電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)的改進(jìn)途徑

①合理設(shè)計(jì)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(yīng)更髙溫度及有待殊用途的應(yīng)變計(jì)。

③研制數(shù)字化、自動(dòng)化和微處理機(jī)或與計(jì)算機(jī)聯(lián)用的實(shí)時(shí)在線處理的應(yīng)變測量系統(tǒng)，以及多通道的應(yīng)變遙測系統(tǒng)。

④研究和提高測量技術(shù)，以便減少測量誤差和擴(kuò)大應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用范圍。

①一個(gè)應(yīng)變計(jì)只能測定構(gòu)件表面一點(diǎn)在某個(gè)方向的應(yīng)變，

②只能測得柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。

①測量精度和靈敏度高；

②頻率響應(yīng)好，可測量從靜態(tài)到數(shù)十萬赫的動(dòng)態(tài)應(yīng)變；

③測量數(shù)值范圍廣；

④易于實(shí)現(xiàn)測量的數(shù)字化、自動(dòng)化和無線電遙測；

⑤可在高溫、低溫，高壓液下、高速旋轉(zhuǎn)、強(qiáng)磁場和核輻射等環(huán)境進(jìn)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(xué)實(shí)驗(yàn)中用作控制或監(jiān)視的敏感元件。

主要有以下五種：

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)A. 高溫或低溫條件下的應(yīng)變測量

現(xiàn)在已有適用于－270～800℃的各種類型的電阻應(yīng)變計(jì)和粘結(jié)劑。進(jìn)行短時(shí)間的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量時(shí)，環(huán)境溫度可高達(dá)1000℃。在髙溫或低溫條件下，應(yīng)變計(jì)的熱輸出常常超過所測的應(yīng)變，故必須采取有效的補(bǔ)償方法。但由于這種熱輸出的分散性大和重復(fù)性差，不能做到完全補(bǔ)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(huì)引起應(yīng)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(huì)影響應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性。因此，用電阻應(yīng)變計(jì)測量高溫或低溫條件下的應(yīng)變時(shí)，其精度比常溫條件下差。

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)B. 高速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變測量

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

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)C. 高壓液下的應(yīng)變測量

電阻應(yīng)變計(jì)可用于測量高壓液體介質(zhì)容器內(nèi)壁的應(yīng)變，但由于電阻應(yīng)變計(jì)處在高壓液態(tài)介質(zhì)中工作，必須解決應(yīng)變計(jì)的防護(hù)、引線的引出以及壓力效應(yīng)等問題?！銓?duì)于油類的絕緣介質(zhì)，應(yīng)變計(jì)不需采取防護(hù)措施。對(duì)于在水下工作的應(yīng)變計(jì)，采用凡士林、二硫化鉬或環(huán)氧樹脂等化學(xué)涂層后，可在200～1000巴（1巴=10⁵帕）的壓力下測量應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)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(dá)數(shù)千巴的液體介質(zhì)容器中達(dá)到有效的密封。高壓液體介質(zhì)對(duì)敏感柵的壓力會(huì)改變電阻值，應(yīng)在讀數(shù)中扣除它，或采取補(bǔ)償法予以消除。

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)D. 強(qiáng)磁場和核輻射環(huán)境下的測量

在強(qiáng)磁場作用下，電磁感應(yīng)對(duì)應(yīng)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(yīng)變計(jì)的敏感柵，或?qū)蓚€(gè)相同的應(yīng)變計(jì)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(yīng)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(duì)電阻應(yīng)變計(jì)的影響較為復(fù)雜，除了核輻射產(chǎn)生電磁感應(yīng)對(duì)應(yīng)變測量產(chǎn)生“干擾"外，還會(huì)使電阻應(yīng)變計(jì)的敏感柵和粘結(jié)劑的性能發(fā)生變化，使應(yīng)變計(jì)的電阻和靈敏系數(shù)發(fā)生變化。另外，核輻射熱還會(huì)使應(yīng)變計(jì)有熱輸出，因此在應(yīng)變測量時(shí)，應(yīng)采用抗核輻射的敏感柵材料和無機(jī)粘結(jié)劑或聚酰亞胺粘結(jié)劑，并采取嚴(yán)格的屏蔽和補(bǔ)償措施。

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)E. 殘余應(yīng)力測量

應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)，可以測量機(jī)械構(gòu)件由于焊接、鑄造、切削等工藝所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。其原理是:將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在被測構(gòu)件的殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，采取切割，鉆孔和電化學(xué)等方法，全部或部分釋放殘余應(yīng)力，測出電阻應(yīng)變計(jì)在殘余應(yīng)力釋放前后的應(yīng)變變化，再按彈性理論算出構(gòu)件的殘余應(yīng)力。根據(jù)殘余應(yīng)力的釋放方式，用應(yīng)變計(jì)測定殘余應(yīng)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(jī)械測定法，其測量精度在很大程度上取決于應(yīng)變計(jì)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(yīng)力的應(yīng)變花。

—般應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)變測量技術(shù)可分為靜態(tài)應(yīng)變測量和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量兩類：

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)l 靜態(tài)應(yīng)變測量

工作過程如下：

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

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

式中

溫度的變化使電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生的指示應(yīng)變值，稱為熱輸出（或稱視應(yīng)變），它和所需的應(yīng)變無關(guān)，必須消除。消除的方法：①采用補(bǔ)償塊線路補(bǔ)償法。在一塊和構(gòu)件材料，同但不受力的補(bǔ)償塊上，安裝一個(gè)和工作電阻應(yīng)變計(jì)的規(guī)格性能相同的電阻應(yīng)變計(jì)（稱為補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)），將補(bǔ)償塊和構(gòu)件置于溫度相同的環(huán)境中，并將工作應(yīng)變計(jì)和補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)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(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。③采用熱輸出曲線修正法，將和工作應(yīng)變計(jì)規(guī)格性能相同的應(yīng)變計(jì)，安裝在材料和被測構(gòu)件相同的試件上，在和實(shí)測相似的熱循環(huán)情況下，測取應(yīng)變計(jì)的熱輸出和溫度的關(guān)系曲線。在現(xiàn)場測量應(yīng)變的同時(shí)，測定相應(yīng)的溫度，根據(jù)上述曲線對(duì)測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。④采用溫差電偶補(bǔ)償法。在直流的電橋電路中，用溫差電偶的熱電動(dòng)勢將熱輸出的電壓變化預(yù)先抵消。一般在常溫條件下測量應(yīng)變時(shí)，采用第一種方法;在高溫或低溫條件下測量應(yīng)變時(shí)，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(yīng)變數(shù)據(jù)修正。

另外，在使用長導(dǎo)線及與電祖應(yīng)變儀的電阻不匹配或靈敏系數(shù)不相同的應(yīng)變計(jì)時(shí)，對(duì)測量結(jié)果要進(jìn)行修正。

電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)l 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量

工作過程如下：

電阻應(yīng)變計(jì)的頻率響應(yīng)時(shí)間約為10^-7秒，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可達(dá)10^-11秒，構(gòu)件應(yīng)變的變化幾乎立即傳遞給敏感柵，但由于應(yīng)變計(jì)有一定柵長，當(dāng)構(gòu)件的應(yīng)變波沿柵長方向傳播時(shí)，應(yīng)變計(jì)的瞬時(shí)應(yīng)變讀數(shù)為應(yīng)變波在柵長間距內(nèi)的應(yīng)變平均值。這會(huì)給測量結(jié)果帶來誤差。假設(shè)應(yīng)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(yīng)變計(jì)對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行測量，則當(dāng)應(yīng)變頻率達(dá)25萬赫時(shí)，應(yīng)變測量誤差小于一般機(jī)械的應(yīng)變頻率都不超過25萬赫，應(yīng)變測量誤差也不超出上值。高頻應(yīng)變測量的范圍，主要受電阻應(yīng)變儀和記錄器的限制，在測量動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，要根據(jù)被測應(yīng)變的頻率，對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定及選擇合適的電阻應(yīng)變儀和記錄器。對(duì)于隨機(jī)應(yīng)變信號(hào)，采用數(shù)據(jù)處理裝置，可大大減少整理工作的時(shí)間。

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

電阻應(yīng)變計(jì)可按下式將構(gòu)件的應(yīng)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(yīng)變；K為靈敏系數(shù)。

電阻應(yīng)變儀采用電橋或電位差計(jì)的測量線路，將電阻應(yīng)變計(jì)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(yīng)變計(jì)種類繁多，包括有分別適用于高溫、低溫、強(qiáng)磁場和核輻射等條件的，以及用于測量殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中的特殊應(yīng)變計(jì)。

早期的電阻應(yīng)變計(jì)測量儀器，用直流電橋和檢流計(jì)顯示的方法測量應(yīng)變，其靈敏度和精度都比較差，20世紀(jì)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(yīng)變儀，使電阻應(yīng)變計(jì)在工程技術(shù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用。為了克服直流放大器信號(hào)的漂移和線性精度差等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變儀都采用交流放大器，以載波放大方式傳遞信號(hào)。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(yīng)變儀。電阻應(yīng)變儀正朝向數(shù)字化、自動(dòng)化和多功能方向發(fā)展，已有用于靜態(tài)應(yīng)變測量數(shù)字顯示的應(yīng)變儀和多點(diǎn)自動(dòng)巡回檢測的應(yīng)變測量裝置，以及用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等產(chǎn)品。電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)在機(jī)械、化工、土建、航空等部門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，獲得了廣泛的應(yīng)用。

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

電阻應(yīng)變計(jì)（resistance strain gage）能將工程構(gòu)件上的應(yīng)變，即尺寸變化轉(zhuǎn)換成為電阻變化的變換器（又稱電阻應(yīng)變片），簡稱為應(yīng)變計(jì)。一般由敏感柵、引線、粘結(jié)劑、基底和蓋層組成。電阻應(yīng)變計(jì)的品種日益增加，應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，除了常用的品種和規(guī)格外，還有各種不同用途的應(yīng)變計(jì)，如溫度白補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)、大應(yīng)變應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)、測量殘余應(yīng)力的應(yīng)變花等。按敏感柵的材料，電阻應(yīng)變計(jì)分為金屬電阻應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩類，按工藝可分為粘貼式（又稱應(yīng)變片，出現(xiàn)最早，應(yīng)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(yīng)變計(jì)圖冊

將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面，構(gòu)件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形（伸長或縮短），會(huì)使應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之變形，應(yīng)變計(jì)的電阻就發(fā)生變化，其變化率

和安裝應(yīng)變計(jì)處構(gòu)件的應(yīng)變

成比例。測出此電阻的變化，即可按公式算出構(gòu)件表面的應(yīng)變，以及相應(yīng)的應(yīng)力。

電阻應(yīng)變計(jì)圖冊

將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面，在應(yīng)變計(jì)軸線方向的單向應(yīng)力作用下，敏感柵的電阻變化率

和引起此電阻變化的構(gòu)件表面在應(yīng)變計(jì)軸線方向的應(yīng)變

之比，稱為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)K即

電阻應(yīng)變計(jì)圖冊

它表示電阻應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在數(shù)量上的關(guān)系，是電阻應(yīng)變計(jì)的主要工作特性之一。

電阻應(yīng)變計(jì)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(yīng)變至數(shù)萬微應(yīng)變（

，1微應(yīng)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(duì)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(shù)。

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

②　頻率變換測量技術(shù)：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(jìn)行測量。這樣做的一個(gè)重要原因是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測量器具在較低頻率（尤其是直流）或單一頻率上的準(zhǔn)確度通常會(huì)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(chǔ)上的比較測量技術(shù)；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(shù)。

③　量值變換測量技術(shù)：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(jìn)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(jìn)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(shù): 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(jìn)行測量。例如，在頻率穩(wěn)定度測量中，為了更好地分析導(dǎo)致頻率不穩(wěn)的噪聲模型，可以從時(shí)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。