简称桥压，供桥电压是根据应变片阻值来确定，如工程中常用120应变片测试，桥压可设定为2V，这样流过应变片的电流为8mA。由于桥压与输出灵敏度成正比关系，有时工程技术人员为了提高灵敏度而提高供桥电压，应该注意尽量不能超过2

14、0mA工作电流，否则会产生漂移。2、绝缘电阻的影响应变片的绝缘电阻就是应变片敏感栅与被测构件之间的电阻，一般在11011，如果绝缘电阻降低，敏感栅与构件之间会产生漏电流，这就是漂移，产生漂移的因素有哪些？如何解决？(1)应变片的受潮易造成绝缘电阻下降，这是在长期监测过程中极易产生的现象。现场环境湿度大，可在应变片粘贴后加覆703硅胶，这样水汽入侵产生的影响会大大降低。(2)助焊剂未能清洗干净。助焊剂如松香类吸附性好，容易产生杂质的吸附。(3)应变片被刺破。这是在贴片过程和贴片以后易产生的现象，应注意构件打磨和应变片防护。(4)应变片焊接过程将基底击穿，造成绝缘下降。焊接应快速或短时间多次。(5

15、)贴片过程产生的影响，如贴片过程中虚空现象，造成应变片加压（电压）时局部热量增加，桥路不平衡所至；敏感栅与基底脱离，敏感栅会产生扭曲现象，从而使敏感栅散热不匀，同样使桥路不平衡产生漂移。（二）、干扰的排除应变测量中经常有干扰存在，干扰产生的因素较多，有磁电干扰，有地系统原因，甚至有不明因素所致，本文只讨论由应变片产生的干扰因素。1、应变片常用的被测对象有金属结构和混凝土结构，如果应变片贴在金属结构上（哪怕极小的构件），干扰信号会由金属物传递给应变片，给整个测试带来干扰，可在金属物上接地线，减小干扰影响。2、动态应变仪的应变片与桥盒之间的导线应区别于静态应变测量。静态应变测试几乎都是用双绞电缆线

16、，而动态应变仪则要用屏蔽电缆，而且电缆的外屏蔽线要与桥盒地相连。以上两点是解决现场干扰的有效措施。（三）、贴片后阻值异常应变片在贴片后会有阻值产生微小变化，但如果应变片的阻值变化很大，就是异常现象，要铲掉重贴，产生这种现象产生的原因大致有如下几点。1、固化时加压不均匀，造成应变片敏感栅变形，应注意加压的夹具及工装要配合规范，使受力均匀。2、固化时施加的压力过大，推荐加压范围在0.15Mpa0.3Mpa。3、应变片工作一段时间其阻值改变，可能是粘贴层脱落、应变片粘贴虚空、焊接处不可靠所至，这要注意粘贴工艺和焊接方法即可克服。要注意铲除应变片后应注意清洗、打磨工作。四、小结以上从大体上讨论了选用电阻应变片时应主要考虑的地方，但这些只是诸多因素中的一部分，还有许多因素需要结合具体情况加以考虑。电阻应变测试技术在各个领域的应用越来越广，但是也应该看到，这种技术还不完善，还存在很多问题有待解决。但是随着材料科学和工艺技术的发展，电阻应变片的应用前景一定越来越广。-