實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法目前有電學(xué)的、光學(xué)的、聲學(xué)等方法。今天聚航科技主要向大家介紹一下應(yīng)變電測(cè)方法。
電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)
用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)定構(gòu)件的表面應(yīng)變，然后根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系式，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。將電阻應(yīng)變計(jì)固定在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，應(yīng)變計(jì)的電阻將發(fā)生相應(yīng)變化。用電阻應(yīng)變儀（見(jiàn)電阻應(yīng)變測(cè)量裝置）測(cè)量電阻變化，把它換算成應(yīng)變值；或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號(hào)（電壓的或電流的），由記錄器記錄下來(lái)；或用計(jì)算機(jī)按預(yù)定要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；用上述方法都可得到所測(cè)的應(yīng)力或應(yīng)變。
電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：①測(cè)量精度和靈敏度高；②頻率響應(yīng)好，可測(cè)量從靜態(tài)到數(shù)十萬(wàn)赫的動(dòng)態(tài)應(yīng)變；③測(cè)量數(shù)值范圍廣；④易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)字化、自動(dòng)化和無(wú)線電遙測(cè)；⑤可在高溫、低溫、高壓液下、高速旋轉(zhuǎn)、強(qiáng)磁場(chǎng)和核輻射等環(huán)境進(jìn)行測(cè)量；⑥可制成各種傳感器，測(cè)量力、壓力、位移、加速度等物理量，在工業(yè)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中用作控制或監(jiān)視的敏感元件。
發(fā)展簡(jiǎn)史
電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)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)變和電阻的變化存在一定的函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明應(yīng)變關(guān)系可轉(zhuǎn)換為電流變化的關(guān)系，可用電學(xué)方法測(cè)定應(yīng)變。1938年，E.西蒙斯和A.魯奇制出了di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(zhǎng)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(cè)量力、扭矩和位移等的傳感器上。
電阻應(yīng)變計(jì)品種繁多，包括有分別適用于高溫、低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)和核輻射等條件的，以及用于測(cè)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(cè)量?jī)x器，采用直流電橋和檢流計(jì)顯示的方法測(cè)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)了由可調(diào)節(jié)的測(cè)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，其精度可滿足一般測(cè)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(cè)量精度等問(wèn)題。60年代，出現(xiàn)了采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(cè)量數(shù)字顯示的應(yīng)變儀和多點(diǎn)自動(dòng)巡回檢測(cè)的應(yīng)變測(cè)量裝置，以及用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)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(cè)量技術(shù)已廣泛用于機(jī)械、化工、土建、航空等行業(yè)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中。
測(cè)量原理
電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)由電阻應(yīng)變計(jì)、電阻應(yīng)變儀和軟件三部分組成，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；Δ R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(cè)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。
一般應(yīng)變測(cè)量技術(shù)
應(yīng)變測(cè)量技術(shù)可分為靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)深悾?/span>
（1）靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量
應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)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0.1微應(yīng)變，精度為0.1%，應(yīng)變測(cè)量范圍從0.1微應(yīng)變到2萬(wàn)微應(yīng)變，特殊的大應(yīng)變電阻應(yīng)變計(jì)可測(cè)到結(jié)果為20％的應(yīng)變值。常溫箔式電阻應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)可短到0.178毫米，適于測(cè)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(cè)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(cè)量裝置，可在數(shù)分鐘內(nèi)自動(dòng)記錄上萬(wàn)個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)。如果采用存儲(chǔ)器，由于每秒可存儲(chǔ)數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，適合測(cè)量測(cè)點(diǎn)較多的大型構(gòu)件的應(yīng)變。
當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，安裝在可自由膨脹構(gòu)件上的電阻應(yīng)變計(jì)的電阻值，會(huì)因敏感柵的電阻溫度效應(yīng)，以及敏感柵和被測(cè)構(gòu)件材料的線脹系數(shù)不同而發(fā)生變化，其值為：
式中 βR為敏感柵的電阻溫度系數(shù)；Δ T為環(huán)境溫度的變化；α a、 α b分別為試件和敏感柵的線脹系數(shù)。
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），它和所需測(cè)定的應(yīng)變無(wú)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)件材料相同但不受力的補(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(cè)構(gòu)件相同的試件上，在和實(shí)測(cè)相似的熱循環(huán)情況下，測(cè)取應(yīng)變計(jì)的熱輸出和溫度的關(guān)系曲線。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量應(yīng)變的同時(shí)，測(cè)定相應(yīng)的溫度。根據(jù)上述曲線對(duì)測(cè)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(shì)將熱輸出的電壓變化預(yù)先抵消。一般在常溫條件下測(cè)量應(yīng)變時(shí)，采用第一種方法；在高溫或低溫條件下測(cè)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(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)修正。
另外，在使用長(zhǎng)導(dǎo)線及與電阻應(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(cè)量結(jié)果要進(jìn)行修正。
（2）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量
電阻應(yīng)變計(jì)的頻率響應(yīng)時(shí)間約為0.1-0.7微秒，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可達(dá)10-11微秒，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(zhǎng)，當(dāng)構(gòu)件的應(yīng)變波沿柵長(zhǎng)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(zhǎng)間距內(nèi)的應(yīng)變平均值。這會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)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(zhǎng)1毫米的應(yīng)變計(jì)對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量，則當(dāng)應(yīng)變頻率達(dá)250萬(wàn)赫時(shí)，應(yīng)變測(cè)量誤差小于2％。一般機(jī)械的應(yīng)變頻率都不超過(guò)250萬(wàn)赫，應(yīng)變測(cè)量誤差也不超出上值。高頻應(yīng)變測(cè)量的范圍，主要受電阻應(yīng)變儀和記錄器的限制，在測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，要根據(jù)被測(cè)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。
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