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摘 要:通过对电测技术的论述,初步阐述了电阻应变片的工作原理,使人们深刻的认识到作为现在工业的神经元细胞的电阻应变片,会在人们生活和工作中应用越来越广泛、越来越重要。
关键词:应变 电阻应变计 敏感栅
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(a)-0101-01
当你走进现代化的试验室,一个个大型的构件表面布满了一个个小巧的测量元件,在构件受到力的作用时,测量仪器上很灵敏的测出构件上每个部位的轻微变化时,当装满货物的卡车通过汽车衡很方便的称量出所载货物的重量的时候,当你看到一个个小巧的机器人灵活的运转着小小的身躯,等等。你可曾想到这些使用方便便捷的仪器里使用了什么元件,如此轻松的改变了我们的生活。这就是电阻应变计,通过惠斯通电桥,精确地计量出我们所需要的每一个数值,也可以这么说,是电阻应变计改变了我们的生活,成了现代工业中最小的神经元。
1 什么是电阻应变计
电阻应变计(resistance strain gage)能将工程构件上的应变,即尺寸变化转换成为电阻变化的变换器(又称电阻应变片),简称为应变计。一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层组成。
将电阻应变计安装在构件表面,构件在受载荷后表面产生的微小变形(伸长或缩短),会使应变计的敏感栅随之变形,应变计的电阻就发生变化,其变化率和安装应变计处构件的应变ε成比例。测出此电阻的变化,即可按公式算出构件表面的应变,以及相应的应力。敏感栅的栅长一般为 0.2～100mm,电阻为60～1000Ω(最常用的为120Ω和350Ω),测量范围为几微应变至数万微应变(με,1微应变=10-6mm/mm)。
按敏感栅的材料,电阻应变计分为丝式片和箔式片两类。
1.1 丝式应变计
这种应变计的敏感栅最常见的有丝绕式和短接线式两种。①丝绕式的敏感栅由金属丝连续绕制而成,一般选用直径为0.015～0.05mm的金属丝。端部是半圆形。安装了应变计的构件表面如果出现了两个方向的应变,此圆弧端不仅产生纵向应变,还产生横向应变(横向效应)。为使测量精度准确可靠,应考虑横向效应的影响并进行修正。②短接线式的敏感栅采用较粗的横丝,将平行排列的一组直径为0.015～0.05mm的金属纵丝交错连接而成,端部是平直的。它的横向效应很小,耐疲劳性却差于丝绕式。
1.2 箔式应变计
这种应变计的敏感栅是金属箔采用刻图、制版、及腐蚀等工艺过程制成。金属箔的厚度一般为0.002～0.005mm。这种方法便于制出多种形状和尺寸的应变计。箔栅优点:①箔栅薄,有利于变形传递,测量精度高;②横向端部可制成较宽的栅条,减小横向效应;③制造栅长很小的应变计;④可成批生产。因此,在各个测量领域中得到广泛的应用。
2 电阻应变计的工作系统
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。
2.1 静态应变测量工作过程
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1微应变,一般精度为1%～2%,应变测量范围从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0.178mm,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千个应变数据。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。
环境温度变化时,安装在可自由膨胀的构件上的电阻应变计,由于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,电阻应变计的电阻将发生变化,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,利用惠斯顿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。
2.2 动态应变测量工作过程
电阻应变计的频率響应时间约为10s,半导体应变计可达10-11s,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1mm的应变计对钢构件进行测量,则当应变频率达25万赫时,应变测量误差小于2％。一般机械的应变频率都不超过25万赫,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。
电阻应变计被黏贴在所测的构件上,和外力同步,准确地测出我们所需要的量,形象的称之为神经元细胞并不为过,我相信在以后的科技发展中,电阻应变计还将发挥更大的作用。
参考文献
[1] 电阻应变仪测试技术.北京:科学出版社.1980.
关键词:应变 电阻应变计 敏感栅
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(a)-0101-01
当你走进现代化的试验室,一个个大型的构件表面布满了一个个小巧的测量元件,在构件受到力的作用时,测量仪器上很灵敏的测出构件上每个部位的轻微变化时,当装满货物的卡车通过汽车衡很方便的称量出所载货物的重量的时候,当你看到一个个小巧的机器人灵活的运转着小小的身躯,等等。你可曾想到这些使用方便便捷的仪器里使用了什么元件,如此轻松的改变了我们的生活。这就是电阻应变计,通过惠斯通电桥,精确地计量出我们所需要的每一个数值,也可以这么说,是电阻应变计改变了我们的生活,成了现代工业中最小的神经元。
1 什么是电阻应变计
电阻应变计(resistance strain gage)能将工程构件上的应变,即尺寸变化转换成为电阻变化的变换器(又称电阻应变片),简称为应变计。一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层组成。
将电阻应变计安装在构件表面,构件在受载荷后表面产生的微小变形(伸长或缩短),会使应变计的敏感栅随之变形,应变计的电阻就发生变化,其变化率和安装应变计处构件的应变ε成比例。测出此电阻的变化,即可按公式算出构件表面的应变,以及相应的应力。敏感栅的栅长一般为 0.2～100mm,电阻为60～1000Ω(最常用的为120Ω和350Ω),测量范围为几微应变至数万微应变(με,1微应变=10-6mm/mm)。
按敏感栅的材料,电阻应变计分为丝式片和箔式片两类。
1.1 丝式应变计
这种应变计的敏感栅最常见的有丝绕式和短接线式两种。①丝绕式的敏感栅由金属丝连续绕制而成,一般选用直径为0.015～0.05mm的金属丝。端部是半圆形。安装了应变计的构件表面如果出现了两个方向的应变,此圆弧端不仅产生纵向应变,还产生横向应变(横向效应)。为使测量精度准确可靠,应考虑横向效应的影响并进行修正。②短接线式的敏感栅采用较粗的横丝,将平行排列的一组直径为0.015～0.05mm的金属纵丝交错连接而成,端部是平直的。它的横向效应很小,耐疲劳性却差于丝绕式。
1.2 箔式应变计
这种应变计的敏感栅是金属箔采用刻图、制版、及腐蚀等工艺过程制成。金属箔的厚度一般为0.002～0.005mm。这种方法便于制出多种形状和尺寸的应变计。箔栅优点:①箔栅薄,有利于变形传递,测量精度高;②横向端部可制成较宽的栅条,减小横向效应;③制造栅长很小的应变计;④可成批生产。因此,在各个测量领域中得到广泛的应用。
2 电阻应变计的工作系统
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。
2.1 静态应变测量工作过程
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1微应变,一般精度为1%～2%,应变测量范围从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0.178mm,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千个应变数据。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。
环境温度变化时,安装在可自由膨胀的构件上的电阻应变计,由于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,电阻应变计的电阻将发生变化,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,利用惠斯顿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。
2.2 动态应变测量工作过程
电阻应变计的频率響应时间约为10s,半导体应变计可达10-11s,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1mm的应变计对钢构件进行测量,则当应变频率达25万赫时,应变测量误差小于2％。一般机械的应变频率都不超过25万赫,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。
电阻应变计被黏贴在所测的构件上,和外力同步,准确地测出我们所需要的量,形象的称之为神经元细胞并不为过,我相信在以后的科技发展中,电阻应变计还将发挥更大的作用。
参考文献
[1] 电阻应变仪测试技术.北京:科学出版社.1980.