应变片及其原理.doc.doc.doc

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1、应力与应变的概念应力所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。如图1所示：在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力——内力。该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。例如，圆柱体截面积为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应力：（Pa或者N/m2）这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。图1应变当单位圆柱体被拉伸的时候会产生伸长变形ΔL，那么圆柱体的长度则变为L+ΔL。这里，由伸长量ΔL和原长L的比值所表示

2、的伸长率（或压缩率）就叫做“应变”，记为ε。与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(1×10-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用μE表示。而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生Δd的变形时，直径方向的应变如下式所示：这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为υ。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。应力与应变的关系各种材料的应变与应力的关系已经通过实验进行了测定。图2所示为一种普通钢材（

3、软铁）的应力与应变关系图。根据胡克定律，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系。对应的最大应力称为比例极限。图2或者应力与应变的比例常数E被称为弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。综上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。应变片的构造及原理应变片的构造应变片有很多种类。一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。应变片的原理将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在

4、机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。即：其中，R：应变片原电阻值Ω（欧姆）ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化Ω（欧姆）K：比例常数(应变片常数)ε：应变不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。这样，应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。但是由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻变化也是极其微小的。要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的，一般的电阻计无法达到要求。为了对这种微小电阻变化进行测量，我们使用带有惠斯通电桥的专用应变

5、测量仪。惠斯通电桥概述惠斯通电桥惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化就用该电路来测量。如图1所示，惠斯通电桥由四个同等阻值的电阻组合而成。如果:或则无论输入多大电压，输出电压总为0，这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。如图2所示:将这个电路中的R1与应变片相连，有应变（形变）产生时，记应变片电阻的变化量为ΔR，则输出电压的计算公式如下所示:，即：上式中除了ε均为已知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应变的大小。图1图2双应变片法（半桥）如图3,4所示，在电桥中连接了两枚应变片，共有两种联入方法。图3图4四条边中有两条边的电阻发

6、生变化，根据上面的四应变片法的算法可得输出电压的公式。图3为：  或  图4为：  或  也就是说当联入两枚应变片时，根据联入方式的不同，两枚应变片上产生的应变或加或减。四应变片法（全桥）四应变片法是桥路的四边全部联入应变片，在电子行业的应变测量中不经常使用，但常用于桥梁、建筑中，如下图所示。当四条边上的应变片的电阻分别引起如R1+ΔR1、R2+ΔR2、R3+ΔR3、R4+ΔR4的变化时：若四枚应变片完全相同，比例常数为K，且应变分别为ε1、ε2、ε3、ε4,则上面的式子可写成下面的形式:应变片（半桥）用途如图1所示，同时对悬臂梁施加使其弯曲和伸长的两个作用力，在梁的上下表面对应的位置分

7、别贴上一枚应变片，再联入桥路的相邻边或相对边就可以测知分别由弯曲和伸长所产生的应变。由于悬臂梁的弯曲，在应变片①上产生拉伸应变（正），在应变片②上产生压缩应变（负）。因为两枚应变片与梁的末端距离相同，所以虽然二者的正负不同，但绝对值的大小相同。这样，如果只想测量由于弯曲产生的应变，则如图2所示，将①，②联入电桥的相邻边。图1图2输出电压为：因为当拉伸作用在应变片①，②上时，会同时产生大小相等的正应变，所以上述公式括号中的项等于零。另