应变基本知识(NXPowerLite).ppt

*,把试验室拎着走,北京东方振动和噪声技术研究所,振动、噪声、冲击、应变等全面解决方案,把试验室拎着走,北京东方振动和噪声技术研究所,振动、噪声、冲击、应变等全面解决方案,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,应力和应变,一、应力,在施加的外力的影响下物体内部产生的力,内力，其值定义为单位面积上的内力，单位为,Pa,或,N/m2,，记为：,二、应变,试件被拉伸的时候会产生伸长变形,l,，试件长度则变为,l+l,。由伸长量,l,和原长,l,的比表示伸长率,(,或压缩率,),就叫做应变，记为,。,2,应变表示的是伸长率,(,或压缩率,),，属于无量纲数，没有单位。由于量值很小，通常用,110,6,微应变,表示，或简单地用,表示。,应力和应变,试件在被拉伸的时，直径为,d,0,会产生,d,的变形时，直径方向的应变称为,横向应变,(,或径向应变,),。与外力同方向的伸长,(,或压缩,),方向上的应变称为,轴向应变,。,轴向应变,与,横向应变,的比称为,泊松比,，记为,。每种材料都有确定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在,0.3,左右。,三、虎克定律,各种材料的单向应力应变关系可以通过虎克定律表示：,或,应力与应变的比例常数,E,被称为纵,弹性系数,或,杨氏模量,，不同的材料有其固定的杨氏模量。,右图所示为一种普通钢材,(,低碳钢,),的应力与应变关系图。应力与应变成直线关系的范围内虎克定律成立，对应的最大应力称为,比例极限,。,应力和应变,种类与结构,半导体,应变片,金属电阻,应变片,金属丝,式,应变片,箔式,应变片,金属薄膜,应变片,扩散型,应变片,外延型,应变片,薄膜型,应变片,电阻应变式传感器,7,电阻式应变片,A.,直流电桥,由四个桥臂,R,1,、,R,2,、,R,3,及,R,4,和一个供桥电源,U,i,组成。,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,电路特点：,当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。,电路组成,其中，,R,L,为负载电阻,U,o,为电桥输出电压。,电阻式应变片的测量转换电路,A.,直流电桥,a.,电桥平衡条件,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,当电桥平衡时,U,o,=0,则有：,R,1,R,4,=,R,2,R,3,欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。,电桥平衡条件,结论：,或,电阻式应变片的测量转换电路,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,（,1,）,R,2,R,3,R,4,为电桥固定电阻,这就构成了,单臂电桥,。,R,1,为电阻应变片,电阻式应变片的测量转换电路,（,2,）当,R,1,产生应变时,若应变片电阻变化为,R,1,，其它桥臂固定不变，电桥输出电压,U,o,0,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,电桥不平衡输出电压为,:,设桥臂比,n,=,R,2,/,R,1,考虑到平衡条件,R,2,/,R,1,=,R,4,/,R,3,且,R,1,/,R,1,很小可忽略,电阻式应变片的测量转换电路,电桥电压灵敏度定义为：,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,电桥不平衡输出电压为,:,电阻式应变片的测量转换电路,电桥电压灵敏度,K=K,(,n,),，恰当地选择桥臂比,n,的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,分析可知：,电桥电压灵敏度,K,正比于电桥供电电压,U,i,但供电电压,U,i,的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择,;,U,i,K,电阻式应变片的测量转换电路,14,在桥臂四个电阻,R1、R2、R3、R4,中，当使用一个应变片,R,代替一个电阻组成单桥时，电阻的相对变化率,E=,RR；,使用二个应变片代替两个电阻组成半桥差动状态时，有,E=2,RR,；当使用四个应变片代替四个电阻组成全桥两个差动对工作，且,R1R2R3R4R,时，电阻的相对变化率,E=4,RR。,电阻式应变片的测量转换电路,15,由此可见，使用的应变片越多，其电阻的变化率越大，电路中某两点电位差变化越大。所以，单桥，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。,电阻式应变片的测量转换电路,理想值,实际值,非线性误差,如果是四等臂电桥,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,则,非线性误差及其补偿方法,对于一般应变片来说，所受应变,通常在,510,-3,以下。,（,1,）若取,K,=2,则,R,1,/,R,1,=,K,=0.01,代入上式计算得非线性误差为,0.5%;,（,2,）若,K,=130,=1,0,-3,时,R,1,/,R,1,=0.130,则得到非线性误差为,6%,。,结论：,K,较小时，能非线性误差满足测量要求；当,K,到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。,利用,和,两式，有：,非线性误差及其补偿方法,解决办法：,差动电桥,即：在试件上安装两个工作应变片,一个,受拉应变,一个,受压应变,接入电桥,相邻桥臂,称为半桥差动电路。,测量,R,1,R,2,R,4,R,3,a,b,U,o,U,i,测量,半桥式（,双臂工 作,）,呈线性关系,无非线性误差,电桥电压灵敏度,K,=,U,i,/2,比单臂工作时提高一倍,结论：,非线性误差及其补偿方法,当,环境温度升高,时，,温度补偿原理,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,因：,桥臂上的应变片温度,同时升高,，,温度引起的电阻值漂移数值一致，,可以相互抵消。,则：,半桥的温漂较小,非线性误差及其补偿方法,若将电桥四臂接入四片应变片,如图 所示,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成,全桥差动电路,。,R,1,R,2,R,4,R,3,a,b,U,o,U,i,测量,测量,测量,测量,全桥式（,四臂工作,）,假设应变片灵敏度相同，其输出电压为,推广：,非线性误差及其补偿方法,R,1,R,2,R,4,R,3,a,b,U,o,U,i,测量,测量,测量,测量,全桥式（,四臂工作,）,若,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,且,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,则,此时全桥差动电路,不仅没有非线性误差,而且电压,灵敏度是单片的,4,倍,同时仍,具有温度补偿作用,。,单臂：,半臂：,非线性误差及其补偿方法,应变片,R,1,工作时,其电阻值变化很小，即：,R,1,很小,电桥相应输出电压也很小，即：,U,o,很小，,所以，一般需要,加入放大器放大,放大器,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,U,o,U,i,A,C,R,L,I,o,存在零点漂移,直流电桥存在的不足,根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而,直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥,。,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,A,C,R,L,I,o,C,1,C,2,由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得,桥臂应变片呈现复阻抗特性,。,即相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为：,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,B,D,A,C,R,L,I,o,a.,电路特点,电阻式应变片的测量转换电路,由交流电路分析可得,要满足电桥平衡条件,即,U,o,=0,则有,Z,1,Z,4,=,Z,2,Z,3,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,A,C,R,L,I,o,C,1,C,2,平衡条件,其实部、虚部分别相等,并整理可得,:,电阻式应变片的测量转换电路,R,1,R,2,R,3,R,4,B,D,A,C,R,L,I,o,C,1,C,2,电阻平衡条件,电容平衡条件,交流电桥的平衡条件,:,其实部、虚部分别相等,并整理可得,:,即要满足,电阻平衡条件,，还要满足,电容平衡条件,。,电阻式应变片的测量转换电路,A.,温度影响,将应变片安装在自由膨胀的构件上，无外力作用，当环境温度变化时，则输出一定的指示应变，称为,热输出,，用 表示。,产生原因：,1,）由于温度变化，敏感栅材料的电阻率发生变化（温度效应）；,2,）敏感栅材料与被测构件材料之间的线膨胀系数不同。,主要影响因素,式中：,敏感栅材料的电阻温度系数；,被测材料的线膨胀系数。,敏感栅材料的线膨胀系数；,设温度变化为，且应变片的灵敏度 随温度变化可略去，则应变片的热输出 为,说明：,我们不希望测量中夹有温度影响所产生的附加应变，而仅仅反映测试件的真实应变。,主要影响因素,通过调整,t,就可以使由温度引起的应变为零。此时：,解决办法,一：,差动电桥,二：,自补偿,在应变片的制作过程中可以通过热处理对,t,的值进行控制，而且它是与,特定的被测物,的热膨胀系数,e,相对应的，如果用在不适用的被测物时，不仅不会补偿温度引起的应变还会引起较大的测量误差。,主要影响因素,B.,长导线影响,长导线由于本身存在电阻，导致电桥难以平衡，对于半桥、全桥接法不存在此问题，但对于单臂接法时，就不得不考虑此问题。,应变片,导线,主要影响因素,解决方案,采用,3,线联接法。如图所示，在应变片导线的一根上再联上一根导线，用,3,根导线使桥路变长。,这种联接方式与双线式不同的地方是导线的电阻分别由电桥的相邻两边所分担。图中，导线电阻,r1,串联入了应变片电阻,Rg,，,r2,串联入了,R2,，,r3,成为电桥的输出端。这样，就几乎不会产生什么影响了。,主要影响因素,敏感栅型式,单轴应变片,敏感栅只有一根轴线。,用于测量,单向应变,。,应变花：,双轴,二轴,三轴,三轴,用于测量,平面应力状态,。,应变花测量,一、电阻应变片的选择,1,、,测试环境,：温度、湿度、磁场,2,、,应变性质：,静态应变,选择横向效应小的应变片,动态应变,选择疲劳寿命好的应变片,3,、,应变梯度,应变场均匀,对应变片栅长没要求，可选栅长大的应变片，容易粘贴,应变梯度变化大,选栅长小的应变片,4,、,应变片自身,：,有无气泡、霉斑、锈点等缺陷，阻值 在,1202,，自补偿,应变片的适用性。,电阻应变片常规使用技术,二、应变片的粘贴,1,、,检查和分选应变片；,2,、,粘贴表面的预处理；,4,、,粘贴表面再处理；,5,、,贴片；,6,、,测量导线的焊接与固定；,7,、,检查。,3,、,确定粘贴位置；,电阻应变片常规使用技术,1,）选择合适的仪器并进行准确的标定。,2,）消除导线电阻引起的影响。,3,）减少读数漂移。,4,）补偿温度影响。,5,）减少贴片误差。,6,）力求应变片实际工作条件和额定条件一致。,7,）排除现场的电磁干扰。,提高应变测量精度的措施,