電阻應變計測量技術

電阻應變計種類繁多，包括有分別適用于高溫、低溫、強磁場和核輻射等條件的，以及用于測量殘余應力和應力集中的特殊應變計。

早期的電阻應變計測量儀器，用直流電橋和檢流計顯示的方法測量應變，其靈敏度和精度都比較差，20世紀40年代，出現(xiàn)由可調(diào)節(jié)的測量電橋和放大器組成的電阻應變儀，使電阻應變計在工程技術和科學實驗領域內(nèi)獲得廣泛的應用。為了克服直流放大器信號的漂移和線性精度差等缺點，傳統(tǒng)的電阻應變儀都采用交流放大器，以載波放大方式傳遞信號。這種儀器的性能穩(wěn)定，其精度能滿足一般的測試要求，但它的工作頻率受載波頻率的限制，而且存在電容、電感影響測量精度等問題。60年代，出現(xiàn)了釆用直流放大器的電阻應變儀。電阻應變儀正朝向數(shù)字化、自動化和多功能方向發(fā)展，已有用于靜態(tài)應變測量數(shù)字顯示的應變儀和多點自動巡回檢測的應變測量裝置，以及用于動態(tài)應變測量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等產(chǎn)品。電阻應變計測量技術在機械、化工、土建、航空等部門的結(jié)構強度試驗中，獲得了廣泛的應用。

—般應變測量技術應變測量技術可分為靜態(tài)應變測量和動態(tài)應變測量兩類：

電阻應變計測量技術l 靜態(tài)應變測量

工作過程如下：

應用電阻應變計測量常溫下的靜態(tài)應變時，可達到較高的靈敏度和精度，其最小應變讀數(shù)為1微應變，一般精度為1~2%，應變測量范圍從1微應變到2萬微應變，特殊的大應變電阻應變計可測到結(jié)果為20%的應變值。常溫箔式電阻應變計柵長可短到0.178毫米，適于測量應力梯度較大的構件的應變。采用應變花，可方便地測定平面應變狀態(tài)下構件上一點的應變。多點巡回的測量裝置，可在數(shù)分鐘內(nèi)自動記錄上千個應變數(shù)據(jù)。如果采用存儲器，由于每抄可存儲數(shù)萬個數(shù)據(jù)，適合測量測點較多的大型構件的應變。

環(huán)境溫度變化時，安裝在可自由膨脹的構件上的電阻應變計，由于敏感柵的電阻溫度效應，以及敏感柵和被測構件材料的線脹系數(shù)不同，電阻應變計的電阻將發(fā)生變化，其值為：

式中

溫度的變化使電阻應變計產(chǎn)生的指示應變值，稱為熱輸出（或稱視應變），它和所需的應變無關，必須消除。消除的方法：①采用補償塊線路補償法。在一塊和構件材料，同但不受力的補償塊上，安裝一個和工作電阻應變計的規(guī)格性能相同的電阻應變計（稱為補償應變計），將補償塊和構件置于溫度相同的環(huán)境中，并將工作應變計和補償應變計分別接入電橋的相鄰橋臂，利用電橋特性消除熱輸出。②采用特殊的溫度自補償應變計。③采用熱輸出曲線修正法，將和工作應變計規(guī)格性能相同的應變計，安裝在材料和被測構件相同的試件上，在和實測相似的熱循環(huán)情況下，測取應變計的熱輸出和溫度的關系曲線。在現(xiàn)場測量應變的同時，測定相應的溫度，根據(jù)上述曲線對測得的應變數(shù)據(jù)進行修正。④采用溫差電偶補償法。在直流的電橋電路中，用溫差電偶的熱電動勢將熱輸出的電壓變化預先抵消。一般在常溫條件下測量應變時，采用第一種方法;在高溫或低溫條件下測量應變時，采用第一、第二或第四種方法，也可在用第二種方法之后，再用第三種方法將前法測得的應變數(shù)據(jù)修正。

另外，在使用長導線及與電祖應變儀的電阻不匹配或靈敏系數(shù)不相同的應變計時，對測量結(jié)果要進行修正。

電阻應變計測量技術l 動態(tài)應變測量

工作過程如下：

電阻應變計的頻率響應時間約為10^-7秒，半導體應變計可達10^-11秒，構件應變的變化幾乎立即傳遞給敏感柵，但由于應變計有一定柵長，當構件的應變波沿柵長方向傳播時，應變計的瞬時應變讀數(shù)為應變波在柵長間距內(nèi)的應變平均值。這會給測量結(jié)果帶來誤差。假設應變波為正弦波，其傳播速度與聲波在材料中傳播速度相同，若采用柵長1毫米的應變計對鋼構件進行測量，則當應變頻率達25萬赫時，應變測量誤差小于一般機械的應變頻率都不超過25萬赫，應變測量誤差也不超出上值。高頻應變測量的范圍，主要受電阻應變儀和記錄器的限制，在測量動態(tài)應變時，要根據(jù)被測應變的頻率，對應變計進行動態(tài)標定及選擇合適的電阻應變儀和記錄器。對于隨機應變信號，采用數(shù)據(jù)處理裝置，可大大減少整理工作的時間。

電阻應變測最系統(tǒng)由電阻應變計，電阻應變儀和記錄器三部分組成，其工作過程如下：

電阻應變計可按下式將構件的應變轉(zhuǎn)換為單位電阻變化：

式中R為初始電阻；為該電阻的變化；ε為軸線方向的應變；K為靈敏系數(shù)。

電阻應變儀采用電橋或電位差計的測量線路，將電阻應變計的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）的變化，并經(jīng)放大后輸出。

電阻應變計測量技術起源于19世紀。1856年，W.湯姆孫對金屬絲進行了拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)金屬絲的應變和電阻的變化有一定的函數(shù)關系，說明應變關系可轉(zhuǎn)換為電量變化的關系，可用電學方法測定應變。1938年，E·西蒙斯和A.魯奇制出了第一批實用的紙基絲繞式電阻應變計。1953年，P.杰克孫利用光刻技術，首次制成了箔式應變計。隨著微光刻技術的進展，這種應變計的柵長可短到0.178毫米。1954年，C.S.史密斯發(fā)現(xiàn)半導體材料的壓阻效應，1957年，W.P.梅森等研制出半導體應變計，其靈敏系數(shù)比金屬絲應變計高50倍以上，現(xiàn)已用于測量力、扭矩和位移等的傳感器上。

主要有以下五種：

電阻應變計測量技術A. 高溫或低溫條件下的應變測量

現(xiàn)在已有適用于－270～800℃的各種類型的電阻應變計和粘結(jié)劑。進行短時間的動態(tài)應變測量時，環(huán)境溫度可高達1000℃。在髙溫或低溫條件下，應變計的熱輸出常常超過所測的應變，故必須采取有效的補償方法。但由于這種熱輸出的分散性大和重復性差，不能做到完全補償。另外，粘結(jié)劑的蠕變、絕緣電阻的變化和敏感柵的氧化等，也會引起應變讀數(shù)的變化，加上靈敏系數(shù)隨溫度改變，及其測量的誤差，都會影響應變測量的準確性。因此，用電阻應變計測量高溫或低溫條件下的應變時，其精度比常溫條件下差。

電阻應變計測量技術B. 高速旋轉(zhuǎn)構件的應變測量

1. 采用電阻應變計測里高速旋轉(zhuǎn)構件的應變時，除了必須解決應變計的防護和溫度補償問題以外，應著重的是解決裝在旋轉(zhuǎn)構件上的應變計和測量儀器之間的信號傳遞。一般用的集流器有拉線式、炭刷式、水銀式和感應式四種，后三種可用于測置轉(zhuǎn)速在10000轉(zhuǎn)/分以上的構件的應變。無線電應變遙測裝置可裝在無法安裝集流器的密封旋轉(zhuǎn)構件上，它能消除集流器因接觸電阻而產(chǎn)生的嗓聲信號（見應變遙測技術）。

電阻應變計測量技術C. 高壓液下的應變測量

電阻應變計可用于測量高壓液體介質(zhì)容器內(nèi)壁的應變，但由于電阻應變計處在高壓液態(tài)介質(zhì)中工作，必須解決應變計的防護、引線的引出以及壓力效應等問題?！銓τ谟皖惖慕^緣介質(zhì)，應變計不需采取防護措施。對于在水下工作的應變計，采用凡士林、二硫化鉬或環(huán)氧樹脂等化學涂層后，可在200～1000巴（1巴=10⁵帕）的壓力下測量應變。應變計引線的引出，通常采用灌注了環(huán)氧樹脂或松香-錠子油的帶有錐形內(nèi)孔的密封裝置。這種裝置可在壓力達數(shù)千巴的液體介質(zhì)容器中達到有效的密封。高壓液體介質(zhì)對敏感柵的壓力會改變電阻值，應在讀數(shù)中扣除它，或采取補償法予以消除。

電阻應變計測量技術D. 強磁場和核輻射環(huán)境下的測量

在強磁場作用下，電磁感應對應變測量系統(tǒng)將產(chǎn)生“干擾”，影響測量的結(jié)果。用抗磁材料制造電阻應變計的敏感柵，或?qū)蓚€相同的應變計重疊在一起，并利用電撟線路，就可以減少磁場“干擾”的影響。如在應變測量線路系統(tǒng)中采取有效的屏蔽，也能獲得較好的結(jié)果。核輻射對電阻應變計的影響較為復雜，除了核輻射產(chǎn)生電磁感應對應變測量產(chǎn)生“干擾"外，還會使電阻應變計的敏感柵和粘結(jié)劑的性能發(fā)生變化，使應變計的電阻和靈敏系數(shù)發(fā)生變化。另外，核輻射熱還會使應變計有熱輸出，因此在應變測量時，應采用抗核輻射的敏感柵材料和無機粘結(jié)劑或聚酰亞胺粘結(jié)劑，并采取嚴格的屏蔽和補償措施。

電阻應變計測量技術E. 殘余應力測量

應用電阻應變計，可以測量機械構件由于焊接、鑄造、切削等工藝所產(chǎn)生的殘余應力。其原理是:將電阻應變計安裝在被測構件的殘余應力區(qū)域內(nèi)，采取切割，鉆孔和電化學等方法，全部或部分釋放殘余應力，測出電阻應變計在殘余應力釋放前后的應變變化，再按彈性理論算出構件的殘余應力。根據(jù)殘余應力的釋放方式，用應變計測定殘余應力的方法有切割法、鉆孔法和逐次剝層法三種。它們都屬于破壞性的機械測定法，其測量精度在很大程度上取決于應變計的粘貼位置和加工工藝。為此，采用加工定位的專用夾具，以及專用于測定殘余應力的應變花。

①一個應變計只能測定構件表面一點在某個方向的應變，

②只能測得柵長范圍內(nèi)的平均應變。

①測量精度和靈敏度高；

②頻率響應好，可測量從靜態(tài)到數(shù)十萬赫的動態(tài)應變；

③測量數(shù)值范圍廣；

④易于實現(xiàn)測量的數(shù)字化、自動化和無線電遙測；

⑤可在高溫、低溫，高壓液下、高速旋轉(zhuǎn)、強磁場和核輻射等環(huán)境進行測量，

⑥可制成各種傳感器，測量力、壓力、位移、加速度等物理量，在工業(yè)過程和科學實驗中用作控制或監(jiān)視的敏感元件。

①合理設計敏感柵的形狀，研制性能更好的敏感柵和粘結(jié)劑，以提高測量精度和穩(wěn)定性。

②研制柵長較小、適應更髙溫度及有待殊用途的應變計。

③研制數(shù)字化、自動化和微處理機或與計算機聯(lián)用的實時在線處理的應變測量系統(tǒng)，以及多通道的應變遙測系統(tǒng)。

④研究和提高測量技術，以便減少測量誤差和擴大應變計的應用范圍。

電阻應變計（resistance strain gage）能將工程構件上的應變，即尺寸變化轉(zhuǎn)換成為電阻變化的變換器（又稱電阻應變片），簡稱為應變計。一般由敏感柵、引線、粘結(jié)劑、基底和蓋層組成。電阻應變計的品種日益增加，應用范圍也日益擴大，除了常用的品種和規(guī)格外，還有各種不同用途的應變計，如溫度白補償應變計、大應變應變計、應力計、測量殘余應力的應變花等。按敏感柵的材料，電阻應變計分為金屬電阻應變計和半導體應變計兩類，按工藝可分為粘貼式（又稱應變片，出現(xiàn)最早，應用最廣）、非粘貼式（又稱張絲式或繞絲式）、焊接式、噴涂式等 。

一般由敏感柵、引線、粘結(jié)劑、基底和蓋層組成。

電阻應變計圖冊

將電阻應變計安裝在構件表面，構件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形（伸長或縮短），會使應變計的敏感柵隨之變形，應變計的電阻就發(fā)生變化，其變化率

和安裝應變計處構件的應變

成比例。測出此電阻的變化，即可按公式算出構件表面的應變，以及相應的應力。

電阻應變計圖冊

將電阻應變計安裝在構件表面，在應變計軸線方向的單向應力作用下，敏感柵的電阻變化率

和引起此電阻變化的構件表面在應變計軸線方向的應變

之比，稱為電阻應變計的靈敏系數(shù)K即

電阻應變計圖冊

它表示電阻應變計輸出信號與輸入信號在數(shù)量上的關系，是電阻應變計的主要工作特性之一。

電阻應變計圖冊

敏感柵的柵長一般為0.2～100毫米，電阻為60～1000歐（最常用的為120歐和350歐），測量范圍為幾微應變至數(shù)萬微應變（

，1微應變=10毫米/毫米）。2100433B

在電子測量中，為了繞過在某些量程、頻段和測量域上對某些參量的測量困難和減小測量的不確定度，廣泛采用下列各種變換測量技術。

①　參量變換測量技術：把被測參量變換為與它具有確定關系但測量起來更為有利的另一參量進行測量，以求得原來參量的量值。例如，功率測量中的量熱計是把被測功率變換為熱電勢進行測量，而測熱電阻功率計是把被測功率變換為電阻值進行測量；相移測量中可把被測相位差變換為時間間隔進行測量；截止衰減器是把衰減量變換為長度量進行測量；有些數(shù)字電壓表是把被測電壓變換為頻率量進行測量。

②　頻率變換測量技術：利用外差變頻把某一頻率（一般是較高頻率或較寬頻段內(nèi)頻率）的被測參量變換為另一頻率（一般是較低頻率或單一頻率）的同樣參量進行測量。這樣做的一個重要原因是計量標準和測量器具在較低頻率（尤其是直流）或單一頻率上的準確度通常會更高一些。例如，在衰減測量中的低頻替代法和中頻替代法就是在頻率變換基礎上的比較測量技術；采樣顯示、采樣鎖相在原理上也是利用了采樣變頻的頻率變換測量技術。

③　量值變換測量技術：把量值處于難以測量的邊緣狀態(tài)（太大或太?。┑谋粶y參量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進行測量。例如，用測量放大器、衰減器、分流器、比例變壓器或定向耦合器，把被測電壓、電流或功率的量值升高或降低后進行測量；用功率倍增法測噪聲和用倍頻法測頻率值等。

④　測量域變換測量技術: 把在某一測量域中的測量變換到另一更為有利的測量域中進行測量。例如，在頻率穩(wěn)定度測量中，為了更好地分析導致頻率不穩(wěn)的噪聲模型，可以從時域測量變換到頻域測量；在電壓測量中，為了大幅度地提高分辨力，可以從模擬域測量變換到數(shù)字域測量。