应变计的用途、选用及正确使用方法

1）应变计的型号代号

在使用应变计时，首先要确切了解应变计型号代码的含义。现举例说明。

某应变计的型号为BX120-3CA100（11），其中：

·B——应变计类型，如箔式（B）、丝绕式（S）、短接式（D）、半导体式（i）、特殊用途（T）等。

·X——基底材料种类，如纸（Z）、环氧类（H）、聚酯类（J）、缩醛类（X）、酚醛类（F）等。

·120——标称电阻值（Ω），如60、120、200、350、500 Ω等。

·3——应变计栅长（mm），如1、3、5、8、12、20、50、150 mm等。

·CA——敏感栅结构形状。

·100——极限工作温度（°C）。

·11——可进行温度自补偿的材料的线膨胀系数，单位为×10－6/°C，如9、11、16、23、27×10－6/°C。

又如型号为BFl20-6.35AA（11），表示箔式应变计，基底材料为酚醛类，标称电阻值为120 Ω，栅长为6.35 mm，敏感栅的结构形状为AA型，可进行温度自补偿，其材料的线膨胀系数为11。

2）应变计的选用方法

在选用应变计时，应从应变计的类型、材料、阻值、尺寸等方面进行考虑。

（1）选择类型

按使用的目的和要求选用应变计的类别和结构型式。例如，用作常温测力传感器敏感元件的应变计，常选用箔式或半导体应变计。图2.39所示是常用电阻应变计的类型，其中：

图2.39　常用电阻应变计的类型

·单轴应变计[图（a）～（d）]　一栅或多栅同方向共基应变计，适用于试件表面主应力方向已知的情况。

·多轴应变计（应变花）[图（f）～（k）]　一基底上具有几个方向敏感栅的应变计，适用于平面应变场中，检测表面某点的主应力大小和方向。

·丝绕式应变计[图（a）～（c）]　用合金丝材绕制而成，可适应不同温度，寿命较长，但横向效应大，散热性差。

·短接式应变计[图（d）]　敏感栅轴向部分用高电阻率丝材、横向部分用低电阻率丝材组合而成。横向部分电阻的相对变化较小，其横向效应小，可做成双丝温度自补偿，适用于高、中温测量环境。

·直角式应变计　其敏感栅的纵向电阻丝从基底端头已开始，改进了圆弧横栅不能很好传递应变的情况。

·箔式应变计[图（f）、（h）、（k）、（l）]　敏感栅用3～10 μm厚的铜镍合金箔光刻而成，其尺寸小，品种多，静、动态特性及散热性好。

·半导体应变计[图（e）]　由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形、粘贴而成，其灵敏系数比金属丝材大50～80倍，动态特性好，但重复性及时间、温度稳定性差。

·高温应变计　工作温度大于350°C，用耐高温基底、黏结剂经高温固化而成。常用金属基底，使用时用点焊将应变计焊接在试件上。

·特殊用途应变计　大应变应变计，用于测量ε=（2～5）×105με的应变；防水应变计，用于水下应变测量；防磁应变计，用于强磁场环境中测应变；裂缝扩展应变计，用于测量裂缝扩展速度。

【例2.9】　裂纹探测应变计。

在断裂力学的研究中，需要探测裂纹的出现及其扩展的情况，会用到裂纹探测应变计。裂纹探测应变计由一系列的并联电阻丝组成，如图2.40所示，将它粘贴在合适的部位，当裂纹出现并扩展时，依次使部分电阻丝断开，因此使整片应变计的电阻值变大。裂纹探测应变计通常由20～30根并联的电阻丝组成。为了使在全部电阻丝断开时，不致造成测出的电阻为无穷大，测量时在应变计上并联一个固定电阻，如图2.41所示。裂纹探测应变计的典型特性曲线如图2.42所示。

图2.40　裂纹探测应变计

图2.41　裂纹探测应变计的测量电路

图2.42　裂纹探测应变计的典型特性曲线

【例2.10】　膜片式应变压力传感器。

如图2.43所示，传感器的弹性敏感元件为周边固定的圆形金属膜片，当膜片一面受压力P作用时，产生弯曲变形，出现径向应变εr和切向应变εt。在膜片的中心，εr和εt均达到正的最大值，而在膜片的边缘径向应变εr达到负的最大值，而切向应变εt＝0。

图2.43　膜片式应变压力传感器

扫描下图可浏览AR资源——膜片式应变压力计。

因此，为充分利用膜片的应变状态，四只应变计分别贴在正应变最大区和负应变最大区，并接成四臂全桥电路，这样，既增大了传感器的灵敏度，又起到了温度补偿的作用。

此处采用图2.39（k）所示圆形箔式应变计，能最大限度地利用膜片的应变效果，得到较大的输出信号。

（2）材料考虑

包括敏感栅和基底材料两方面，根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求等选用合适的材料。

（3）阻值选择

根据测量线路或仪器选定应变计的标称阻值。如配用电阻应变仪，常选用120Ω阻值，因为电阻应变仪的平衡电阻为120Ω。为提高灵敏度，常采用较高的供桥电压和较小的工作电流，并选用大阻值的应变计，如350Ω、500Ω或1 000Ω等。

（4）尺寸选择

根据试件表面粗糙度、应力分布状态和粘贴面积的大小等选择应变计的尺寸。由于应变计测出的应变值实际上是粘贴区域内应变的平均值，所以当试件的应变梯度较大时，应选用栅长小的应变计，使测量值接近测点的真实值。在测量瞬态及高频动态应变时，为保证良好的频响特性，应尽量选择栅长小的应变计。但栅长小的应变计，其横向效应大，精度难保证，因此，在选用应变片尺寸时应全面考虑。(www.xing528.com)

（5）其他考虑

指特殊用途、恶劣环境、高精度要求等情况。

3）应变计的使用

应变计的使用性能，不仅取决于应变计本身的质量，还取决于应变计的正确使用。对于常用的粘贴式应变计，粘贴质量是关键。应变计通常都是用黏结剂粘贴在被测试件上的，黏结剂所形成的胶层要正确无误地将弹性体的变形传递到应变计的敏感栅上去，黏结剂性能的优劣，直接影响应变计的工作特性，所以，传感器性能的好坏除取决于应变计的质量外，还取决于黏结剂的质量及应变计粘贴方法是否正确等。

（1）黏结剂的选择

黏结剂的主要功能是要在切向准确地传递试件的应变，因此它应具备：

①与试件表面很高的黏结强度。

②温度和力学性能参数要尽量与试件相匹配，弹性模量大，蠕变和滞后小。

③抗腐蚀，涂刷性好，固化工艺简单、变形小，可长期储存。

④电绝缘性能、耐老化与耐温、耐湿性能良好。

一般情况下，粘贴与制作应变计的黏结剂是可以通用的，但粘贴应变计时受到现场条件的限制，通常在室温工作的应变计多采用常温、指压固化条件的黏结剂，如快干胶类的502，适合于胶膜及玻纤布基底材料，粘贴时指压，常温下几分钟固化。

（2）应变片的粘贴过程

①准备。在试件粘贴部位的表面，用砂布在与轴向为45°的方向交叉打磨，清洗打磨面，划线以确定贴片坐标线，均匀涂一薄层黏结剂作底。

②涂胶。在应变计基底上均匀涂一薄层黏结剂。

③贴片。将涂好胶的应变计与试件对准贴上，用手指顺轴向滚压，去除气泡和多余胶液，按固化条件固化处理。

④复查。引线和试件间的绝缘电阻应大于200 Ω。

⑤接线。根据工作条件选择好导线，将应变计引线和导线焊接，并加以固定。

⑥防护。在安装好的应变计和引线上涂以凡士林油等防护剂，以保证应变计工作性能稳定可靠。

4）应用举例

【例2.11】　筒形结构的称重传感器。

筒形结构称重传感器的弹性元件设计成图2.44（a）所示的筒形结构，4片应变计采用差动布片和全桥连线，如图2.44（b）所示。这种布片和接桥的最大优点是可排除载荷偏心或侧向力引起的干扰。

微课：筒形称重传感器

扫描下图可浏览AR资源——筒形结构的称重传感器。

假设筒形结构的弹性元件受偏心力F的作用，这时产生的应力可分为压应力和弯应力，受力分析如图2.44（c）所示。各应变计感受的应变εi为相应的压应变εFi与弯应变εMi的代数和，即

图2.44　筒形结构称重传感器接桥

可见，偏心力的干扰被排除了。

【例2.12】　应变式加速度传感器。

测力和压力时，是将其直接作用在弹性元件后转化为应变量的变化，而加速度是运动参数，必须首先经过一个由质量块和弹簧构成的惯性系统，将加速度转换为力，再作用在弹性元件上转换为应变。应变式加速度传感器的基本工作原理是牛顿第二定律，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比。

应变式加速度传感器由质量块、贴有应变计的弹性元件悬臂梁和基座组成。实际使用中，传感器的基座与被测物体固定在一起，当被测物体以一定的加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，应变计感受到形变，其阻值发生相应变化。图2.45（a）所示为单悬臂梁结构，图2.45（b）所示为双悬臂梁结构，可提高检测灵敏度。

图2.45　应变式加速度传感器

【例2.13】　应变式扭矩传感器。

扭矩是一种力矩，是改变物体转动状态的原因，其大小可表示为

式中，l是转轴与力作用点的距离，即力臂；F为作用力。

测扭矩，就是要测出在扭矩作用下，轴的扭转弹性形变。轴在转矩M的作用下，其表面受力情况与位置有关。如图2.46所示，在与轴线成45°的各点受力最大，AA′方向承受压缩力，BB′方向承受拉伸力。若沿此方向粘贴应变计1和2，转矩M将使应变计1的阻值减小，使应变计2的阻值增大，由此可测出转矩M。

图2.46　应变式扭矩传感器

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图2.47所示是各种扭矩轴弹性元件。

图2.47　应变式扭矩传感器的各种扭矩轴弹性元件

应变式扭矩传感器的工作原理图如图2.48所示。一段传动轴（敏感轴）连在驱动源和负载之间，安装适当的传感器，测出相距一定长度处两个横断面的相对扭转角度，由此计算扭矩的大小。应变片粘贴在轴上一起转动，而测量仪表是固定不动的，通常在轴上安装与轴绝缘的导电滑环，用电刷和滑环接触输出信号，测出应变片的阻值变化。

图2.48　应变式扭矩传感器的工作原理示意图