应力应变测量讲解
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一、应变的测量 常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变。 1 应变的测量的原理 应变片粘贴在试件上,当试件变形时应变片随之而变形，这 时应变片的电阻值也发生变化。
电阻应变片
△R 测量电路
△U
显示与记录
第一节 电阻应变片
第一节
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属电阻应变片式 与半导体应变片式两类。
b
l
注意：R和 k 都是标称值
16
电阻应变片的种类、材料和参数 1. 电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可 分为：
半导体应变片 （1）丝式应变片 ①回线式应变片
丝式应变片
箔式应变片 薄膜应变片
将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上 而制成的，是一种常用的应变片。 ②短接式应变片 敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5～ 10倍的镀银丝短接而构成。优点：克服了回线式应 变片的横向效应。 缺点：由于焊点多，在冲击、振动试验条件下， 易在焊接点处出现疲劳破坏。
第一节 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式和箔式两种。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 ) 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。
电阻应变计—种类
按基片上敏感栅的个数划分：单轴应变计，多轴应变计。
单轴应变计
双轴应变计 90º 应变花
双轴应变计（ 90º 应变花）
三轴应变计（ 45º 应变花）
8
电阻应变计—种类
单轴应变片—敏感栅只有一根轴线，用于测量单向应变。 双轴—二轴 90 三轴—三轴 45
应变花：
用于测量平面应变状态。
第一节 电阻应变片
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，阻值一致性好。箔片厚约1—10μm，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。
电阻应变计(片)
（1）直径为0.003mm~0.01mm的合金丝绕成栅状制成的 丝绕式电阻应变计； （2）箔材经光刻腐蚀工艺制成的栅状箔式电阻应变计。
电阻应变计工作原理
F l l
F
应变片感受到的应变
F
F
第一节 电阻应变片 R＝ρl／A 当每一可变因素分别有一增量 dl 、 dA和 dρ 时，所 引起的电阻增量为:
R R R dR dl dA d l A
式中：A=πr2，r为电阻丝半径，
l l百度文库dR 2 dl 2 3 dr 2 d r r r dl 2dr d R l r
（3）薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法， 将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成 其厚度在0.1m以下。
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。 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 子迁移率及载流子浓度的变化，从而引 起电阻率的变化。
(1十2μ)ε项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电 阻材料，1十2μ是常数。λEε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，λE是很小的，可忽 略。上式可简化为：
dR (1 2 ) R
上式表明了电阻相对变化率与应变成正比
第一节 电阻应变片
电阻应变片的应变系数或灵敏度。
第一节 电阻应变片
电阻的相对变化率
dR dl 2dr d R l r
式中 dl / l -----电阻丝轴线相对变形，或称纵向应变
dr / r -----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
dr dl r l
k
dR R
1 2 常数
用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度k，多在1.7— 3.6之间。 一般市售电阻应变片的标准阻值有 60Ω 、 120Ω 、 350Ω 、 600Ω 和 1000Ω 等。其中以 120Ω 为最常用。应 变片的尺寸可根据使用要求来选定。
电阻应变计—主要性能参数
式中μ——电阻丝材料的泊松比； dρ／ρ——电阻丝电阻率 相对变化，与电阻丝轴向所受正应力σ有关。
第一节 电阻应变片
d
式中
E
E —电阻丝材料的弹性模量； λ—压阻系数，与材质有关。
从而得到：
dR 2 E R (1 2 E )
第一节 电阻应变片
（2）箔式应变片 利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材 在绝缘基底下制成各种图形而成。
主要优点是： ①制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可 制成任意形状以适应不同的测量要求； ②敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆 断面的大，故粘合面积大； ③敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能 好； ④散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增 大输出信号； ⑤敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较 小，疲劳寿命高 。
应力应变测量
• 在工程中，应力、应变是很常用的机 械参量。通过对机械零件和机械结构 的应变、应力测量，可以分析其受力 状况和工作状态，验证设计计算，确 定工作过程和某些物理现象的机理。
第一节 应变与应力的测量
应力是一重要的机械量，它表征了构件的受载状态，负载水 平和强度能力，因此应力测量是其它力参数测量的基础。应 力的测量，实质上是先测量应变，然后计算出应力的大小。
电阻应变片
△R 测量电路
△U
显示与记录
第一节 电阻应变片
第一节
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属电阻应变片式 与半导体应变片式两类。
b
l
注意：R和 k 都是标称值
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电阻应变片的种类、材料和参数 1. 电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可 分为：
半导体应变片 （1）丝式应变片 ①回线式应变片
丝式应变片
箔式应变片 薄膜应变片
将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上 而制成的，是一种常用的应变片。 ②短接式应变片 敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5～ 10倍的镀银丝短接而构成。优点：克服了回线式应 变片的横向效应。 缺点：由于焊点多，在冲击、振动试验条件下， 易在焊接点处出现疲劳破坏。
第一节 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式和箔式两种。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 ) 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。
电阻应变计—种类
按基片上敏感栅的个数划分：单轴应变计，多轴应变计。
单轴应变计
双轴应变计 90º 应变花
双轴应变计（ 90º 应变花）
三轴应变计（ 45º 应变花）
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电阻应变计—种类
单轴应变片—敏感栅只有一根轴线，用于测量单向应变。 双轴—二轴 90 三轴—三轴 45
应变花：
用于测量平面应变状态。
第一节 电阻应变片
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，阻值一致性好。箔片厚约1—10μm，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。
电阻应变计(片)
（1）直径为0.003mm~0.01mm的合金丝绕成栅状制成的 丝绕式电阻应变计； （2）箔材经光刻腐蚀工艺制成的栅状箔式电阻应变计。
电阻应变计工作原理
F l l
F
应变片感受到的应变
F
F
第一节 电阻应变片 R＝ρl／A 当每一可变因素分别有一增量 dl 、 dA和 dρ 时，所 引起的电阻增量为:
R R R dR dl dA d l A
式中：A=πr2，r为电阻丝半径，
l l百度文库dR 2 dl 2 3 dr 2 d r r r dl 2dr d R l r
（3）薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法， 将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成 其厚度在0.1m以下。
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。 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 子迁移率及载流子浓度的变化，从而引 起电阻率的变化。
(1十2μ)ε项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电 阻材料，1十2μ是常数。λEε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，λE是很小的，可忽 略。上式可简化为：
dR (1 2 ) R
上式表明了电阻相对变化率与应变成正比
第一节 电阻应变片
电阻应变片的应变系数或灵敏度。
第一节 电阻应变片
电阻的相对变化率
dR dl 2dr d R l r
式中 dl / l -----电阻丝轴线相对变形，或称纵向应变
dr / r -----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
dr dl r l
k
dR R
1 2 常数
用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度k，多在1.7— 3.6之间。 一般市售电阻应变片的标准阻值有 60Ω 、 120Ω 、 350Ω 、 600Ω 和 1000Ω 等。其中以 120Ω 为最常用。应 变片的尺寸可根据使用要求来选定。
电阻应变计—主要性能参数
式中μ——电阻丝材料的泊松比； dρ／ρ——电阻丝电阻率 相对变化，与电阻丝轴向所受正应力σ有关。
第一节 电阻应变片
d
式中
E
E —电阻丝材料的弹性模量； λ—压阻系数，与材质有关。
从而得到：
dR 2 E R (1 2 E )
第一节 电阻应变片
（2）箔式应变片 利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材 在绝缘基底下制成各种图形而成。
主要优点是： ①制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可 制成任意形状以适应不同的测量要求； ②敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆 断面的大，故粘合面积大； ③敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能 好； ④散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增 大输出信号； ⑤敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较 小，疲劳寿命高 。
应力应变测量
• 在工程中，应力、应变是很常用的机 械参量。通过对机械零件和机械结构 的应变、应力测量，可以分析其受力 状况和工作状态，验证设计计算，确 定工作过程和某些物理现象的机理。
第一节 应变与应力的测量
应力是一重要的机械量，它表征了构件的受载状态，负载水 平和强度能力，因此应力测量是其它力参数测量的基础。应 力的测量，实质上是先测量应变，然后计算出应力的大小。