应变片横向效应

应变片的温度效应补偿

普通应变片使用时，用胶粘贴在弹性元件上，利用电桥测出阻值以获得应变或压力。电阻应变片会受到环境和温度的影响，其原因，一是应变片电阻本身具有电阻温度系数；二是弹性元件与应变片两者的线膨胀系数不同，即使无外力作用，即无应变现象，由于环境温度的变化也会引起应变片电阻值的改变，从而产生测量误差。所以必须采取适当的温度补偿措施。

通常应变片的测量电路采用应变电桥，应变片作为电桥的部分或全部桥臂电阻。能把应变片电阻值的微小变化转化成输出电压的变化。应变电桥的原理图如图1所示，它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂。在室温下不承受应力时，一般选择R1＝R2＝R3＝R4。在组成应变电桥时可取1R为应变片、1R和2R为应变片或1R～4R均为应变片等几种形式。IU为直流稳压电源，OU为电桥的输出电压。

必须注意，工作片和温度补偿片的电阻值、灵敏系数以及电阻温度系数应相同，分别粘贴在构件上和不受力的试件上，以保证它们因温度变化所引起的应变片电阻值的变化相同。

R1R4R2R3UIUO+_ RRRXRUIUO+_工工工

图1 电桥原理 图2 半桥单臂温度补偿接法

应变片在电桥中的接法常有以下三种形式：

（1）半桥单臂接法 如图2所示， R1、R3、R4为纯电阻，R2为应变片

1342TRRRRRRRR

OIII122()2(2)TTTTRRRUUURRRRRURRR

由于 ,TRRRR

故上式可简化为 OI()4TRRUUR

此时存在由于温度变化而引人的误差

（2）半桥双臂接法 将两个完全相同的工作应变片贴在弹性元件的不同部位，使得在外力作用下，其中一片受压，一片受拉，一个作为工作应变片，另一个作为补偿应变片，然后把这两片接在电桥的相邻桥臂里，另两个桥臂接固定电阻，如图3所示。

电阻应变测试中横向效应误差分析

摘要 电阻应变测试这种早期发展起来的测试技术在科学技术迅猛发展的今天仍焕发着勃勃生机,可见其重要性,有必要对其测试中的一些重要问题加以关注,以便得到更为精确地测试结果。本文就应变测试中的横向效应引起的误差做了一些分析。

关键词 应变测试;误差分析;横向效应

中图分类号tg806 文献标识码a 文章编号

1674-6708(2010)30-0160-02

1 概述

早在1856年,开尔文就发现了电阻应变片的基本原理。经历了多年的发展,利用惠斯登电桥监测粘贴箔式应变片已成为高度完善的测量系统。现代测试的过程中,影响因素众多,要想得到尽量精确的测试结果,就必须对应变测试中的许多问题有透彻了解,电阻应变测试的过程中,横向效应有时候会带来很大误差,应予以充分重视。本文就应变测试中的横向效应引起的误差问题做出分析。

2 电阻应变片横向效应引起的误差分析

当电阻应变片以固定方向粘贴时,即测得沿该方向的应变值,但是,在测量的过程中,电阻应变片除了有该方向的纵向变形外,一定存在着横向变形,本文即是探求电阻应变片横向变形对测量结果的影响。

2.1 电阻应变片横向效应

粘贴式应变片在二向应变场下的响应为: (sx表示延应变片横向的灵敏度,sy表示延应变片纵向的灵敏度,sα表示应变片的剪切灵敏度,εx表示横向应变,εy表示轴向应变,εα表示剪切应变)

一般地,应变片对剪切应变的灵敏度很小,可以忽略,那么,应变片的响应为:

其中为应变片的横向灵敏度系数。注意到,代入上式,得:

每一个应变片都由生产厂商标定后(标定梁泊松比为μ1)提供一个灵敏度系数sg,即:

对比(3)和(4)式,可以发现:

又将(5)代入(3),可得:

由上式便可反解出应变真值为:

如果仅仅考虑应变片的灵敏度系数,则:

对比(7)和(8)可得:

如果忽略应变片的横向效应,将会引起误差δ,那么:

表2-1计算出当μ1=0.3,kx分别为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05和0.06 分别为0、1、2、3、4、5及6时的误差δ值

己口Ｉ　５年］月　第３４卷第］期　理论与方法　

应变片横向效应对复合材料测量数据影响分析　

韩　凯　左　佳　（中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力／疲劳航空科技重点实验室　西安　７１００６５）　

摘　要：由于应变片具有横向效应，在平面应力场的测量中会带来一些误差，特别是针对各向异性的复合材料，必须对测量结　

果进行修正。采用了一种修正方法对试验测量数据进行了修正，通过测量值和修正值的对比分析，得到了应变片横向效应对　

复合材料应变数据准确性的影响，以及数据无需修正的范围。试验结果表明：随着电阻应变测量值绝对值的增大，因电阻应　变片横向效应引起的误差值所占比率会降低；当复合材料应变绝对值大于２ｏｏ“￡时，横向效应引起的误差值所占比例降低到　２　以下，可以忽略其对测量数据的影响。　

关键词：电阻应变片；横向效应；复合材料；应变数据　中图分类号：ＴＭ９３０．¨５　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：４２０．４０　

Ｉｍｐａｃｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｇｅｓ　

ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　

Ｈａｎ　Ｋａｉ　Ｚｕｏ　Ｊｉａ　

（Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｕｌｌ　Ｓｃａｌｅ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｔｅｓｔ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｇｅｓ，ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｉａｘｉａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｗｉｌｌ　ｈａｓ　ｓｏｍｅ　

ｅｒｒｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｆｏｒ　ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ—ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ａｍｅｎｄｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　

1．金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?

答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?

答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容。

3．简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因。

粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片 , 如图2-3所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变x,电阻值将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向 (即微段圆弧的切向) 的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在2/处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变y，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 +x变化到-y。由此可见 , 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。

应变片横向效应表明 , 当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数 k 时的标定规则不同时,实际 k 值要改变,由此可能产生较大测量误差，当不能满足测量精确度要求时，应进行必要的修正。

4．采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。

解：单臂时40UKU，所以应变为1时660102410244UKU/V，应变为1000时应为330102410244UKU/V；

双臂时20UKU，所以应变为1时660104210242UKU/V，应变为图2－3 横向效应 1000时应为330104210242UKU/V；