电阻应变计的工作特性

2011-08-08 18:37:41来源: 互联网

电阻应变计的工作特性
表达电阻应变计的性能及其特点的数据或曲线,称为应变计的工作特性。常温应变计的主要工作特性包括:应变计的电阻值、灵敏系数、横向效应系数、机械滞后、零漂、蠕变、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻和温度特性。
2.4.1应变计的电阻值
应变计的电阻是指应变计在室温环境、未经安装且不受力的情况下,测定的电阻值。
应变计电阻值的选定主要根据测量对象和测量仪器的要求。推荐的应变计电阻的系列为60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω。在允许通过同样工作电流的情况下,选用较大的应变计电阻,就可以提高应变计的工作电压,以达到较高的测量灵敏度。由于电阻应变仪和其他常用应变测量仪器测量电桥的桥臂电阻习惯上按120Ω设计,故120Ω的应变计为最常用。
对于生产出来的每一批应变计都需要逐个地测量其电阻值,然后按电阻值的大小分类包装。每包的包装单上标明该包应变计的平均名义电阻值(即各片电阻值的平均值),以及各片电阻值与平均名义电阻值的最大偏差值。
2.4.2应变计的灵敏系数
应变计的灵敏系数是指:当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上,且其纵向(敏纵线方向)与应力方向平行时,应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变) 的比值,即式中,K为应变计的灵敏系数;ε为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变;RRΔ为由ε所引起的应变计电阻的相对变化。
应变计的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数,但两者又不相等,这主要有两个原因:以丝式应变计为例,由于横栅的存在,使制成敏感栅之后的灵敏系数小于丝材的灵敏系数,差别的大小与敏感栅的结构型式和几何尺寸有关;试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅,由于端部过渡区的影响又使应变计的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数,此差数不仅与基底和粘结剂的种类及其厚度有关,还受粘结剂的固化程度以及应变计安装质量的影响。因此,应变计的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标,它不能通过理论计算得到,而是由生产厂家经抽样在专门的设备上进行标定试验来确定的。并于包装上注明其平均名义值和标准误差。常用的应变计灵敏系数为2.0~2.4。
2.4.3应变计的横向效应系数
应变计的敏感栅中除了有纵向丝栅以外,还有圆弧形或直线形的横栅。横栅既对应变计轴线方向的应变敏感,又对垂直于轴线方向的横向应变敏感。对于沿试件轴向粘贴的应变计,其敏感栅的纵向部分由于试件轴向伸长而引起电阻值增加,其敏感栅的横向部分由于试件横向缩短而引起电阻值减小。从而,将一根直的金属丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,粘贴处的应变状态亦相同,但应变计敏感栅的电阻值变化比单根金属丝的电阻值变化要小。因此,应变计的灵敏系数K比单根金属丝的灵敏系数KS要小。这种由于敏感栅感受横向应变而使应变计灵敏系数减小的现象,称为应变计的横向效应。
应变计处在平面应变状态下,沿其轴线方向的应变为χε,垂直于轴向方向的应变为yε。它的电阻变化率是由应变计感受的纵向应变χε和横向应变yε共同引起的,其电阻变化率可表示为

横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值,被称为横向效应系数H,可用它来衡量应变计横向效应的大小。由式(2-12)和(2-13)可得应变计敏感栅横向效应系数的计算公式

横向效应系数的大小除主要取决于敏感栅的型式和几何尺寸,还与应变计的基底、粘结剂以及制片时的工艺质量有关,用式(2-14)计算所得的结果与应变计的实际横向效应系数略有差别。
不同种类的应变计,其横向效应的影响也不同,丝绕式应变计的横向效应系数最大,箔式应变计次之,短接式应变计的H值最小,常在0.1%以下。一般应变计的H值在0.1~5%之间。
2.4.4应变计的机械滞后
在恒定温度下,对安装应变计的试件加载和卸载,其加载曲线和卸载曲线不重合,这种现象称为应变计的机械滞后。机械应变是指在机械载荷作用下试件产生的应变;指示应变是指从电阻应变仪读出的应变计的应变。应变计的机械滞后量,用在加载和卸载两过程中指示应变值之差的最大值Zj来表示(图2-11)。

图 2-11 应变计机械滞后
机械滞后的产生,主要是敏感栅、基底和粘结剂在承受机械应变之后留下的残余变形所致。制造或安装应变计时,如果敏感栅受到不适当的变形,或粘结剂固化不充分,都会使机械滞后增加。应变计在较高的温度下工作时,机械滞后也会显著地增大
造成应变计机械滞后的主要原因有:
1. 粘合剂受潮变质,或过期失效,或固化处理不良;
2. 粘贴技术不佳,比如部分脱落或粘合层太厚;
3. 基底材料性能差;
4. 试件的残余应力以及应变计敏感栅在制造和粘贴过程中产生的残余应力。
机械滞后的大小与应变计所承受的应变量有关,加载时的机械应变愈大,卸载过程中的机械滞后就愈大。尤其是新安装的应变计,第一次承受应变载荷时,常常产生较大的机械滞后,经历几次加卸载循环之后,机械滞后便明显地减少。所以,通常在正式试验之前都预先加卸载若干次,以减少机械滞后对测量数据的影响。
2.4.5应变计的零点漂移和蠕变
在温度恒定的条件下,即使被测构件未承受应力,应变计的指示应变也会随时间的增加而逐渐变化,这一变化即称为零点漂移,或简称零漂。如果温度恒定,且应变计承受恒定的机械应变,这时指示应变随时间的变化则称为蠕变。
零漂和蠕变所反映的是应变计的性能随时间的变化规律,只有当应变计用于较长时间测量时才起作用。实际上,零漂和蠕变是同时存在的,在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值。

应变计在常温下使用时,产生零漂的主要原因是敏感栅通以工作电流之后产生的温度效应、在制造和安装应变计过程中所造成的内应力、以及粘结剂固化不充分等。随着工作温度的增加,零漂的产生则主要是敏感栅材料的逐渐氧化、粘结剂和基底材料性能的变化等因素所致。尤其是高温下工作的应变计,敏感栅材料氧化的速度迅速增加,并出现合金中某些元素挥发的现象,材料的电阻率发生变化,会使应变计产生很大的零漂。
蠕变的产生,主要是胶层在传递应变的开始阶段出现“滑动”所造成的,胶层愈厚,弹性模量愈小,机械应变量愈大,“滑动”现象就愈甚,产生的蠕变也愈大。
2.4.6应变计的应变极限
应变计的应变极限是指在温度恒定的条件下,对安装有应变计的试件逐渐加载,指示应变与被测构件真实应变的相对误差(通常规定为10%)不超过一定数值时的真实应变值。实际上,应变极限是表示应变计在不超过规定的非线性误差时,所能够工作的最大真实应变值。
大多数敏感栅材料的灵敏系数在弹性范围内变化很小,故在一般情况下,决定应变极限大小的主要因素是:
1. 粘结剂和基底材料传递应变的性能;
2. 引线与敏感栅焊点的布置形式;
3. 应变计的安装质量。
选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料、制造和安装应变计时控制基底和粘结剂层不要太厚、适当的固化处理等;都有助于获得较高的应变极限。
工作温度升高,会使应变极限明显地下降,中温和高温应变计在极限工作温度下的应变极限均低于常温应变计。
2.4.7应变计的疲劳寿命
应变计的疲劳寿命是指:在恒定幅值的交变应力作用下,应变计连续工作,直至产生疲劳损坏时的循环次数。当应变计出现以下三种情形之一者,即可认为是疲劳损坏:(1)敏感栅或引线发生断路;(2)应变计输出幅值变化10%;(3)应变计输出波形上出现穗状尖峰。
疲劳损坏的原因是,在动态应力测量时,应变计在交变应变的作用下,经过若干循环次数之后,其灵敏系数将随应变循环次数的增加而有所改变。这主要是由于敏感栅的缺陷(栅条上的针孔和裂隙)、内焊点接触电阻的变化、粘结剂强度下降以及应变计安装质量不好等因素所造成。要提高应变计的疲劳寿命,须特别注意引线与敏感栅之间的连接方式和焊点质量。
2.4.8应变计的绝缘电阻
应变计的绝缘电阻是指敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。
绝缘电阻过低,会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。当安装在试件上的应变计通入工作电流以后,绝缘电阻可认为是每段栅丝与“地”之间许多小电阻的并联值。由于并联电路的分流作用,使通过敏感栅的电流变小。绝缘电阻越低,分流作用就越大,通过敏感栅上的电流就越小,致使测量灵敏度降低,直接影响测量结果。
绝缘电阻下降,将使应变计的指示应变比实际的应变值减少。但从对测量精度的影响来看,对绝缘电阻的要求并不很高,只有在低于0.01MΩ之后,测量误差才急剧增加。
绝缘电阻下降,将使一部分电流分流到试件,引起的另一个不良后果是零点漂移。
提高绝缘电阻的途径方法是:选用电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料,并使其经过充分的固化处理。使得提高应变计的绝缘电阻的同时,不增加蠕变和机械滞后。
2.4.9应变计的温度特性
应变计的温度特性分:热输出和热滞后。
1.热输出

当应变计安装在可以自由膨胀的试件上,且试件不受外力作用。若环境温度不变,则应变计的应变为零。若环境温度变化,则应变计产生应变输出。这种由于温度变化而引起的应变输出,称为应变计的热输出。
产生应变计热输出的原因主要是:
(1)应变计敏感栅材料本身的电阻温度系数引起的;
(2)由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同,使敏感栅产生了附加变形。
当环境温度变化Δt ºC时,应变计的电阻变化量为
()[]tKRRsmStΔ−+=Δββα (2-15)
温度改变引起的应变计的电阻变化率为 =ΔRRt()[]tKsmSΔ−+ββα (2-16)
式中:α为敏感栅材料的电阻温度系数(1/ºC);βm为试件材料的线膨胀系数(1/ºC);βs为敏感栅材料的线膨胀系数(1/ºC);Κs为敏感栅丝的灵敏系数;R为应变计的电阻值(Ω)。
温度改变产生的热输出为 ⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ=RRKtt1ε
K1=()[tKsmSΔ−+ββα (2-17)
式中:Κ为应变计的灵敏系数。应变计的热输出一般用温度每变化1ºC时的输出应变值来表示。
2.热滞后
如果应变计是在升温和降温情况下循环工作,则发现在室温和极限工作温度之间增加或减少温度时,应变计的升温热输出曲线和降温热输出曲线并不重合。即在某一温度下,升温的曲线和降温的曲线之间有一个差值,此差值即为应变计的热滞后。

2.4.10最大工作电流
应变计接入测量线路,敏感栅中便通过一定的电流,一部分能量转换为热能而使应变计产生温升。增加工作电流,虽然能够增大应变计的输出信号而提高测量灵敏度,但如果由此产生太大的温升,不仅会使应变计的灵敏系数发生变化,零漂和蠕变值明显地增加,有时还会将应变计烧坏。应变计的最大工作电流是指允许通过其敏感栅而不影响工作特性的最大电流值。

关键字:电阻应变计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0808/article_11212.html
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