电阻应变片（精选4篇）
电阻应变片 篇1
摘要：将电测法中两种主要设备电阻应变片和电阻应变仪作了简要阐述,重点对应变片的粘贴步骤及技巧进行了详细说明,最后总结了电阻应变片粘贴操作过程中应注意的问题,以保证应变片的粘贴质量。
关键词：电测法,电阻应变片,粘贴技术
1 概述
电测法是工程结构中常用的实验、测试方法之一，结合利用测得的应变值，求得应力等参数值，可对工程的安全性进行评价。通过在构件被测点处粘贴电阻应变片(以下简称应变片)，将构件被测点的应变值转换为应变片的电阻变化，再利用电阻应变仪测出应变片的电阻变化率，经应变仪并直接输出被测点的应变值，然后依据虎克定律计算出构件被测点的应力值[1]。在电测法中，主要设备是电阻应变片和电阻应变仪。
1.1 应变片
电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量的转换组件。应变电测法具有感受元件重量轻，体积小;量测系统信号传递迅速、灵敏度高、可遥感，便于与计算机连用及实现自动化等优点。其主要缺点是连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所致。
由物理学定律可知，金属丝的电阻R与其本身长度L成正比，与其横截面积A成反比，用公式表示为:
其中，R为电阻丝的电阻值，Ω;ρ为电阻率，Ω·mm;L为电阻丝的长度，mm;A为电阻丝的截面面积，mm2。
当电阻丝受到拉伸或压缩时，式(1)中的L,A，ρ将发生变化。设变形后其长度变化为ΔL，如图1所示，若此时对式(1)两端同取自然对数，即得:
对式(2)进行求导，有:
因为金属电阻线受轴向拉伸(压缩)作用时，d A/A=2d D/D=-2μ(d L/L)(μ为电阻丝材料的泊松比)，所以式(3)可写成:
其中，d L/L为应变片轴向应变ε。
由式(4)进一步可得:
令式(5)为K0，称为单丝灵敏系数，为一常数。因应变片由单丝绕成，对于应变片，可推出下式:
其中，K为应变片的灵敏系数。
式(6)表明:应变片的电阻变化率与应变呈线性关系，即电阻变化率是其应变值的K倍。当应变片粘贴在被测试构件上时，会随构件受力而产生主变形。应变片的应变即反映了构件在测试位置长度内的应变。即实现了应变片的应变—电阻变化及电量—非电量之间的转换关系[2]。
1.2 电阻应变仪
电阻应变仪的测量电路，一般采用惠斯登电桥，其作用是测得应变片的电阻变化率，进而测得构件应变。如图2所示，在四个臂上分别接入电阻R1,R2,R3,R4，在A,C端接入电源，B,D端为输出端。
根据基尔霍夫定律，当桥臂上各电阻值发生变化时，惠斯登电桥输出端电压UBD与输入端电压U的关系如下:
在实际使用中，按照不同的组桥方式还可分为:
1)全桥:即四个桥臂上均接有工作片。
2)半桥:即四个桥臂上只有两个桥臂接有工作片，剩余两应变片只起连通电路作用，电阻值不发生变化(应变为0)。
3)1/4桥:四个桥臂上只有1个桥臂接有工作片，此时相邻桥臂接温度补偿片。此桥路形式在实际中应用较多[2]。
应变片的种类很多，可按其所用材料、使用的工作温度以及不同的用途分类。按敏感栅所用材料可分为金属电阻应变片(金属丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片)和半导体应变片等;按使用温度可分为低温、常温、高温等，具体可参考相关文献。
2 应变片的粘贴步骤
在电测技术中，电阻应变片的粘贴技术比较复杂，工作量大，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关键性的环节，必须予以注意。另外，应变片不能重复使用，消耗量也比较大，因此应一次成功。应变片的粘贴具体步骤如下。
2.1 选片
选择应变片的规格和形式时，应注意到构件的材料性质和构件的应力状态。因应变片测出的是平均应变，在构件应力变化范围较大时，一般选用小标距应变片;而在混凝土表面，宜选用大标距的应变片。确定应变片类型后，还要逐片进行外观检查，用肉眼或放大镜检查应变片丝栅是否平直，片内有无气泡、斑锈点等缺陷，不合格的片应剔除;然后用万用表逐片测定阻值，电阻值差应在±0.5Ω范围内[3]。
2.2 测点表面的清洁处理
为使应变片与被测构件粘贴得牢固，对测点表面要进行清洁处理。
1)钢筋表面贴片的清洁步骤如下:
a．对带肋钢筋，将测点表面用砂轮进行粗打磨(圆钢跳过此步)，打磨平面大小在满足应变片面积时，尽量要小，否则会影响钢筋有效承载面积，会使测试结果与实际出现较大偏差;
b．用锉刀进行手工细打磨;
c．用0号砂纸沿着45°角方向进行精度打磨，使测点表面平整;
d．棉签蘸丙酮擦洗表面，到棉签不黑为止;
e．用划针在贴片位置处划出应变片的坐标线。
打磨好的表面，若暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。
2)混凝土的清洁步骤:
a．测量对象为混凝土构件时，则须用喷浆方法把表面垫平(也可采用环氧树脂胶配合固化剂)，然后进行打磨清洗等工作;
b．在贴片部位，还应先涂一层隔潮层，可采用环氧树脂胶配合固化剂，应变片就贴于隔潮底层上。防潮层的厚度以一般约为0.05 mm～0.1 mm为宜，使应变片能和混凝土测点处的变形保持一致;
c．待垫平层固化后，进行其他操作，与钢筋贴片类似。
2.3 贴片
贴片一般采用502胶水，钢筋应水平放置。在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，把应变计轴线对准坐标线，上面盖一层聚乙烯塑料薄膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向轻轻滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到应变计与被测物紧密粘合为止。手指保持不动约数10 s后再放开，注意按住时不要使应变片移动，再检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则须重贴;502胶靠内聚力粘片，注意涂胶量要适中，不要太厚，过多则胶层粘结力反而降低，而且太厚影响应变片性能，过少则胶可能分布不均匀不能准确传递应变(见图3)。
2.4 接线
应变片和应变仪之间用导线连接。需根据环境与试验的要求选用导线。通常静应变测定用双芯多股平行线。在有强电磁干扰及动应变测量时，需用屏蔽线(如附近有信号传输塔)。焊接导线前，先用万用电表检查导线有否断路，然后在每根导线的两端贴上同样的号码标签，避免测点多时造成差错。
1)在应变片引出线下，贴上胶带纸，以免应变计引出线与被测构件(如被测构件是导电体的话)接触造成短路。
2)把导线与应变片引线焊接在一起，固定在接线端子上，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用电表在导线另一端检查是否接通。
接线端子相当于接线柱，使用时先用胶水把它粘在应变片引出线前端，然后把应变片引出线及导线焊于接线端子上，其作用有两个方面:首先，保护应变片，避免因外力扯拉外接导线使应变片导线扯断;其次，使应变片的导线和外接导线接触良好，避免点接触。
在上述工作完成后，应对其粘贴质量进行检查和校正。如通过放大镜观察应变片的粘贴位置和方位角是否准确，粘贴表面有无气泡，应变片粘贴是否牢固;用万用表测量应变片有无短路和断路现象。
2.5 防潮处理
防潮处理必须在检查应变片贴片质量合格后立即进行。为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变片进行防潮处理。当室温高于15℃和相对湿度低于60%时可采用自然干燥，时间一般为24 h～48 h。室温低于15℃和相对湿度高于60%要采用人工干燥(红外线等照射或电吹热风)，但人工干燥前要进行8 h的自然干燥，人工干燥的温度不得高于60℃。防潮处理应根据试验的要求和环境采用不同的防潮材料。常用的简易的防潮剂可用703,704硅胶和环氧树脂添加固化剂的混合剂等。
其中采用环氧树脂和固化剂的混合剂能达到一定强度，和构件达到共同变形。但是在配合环氧树脂(V1)和固化剂(V2)时要注意二者的配合比(体积比)，V1∶V2越大，混合剂的固结时间越长，V1∶V2越小，混合剂的固结时间越短，且固结后易脆，影响试验效果。因此在测试前应先试配，确定最佳配合比以免造成材料的浪费影响测试效果。环氧树脂和固化剂的混合剂主要有以下两个作用:
1)因其具有良好的隔潮性能，可起到防潮的作用;
2)对于钢筋混凝土应变片，在浇捣混凝土时骨料很可能会碰到应变片，因其具有一定强度，可以保护钢筋上的应变片不被损坏。
3 结语
在工程结构测试中，应变片的粘贴是电测法中核心的一步，粘贴的质量直接关系到测试的精度，因此在应变片的粘贴过程中要注意的问题如下:
1)严格控制每一操作环节的质量，以减少人为因素对测试结果的影响。
2)做好测点表面的平整度、清洗、胶层厚度等控制，以免影响应变片与构件被测点的共同变形;钢筋表面贴片空间在满足应变片或布线所需空间基础上，避免过大，保证测试精度。
3)若用环氧树脂打底或作为防潮剂，把握好环氧树脂与固化剂的配合比(V1∶V2)，若过大，混合剂固结时间较长;过小，混合剂固结快，且固结后易脆，易与粘结界面分离。
参考文献
[1]汪大鹏,刘美.电测力实验中应变片的粘贴技巧[J].湖南工程学院学报,2003(3):64-65.
[2]马永欣,邓山锁.结构试验[M].北京:科学出版社,2001.
[3]李忠献.工程结构试验理论与技术[M].天津:天津大学出版社,2004.
电阻应变片 篇2
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器,测力范围小到肌肉纤维,大到登月火箭,精确度可到0.01—0.1%。是目前测力的基本传感器件之一,因此对于其基本的测量电路的研究与误差分析十分有必要。
1基本结构与原理
电阻应变片是一种能将所受到应变转化为电阻变化的传感元件,一般由 Φ=0.02~0.05mm康铜丝或者镍铬丝绕成的敏感栅构成。
其工作原理是基于敏感栅中的金属丝的应变效应 , 即在金属导体产生形变时 , 它的电阻值发生相应变化。例如一根金属电阻丝 , 在其未受力时 , 原始电阻值为当该丝受到轴向拉力F作用时,电阻值的相对变化为因此可以通过测量变化后电阻值来确定作用力F。
2无差动半桥电路
差动半桥电路如图所示,其中R1为电阻应变片其中R1R4=R2R3相对桥臂阻值乘积相等,Uo大小推导如下:
因为应变片在形变时产生的阻值变化约为0.1%,因此分母中的 ΔR1/R1可以忽略不计,同时令n = R2/R1,由于R1R4=R2R3, 因此n = R2/R1=R4/R3。则可将Uo表示为而电桥电 压灵敏度定义为 :,因此无差动半桥,其中对非线性项进行数学运算,易得灵敏度最大时n=1,即R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时的灵敏度为
而此结果的得出是建立在忽略 ΔR1/R1的数值得出的理想值,因此存在误差,实际真实的数值应该为
因此误差大小为:
因此无差动半桥电路具有非线性误差和不具有温度补偿功能,灵敏度为
3差动半桥与差动全桥电路
在上文的无差动半桥中,不仅存在非线性误差,实际上还存在温度误差,灵敏度不高的缺点,因此可以进行如下两种提升方法,分别是2个应变片的差动半桥和4个应变片的差动全桥
电阻应变片 篇3
一、应变效应
导体或半导体材料因受外力作用, 电阻值随其机械变形而发生变化的物理现象称之为应变效应。金属丝电阻R可表达为R=ρl/A=ρl/пr2.式中ρ为电阻率, 为电阻丝长度, A为电阻丝横截面积。当沿电阻丝长度方向施加均匀力时, 式中l、ρ、r都将发生变化。导致电阻值发生变化。即得到以下结论:当金属丝受外力作用而伸长时长度增加, 截面积减小, 电阻值增大;当金属丝受外力作用压缩时, 长度减小, 截面积增加, 电阻值减小。电阻值变化通常较小。
实验证明:电阻应变片的电阻应变εr=ΔR/R与电阻应变片的纵向应变εx在很大范围内是线性的.即εr=ΔR/R=kεx式中ΔR/R为电阻应变片的电阻应变, k为电阻丝的灵敏度, εr为被测件在电阻应变片上产生的应变。
康铜丝是目前应用最广泛的金属丝式应变材料, 这是因为它的灵敏度系数稳定, 电阻温度系数较小, 加工工艺性能好易于焊接, 为此国内外多以康铜丝作为金属应变式应变片材料。
二、电阻应变式传感器的工作原理
传感器一般由敏感元件, 传感元件和测量电路3部分组成, 以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器, 主要由弹性元件、粘贴于其上的电阻应变片、输出电信号的电桥电路及补偿电路构成。其中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分, 结构形式有多样, 旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。
电阻应变式传感器工作原理是:由于被测物理量 (如载荷, 位移, 压力等) 能够在弹性元件上产生弹性变形 (应变) , 而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻值的变化, 这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化量, 再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。通过测量此电量值达到测量非电量值的目的。
三、电阻应变式传感器的应用
在工程结构的强度分析中, 了解和掌握力, 力矩, 位移, 速度, 加速度以及流体的压力等物理量的大小及其变化规律是十分重要的, 而这些数据的获取常常是通过工程测量, 应用较为普遍的是电测法.
1、测力传感器
测力传感器根据测量的对象不同, 习惯上又称为力传感器, 载荷传感器, 荷重传感器等。
2、扭矩传感器
在扭矩测量中, 电阻应变式扭矩传感器是最常用的一种, 其弹性元件有圆轴, 杆和板等多种形式.圆轴式扭矩传感器的弹性元件感受扭转变形.杆和板式扭矩传感器是将扭转变形转为弯曲变形, 其弹性元件感受弯曲变形。
3、压力传感器
工程测试中的压力测量, 主要是指测量液体或气体在单位面积上作用的压力, 即液体或气体的压强。所以习惯上说的压力传感器, 实际上是压强传感器.它不仅可以测量气体和流体的压力, 还可以用来制造测量高度、密度、速度等仪表。压力传感器按其结构形式可以分为膜片式、圆筒式和组合式等几种。
4、位移传感器
电阻应变式位移传感器与测力传感器的原理相同, 但要求不同。位移传感器弹性元件的要求是刚度小, 弹性元件变形时, 将对被测构件形成一个反力, 影响被测构件的位移数值。位移传感器中与弹性元件相连接的触点直接感受被测的位移, 从而引起弹性元件的变形.为了保证测量精度, 触点的位移与应变计感受的应变之间应保持线性关系。位移传感器的弹性元件可以采用不同的形式, 常用的是梁式和弹簧组合式。
5、加速度传感器
电阻应变式加速度传感器通常由质量块, 弹性元件和基座组成。测量时, 将基座固定在被测对象上, 当被测物体以加速度a运动时, 质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力, 该惯性力使弹性元件产生变形, 此时安装在弹性元件上的应变计将感受粘贴处的应变, 如果把应变计组成电桥则有电压输出。
如今, 信息处理技术, 微处理器和计算机技术的快速发展和广泛应用, 都需要在传感器的开发方面有相应的进展.非电物理量的测试与控制技术, 已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量、称重等技术领域, 而且也正在逐步引入人们的日常生活中。
摘要：本文阐述了应变效应、电阻应变式传感器工作原理及其应用。
关键词：应变效应,电阻应变式传感器,应用
参考文献
[1]于彤《传感器原理及应用》机械工业出版社2010
[2]刘灿军《实用传感器》国防工业出版社2004
[3]刘伟《传感器原理及实用技术》电子工业出版社2009年
电阻应变片 篇4
电阻应变仪是测量结构或构件所受应力应变的仪器, 如果能够与相应的传感器恰当配合使用, 也可用于测量力、压力、扭矩、位移、振幅等物理变化过程, 它是试验应力分析的可靠工具。电阻应变仪按其测量应变变化频率范围可分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪;按供桥电压的不同又可分为直流供桥型电阻应变仪和交流供桥型电阻应变仪。由于电阻应变仪的广泛使用, 对电阻应变仪进行定期校准或检定, 以确保其测量结果的准确、可靠是十分必要的。静态电阻应变仪示值误差的校准或检定一般采用标准模拟应变校准器输出标准应变, 用电阻应变仪所测应变值与标准模拟应变校准器输出值相比较的方法校准电阻应变仪。然而, 在对电阻应变仪的校准或检定过程中, 常常有些计量人员则机械地按照检定规程进行示值误差的校准或检定操作, 使得工作量没有必要地增加了很多, 特别是对多通道电阻应变仪进行校准或检定时更是给检定工作造成一定程度的困扰;那有没有其他无需标准模拟应变校准器的方法对电阻应变仪进行示值误差得校准。作者在计量机构从事电阻应变测量仪器的校准检定工作多年, 工作中曾经出现过、也提出遇到上述问题, 感到有必要总结出来以供广大从事电阻应变仪校准和使用的工作者参考。
1 电阻应变测量原理
电阻应变测量是根据金属丝的电阻率随金属丝的变形而变化的关系, 把力学参数转换成与之成比例的电学参数, 通过测量电学参数并依照一定的比例关系将其转换成试件的应变值。电阻应变测量电路是由应变片和补偿片组成的测量电桥。实验证明:在试件的弹性变化范围内, 金属丝电阻的相对变化AR/R和金属丝长度的相对变化△L/L (即应变ε) 成正比
式中, K为金属丝的灵敏系数。
应变片是利用金属导线的应变一电阻效应制造的对应变灵敏感应的传感元件。应变片的种类有应变片、十字应变片、应变花等。应变的测量有一般抗力测量、复合抗力测量、静应变测量、动应变测量等测量方式。
在电阻应变测量中, 由应变测量电桥来完成电阻的相对变化量 (或称电阻变化率) 转换成电压 (或电流) 的变化量。测量电桥的工作原理如图1所示。由电工学可知电桥输出电压UO为:
电桥输出电压UO=0, 即, 此为电桥平衡条件。通过公式 (1) (2) 推导得到应变仪的读数为: (3)
式中U0为电ε桥的输出电压 (电桥信号输出端电压值) 。
US为桥压。
K为应变计灵敏度系数。
ε为输入应变量。
可见, 对应变仪的读数ε的校准既可通过校准应变测量电桥电阻变化率, 也可通过校准U0和US来实现。
2 利用数字电压表和标准电压源校准静态电阻应变仪示值误差 (源表法)
此方法简称源表法, 共分为三步。如图A、C端为电桥电压端, B、D端为电桥信号输出端。
第一步, 测量桥压。注意测量桥压时必须在桥压端并联一个与桥臂电阻 (应变计电阻) 相同阻值的电阻R0, 用以模拟电阻应变仪真实工作情况下的桥压。
第二步, 根据公式 (3) 得出标准模拟应变量对应的电桥信号输出端电压值。
式中U0为电桥的输出电压 (电桥信号输出端电压值)
US为桥压
K为应变计灵敏度系数
ε为输入应变量
第三步, 在电桥信号输出端输入0 m V或进行短路对静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。零位平衡完成后在电桥信号输出端输入标准电压值, 根据其对应的标准模拟应变量以及电阻应变仪标称值或数组读数。计算得到示值误差。此方法对多通道电阻应变仪示值误差的校准比较方便。
下面以东华测试DH3813型电阻应变仪为例应用源表法。
首先按DH3813型电阻应变仪仪器说明书规定的时间进行预热。其桥压标称值为DC2V。设置应变计电阻为120Ω后使用吉时利公司产2182型数字电压表直接测量电压 (A、C端) 为2.0015V, 在桥压端 (A、C端) 并联一个120Ω电阻后测得实际桥压为1.9996V。
然后在电桥信号输出端 (B、D端) 输入0m V或进行短路。静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。最后在电桥信号输出端使用FLUKE5720型多功能源输入标准直流电压值, 将输入标准电压值根据公式 (3) 换算成标准模拟应变量并对电阻应变仪进行示值误差校准, 以下为校准数据
通过分析测量结果的不确定度为U= (1.0×10-4~2.0×10-4) (k=2) 。
3 利用标准电阻箱, 校准静态电阻应变仪示值误差 (标准电阻箱法)
此方法简称标准电阻箱法, 共分为三步。如图A、C端为电桥电压端, B、D端为电桥信号输出端。
第一步, 按仪器说明书规定的时间进行预热, 设置好应变计电阻值等参数。
第二步, 首先按照仪器说明书规定, 根据1/4桥、半桥和全桥等方式连接好静态电阻应变仪与应变计电阻。这里应变计电阻用稳定性好, 误差在±1%的电阻器代替。然后对静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。
第三步, 连接标准电阻箱, 注意连接标准电阻箱的导线尽量选择阻值较小的。进行电阻应变仪示值误差校准, 通过调节电阻箱的输出电阻模拟不同大小的标准应变量。例全桥连接方式如图3, 电阻应变仪A、D端连接标准电阻箱调节电阻箱电阻值可得到正模拟应变量, 若电阻应变仪A、B端连接标准电阻箱可得到负模拟应变量。
下面以协力科技XL2101G型静态电阻应变仪为例应用标准电阻箱法。
按仪器说明书规定的时间进行预热, 设置片阻 (应变计电阻) 为120Ω, 灵敏系数K为2.00, 标定系数为1.000。连接四个电阻器R1、R2、R3和R4, 阻值均为120Ω。然后静态电阻应变仪进行零位平衡。平衡完成后连接ZX54型 (0.01级) 标准电阻箱, 调节电阻箱阻值得到模拟应变量并进行电阻应变仪示值误差校准。如图2将A、D端连接标准电阻箱调节电阻箱阻值得到正模拟应变量, 最后, 将A、B端连接标准电阻箱得到负模拟应变量。以下为校准数据
通过分析测量结果的不确定度为U=5.0×10-4 (k=2) 。
4结束语
以上2种方法通过了作者多年的重复性和稳定性试验后证实简单可靠。特别对于多通道电阻应变测试系统源表法可同时校准多个通道, 方便快捷。在这里贡献给同行, 是希望对静态电阻应变仪的检定校准工作有所裨益。作者不仅是为了总结经验, 如果能得到同行或专家的批评指正, 进一步改进、规范操作流程, 切实提高静态电阻应变仪检定校准的可靠性和工作效率, 作者撰写本文的目的也就达到了。
参考文献
[1]吴扬, 付军立, 王春燕.检定电阻应变仪应注意的几个问题[J].计测技术, 2008.28 (3) .
[2]何小兵, 丁诚.JJG623-2005电阻应变仪检定规程[S].北京:中国计量出版社, 2005.
[3]何小兵, 丁诚.JJG533-2007标准模拟应变量校准器检定规程[S].北京:中国计量出版社, 2007.