第3-3章应力应变测量(电阻应变测量技术)
应力应变测量 PPT课件
第一节 电阻应变片
(4)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压阻效应。 所谓压阻效应是指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发生变化的现象。
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ρ 发生很大变化。实现温度来自偿的条件为tt
K0
(g
s )t
0
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
K0(g s )
即可达到温度自补偿的目的。
优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。
第二节 应变片的主要特性
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成
1、弯矩M的测量 测弯矩的贴片与接桥如右图所示，R1=R2=R，电阻增量△R0：
R0 R1 R2 KR1( P M ) KR2 ( P M ) 2KR M
相对电阻的增量为：
R0 R0
2KR M
R
2K M
仪器的应变读数为：
ˆ
R0 / R0 Kˆ
2 M
M
EW M
EW
ˆM
2
(取Kˆ K )
BK-2S称重传感器
产品详细介绍 采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉 、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用 于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力 、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 380±20Ω 输出阻抗 350±10Ω 绝缘电阻 ≥2000MΩ 工作温度 -10~+50℃
dR (1 2)
R
应力检测原理
应力检测原理
应力检测原理是通过测量物体受力后产生的形变或应变来判断其受力状态的一种测试方法。
在实际应用中，常用的应力检测原理包括电阻应变片原理、应变计原理和激光干涉法原理。
首先，电阻应变片是一种具有性能稳定、可重复使用的应力测量元件。
它通过在应力作用下形成电阻值变化，来间接反映物体的应变情况。
当物体受到压力或拉伸时，电阻应变片会随之发生形变，进而改变其电阻值。
通过测量电阻的变化，可以推算出物体所受的应力。
其次，应变计原理是一种更加直接的应力测量方法。
应变计是一种高精度的电阻应变元件，通过粘贴在被测物体的表面，当物体受到力的作用时，应变计会产生应变，并且应变的大小与物体所受的应力成正比。
应变计内部具有电阻，通过测量电阻的变化，可以获得物体所受的应力值。
最后，激光干涉法原理是一种非接触、高精度的应力测量方法。
该方法利用激光的干涉原理，通过激光束的反射和干涉，测量物体表面形变的微小位移。
物体在受力作用下会出现形变，根据形变产生的位移，可以计算出物体所受的应力大小。
以上是常用的应力检测原理，通过采用合适的测量原理，可以准确地判断物体受力状态，为工程设计和科学研究提供重要数据支持。
电阻应变计的原理及使用
2 应变片尺寸小,重量轻,安装方便(粘 贴),对试件的工作状态和应力分布影 响很小。
3 频率响应快,机械滞后小。
如:电阻应变片响应时间为10-7S
半导体应变计的响应时间为10-11 S
即构件应变立即传递给应变片。
可以测量静态到动态或冲击下的动 应变。
4 可在恶劣环境下测量 如高速旋转,高温,低湿,深水,强
电阻应变测量 电容应变测量 电感应变测量
（五）、优点
1 测量精度高,量程大（应变仪上所读出的 最大应变值）,灵敏度高（应变仪上所读 出的最小应变值.一般应变片:1微应变）； 标距（任何类型的应变计都不能测出一点 的应变）（箔式应变片:0.2毫米）
半导体应变片：0.1微应变. 测量范围:±20000(微应变); 对高灵敏度测量系统可测取10-2 量级的微
间的关系
应变极限：加载，当应变片的指示应变与 试件实际应变的相对误差小于10％时，试 件的应变为应变极限
绝缘电阻：应变片引出线与安装应 变片的构件之间的电阻值（50－200 兆欧姆）
疲劳极限：恒定的交变载荷下，不 使应变片产生破坏的循环次数。
应变片电阻：没有安装，不受力时 测量电阻。
造 基 本 相
同
按敏感栅材料分：
金属电阻应变计 , 半导体应变计
金属电阻应变计又分： 工作温度
常温应变计（－30C～＋60C）， 低温应变计（低于－30C） 中温应变计（－30C～350C）， 高温应变计（350C以上）
敏感栅制造方法：
丝式应变计， 箔式应变计，
敏感栅结构：
单轴应变计； 多轴应变计（应变花）；
半导体应变片
半导体应变片的敏感栅为半导 体，灵敏系数高，用数字欧姆 表就能测出它的电阻变化，可 作为高灵敏度传感器的敏感元 件。
结构静载试验-第3节应变测试技术汇总.
⑵ε:σ=Eε=Mh/2I f=ML2/3EI ε=3hf/2L2 =0.0005 ⑶K: K=△R/R/ε=2.0
① ②
2、电阻应变片的构造
敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。 基底:纸基和胶基 覆盖层 引出线
电阻应变片构造示意图 1.引出线 2.敏感栅 3.覆盖层 4.基底层
3、电阻应变片的种类及分类
按敏感栅所用材料分类：金属电阻应变片（金属 丝式应变片、箔式应变片、薄膜应变片）和半导 体应变片； 按敏感栅结构的形状分类： 单轴和多轴（应变花） 按应变片的工作温度： 低温片（低于-30℃）、常温片（-30～60℃） 中温片（60～350℃）、高温片（350℃以上） 按基底材料：胶基和纸基
三、应变测试技术
为什么要进行结构应变测试
在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同部 位的应力值是评定结构工作状态的重要指标，也 是建立结构理论的重要依据。 但是，目前直接测定构件截面的应力值还没有较 好的方法，一般方法是先测定应变，而后通过 σ=Eε的关系间接测定应力，或由已知的σ-ε 关系曲线查得应力。 应变量测在工程结构试验量测中有极其重要的地 位。应变量测往往还是其他物理量量测的基础。
第三章 结构静载试验
结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验 中使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试 元件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中 观测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度 与分布、破坏或失稳形态等。 一、静载试验加载设备 二、试验装置的支座设计 三、应变测试技术 四、静载试验用仪器仪表 五、静载试验准备与实施 六、结构静载试验示例
（二）电测法
电测法（非电量的电测技术） 在测量过程中，常将某些物理量（如长度）发生 的变化，先变换为电参量的变化，然后用量电器 进行量测，这种方法称为电测法。 在结构试验中，因结构受外荷载或受温度及约束 等原因而产生应变，应变为机械量（即非电量） ，用量电器量测非电量，首先必须把非电量（应 变）转换成电量的变化，然后才能用量电器量测 。量测由应变引起的电量变化称为应变电测法。
应变测试方法
应变测试方法电阻应变测试1.电阻应变测量技术是用电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应力—应变关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。
用电阻应变片测量应变的过程：2.分类：（1）静态测量：对永远恒定的载荷或短时间稳定的载荷的测量。
（2）动态测量：对载荷在2～1200HZ范围内变化的测量。
3.电阻应变测量方法的优点（1）测量灵敏度和精度高。
其最小应变读数为1με（微应变，1με=10-6 ε）在常温测量时精度可达1~2%。
（2）测量范围广。
可测1με~20000με。
（3）频率响应好。
可以测量从静态到数十万赫的动态应变。
（4）应变片尺寸小，重量轻。
最小的应变片栅长可短到0.178毫米，安装方便，不会影响构件的应力状态。
（5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。
（6）可在各种复杂环境下测量。
如高、低温、高速旋转、强磁场等环境测量。
4.电阻应变测量方法的缺点（1）只能测量构件的表面应变，而不能测构件的内部应变。
（2）一个应变片只能测构件表面一个点沿某个方向的应变，而不能进行全域性测量。
电阻应变片1.电阻应变片的工作原理由物理学可知：金属导线的电阻率为当金属导线沿其轴线方向受力变形时（伸长或缩短），电阻值会随之发生变化（增大或减小），这种现象就称为电阻应变效应。
将上式取对数并微分，得：2.电阻应变片的构造电阻应变片由敏感栅、引线、基底、盖层、粘结剂组成。
其构造如图所示L R=A ρdR d dL dA R L A ρρ=+-dR d (12)R ρμερ=++3.电阻应变片的分类电阻应变片按敏感栅材料不同可分为金属电阻应变片和半导体应变片。
其中金属电阻应变片分为：(1)丝绕式应变片:敏感栅是用直径为0.01~0.05毫米的铜镍合金或镍铬绕制而成。
优点：基底、盖层均为纸做成，价格便宜，易安装。
缺点：其横向效应大，测量精度较差，应变片性能分散。
(2)短接式应变片:将金属丝平行排成栅状，端部用粗丝焊接而成。
第三章 结构应力测试.
l R A
dR d dl dA 2 R l A
由于应变片和结构粘贴在一起，当结构伸长或缩短时，其长度也会发生
变化，从而引起应变片电阻的变化，电阻变化会引起电路中电压变化，通
过测试仪器，可测得此电压变化。
电阻丝的横截面为圆形，式中
dA 2dD A D
1 A D 2 4
,D为电阻丝的直径，
由材料力学得知：轴向应变和横向应变的关系为：
dD dL D L dA dL 2 2 A L
dR d d dL (1 2 ) （ 1 2 / ) K 0 R L
K0的物理含义：单位应变引起的相对电阻变化率。为电阻应变片的 灵敏系数，一般在1.7-3.6间。
载后读数为1900HZ，下翼缘钢弦初始读数为2150HZ、加载后读数为2200HZ，
根据胡克定律σ=ε·E，得到上下翼缘的应力：
上翼缘：σ=ε·E= -448.5×10-6×3.5×104=-15.7MPa 上翼缘：σ=ε·E= 154.4×10-6×3.5×104=5.4MPa 答：上、下翼缘应力增量分别为-15.7MPa、5.4MPa
内置钢弦结构：钢弦、引出线；
2、钢弦传感器测试应变原理
钢弦传感器是一种间接测量仪器，其测试原理是通过测试两端固定 钢弦的频率，通过事先标定的钢弦频率与其应变的关系值得到混凝土的 应变，再根据混凝土弹性模量换算出混凝土应力。钢弦式应变传感器工 作原理是：在微幅振动条件下，钢弦的自振频率与钢弦应力有如下关系：
1 U BD UK 1 4
1 U UK ( 1 2 ) 当电桥为半桥时， BD 4
若将R1、R2、R3、R4看成四个应变片，组成全桥接法，根据基尔霍夫定
第3-3章 应力应变测量(电阻应变测量技术)
温度自补偿应变片法：通过对应变片的敏感栅材料和制造 工艺上采取措施，使其在一定温度范围内的ΔRt=0，该
方法常用于中、高温下的应变测量；
桥路补偿法：用于常温下。是通过布片和桥接的方法消除 温度影响。
3）桥路补偿法：
补偿块补偿法 工作片补偿法
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§3-3应变（应力）测量
二、 温度补偿
3）桥路补偿法：
补偿块补偿法：图a构件上的工作片和补偿块上的补偿片，接成板桥(图C）， 桥臂R1为工作片，桥臂R2为温度补偿应变片，阻值R1=R2，k也相同，粘贴工艺 也相同，处于相同温度场中，但补偿块不受力，故温度变化导致R1和R2的阻值 变化相同，根据电桥(相减)特性，电桥不会因温度变化而输出。故可消除温度 影响。
贴在主应力方向，而补偿片R3、R4贴在不受力的补偿块上，分别测出σ1、σ2方向 的应变ε1、ε2，可用下式计算
E 1 2 1 2 1 E 2 2 1 2 1
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σ2 ε2
ε1
ε3 ε4
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§3-3应变（应力）测量
3. 主应力方向未知的平面应力测量
从而求出主应力及其方向
E ( x y ) x 2 1 E ( y x ) y 2 1 E xy xy 2(1 )
臂，电桥测试精度提高了一倍。在两贴片位置的应变关系已知时，
可采用此法。
仪＝1 2 3 4
当单纯补偿片所用的补偿板和待测材 料不同时， 产生的虚假应变值εf为多大？
应力与应变测量方法及应用
应力与应变测量方法及应用应力与应变测量是工程学中非常重要的分析方法，能够帮助工程师评估材料和结构在外部力作用下的性能表现。
本文将介绍一些常用的应力与应变测量方法及其应用。
一、应力与应变测量方法1. 电阻应变计法电阻应变计是最常用的应变测量方法之一。
应变计的基本原理是应变导致电阻变化，通过测量电阻变化来间接测量应变。
常见的电阻应变计有金属应变计和半导体应变计。
金属应变计主要适用于动态应变测量，而半导体应变计适用于静态及高温应变测量。
电阻应变计的优点是精度高、灵敏度高，但也有一些限制，比如灵敏度容易受到温度的影响。
2. 光弹性法光弹性法是一种通过利用光的干涉原理来测量应力和应变的方法。
光弹性法常用的设备有两种，一种是维尔贝克(Disc-more)干涉条纹法，另一种是技巧干涉条纹法。
这两种方法都是基于光束的干涉现象，通过观察并记录干涉条纹的变化来推算出应力和应变的分布情况。
光弹性法的优点是非接触性，适用于复杂形状和高温等特殊条件下的应变测量。
3. 应变片法应变片是利用压电效应材料制成的一种应变测量器件，常用的应变片有金属应变片和陶瓷应变片。
应变片通过自身形变来实现应变的测量，通过测量应变片的电荷输出或形变量的变化来推算应变。
应变片法的优点是响应速度快、测量范围广，适用于各种应变测量场景。
二、应力与应变测量的应用1. 材料性能评估与选择应力与应变测量可以帮助工程师评估材料的力学性能，并为材料的选择提供依据。
通过测量应力和应变，可以计算出弹性模量、屈服强度、断裂韧性等重要参数，从而判断材料是否满足工程设计要求。
2. 结构设计与优化在结构设计中，应力与应变测量可以帮助工程师评估结构的稳定性和安全性。
通过测量结构内部的应力分布和应变变化，可以发现潜在的结构问题，并进行必要的优化和改进，从而提高结构的可靠性和性能。
3. 动态加载分析应力与应变测量在动态加载分析中也有广泛的应用，可以用于研究冲击、爆炸、振动等动力载荷下的材料和结构响应。
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应变，则该点主应力为 E
（2）若被测点是二向应力状态，且其应力σ1、σ2方向已知，工作应变片R1和R2 贴在主应力方向，而补偿片R3、R4贴在不受力的补偿块上，分别测出σ1、σ2方向 的应变ε1、ε2，可用下式计算
1
E
1 2
1
2
2
E
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2
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σ2 ε2
ε1
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§3-3应变（应力）测量
3. 主应力方向未知的平面应力测量
在同一部位三个方向布设应变片，只要测得三个方向的线应变εα、 εβ、 εγ (下式) ，就可通过下列方程组求出σx、σy、τxy。
γ
x x
cos 2 cos 2
§3-3应变（应力）测量
根据被测对象的应力状态，选择测点和布置应变片和合理接桥是实测时应 首先解决的问题。 1 布片和桥接的一般原则
➢ 力学：首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应力最大、 最能反映力学规律的点贴片。
➢ 电路：利用结构对称点，利用电桥的加减特性，合理选择贴片位置、 方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、提高灵敏度、降低非线性误 差和消除其他影响因素的目的。
连接，组成测量电路，接入应变仪。
全桥接法：电桥四个臂均由应变片构成。消除导线电阻的影响， 提高灵敏度。工作应变片组成的全桥与桥盒的1、2、3、4接线柱相连，此测量电路通过电桥盒接入
应变仪。
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§3-3应变（应力）测量
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§3-3应变（应力）测量
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§3-3应变（应力）测量
二、 温度补偿
3）桥路补偿法：
补偿块补偿法：图a构件上的工作片和补偿块上的补偿片，接成板桥(图C）， 桥臂R1为工作片，桥臂R2为温度补偿应变片，阻值R1=R2，k也相同，粘贴 工艺也相同，处于相同温度场中，但补偿块不受力，故温度变化导致R1和R2 的阻值变化相同，根据电桥(相减)特性，电桥不会因温度变化而输出。故可消 除温度影响。
提高电桥的输出.
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§3-3应变（应力）测量
②全桥四片测拉压：图为圆柱体偏心受拉，接成全桥，各
桥臂阻值变化为：
△R1=△RP+ △ RW+△R1t △R2=-μ△RP－ μ △ RW+△R2t △R3=△RP－ △ RW+△R3t △R4=-μ△RP＋ μ△RW+△R4t
➢ 荷载测量：避开应力——应。
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§3-3应变（应力）测量
一、 布片和接桥
组成的测量电桥：半桥接法和全桥接法。 半桥接法：两个应变片作电桥的相邻臂，另两臂用应变仪电桥盒
中精密无感电阻。工作半桥与桥盒的1、2、3接线柱相连，并通过短接片与电桥盒中精密无感电阻
y y
sin2 sin2
xy xy
sin sin
cos cos
x cos 2
y
sin2
xy sin
cos
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§3-3应变（应力）测量
3. 主应力方向未知的平面应力测量
2）温度补偿方法 ➢ 温度自补偿应变片法：通过对应变片的敏感栅材料和制造 工艺上采取措施，使其在一定温度范围内的ΔRt=0，该 方法常用于中、高温下的应变测量； ➢ 桥路补偿法：用于常温下。是通过布片和桥接的方法消除 温度影响。
3）桥路补偿法： 补偿块补偿法 工作片补偿法
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二、 温度补偿：
温度对应变片电阻值影响大，现场测量误差不可忽视，必须 设法消除，消除的方法是温度补偿！
1）应变片的温度效应：因环境温度变化引起的虚假应变。 ①电阻丝的电阻温度变化。 ②应变片与试件膨胀系数的不同造成的误差。
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§3-3应变（应力）测量
二、 温度补偿：
U BD
1 V ( R1 4R
R2 R
R3 R
R4 R
)
1 V 2(1
4
) Rp
R
仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变数的2(1十μ)
问题：
1、上述四片应变片 在接桥时，可以随意 互换吗？ 2、可以采 用半桥接法吗？
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§3-3应变（应力）测量
2、主应力方向已知的平面应力测量
①半桥四片补偿块补偿法测拉压 ②全桥四片测拉压
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§3-3应变（应力）测量
①半桥四片补偿块补偿法测拉压：圆柱体受拉贴片，补偿块与构件材料 相同，补偿片与工作片性能相同，接成半桥(图b)
对工作片，有 △R1=△RP+△RW+△R1t △R‘1=△RP－RW+△R’1t
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当单纯补偿片所用的补偿板和待测材 料不同时，
产生的虚假应变值εf为多大？
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§3-3应变（应力）测量
三、各种应力状态下的应力应变测量
1、单向应力状态下的应力应变测量： 拉压测量，最简单方法是半桥补偿块补偿法，即沿轴向粘贴一
个工作片，补偿块上贴一个补偿片，接成半桥测量，但该法不能消 除偏心弯矩引起的附加应变，所以，实测时，一般采用：
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当单纯补偿片所用的补偿板和待测 材料不同时， 产生的虚假应变值εf为多大？
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§3-3应变（应力）测量
二、 温度补偿
3）桥路补偿法： 工作片补偿法：图b、c中，与上述不同的是，R2和R1贴在同一构 件上，既参与了工作，又起到了温度补偿作用，消除了温度影响， 又提高了灵敏度。图b中，因ε1=-ε2，R1和R2为接成半桥的相邻 两臂，电桥测试精度提高了一倍。在两贴片位置的应变关系已知时， 可采用此法。
对补偿片，有 △R2=△R2t △R‘2=△R‘2t
P、w、t分别表示拉、弯、 温度引起的电阻变化
U BD
1 V ( Rp 4
Rw
R1t Rp 2R
RW
R1't
R2' t R2t ) 2R
1V 4
R p R
由上式可以看出，仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变，消除了偏心的影 响，同时也可以看出，串联应变片虽不能提高电桥灵敏度，但可以增加桥压，