電阻應變計測量技術
正文
用電阻應變計測定構件的表面應變，再根據應力、應變的關係式，確定構件表面應力狀態的一種實驗應力分析方法。將電阻應變計固定在被測構件上，構件變形時，應變計的電阻將發生相應變化。用電阻應變儀（見電阻應變測量裝置）測量電阻變化，把它換算成應變值；或輸出與應變成正比的模擬電信號（電壓的或電流的），由記錄器記錄下來；或用計算機按預定要求進行數據處理；用上述方法都可得到所測的應力或應變。電阻應變計測量技術的優點是：①測量精度和靈敏度高；②頻率回響好，可測量從靜態到數十萬赫的動態應變;③測量數值範圍廣;④易於實現測量的數位化、自動化和無線電遙測；⑤可在高溫、低溫、高壓液下、高速鏇轉、強磁場和核輻射等環境進行測量；⑥可製成各種感測器，測量力、壓力、位移、加速度等物理量，在工業過程和科學實驗中用作控制或監視的敏感元件。電阻應變計的主要缺點是：①一個應變計只能測定構件表面一點在某個方向的應變；②只能測得柵長範圍內的平均應變。
發展簡史 電阻應變計測量技術，起源於19世紀。1856年，W.湯姆孫對金屬絲進行了拉伸試驗，發現金屬絲的應變和電阻的變化有一定的函式關係，說明應變關係可轉換為電流變化的關係，可用電學方法測定應變。1938年，E.西蒙斯和A.魯奇制出了第一批實用的紙基絲繞式電阻應變計。1953年，P.傑克孫利用光刻技術，首次製成了箔式應變計。隨著微光刻技術的進展，這種應變計的柵長可短到0.178毫米。1954年,C.S.史密斯發現半導體材料的壓阻效應，1957年，W.P.梅森等研製出半導體應變計,其靈敏係數比金屬絲應變計高50倍以上,現已用於測量力、扭矩和位移等的感測器上。
電阻應變計品種繁多，包括有分別適用於高溫、低溫、強磁場和核輻射等條件的，以及用於測量殘餘應力和應力集中的特殊應變計。
早期的電阻應變計測量儀器，用直流電橋和檢流計顯示的方法測量應變，其靈敏度和精度都比較差，20世紀40年代，出現由可調節的測量電橋和放大器組成的電阻應變儀，使電阻應變計在工程技術和科學實驗領域內獲得廣泛的套用。為了克服直流放大器信號的漂移和線性精度差等缺點，傳統的電阻應變儀都採用交流放大器，以載波放大方式傳遞信號。這種儀器的性能穩定，其精度能滿足一般的測試要求，但它的工作頻率受載波頻率的限制，而且存在電容、電感影響測量精度等問題。60年代，出現了採用直流放大器的電阻應變儀。電阻應變儀正朝向數位化、自動化和多功能方向發展，已有用於靜態應變測量數字顯示的應變儀和多點自動巡迴檢測的應變測量裝置，以及用於動態應變測量的數據採集處理系統等產品。電阻應變計測量技術在機械、化工、土建、航空等部門的結構強度試驗中，獲得了廣泛的套用。
測量原理 電阻應變測量系統由電阻應變計、電阻應變儀和記錄器三部分組成，其工作過程如下：
電阻應變計可按下式將構件的應變轉換為單位電阻變化：
， (1)
式中R為初始電阻；ΔR為該電阻的變化；ε為軸線方向的應變；K為靈敏係數。 電阻應變儀採用電橋或電位差計的測量線路，將電阻應變計的電阻變化轉換為電壓（或電流）的變化，並經放大後輸出。一般應變測量技術 應變測量技術可分為靜態應變測量和動態應變測量兩類：
靜態應變測量 工作過程如下： 套用電阻應變計測量常溫下的靜態應變時，可達到較高的靈敏度和精度,其最小應變讀數為1微應變，一般精度為1%～2%,應變測量範圍從1微應變到2萬微應變,特殊的大應變電阻應變計可測到結果為20％的應變值。常溫箔式電阻應變計柵長可短到0.178毫米,適於測量應力梯度較大的構件的應變。採用應變花，可方便地測定平面應變狀態下構件上一點的應變。多點巡迴的測量裝置，可在數分鐘內自動記錄上千個應變數據。如果採用存儲器，由於每秒可存儲數萬個數據，適合測量測點較多的大型構件的應變。
環境溫度變化時，安裝在可自由膨脹的構件上的電阻應變計，由於敏感柵的電阻溫度效應，以及敏感柵和被測構件材料的線脹係數不同，電阻應變計的電阻將發生變化，其值為：
， (2)
溫度的變化使電阻應變計產生的指示應變值，稱為熱輸出（或稱視應變），它和所需測定的應變無關，必須消除。消除的方法：①採用補償塊線路補償法。在一塊和構件材料相同但不受力的補償塊上，安裝一個和工作電阻應變計的規格性能相同的電阻應變計（稱為補償應變計）,將補償塊和構件置於溫度相同的環境中,並將工作應變計和補償應變計分別接入電橋的相鄰橋臂，利用電橋特性消除熱輸出。②採用特殊的溫度自補償應變計。③採用熱輸出曲線修正法，將和工作應變計規格性能相同的應變計，安裝在材料和被測構件相同的試件上，在和實測相似的熱循環情況下，測取應變計的熱輸出和溫度的關係曲線。在現場測量應變的同時，測定相應的溫度。根據上述曲線對測得的應變數據進行修正。④採用溫差電偶補償法。在直流的電橋電路中，用溫差電偶的熱電動勢將熱輸出的電壓變化預先抵消。一般在常溫條件下測量應變時，採用第一種方法；在高溫或低溫條件下測量應變時，採用第一、第二或第四種方法，也可在用第二種方法之後，再用第三種方法將前法測得的應變數據修正。
另外，在使用長導線及與電阻應變儀的電阻不匹配或靈敏係數不相同的應變計時，對測量結果要進行修正。
動態應變測量 工作過程如下： 電阻應變計的頻率回響時間約為10-7秒,半導體應變計可達10-11秒，構件應變的變化幾乎立即傳遞給敏感柵，但由於應變計有一定柵長，當構件的應變波沿柵長方向傳播時，應變計的瞬時應變讀數為應變波在柵長間距內的應變平均值。這會給測量結果帶來誤差。假設應變波為正弦波,其傳播速度與聲波在材料中傳播速度相同,若採用柵長1毫米的應變計對鋼構件進行測量,則當應變頻率達25萬赫時,應變測量誤差小於2％。一般機械的應變頻率都不超過25萬赫，應變測量誤差也不超出上值。高頻應變測量的範圍，主要受電阻應變儀和記錄器的限制，在測量動態應變時，要根據被測應變的頻率，對應變計進行動態標定及選擇合適的電阻應變儀和記錄器。對於隨機應變信號，採用數據處理裝置，可大大減少整理工作的時間。
特殊條件下的應變測量技術 主要有以下五種：
高溫或低溫條件下的應變測量 現在已經有適用於－270～800℃的各種類型的電阻應變計和粘結劑。進行短時間的動態應變測量時，環境溫度可高達1000℃。在高溫或低溫條件下，應變計的熱輸出常常超過所測的應變，故必須採取有效的補償方法。但由於這種熱輸出的分散性大和重複性差，不能做到完全補償。另外，粘結劑的蠕變、絕緣電阻的變化和敏感柵的氧化等，也會引起應變讀數的變化，加上靈敏係數隨溫度改變，及其測量的誤差，都會影回響變測量的準確性。因此，用電阻應變計測量高溫或低溫條件下的應變時，其精度比常溫條件下差。
高速鏇轉構件的應變測量 採用電阻應變計測量高速鏇轉構件的應變時，除了必須解決應變計的防護和溫度補償問題以外，應著重的是解決裝在鏇轉構件上的應變計和測量儀器之間的信號傳遞。一般用的集流器有拉線式、炭刷式、水銀式和感應式四種，後三種可用於測量轉速在 10000轉／分以上的構件的應變。無線電應變遙測裝置可裝在無法安裝集流器的密封鏇轉構件上，它能消除集流器因接觸電阻而產生的噪聲信號（見應變遙測技術）。
高壓液下的應變測量 電阻應變計可用於測量高壓液體介質容器內壁的應變，但由於電阻應變計處在高壓液態介質中工作，必須解決應變計的防護、引線的引出以及壓力效應等問題。一般對於油類的絕緣介質，應變計不需採取防護措施。對於在水下工作的應變計，採用凡士林、二硫化鉬或環氧樹脂等化學塗層後,可在200～1000巴（1巴＝105帕）的壓力下測量應變。應變計引線的引出,通常採用灌注了環氧樹脂或松香-錠子油的帶有錐形內孔的密封裝置。這種裝置可在壓力達數千巴的液體介質容器中達到有效的密封。高壓液體介質對敏感柵的壓力會改變電阻值，應在讀數中扣除它，或採取補償法予以消除。
強磁場和核輻射環境下的應變測量 在強磁場作用下，電磁感應對應變測量系統將產生“干擾”，影響測量的結果。用抗磁材料製造電阻應變計的敏感柵，或將兩個相同的應變計重疊在一起，並利用電橋線路，就可以減少磁場“干擾”的影響。如在應變測量線路系統中採取有效的禁止，也能獲得較好的結果。核輻射對電阻應變計的影響較為複雜，除了核輻射產生電磁感應對應變測量產生“干擾”外，還會使電阻應變計的敏感柵和粘結劑的性能發生變化，使應變計的電阻和靈敏係數發生變化。另外，核輻射熱還會使應變計有熱輸出，因此在應變測量時，應採用抗核輻射的敏感柵材料和無機粘結劑或聚醯亞胺粘結劑，並採取嚴格的禁止和補償措施。
殘餘應力測量 套用電阻應變計，可以測量機械構件由於焊接、鑄造、切削等工藝所產生的殘餘應力。其原理是：將電阻應變計安裝在被測構件的殘餘應力區域內，採取切割、鑽孔和電化學等方法，全部或部分釋放殘餘應力，測出電阻應變計在殘餘應力釋放前後的應變變化，再按彈性理論算出構件的殘餘應力。根據殘餘應力的釋放方式，用應變計測定殘餘應力的方法有切割法、鑽孔法和逐次剝層法三種。它們都屬於破壞性的機械測定法，其測量精度在很大程度上取決於應變計的貼上位置和加工工藝。為此，採用加工定位的專用夾具，以及專用於測定殘餘應力的應變花。
電阻應變計測量技術的改進途徑 ①合理設計敏感柵的形狀，研製性能更好的敏感柵和粘結劑，以提高測量精度和穩定性。②研製柵長較小、適應更高溫度及有特殊用途的應變計。③研製數位化、自動化和微處理機或與計算機聯用的實時線上處理的應變測量系統，以及多通道的應變遙測系統。④研究和提高測量技術，以便減少測量誤差和擴大應變計的套用範圍。
參考書目
機械工程手冊、電機工程手冊編輯委員會編：電阻應變片測量技術,《機械工程手冊》,第19篇，第13章，機械工業出版社，北京，1980。
天津大學材料力學教研室電測組編著：《電阻應變儀測試技術》，科學出版社，北京，1980。
