应变计工作原理

应变片结构

传统 应变片 一般为箔式电阻应变片。为何是传统?现在有新的应变片技术,例如光纤布拉格光栅传感器,其功能和原理完全不同。

为了了解应变片的结构,了解应变片制造过程是有帮助的:标准的应变片一般采用聚酰亚胺作为基底,康铜丝粘附在上面。康铜是一种电导体,使用模板蚀刻法,产生康铜测量栅丝,然后粘附在基底与载体箔材上。从外观上来看其形成一个蛇形绕组图案。

典型应变片结构

顺便说一下,为何应变片如此特别?

HBM 产品经理 Jens Boersch 解释了应变片的工作原理:

"应变片实际上无处不在,很多都隐藏在产品内部."

工作方式

产品经理 Jens Boersch 解释说:“对于应变测量来说,我们实际感兴趣的是机械应力。机械应力描述了施加在材料上的内部和外部力的程度。这是实验应力分析的应用领域一个至关重要的要素。

Strain gauge working principle
应变片被拉伸时,电阻 (Ω) 增加; 如果被压缩,则电阻变小。

因此,应变片通常紧固在被检查的材料在多个地方并通过电缆连接到测量放大器。如果应变片被拉伸或压缩,则测量栅丝的电阻发生变化。其原因是当测量栅丝被拉伸时,电流必须行进更大的距离 - 并且其通过的导体也变薄,导致电阻增加。从电阻变化可以确定应变片的应变。以μm/ m表示。顺便说一句,应变片也可能是指压缩,换句话说就是负应变。在这种情况下,电阻相应减小

但是, 应变不是机械应力。为获得机械应力,以下两点需要首先考虑:

材料的温度系数α

当环境温度变化时,材料也会发生变化。该变化由温度系数α表示。示例:当钢圆柱体加热时,粘贴在上面的应变片也会膨胀。 “这种温度依赖性产生的材料应变是我们不想测量的,”Boersch说。为了补偿这种影响,我们采用特定材料的应变片,使得它们具有恰好相反的温度特性,从而补偿材料应变,使应变片仅测量要测量的内应力:即由外部加载引起的应变。这一般称为匹配温度响应的自补偿应变片。

弹性模量 (杨氏模量)

当材料受到负载时,它表现出机械应变。机械应变是力除以面积的结果。这种相关性可以通过在受控条件下对不同材料的样品进行加载获得的的特性曲线来定义。作为一般规律,应变增加可使较大的机械应力相匹配。最初这种相关性是线性的。这被称为弹性范围,这种相关性由弹性模量描述。

然而,在某一点之后,材料被操作力强烈地变形,使得它不再能够返回其原始状态。这种塑性变形继续,直到材料断裂。没有发生塑性变形的线性范围是实验应力分析的关键。

如果给定材料的弹性模量是已知的,则可以基于应变来确定机械应力:这是应变测量的目的。

Strain gauge geometry explanations
T 型片主要用于剪切力测量

应变片之间的区别

"应变片之间有一些重要特征:特别重要的是几何形状,测量栅丝长度和温度适应性。"

– Jens Boersch

HBM 提供超过2500种不同类型的应变片。可根据应用选择不同的类型。

他们之间的区别主要在于:

  • 几何规格
  • 测量栅丝长度
  • 温度适应性

几何规格

应变片的几何规格包括测量栅丝数量和对准方式等。根据载荷不同,可能会发生不同的应力状态:在单轴应力状态下,也就是一个已知的应力方向。一个测量网格就足够了。并根据主应力方向对齐。

在双轴应力状态下,多个应力方向一起发生,例如张力,压力,弯曲或扭转。在某些情况下,测量工程师可能不知道主应力的方向。这需要具三个方向的测量栅丝应变片才可以。可以确定主要和次要应力的大小以及它们的方向。

测量栅丝长度

根据材料和测量应用,应该选择不同的测量栅丝长度:如需要非常精确地测量工件中的应力曲线(应力梯度)时。在这种情况下,最好采用较短的测量栅丝,以精确分析关键点。如果一般负载(算术平均值)是重要的,则应该选择较长的测量栅丝。

不同的表面结构也有不同:例如,混凝土是不均匀的,并且小的卵石嵌入其中。如果在这种情况下如果测量栅丝太短,则会使测量结果发生扭曲,因为该应用有多种微小的独立应力场。为了避免这种情况,应选择较长的测量栅丝:测量在该测量栅丝长度上的平均应力。

温度适应性

不同材料的需要采用不同温度适应性的应变片,以确保能够对温度变化引起的材料应变进行补偿。因此,需要根据材料选择正确的应变片。

其他选择标准

除了上述特征之外,还有其他一些选择标准:应变片通常具有不同的阻值(120,350或1000欧姆等)。通常取决于测量链,例如放大器的组桥电阻或预期的干扰脉冲等。基底材料,导体材料或连接类型也需要进行考虑。一些应变片采用预接线方式,无需进行焊接,可以节约大量的安装时间,从而降低成本。

应变片的使用

必须满足一些基本要求,才可确保应变片正常工作:最重要的是使它们与材料牢固连接,才能正确测量应变。因此,应变片通常用非常脆的粘合剂胶合,有时采用焊接方式。并且需要选择正确的粘合剂,因为粘合剂的一致性随温度变化而变化。另外正确安装是非常必要的,例如,应变片和材料之间或应变片和粘合剂之间不允许有气泡。

然而,单独使用应变片是无用的。 因为应变信号非常微小,必须通过放大器对信号进行放大,才能进行测量。

应用领域

应变片有两个主要应用领域:一个是用于传感器制造,另外是进行耐久性测试。基于应变的传感器通常用于测定物理量,如力或力矩等。

耐久性测试是实验应力分析的主要应用。例如材料何时在恒定负荷下失效等。这些载荷是采用试验方式,循环加载的。负载通常较低,材料在弹性范围内,不会立即损坏或断裂。

疲劳问题在很多方面都是有意义的:例如飞机部件,基础设施如桥梁或铁路,以及印刷电路板等。部件需要进行彻底测试,以确定其是否提供所需的耐久性,能够承受预期的负荷。

Aircraft in hangar with strain gauge measuring points.
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