实验应力分析方法之电阻应变法介绍

实验应力分析方法目前有电学的、光学的、声学等方法。今天聚航科技主要向大家介绍一下应变电测方法。

电阻应变计测量技术

用电阻应变计测定构件的表面应变，然后根据应力、应变的关系式，确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。将电阻应变计固定在被测构件上，当构件变形时，应变计的电阻将发生相应变化。用电阻应变仪（见电阻应变测量装置）测量电阻变化，把它换算成应变值；或输出与应变成正比的模拟电信号（电压的或电流的），由记录器记录下来；或用计算机按预定要求进行数据处理；用上述方法都可得到所测的应力或应变。

电阻应变计测量技术的优点是：①测量精度和灵敏度高；②频率响应好，可测量从静态到数十万赫的动态应变；③测量数值范围广；④易于实现测量的数字化、自动化和无线电遥测；⑤可在高温、低温、高压液下、高速旋转、强磁场和核辐射等环境进行测量；⑥可制成各种传感器，测量力、压力、位移、加速度等物理量，在工业过程和科学实验中用作控制或监视的敏感元件。

发展简史　

电阻应变计测量技术，起源于19世纪。1856年，W.汤姆孙对金属丝进行了拉伸试验，发现金属丝的应变和电阻的变化存在一定的函数关系，说明应变关系可转换为电流变化的关系，可用电学方法测定应变。1938年，E.西蒙斯和A.鲁奇制出了di一批实用的纸基丝绕式电阻应变计。1953年，P.杰克孙利用光刻技术，首次制成了箔式应变计。随着微光刻技术的进展，这种应变计的栅长可短到0.178毫米。1954年，C.S.史密斯发现半导体材料的压阻效应，1957年，W.P.梅森等研制出半导体应变计，其灵敏系数比金属丝应变计高50倍以上，现已用于测量力、扭矩和位移等的传感器上。

电阻应变计品种繁多，包括有分别适用于高温、低温、强磁场和核辐射等条件的，以及用于测量残余应力和应力集中的特殊应变计。

早期的电阻应变计测量仪器，采用直流电桥和检流计显示的方法测量应变，其灵敏度和精度都比较差，20世纪40年代，出现了由可调节的测量电桥和放大器组成的电阻应变仪，使电阻应变计在工程技术和科学实验领域内获得广泛的应用。为了克服直流放大器信号的漂移和线性精度差等缺点，传统的电阻应变仪采用交流放大器，以载波放大方式传递信号。这种仪器的性能稳定，其精度可满足一般测试要求，但它的工作频率受载波频率的限制，而且存在电容、电感影响测量精度等问题。60年代，出现了采用直流放大器的电阻应变仪。电阻应变仪正朝向数字化、自动化和多功能方向发展，已有用于静态应变测量数字显示的应变仪和多点自动巡回检测的应变测量装置，以及用于动态应变测量的数据采集处理系统等产品。电阻应变计测量技术已广泛用于机械、化工、土建、航空等行业的结构强度试验中。

测量原理　

电阻应变测量系统由电阻应变计、电阻应变仪和软件三部分组成，电阻应变计可按下式将构件的应变转换为单位电阻变化：

式中 R为初始电阻；Δ R为该电阻的变化；ε为轴线方向的应变；K为灵敏系数。

电阻应变仪采用电桥或电位差计的测量线路，将电阻应变计的电阻变化转换为电压（或电流）的变化，并经放大后输出。

一般应变测量技术　

应变测量技术可分为静态应变测量和动态应变测量两类：

（1）静态应变测量　

应用电阻应变计测量常温下的静态应变时，可达到较高的灵敏度和精度，其最小应变读数为0.1微应变，精度为0.1%，应变测量范围从0.1微应变到2万微应变，特殊的大应变电阻应变计可测到结果为20％的应变值。常温箔式电阻应变计栅长可短到0.178毫米，适于测量应力梯度较大的构件的应变。采用应变花，可方便地测定平面应变状态下构件上一点的应变。多点巡回的测量装置，可在数分钟内自动记录上万个应变数据。如果采用存储器，由于每秒可存储数万个数据，适合测量测点较多的大型构件的应变。

当环境温度变化时，安装在可自由膨胀构件上的电阻应变计的电阻值，会因敏感栅的电阻温度效应，以及敏感栅和被测构件材料的线胀系数不同而发生变化，其值为：

式中 βR为敏感栅的电阻温度系数；Δ T为环境温度的变化；α a、 α b分别为试件和敏感栅的线胀系数。

温度的变化使电阻应变计产生的指示应变值，称为热输出（或称视应变），它和所需测定的应变无关，必须消除。

消除的方法：①采用补偿块线路补偿法。在一块和构件材料相同但不受力的补偿块上，安装一个和工作电阻应变计的规格性能相同的电阻应变计（称为补偿应变计），将补偿块和构件置于温度相同的环境中，并将工作应变计和补偿应变计分别接入电桥的相邻桥臂，利用电桥特性消除热输出。②采用特殊的温度自补偿应变计。③采用热输出曲线修正法，将和工作应变计规格性能相同的应变计，安装在材料和被测构件相同的试件上，在和实测相似的热循环情况下，测取应变计的热输出和温度的关系曲线。在现场测量应变的同时，测定相应的温度。根据上述曲线对测得的应变数据进行修正。④采用温差电偶补偿法。在直流的电桥电路中，用温差电偶的热电动势将热输出的电压变化预先抵消。一般在常温条件下测量应变时，采用第一种方法；在高温或低温条件下测量应变时，采用第一、第二或第四种方法，也可在用第二种方法之后，再用第三种方法将前法测得的应变数据修正。

另外，在使用长导线及与电阻应变仪的电阻不匹配或灵敏系数不相同的应变计时，对测量结果要进行修正。

（2）动态应变测量　

电阻应变计的频率响应时间约为0.1-0.7微秒，半导体应变计可达10-11微秒，构件应变的变化几乎立即传递给敏感栅，但由于应变计有一定栅长，当构件的应变波沿栅长方向传播时，应变计的瞬时应变读数为应变波在栅长间距内的应变平均值。这会给测量结果带来误差。假设应变波为正弦波，其传播速度与声波在材料中传播速度相同，若采用栅长1毫米的应变计对钢构件进行测量，则当应变频率达250万赫时，应变测量误差小于2％。一般机械的应变频率都不超过250万赫，应变测量误差也不超出上值。高频应变测量的范围，主要受电阻应变仪和记录器的限制，在测量动态应变时，要根据被测应变的频率，对应变计进行动态标定及选择合适的电阻应变仪和记录器。对于随机应变信号，采用数据处理装置，可大大减少整理工作的时间。

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