4 矿山测试技术 应变测试技术

4.电阻应变测量技术（Measuringtechniqueofstraingauge）4.1概述目的：在解决工程结构、巷道围岩等应力应变问题时，实验应力应变分析与理论应力应变分析是互相并列的重要分支原因：许多实际问题尚不能用理论求解，需要通过试验检验才能做出最后的结论实验应力(应变）分析：任务是采用实验方法测定结构的各种力学参数，如应力、应变、位移、力、荷载和加速度等，用以解决固体力学中的工程结构和机械强度问题，以及其它有关力学问题主要方法—应变电测方法，光弹性方法，脆性涂层法，云纹法，激光全息干涉法，激光散斑干涉法，全息光弹性法，声弹性方法等常用应变电测方法4.1.1应变测试系统和原理电阻应变测量的基本原理是用电阻应变片作为传感元件，将应变片粘贴或安置在构件表面上，应变片敏感栅也相应变形，将被测对象表面指定点的应变转换成电阻变化电阻应变测试系统应变片电桥盒应变仪显示记录4.1.2应变测量的特点1.测量范围广、灵敏度和精确度高最小可测1～5微应变，最大可测2～3万微应变。其测量误差一般小于2％2.频率响应范围大可以测量静载下的应变，而且可以测量动载以及冲击载荷（5×105Hz）的应变3.应变片尺寸小，重量轻、惯性小尺寸只有（0.2mm）,对被测试件工作状态和应力状态影响极小4.适用范围广高温、低温、高压、高速、旋转等特殊环境下均可使用将应变片做成各种形式的传感器，用以测量加速度、位移、压力、重量等物理力学参数4.1.2电阻应变测量特点5.能实现远距离测量和自动记录6.电阻应变测量的缺点（1）常规应变片在大应变状态下，电阻变化率与应变的关系呈现较大的非线性（2）普通电阻应变片输出信号较小，在强电磁场内易受干扰（3）测出的应变是一小块面积的平均应变，对几何尺寸较小的被测试件就难以显示其应力梯度和应力分布情况4.2电阻应变片参数与特性4.2.1几何尺寸基长L应变片敏感元件在纵轴方向上的长度基宽b在与应变片主轴垂于方向上应变片敏感元件外侧之间的距离4.2.2电阻值和最大工作电流电阻值R指自由状态下于室温条件测定的电阻值应变片的电阻值应与测量电路相适应常用标准化阻值为60欧、120欧、350欧、600欧、1000欧，其中最常用为120欧EnnRRUKd2014.2.3绝缘电阻指应变片引线与被测试件之间的电阻值它取决于粘合剂及基底材料的种类以及它们的固化条件，且与温度关系很大绝缘电阻过低会造成应变片与试件之间的漏电，产生测量误差一般要求要达50兆欧以上，可用兆欧表测量4.2.4应变片灵敏系数应变片灵敏系数：指在标准条件下由实验求得应变片灵敏系数标准条件一维应力：应变片轴向与主应力方向一致试件材料：泊松比等于0.285的钢材实验装置：纯弯矩梁或等强度梁同时测量试件的应变及相应电阻变化求则应变片的灵敏系数xRRK4.2.5横向效应横向效应：横向变形所引起的电阻改变现象横向效应原因：试件横向应变被应变片敏感栅端部的所感受，致使电阻值改变引起横向效应将导致测量误差横向效应以丝绕式应变片最为严重敏感栅端部圆弧放大横向效应分析1分析：设丝绕式应变片贴在任意平面应变场中，则电阻值变化将由两部分组成：敏感栅直线部分伸长为圆弧部门伸长为应力分析可知xLL1drL222sin2cos22xyyxyx)(212yxrL积分后横向效应分析2应变片敏感栅总长整个敏感栅的总伸长为rnnLL10yxrnrnnLLnLnL2)1(2)1(2)1(210ysxSsKrnKrnnLKLLRR2)1(2)1(200)(YxxyyxxHKKK则应变片电阻相对变化率为轴向灵敏系数横向灵敏系数横向效应系数标定条件下应变片灵敏系数单向应力，纵向应变横向应变为则应变片灵敏系数（名义）（应变片制造厂给出）横向效应分析3xSxKrnnLK2)1(2ysyKrnK2)1(xyKKHxy0)1()(0HKHKRRKxyxxxxx横向效应分析4测量值与真实值之间相对误差为HHRRRxy001)(实际测量时如果应变片不是处于标准条件，必然要产生误差设测点真实应变为x、y，则实际电阻变化R’为RHKRxxyx)/1(RHKRKRxxx01标定条件下应变片片电阻变化DR为横向效应分析—讨论几种情况：设某种丝绕式应变片H=0.051.被测材料受单向应力、泊松比与标准条件不同情况当被测材料为砼=0.15和橡胶=0.47之间变化时，计算误差均不超过1%在此情况下可不考虑横向效应对测量精度的影响2.如被测材料泊松比与标准实验相同，但在单向应力中，应变片轴向与主应力方向垂直%2.1610xy横向效应分析结论：在平面应力状态及单向应力状态测量时，一般应考虑横向效应的影响%5.6,1xy3.在各向均匀的应力场中，泊松比与标准实验相同4.2.6温度效应1敏感栅与试件膨胀系数不同，引起敏感栅电阻附加变化为TLsTRRtTRKRLTLKRKRyssyssTst)()('注意：温度变化引起试件变形应视为真应变温度效应是指温度变化而引起应变片阻值改变的现象温度效应原因：应变片电阻率变化和长度变化引起的电阻率变化引起的电阻变化量敏感栅与试件膨胀系数不同引起的电阻变化量设温度变化为敏感栅热伸缩量为试件热伸缩量为TTLy温度效应2温度变化所生产的电阻变化与温度系数，线膨胀系数以及灵敏系数有关电阻变化率是因温度变化而产生的附加输出，是虚假信号试件工作温度、环境温度的变化以及敏感栅通电发热等因素，都会使应变片温度发生变化测量时必须设法消除或减小TKRRRRRSt)]([12'''温度变化引起总电阻率变化为4.2.7动态特性1中点应变值相对误差12/2sin21xxdxxxxmx22sin12xxmt%100)sin1(LLxm2sin问题：应变测量值是应变片基长范围内的平均值试件的应变是以波的形式出现（应变非均匀分布引起误差）误差估算某一瞬时正弦波在轴向上的应变变化规律应变片所感受到的平均应变值为当L/很小时，波长比应变片基长大得多时，误差也很小2.7动态特性—例子材料(波速V)和允许误差给定，极限频率是由基长决定的如果允许误差为2%，则f=0.11V/L如果允许误差为5%，则f=0.17V/L6/2L6/2VLf6LVf给定基长所能测定的极限频率估算利用公式sinx=x-x3/6+…展开波长l=V/f，其中V为波速，所以4.2.8线性度和极限应变1.线性度指应变片实际的输出和输入曲线与其理论拟合直线之间的偏差程度非线性误差一般要求在0.05%～0.1%以内2.极限应变系指在一定误差范围内，应变片能够测量最大的应变值4.2.9机械滞后机械滞后（回程误差）指在一定温度下，加载和卸载曲线不重合机械滞后原因应变片基底和粘贴剂的滞后敏感栅的几何形状和组织变化，达到塑性变形区产生永久性电阻改变造成的消除方法在正式测量前作几次的加卸载循环，可以减少应变片滞后和非线性误差4.2.10零漂和蠕变1.零漂是指贴在试件上的应变片，在温度不变且试件无荷载作用时，应变片的指示值随时间的变化零漂原因：应变片受潮，绝缘电阻降低，应变片安装的初始应力的松驰以及通电后热电势等造成2.蠕变是指贴在试件上的应变片，在恒定的温度和荷载长时间作用下，应变片的指示值随时间变化的现象蠕变原因基底和粘贴剂发生松驰造成的蠕变和松驰在实际测量中很难把它们分别开，一般用蠕变、零漂综合值代替这两个值，其值可用实验测定4.2.11疲劳寿命疲劳寿命是指安装好的应变片，在一定的机械应变和温度下，可以连续工作而不会产生疲劳损坏的循环次数一般可达106~107次实验时应变一般取温度取该型应变片的极限工作温度15004.3应变片类型应变片种类很多，常温应变片按制造工艺分：丝绕式应变片短接式应变片箔式应变片半导体应变片薄膜式应变片4.3.1丝绕式应变片丝绕式应变片特点（1）应变片基底很薄，粘贴性能好，能保证有效地传递变形（2）稳定性好可用于各种特殊环境，如高温、超低温，高压液体、强磁场等（3）价格低（4）横向效应大4.3.2短接丝式应变片特点（1）横向效应小，精度高（2）短接部分易出现应力集中，影响疲劳寿命（3）可做成温度自补偿应变片温度自补偿应变片的原理TKRRRRR)]([12'''0)]([12TK如果温度变化时，电阻丝的阻值不发生变化必须选择负温度系数材料4.3.3.箔式应变片敏感栅是采用金属膜用光刻的制成（a）应变片（b）应变花（c）特殊应变花压力盒剪切箔式应变片特点(1)箔式应变片尺寸准确，电阻离散小，可做成任何形状（2）散热性能好，允许较大电流，可简化测量电路（3）横向端部较宽，横向效应小（4）蠕变机械滞后都较小，疲劳寿命长（5）大规模生产，价格较便宜最为常用4.3.4.半导体应变片原理—半导体压阻效应（piezoresistanceeffect）对一块半导体某一方向施加一定荷载，半导体电阻率产生电阻变化现象半导体材料硅和锗lAERRxssxxKEKRR)21()21(4.3.4半导体应变片特点（1）灵敏系数大是一般金属丝敏感栅50倍以上，可以简化测量线路，甚至可以不用放大器直接把信号送到记录仪器（2）尺寸，横向效应、机械滞后都小，可以做成超小型（3）非线性严重（4）灵敏系数和电阻的受温度影响大多用于测量精度要求不高的场合4.3.5薄膜式应变片制造工艺采用制造半导体元件工艺将电阻合金或半导体材料用真空蒸发方法或沉积方法在基底上、形成薄膜作为敏感栅特点与箔式应变片的特点相近采用半导体材料沉积敏感栅时其灵敏系数可达半导体水平可做成带微型测量线路的应变片4.3.6特种应变片如高、低温应变片温度自补偿应变片大应变应变片锰铜应变片(高压)裂纹扩展应变片耐疲劳应变片测温应变片4.4应变片选用与粘贴工艺应变片规格品种多，选用时灵活性较大粘贴工艺要求很严格1.应变片规格选择实际值是标距内的平均应变，应变场梯度大或高频变化的应变以及在传感器上应用的，选用标距小的在不均匀的材料或有裂隙材料上测量时，如砼、岩石宜采用标距大的应变片在长期观测使用时，用大标距应变片可以减小应力松驰效应应尽量选用大标距应变片，小标距应变片制造精度不易保证、粘贴质量比较敏感，粘贴方向也不易保证，在复杂应力状态下，主应力方向未知时，应选用应变花，以便反映某点应力2.电阻值和灵敏系数的选择电阻值选择电阻应变仪多按120欧应变片设计的，故多选择这种应变片当应变片阻值与应变仪要求阻值不相同时，应按应变仪说明书加以修正灵敏系数的选择有的动态应变仪灵敏度固定，无调动装置，选择的应变片灵敏度应与动态应变仪灵敏度相同，否则需按说明书加以修正在多点测量时，尽可能选用灵敏系数相同的应变片，以减少数据处理麻烦3.应变片类型选择应变片结构类型选择在测量精度要求不高情况下，可用丝绕式应变片在重要测量和传感器上使用，宜选用短接式或箔式应变片半导体应变片和薄膜应变片体积小，输出大，传感器上应用基底种类选择应变片基底材料有纸基、胶、金属等在常温下可用纸基应变片在温度较高、湿度大，甚至水下，应选择胶基应变片重要测量和传感器上应用，也应选择胶基应变片敏感栅材料选择应变片敏感栅材料有铜镍合金、康铜、镍铬合金等铜