电阻应变计测量技术的自然百科

[拼音]：dianzu yingbianji celiang jishu

[外文]：resistance strain gage technique

用电阻应变计测定构件的表面应变，再根据应力、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，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。电阻应变计的主要缺点是：

（1）一个应变计只能测定构件表面一点在某个方向的应变；

（2）只能测得栅长范围内的平均应变。

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有一定的函数关系，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.鲁奇制出了第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，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，传统的电阻应变仪都采用交流放大器，以载波放大方式传递信号。这种仪器的性能稳定，其精度能满足一般的测试要求，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在机械、化工、土建、航空等部门的结构强度试验中，获得了广泛的应用。

测量原理

电阻应变测量系统由电阻应变计、电阻应变仪和记录器三部分组成，其工作过程如下：

电阻应变计可按下式将构件的应变转换为单位电阻变化：

，　　　　　　　　　 (1)

式中R为初始电阻；ΔR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：

静态应变测量

工作过程如下：

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0.178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，其值为：

，　　　　 (2)

式中βR为敏感栅的电阻温度系数；ΔT为环境温度的变化；αa、αb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。

动态应变测量

工作过程如下：

电阻应变计的频率响应时间约为10-7秒，半导体应变计可达10-11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。

特殊条件下的应变测量技术

主要有以下五种：

高温或低温条件下的应变测量

现在已经有适用于－270～800℃的各种类型的电阻应变计和粘结剂。进行短时间的动态应变测量时，环境温度可高达1000℃。在高温或低温条件下，应变计的热输出常常超过所测的应变，故必须采取有效的补偿方法。但由于这种热输出的分散性大和重复性差，不能做到完全补偿。另外，粘结剂的蠕变、绝缘电阻的变化和敏感栅的氧化等，也会引起应变读数的变化，加上灵敏系数随温度改变，及其测量的误差，都会影响应变测量的准确性。因此，用电阻应变计测量高温或低温条件下的应变时，其精度比常温条件下差。

高速旋转构件的应变测量

采用电阻应变计测量高速旋转构件的应变时，除了必须解决应变计的防护和温度补偿问题以外，应着重的是解决装在旋转构件上的应变计和测量仪器之间的信号传递。一般用的集流器有拉线式、炭刷式、水银式和感应式四种，后三种可用于测量转速在 10000转／分以上的构件的应变。无线电应变遥测装置可装在无法安装集流器的密封旋转构件上，它能消除集流器因接触电阻而产生的噪声信号（见应变遥测技术）。

高压液下的应变测量

电阻应变计可用于测量高压液体介质容器内壁的应变，但由于电阻应变计处在高压液态介质中工作，必须解决应变计的防护、引线的引出以及压力效应等问题。一般对于油类的绝缘介质，应变计不需采取防护措施。对于在水下工作的应变计，采用凡士林、二硫化钼或环氧树脂等化学涂层后，可在200～1000巴（1巴＝105帕）的压力下测量应变。应变计引线的引出，通常采用灌注了环氧树脂或松香-锭子油的带有锥形内孔的密封装置。这种装置可在压力达数千巴的液体介质容器中达到有效的密封。高压液体介质对敏感栅的压力会改变电阻值，应在读数中扣除它，或采取补偿法予以消除。

强磁场和核辐射环境下的应变测量

在强磁场作用下，电磁感应对应变测量系统将产生“干扰”，影响测量的结果。用抗磁材料制造电阻应变计的敏感栅，或将两个相同的应变计重叠在一起，并利用电桥线路，就可以减少磁场“干扰”的影响。如在应变测量线路系统中采取有效的屏蔽，也能获得较好的结果。核辐射对电阻应变计的影响较为复杂，除了核辐射产生电磁感应对应变测量产生“干扰”外，还会使电阻应变计的敏感栅和粘结剂的性能发生变化，使应变计的电阻和灵敏系数发生变化。另外，核辐射热还会使应变计有热输出，因此在应变测量时，应采用抗核辐射的敏感栅材料和无机粘结剂或聚酰亚胺粘结剂，并采取严格的屏蔽和补偿措施。

残余应力测量

应用电阻应变计，可以测量机械构件由于焊接、铸造、切削等工艺所产生的残余应力。其原理是：将电阻应变计安装在被测构件的残余应力区域内，采取切割、钻孔和电化学等方法，全部或部分释放残余应力，测出电阻应变计在残余应力释放前后的应变变化，再按弹性理论算出构件的残余应力。根据残余应力的释放方式，用应变计测定残余应力的方法有切割法、钻孔法和逐次剥层法三种。它们都属于破坏性的机械测定法，其测量精度在很大程度上取决于应变计的粘贴位置和加工工艺。为此，采用加工定位的专用夹具，以及专用于测定残余应力的应变花。

电阻应变计测量技术的改进途径

（1）合理设计敏感栅的形状，研制性能更好的敏感栅和粘结剂，以提高测量精度和稳定性。

（2）研制栅长较小、适应更高温度及有特殊用途的应变计。

（3）研制数字化、自动化和微处理机或与计算机联用的实时在线处理的应变测量系统，以及多通道的应变遥测系统。

（4）研究和提高测量技术，以便减少测量误差和扩大应变计的应用范围。

参考书目机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编：电阻应变片测量技术，《机械工程手册》，第19篇，第13章，机械工业出版社，北京，1980。天津大学材料力学教研室电测组编著：《电阻应变仪测试技术》，科学出版社，北京，1980。