电测法的基本原理.doc

电测法的基本原理一. 原理简介 电测应力、应变实验方法（简称电测法），不仅用于验证材料力学的理论、测定材料的机械性能，而且作为一种重要的实验手段为解决工程问题及从事研究工作，提供良好的实验基础。电测法就是将物理量、力学量、机械量等非电量，通过敏感元件感受下来并转换成电量，然后通过专门的应变测量设备（如电阻应变仪）进行测量的一种实验方法。 二. 应变片原理 敏感元件的种类很多，其中以电阻应变片（简称电阻片或应变片）最简单、应用最广泛。1. 电阻片的应变-电性能（图1、图2）电阻片分丝式和箔式两大类。丝绕式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合金丝绕成栅状制成的；箔式应变片则是用0.003mm-0.01mm厚的箔材经化学腐蚀制成栅状的，其主体敏感栅实际上是一个电阻。金属丝的电阻随机械变形而发生变化的现象称为应变-电性能。电阻片在感受构件的应变时（称做工作片），其电阻同时发生变化。实验表明，构件被测量部位的应变l/l与电阻变化率R/R成正比关系，即：比例系数Ks称为电阻片的灵敏系数。 由于电阻片的敏感栅不是一根直丝，所以Ks不能直接计算，需要在标准应变梁上通过抽样标定来确定。Ks的数值一般约在2.0 左右。 2. 温度补偿片温度改变时，金属丝的长度也会发生变化，从而引起电阻的变化。因此在温度环境下进行测量，应变片的电阻变化由两部分组成即：R = RRTR-由构件机械变形引起的电阻变化。RT-由温度变化引起的电阻变化。要准确地测量构件因变形引起的应变，就要排除温度对电阻变化的影响。方法之一是，采用温度能够自己补偿的专用电阻片；另一种方法是，把普通应变片，贴在材质与构件相同、但不参与机械变形的一材料上，然后和工作片在同一温度条件下组桥。电阻变化只与温度有关的电阻片称做温度补偿片。利用电桥原理，让补偿片和工作片一起合理组桥，就可以消除温度给应力测量带来的影响。3. 应变花（图3） 为同时测定一点几个方向的应变，常把几个不同方向的敏感栅固定在同一个基底上，这种应变片称做应变花。应变花的各敏感栅之间由不同的角度组成。它适用于平面应力状态下的应变测量。应变花的角度可根据需要进行选择。4. 电阻片的粘贴方法 粘贴电阻片是电测法的一个重要环节，它直接影响测量精度。粘贴时，首先必须保证被测表面的清洁、平整、光滑、无油污、无锈迹。二要保证粘贴位置的准确、并选用专用的粘接剂。三应变片引线的焊接和导线的固定要牢靠，以保证测量时导线不会扯坏应变片。为满足上述要求，粘贴的大致过程如下：打磨测量表面在测量位置准确画线清洗测量表面在画线位置上准确地粘贴应变片焊接导线并牢靠固定。三. 电桥工作原理 应变仪测量电路的作用，就是把电阻片的电阻变化率R/ R转换成电压输出，然后提供给放大电路放大后进行测量。 1. 电桥原理 测量电路有多种，最常用的是桥式测量电路。R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之间，构成电桥的四桥臂。电桥的对角AC接电源，电源电压为E；对角BD 为电桥的输出端，其输出电压用UDB表示。可以证明UDB与桥臂电阻有如下关系：UDB = E（ ）若4个桥臂电阻由贴在构件上的4枚电阻片组成，而且初始电阻R1 = R2 = R3 = R4，当输出电压UDB = 0时，电桥处于平衡状态。构件变形时，各电阻的变化量分别为R1、R2、R3、R4。输出电压的相应变化为：UDB+UDB = E（）在小应变 1的条件下，可以证明桥路输出电压为：UDB =（+） 如果R仅由机械变形引起、与温度影响无关，而且4枚电阻片的灵敏系数Ks相等时，根据 ，可以写成：UDB = Ks（1234） 如果供桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出UDB 与4个桥臂的应变值1、2、3、4成线性关系。式中各是代数值，其符号由变形方向决定。一般拉应变为正、压应变为负。根据这一特性：相邻两桥臂的（1、3或 2、4）符号一致时，两应变相抵消；如符号相反，则两应变的绝对值相加。 相对两桥臂的（ 1 、2或 3、4）符号一致时，两应变的绝对值相加；如符号相反，则两应变相抵消。 实验如果能很好地利用电桥的这一特性，合理布片、灵活组桥，将直接影响电桥输出电压的大小，从而有效地提高测量灵敏度、并减少测量误差。这种作用称做桥路的加减特性。电阻应变仪是测量应变的专用仪器，桥路输出电压UDB的大小，是按应变直接标定来显示的。因此与UDB对应的应变值仪仪可由应变仪直接读出来。2. 组桥方式 一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。几种典型的组桥方式如下： a.单臂测量 只有一枚工作片R1接在AB桥臂上。其它3个桥臂的电阻片都不参与变形应变e为零。这时电桥的输出电压为：UDB =（）=Ks（1）单臂测量的结果UDB代表被测点的真实工作应变。b.半桥测量 两枚工作片R1、 R2分别接在相邻两个桥臂AB、BC上。其它两个桥臂是应变仪的内接电阻。这时电桥的输出电压为：UDB =（）=Ks（12）c.对臂测量 两枚工作片R1、 R3分别接在对臂AB、CD上。温度补偿片R2、 R4分别接在其它两对臂BC、AD上。这时：UDB =（+）=Ks（13）d.单臂串联测量 两枚串联的工作片2R接AB臂。而两枚串联的温度补偿片2R接BC臂。其他两个桥臂接仪器的内接电阻这时：UDB=（） 工作片串联后R1 = 2R，同样R1= 2R ，因此UDB的测量结果不变，与两枚阻片电阻变化率的平均值成正比。图表1典型的组桥方式如下：（- -工作片；- -补偿片；- -内接电阻） 组桥方式组桥图输出电压UDB桥臂系数B温度补偿单臂测量 UDB =Ks（1）1BC臂需接一枚补偿片R半桥测量UDB =Ks（12）1=-2时B=2不需接补偿片温度影响自动消除对臂测量UDB =Ks（13）1=3时B=2非工作对臂接补偿片全桥测量UDB =Ks（1234）1=-2=3=-4时B=4不接补偿片,温度影响可自动消除串联测量UDB =（）B=1阻值与工作片相会地补偿片串联后接BC臂3. 温度补偿 温度补偿是运用桥路的加减特性，合理布片、有效利用温度补偿片正确组桥，以消除温度给应变测量带来的影响。下面讨论桥路原理在温度补偿中的几种典型应用。a.单臂测量 工作片R1接AB臂，温度补偿片R2 接BC臂，剩下的两个桥臂是不参与变形的内接电阻。由于温度的影响，这时电桥的输出电压为：UDB = （）+(R1/ R1)T(R2/ R2)T相邻两桥臂的电阻片因温度变化引起的电阻变化率：(R1/ R1)T= (R2/ R2)T。根据桥路特性二者在桥路中相互抵消。从而使DUDB 消除了温度的影响。即：UDB =（）， 因此单臂测量的结果只反映被测点的工作应变。b. 半桥测量 两枚工作片R1、 R2分别接在相邻的两个桥臂AB、BC 臂上，其它两个桥臂是应变仪的内接电阻。这时电桥的输出电压为：UDB =（+(R1/ R1)T-(R2/ R2)T）R1、R2的温度电阻变化率相等，即：(R1/ R1)T=(R2/ R2)T。根据桥路特性，二者在桥路中相互抵消。从而不必接温度补偿片就消除了温度的影响。这时桥路的输出电压为：UDB =（）c. 对臂测量 两枚工作片R1、 R3分别接在对 臂AB、 CD 上；两个温度补偿片R2、 R4。分别接其他两对臂BC、AD上由于4个电阻片都处于同一温度条件下，而且各电阻片由温度引起的电阻变化率相等，温度影响即在桥路中相互抵消。这时电桥的输出电压仍为：UDB =（+ ）d.全桥测量 4枚工作片R1、 R2、R3、 R4依次接在电桥的4个桥臂上。由于各工作片由温度引起的电阻变化率相等，温度影响在桥路中相互抵消。这时：UDB=（+- ）4. 读数修正应变仪是应变测量的专用仪器。应变仪测量电路的输出电压UDB 是被标定成应变值仪 直接显示的。与电阻片的灵敏系数KS相对应,应变仪也有一个灵敏系数K仪，多数仪器的K仪是可调的，测量时一般经过调节令K仪 = KS，这样应变仪的读数值仪与桥路输出的应变值测相等,即仪 = 测不必修正。某些应变仪的K仪是固定不变的不能调节，当K仪KS时，读数值仪 会存在一系统误差，必须按下式进行修正，即：K仪仪 = KS测 。此时桥路输出的实际应变值应为：测 = 。5.桥臂系数 同一个被测值，由于布片和组桥方式不同，桥路的输出电压UDB有很大的不同，与单臂测量相比仪 将不同程度的被放大。即测量灵敏度有不同程度的提高。为说明这种变化，测量灵敏度的大小一般用桥臂系数B来表示。定义如下：B =仪/单仪-应变仪指示的应变值（K仪 = KS时）单 - 被测点的真实应变值，单 一般由单臂测量测定。 6