【文章內(nèi)容簡介】 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? e t p t t p 1sin ?l?l?ll(已知： λ =v/f) 40 （ 2） 對階躍應(yīng)變的響應(yīng) 對階躍應(yīng)變波的響應(yīng)如下圖所示。 90% 100%tk10%tk＝ 0 . 8?Lts( a ) ( b ) ( c )?L階躍波形 上升時間滯后 應(yīng)變片響應(yīng)波形 應(yīng)變片的上升工作時間： vltk / 0?（ tk為輸出從 10%上升到最大值的 90%這段時間。） 41 以上討論的應(yīng)變片對動態(tài)應(yīng)變的頻響特性， 當 l/λ 1 ( 通常為 l/λ=1/10～ 1/20 ) 的前提下，是能滿足一般工程測試要求的。 衡量應(yīng)變片動態(tài)特性的另一個重要指標是疲勞壽命。 （ 3） 疲勞壽命 N 疲勞壽命 N是指粘貼在試件上的應(yīng)變片， 在恒幅交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作直至疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù) 。 疲勞壽命和應(yīng)變片的取材、工藝和焊接、粘貼質(zhì)量等因素有關(guān)，一般要求 N=105～ 107 次 。 42 常溫應(yīng)變片主要工作特性的精度指標 工 作 特 性 級 別 序號 指標項目 內(nèi) 容 說 明 （以下未注溫度均為室溫） A B C D 對標稱值的偏差 177。 % 1 2 5 10 1 規(guī)格參數(shù) 標稱電阻 對平均值的公差 177。 % 0. 1 0. 2 0. 4 0. 8 2 縱向靈敏度系數(shù) 對平均值的分散 % 1 2 3 6 3 靈敏度 橫向靈敏度系數(shù) 縱向與橫向靈敏度系數(shù)比 % 0. 5 1 2 4 4 滯后 機械滯后 正反測量過程的不重合性 % 3 5 10 20 5 絕緣電阻 柵及引線與試件間電阻 M Ω 5 k 2k 1k 0. 5k 6 蠕 變 恒溫恒載下輸出隨時間變化 με 3 5 15 25 7 穩(wěn) 定 性 零 漂 極限工作溫度下一小時 με 20 25 50 150 8 應(yīng)變極限 相對誤差≤ 10% 時的真實應(yīng)變 με 20220 10000 80000 60000 9 靜 態(tài) 特 性 過載 能力 最大工作電流 不影響工作特性的最大值 m A 愈 大 愈 好 10 動態(tài) 特性 工作 壽命 疲勞壽命 恒溫交變應(yīng)力下連續(xù)循環(huán)次數(shù) 107 106 105 104 國家有關(guān)專業(yè)標準，對低溫、常溫、中溫和高溫應(yīng)變片的靜態(tài)、動態(tài)等各種工作特性，給出了評定精度等級的指標?，F(xiàn)摘錄常溫應(yīng)變片的主要特性指標列于下表。 應(yīng)變計主要特性的精度指標 43 第三節(jié) 應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及其補償 溫度效應(yīng)及其熱輸出 熱輸出補償方法 （ 1）溫度自補償法 （ 2）橋路補償法 44 第三節(jié) 應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及其補償 溫度效應(yīng)及其熱輸出 前一節(jié)討論的應(yīng)變片主要工作特性及其性能測定，通常以環(huán)境溫度是恒溫為前提的。 實際應(yīng)用中，環(huán)境溫度不可能是恒溫條件，常常超出常溫范圍，在這種情況下，應(yīng)變片的特性將改變，影響其輸出。 這種 由溫度變化引起的應(yīng)變片電阻變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng) 。 在環(huán)境溫度下這種溫度效應(yīng)主要是溫度變化對敏感柵影響的結(jié)果。 45 ■ 材料線膨脹系數(shù) 物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。 熱膨脹 物質(zhì)總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的每個粒子（分子、原子）都在振動（運動）。 當物質(zhì)受熱時，由于溫度升高，每個粒子的熱能增大，導(dǎo)致振幅也隨之增大，由（非簡諧）力相互結(jié)合的兩個原子之間的距離也隨之增大，物質(zhì)就發(fā)生膨脹。 物質(zhì)的熱膨脹是內(nèi)部粒子非簡諧振動（運動）引起的。 物體受熱膨脹的原因 熱膨脹系數(shù)是材料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個重要指標。 材料線膨脹系數(shù) 46 對于普通（線）材料，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)。 在實際工作中一般都是測定材料的線熱膨脹系數(shù)。 線膨脹系數(shù)（ α）： 線膨脹系數(shù)是指溫度升高 1℃ 后，物體的 相對伸長 。單位： / ℃ 。 TLLTTLLL??????)( 12112?設(shè)：試體在一個方向的長度為 L 當溫度從 T1上升到 T2時，長度也從 L1 增加到 L2， 其平均線膨脹系數(shù) α為： 材料線膨脹系數(shù) L 試體（線材） 式中： ΔL = L2L1 ΔT = T2T1 47 設(shè)：試體為一立方體 ， 邊長為 L 當溫度從 T1上升到 T2時 ， 體積也從 V1 增加到 V2， 其體膨脹系數(shù) β為： L 試體（正方體） 3322123131312111212333)()]([)(TTTTTLLTTLLTTVVV?????????????????????由于膨脹系數(shù)一般比較小，可忽略高階無窮小。取一級近似： 在測量技術(shù)上，體膨脹比較難測，通常應(yīng)用以上關(guān)系來估算材料的體膨脹系數(shù) β，已足夠精確。 材料線膨脹系數(shù) 體積膨脹系數(shù) β 相當于溫度升高 1 ℃ 時，物體 體積的相對增大值 。 式中： Δ L = L2L1 Δ T = T2T1 α 材料的線膨脹系數(shù) β= 3α 48 設(shè)：應(yīng)變片工作溫度變化為 △ t（ ℃ ） 則由此引起（粘貼在試件上的敏感柵）應(yīng)變片電阻的相對變化為 : 敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) αt （ Ω/℃ ） 在溫度 Δt 的作用下，其產(chǎn)生電阻的相對變化為： αtΔt ① 電阻溫度系數(shù) αt 對應(yīng)變片電阻的相對變化的影響 敏感柵在溫度的作用下，產(chǎn)生電阻的變化，這種情況稱為敏感柵的 熱阻效應(yīng) 。 下面分析敏感柵的溫度效應(yīng) 一般情況，電阻溫度系數(shù)為正值，溫度增加，敏感柵電阻增大。 49 試件（和基底）材料體膨脹系數(shù) βs （ /℃ ） 單獨作用時，試件材料體膨脹的效果是： 試件體積變大（主要是基底平面面積變大） 敏感柵變粗 ，使 敏感柵電阻減小 在溫度 Δt 的作用下 應(yīng)變片線膨脹、試件體膨脹引起應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)變電阻的相對變化為： K（ βsβt） Δt 這種情況稱為敏感柵的熱膨脹效應(yīng) 敏感柵金屬材料線膨脹系數(shù) βt （ /℃ ） 單獨作用時，敏感柵金屬材料線膨脹的效果是： 敏感柵變長 ，使 敏感柵電阻增大 ② 線、體膨脹系數(shù) β對應(yīng)變片電阻的相對變化的影響 50 式中： αt 敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)（ Ω/℃ ） K 應(yīng)變片的靈敏系數(shù) βs 、 βt 分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)（ m/℃ ） （式 222） tKtRRtst ?????? )( ???上式表明 在溫度的作用下，應(yīng)變片電阻相對變化 與其敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) αt、 敏感柵材料線膨脹系數(shù) βt、 試件和基底材料體膨脹系數(shù) βs 有關(guān)， 這是應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。 綜合以上分析得出結(jié)論 在溫度的作用下，引起應(yīng)變片電阻的相對變化為： 51 上式為應(yīng)變片在無測量應(yīng)力作用時的溫度效應(yīng)；用應(yīng)變形式表示，稱為應(yīng)變片相對的熱輸出（溫度作用的結(jié)果實際最終是以應(yīng)變的形式表現(xiàn)出來），即 （式 223） tKtRR tst ?????? )( ???ttKK RR tsttt ??????? )(1)/( ????由上兩式可以看出，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成： 前部分為應(yīng)變片的 熱阻效應(yīng) 所造成 后部分為敏感柵與試件（和基底） 熱膨脹 失配所引起 熱輸出 在工作溫度變化較大時，熱輸出給應(yīng)變片的測量造成很大的誤差，因此，這種熱輸出的干擾必須加以補償和消除。 52 熱輸出補償方法 （ 1）溫度自補償法 熱輸出的補償方法就是消除熱輸出 εt 對測量應(yīng)變的干擾。 常采用的方法有： 溫度自補償法 橋路補償法 這種方法是通過精心選配 敏感柵材料電阻溫度系數(shù) αt 敏感柵材料線膨脹系數(shù) βt 試件、基底材料體膨脹系數(shù) βs 參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償?shù)? A. 單絲自補償應(yīng)變片 由（式 223）可知，要使熱輸出 εt = 0，只要滿足條件 αt= K (βs βt) （式 224） ttKK RR tsttt ??????? )(1)/( ???? （式 223） 53 αt= K (βs βt) 在研制和選用應(yīng)變片時，若選擇敏感柵的合金材料、試件材料，其 αt、 βt 、 βs 能 相匹配，就能滿足（式 224），就能達到溫度自補償?shù)哪康摹? ttKK RR tsttt ??????? )(1)/( ????為使這種自補償應(yīng)變片能適用不同的試件材料體膨脹系數(shù) βs ， 敏感柵材料（實際）常用： 康銅、卡瑪、伊文、鐵鉻鋁等合金 也可改變敏感柵合金成分及熱處理來調(diào)整其電阻溫度系數(shù) αt，以滿足對不同材料試件的熱輸出補償。 這種自補償方法的最大優(yōu)點是： 結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用方便。 最大的難點是： 不容易做到敏感柵電阻溫度系數(shù) αt、敏感柵材料線膨脹系數(shù) βt 、試件材料體膨脹 βs 相匹配。 （式 224） 54 B. 雙絲自補償法 這種應(yīng)變片的敏感柵是由 電阻溫度系數(shù)為一正一負 的兩種合金絲串接而成，如圖所示。 滿足上式的參數(shù)，可在同種試件上通過試驗確定。 這種應(yīng)變片的特點與單絲自補償應(yīng)變片相似，但只能在選定的試件上使用。 （式 225） baaatbbtatbt RRRRRR ?????? )/(??雙絲自補償應(yīng)變片 Ra Rb Ra Rb (a)繞絲式 (b)短接式 應(yīng)變片電阻 R由兩部分電阻 Ra、 Rb 組成，即 R = Ra+Rb。 當工作溫度變化時，若 Ra 柵產(chǎn)生正的熱輸出 εat 與 Rb 柵產(chǎn)生負的熱輸出 εbt ， 能大小相等或相近 ，就可達到自補償?shù)哪康模? 即： 55 橋路補償法是利用電橋橋臂兩邊上電壓和、差原理來達到補償?shù)哪康摹? A. 雙絲橋式法 這種應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與雙絲自補償應(yīng)變片雷同。 不同的是，敏感柵是由 電阻溫度系數(shù)同符號 的兩種合金絲串接而成；而且柵的兩部分電阻 R1和 R2分別接入電橋的相鄰兩臂上；如下圖所示 （ 2）橋路補償法 工作橋臂： 工作柵 R1接入電橋工作臂 雙絲橋式熱補償應(yīng)變片及補償橋路 R1 R2 R1 R2 工作橋臂 補償橋臂 U 電源電壓 U0 輸出電壓 R1 R2 R4 R3 A B C D RB 補償橋臂： 補償柵 R2外接串聯(lián)電阻RB（不敏感溫度影響） 后接入電橋補償臂 另兩個橋臂： 另兩臂接入平衡電阻 R3和 R4 雙絲橋式熱補償橋路，如右圖所示 56 ))(())(()(23141422312321410BBBBBBCDCRRRRRRRRRRRRRURRRRRURRRUUUU?????????????????橋路的輸出電壓為 : 當溫度變化時，電橋工作臂的熱輸出ε1t（應(yīng)變片由溫度變化引起的電阻相對變化量）為： 111 RR tt ???當溫度變化時，電橋補償臂的熱輸出 ε2t（補償橋臂由溫度變化引起的電阻相對變化量）為： Btt RR R???222?雙絲半橋式熱補償應(yīng)變片 工作橋臂