电测应力分析技术

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第196页（4103字）

电测应力分析的基本原理是，将一种特制的电阻应变片作为传感元件，粘贴在被测试的构件上。当构件受外载荷作用产生变形时，测试点的应变使与它粘贴在一起的电阻应变片随之伸长或缩短而产生电阻值变化。在一定的变形范围内，电阻应变片的电阻改变量与构件在粘贴方向的应变值成比例。这样，用电桥测出电阻应变片的电阻改变量，即可推算出构件在该测试点处沿应变片粘贴方向的应变值，进而求出应力值。电阻应变片具有尺寸小、质量轻、测量精度高、易于自动显示和记录测试结果等特点，可用于静态和动态加载的模型或实物上测试，也能在高低温、核辐射、强磁场和腐蚀性环境下实施远距离遥测自动记录。但是电测应力分析是一种逐点测量技术，一般只能测出构件表面在电阻应变片基长内的平均值。若要测出构件大范围内的应力分布情况，则工作量过于繁重。

4．1．1 电阻应变片

电阻应变片一般由敏感栅、基底、覆盖层和引出线组成。敏感栅用粘结剂粘在基底和覆盖层之间。电阻应变片的性能主要与敏感栅材料和粘结剂有关。图1．3－44所示是丝绕式应变片典型结构。常用的电阻应变片有丝式和箔式两种，其种类、结构和特点见表1．3－45。有的电阻应变片用两个以上敏感栅组成的应变花制成，在一个测试点可以同时测得多个方向应变以确定该点的应力状态，如图1．3－ 45所示。此外，还有一些特殊用途的应变花，如大变形应变片、监视裂纹扩展的裂纹应变片、测量残余应力和应力集中的应变片等。

图1．3－44 丝绕式应变片的结构

1－覆盖层；2－基底；3－引出线；4－敏感栅

表1．3－45 常用电阻应变片的结构和特点

图1．3－45 丝式应变花

电阻应变片的工作特性主要有：

①电阻应变片的电阻值(通常指室温下的测量值)。

⑦灵敏系数。应变片的电阻变化率与其敏感栅纵向应变值ε之比值，称为该应变片的灵敏系数K，即

③绝缘电阻。是指应变片引出线与被粘贴构件之间的电阻值。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电，引起测量误差。

④应变极限。在一定温度条件下，粘贴在试件表面的应变片，指示应变和真实应变的相对误差不超过规定值时的最大真实应变值。

⑤疲劳寿命。粘贴在试件表面的应变片，在恒定幅值的交变应变作用下，连续工作直到损坏(一般规定，应变片的指示应变值与真实应变值误差超过10%)的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。

⑥最大工作电流。允许通过应变片而不影响它工作特性的最大电流值。

电阻应变片的粘贴质量直接影响应变测量精度。正确的粘贴工艺过程一般是；

①检查应变片的外观质量以及引出线的焊点是否牢固，并将应变片按电阻值大小分组，同一桥路选用同一组应变片，以便于调平衡。

②构件测点处的表面处理，先打磨光构件测点处表面，用划针刻出定位线，然后用丙酮或四氯化碳清洗干净。

③粘贴应变片。按各种粘结剂的粘贴工艺要求，先将应变片粘贴在划线位置上(有的粘结剂要作固化处理)，然后焊接并固定引出线，最后检查应变片电阻和绝缘电阻，并对应变片作防潮保护处理。

表1．3－46 粘贴常温应变片用的粘合剂性能表

4．1．2 电阻应变仪

应变片变形时产生的电阻值变化很小，要准确测定此微小的电阻变化率，通常需要采用电桥电路测量，这种专用仪器，称为电阻应变仪。动态电阻应变仪的原理如图1．3－46所示，由测量电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、低通滤波器和稳压电源等单元组成。由应变片组成测量电桥，其桥压由振荡器供给。在应变片感受应变信号而产生电阻变化时，测量电桥输出调幅交流电压，并经交流放大器放大后，由相敏检波器检波，再经低通滤波器滤去高次谐波，得到与原应变信号相似的电压或电流波形，用记录器显示并记录。直流稳压电源为放大器和振荡器提供直流工作电压。

图1．3－46 动态电阻应变仪的原理方框图

4．1．3 测量电桥

电阻应变仪通过测量电桥，将测试点应变片产生的极小电阻变化率转换成电压变化，然后经放大器放大。根据桥压电源的不同，测量电桥分为直流电桥和交流电桥两种。

(1)直流电桥

直流电桥如图1．3－47所示。R₁、R₂、R₃、R₄为桥臂电阻。A、C两端接电源，其直流电压为E。B、D两端为电桥的输出端，接电阻应变仪的放大器输入端，R_g为放大器的输入内阻。在应变测量中，电桥通常采用全桥接法(四个桥臂均由应变片构成)和半桥接法(相邻两个桥臂采用应变片，另外两个桥臂采用精密电阻)两种。

图1．3－47 直流电桥

对于高输入内阻的放大器，即R_g》桥臂电阻时，电桥输出端可近似开路。此时电桥输出端的输出电压△U为：

为保证测量精度，在测试前应先将电桥调平衡，即使△U=0，其桥臂电阻必须满足；

采用全桥接法时，四桥臂的应变片R₁、R₂、R₃R4由于应变ε₁、ε₂、ε₃、ε₄而产生电阻变化量△R₁、△R₂、△R₃、△R₄。因为电阻变化量非常小，可以略去非线性误差，故电桥输出电压可用下列线性关系式表示：

式中 K为应变片的灵敏系数。

采用半桥接法时，R₁和R₂为应变片，而R₃和R₄为精密电阻，此时△R₃=△R₄=0，电桥输出电压的近似表达式为：

实际测量时，环境温度变化使构件产生非应力的温度应变，会引起应变片的电阻值改变，因此还需用桥路补偿法予以消除影响。其方法是，在桥臂AB接工作应变片R1，而在桥臂BC接温度补偿应变片R2。温度补偿应变片采用与工作应变片相同规格的应变片，即R₂=R₁，粘贴在与构件材料相同和环境温度变化相同，但没有载荷的物块上，测试时，工作应变片的电阻变化量为：

△R₁=△R_e+△R_t

式中 △R_e是由载荷引起的电阻改变量；△R₁是温度变化引起的电阻改变量。

温度补偿应变片仅受温度变化影响，其电阻改变量为： △R₂=△R_t

采用半桥接法时，电桥输出电压为

式中 R=R_：=R₂，为应变片电阻值。

(2)交流电桥

交流电桥采用交流电源。由于电阻应变片在交流回路中表现为阻抗和容抗，因此交流电桥的平衡，不仅要满足一定的电抗幅值关系，还要满足一定的相位角关系。使用交流电桥时，电阻应变仪应该有电阻平衡和电容平衡调整装置。在测试工作开始前，实现初始电阻和电容平衡后，桥臂应变片由于应变而产生电阻改变时，其容抗不再随之变化。因此，交流电桥输出公式可以采川直流电桥公式，用电阻R进行计算。

4．1．4 应力测量技术

电测应变测量技术，有静态测量、动态测量、单点或多点测量以及无线电遥测等多种。其测试步骤一般为：1．选择电阻应变片，制定贴片和接桥方案；2．选择电阻应变仪和记录器，进行认真的性能检查；3．粘贴并防护应变片，焊接并固定引出导线与电阻应变仪桥路的连接；4．正式测量；5．测试结果数据处理。在整个工作中，要时刻注意防止或减少测量误差。例如，采用温度补偿，防止及修正长导线影响，对不同灵敏系数应变片修正，避免同一桥路使用不同电阻值的应变片，克服和修正应变仪读数的零漂移等。

为了确定板、壳、块体结构表面平面应力场的主应力大小及方向，通常采用应变花测量。常用应变花结构及其算式见表1．3－47。

表1．3－47 应变花计算公式

杆件应力的测量见表1．3－48。表中列出圆杆受轴向力、弯曲力矩和扭转力矩作用时，测定其中一种载荷采用的应变片贴片方案、桥路接法和载荷计算公式。

表1．3－48 圆杆应力测量的贴片及接桥