電阻應(yīng)變計的工作特性

電阻應(yīng)變計的工作特性
表達電阻應(yīng)變計的性能及其特點的數(shù)據(jù)或曲線，稱為應(yīng)變計的工作特性。常溫應(yīng)變計的主要工作特性包括：應(yīng)變計的電阻值、靈敏系數(shù)、橫向效應(yīng)系數(shù)、機械滯后、零漂、蠕變、應(yīng)變極限、疲勞壽命、絕緣電阻和溫度特性。
2.4.1應(yīng)變計的電阻值
應(yīng)變計的電阻是指應(yīng)變計在室溫環(huán)境、未經(jīng)安裝且不受力的情況下，測定的電阻值。
應(yīng)變計電阻值的選定主要根據(jù)測量對象和測量儀器的要求。推薦的應(yīng)變計電阻的系列為60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω。在允許通過同樣工作電流的情況下，選用較大的應(yīng)變計電阻，就可以提高應(yīng)變計的工作電壓，以達到較高的測量靈敏度。由于電阻應(yīng)變儀和其他常用應(yīng)變測量儀器測量電橋的橋臂電阻習(xí)慣上按120Ω設(shè)計，故120Ω的應(yīng)變計為最常用。
對于生產(chǎn)出來的每一批應(yīng)變計都需要逐個地測量其電阻值，然后按電阻值的大小分類包裝。每包的包裝單上標(biāo)明該包應(yīng)變計的平均名義電阻值（即各片電阻值的平均值），以及各片電阻值與平均名義電阻值的最大偏差值。
2.4.2應(yīng)變計的靈敏系數(shù)
應(yīng)變計的靈敏系數(shù)是指：當(dāng)應(yīng)變計粘貼在處于單向應(yīng)力狀態(tài)的試件表面上，且其縱向(敏感柵縱線方向)與應(yīng)力方向平行時，應(yīng)變計的電阻變化率與試件表面貼片處沿應(yīng)力方向的應(yīng)變(即沿應(yīng)變計縱向的應(yīng)變) 的比值，即式中，K為應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；ε為試件表面測點處與應(yīng)變計敏感柵縱線方向平行的應(yīng)變；RRΔ為由ε所引起的應(yīng)變計電阻的相對變化。
應(yīng)變計的靈敏系數(shù)主要取決于敏感柵材料的靈敏系數(shù)，但兩者又不相等，這主要有兩個原因：以絲式應(yīng)變計為例，由于橫柵的存在，使制成敏感柵之后的靈敏系數(shù)小于絲材的靈敏系數(shù)，差別的大小與敏感柵的結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸有關(guān)；試件表面的變形是通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，由于端部過渡區(qū)的影響又使應(yīng)變計的靈敏系數(shù)小于敏感柵的靈敏系數(shù)，此差數(shù)不僅與基底和粘結(jié)劑的種類及其厚度有關(guān)，還受粘結(jié)劑的固化程度以及應(yīng)變計安裝質(zhì)量的影響。因此，應(yīng)變計的靈敏系數(shù)是受多種因素影響的綜合性指標(biāo)，它不能通過理論計算得到，而是由生產(chǎn)廠家經(jīng)抽樣在專門的設(shè)備上進行標(biāo)定試驗來確定的。并于包裝上注明其平均名義值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。常用的應(yīng)變計靈敏系數(shù)為2.0~2.4。
2.4.3應(yīng)變計的橫向效應(yīng)系數(shù)
應(yīng)變計的敏感柵中除了有縱向絲柵以外，還有圓弧形或直線形的橫柵。橫柵既對應(yīng)變計軸線方向的應(yīng)變敏感，又對垂直于軸線方向的橫向應(yīng)變敏感。對于沿試件軸向粘貼的應(yīng)變計，其敏感柵的縱向部分由于試件軸向伸長而引起電阻值增加，其敏感柵的橫向部分由于試件橫向縮短而引起電阻值減小。從而，將一根直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，粘貼處的應(yīng)變狀態(tài)亦相同，但應(yīng)變計敏感柵的電阻值變化比單根金屬絲的電阻值變化要小。因此，應(yīng)變計的靈敏系數(shù)K比單根金屬絲的靈敏系數(shù)KS要小。這種由于敏感柵感受橫向應(yīng)變而使應(yīng)變計靈敏系數(shù)減小的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變計的橫向效應(yīng)。
應(yīng)變計處在平面應(yīng)變狀態(tài)下，沿其軸線方向的應(yīng)變?yōu)棣枝?，垂直于軸向方向的應(yīng)變?yōu)閥ε。它的電阻變化率是由應(yīng)變計感受的縱向應(yīng)變χε和橫向應(yīng)變yε共同引起的，其電阻變化率可表示為

橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)的比值，被稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H，可用它來衡量應(yīng)變計橫向效應(yīng)的大小。由式（2-12）和（2-13）可得應(yīng)變計敏感柵橫向效應(yīng)系數(shù)的計算公式

橫向效應(yīng)系數(shù)的大小除主要取決于敏感柵的型式和幾何尺寸，還與應(yīng)變計的基底、粘結(jié)劑以及制片時的工藝質(zhì)量有關(guān)，用式（2-14）計算所得的結(jié)果與應(yīng)變計的實際橫向效應(yīng)系數(shù)略有差別。
不同種類的應(yīng)變計，其橫向效應(yīng)的影響也不同，絲繞式應(yīng)變計的橫向效應(yīng)系數(shù)最大，箔式應(yīng)變計次之，短接式應(yīng)變計的H值最小，常在0.1%以下。一般應(yīng)變計的H值在0.1~5%之間。
2.4.4應(yīng)變計的機械滯后
在恒定溫度下，對安裝應(yīng)變計的試件加載和卸載，其加載曲線和卸載曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計的機械滯后。機械應(yīng)變是指在機械載荷作用下試件產(chǎn)生的應(yīng)變；指示應(yīng)變是指從電阻應(yīng)變儀讀出的應(yīng)變計的應(yīng)變。應(yīng)變計的機械滯后量，用在加載和卸載兩過程中指示應(yīng)變值之差的最大值Zj來表示（圖2-11）。

圖 2-11 應(yīng)變計機械滯后
機械滯后的產(chǎn)生，主要是敏感柵、基底和粘結(jié)劑在承受機械應(yīng)變之后留下的殘余變形所致。制造或安裝應(yīng)變計時，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃危蛘辰Y(jié)劑固化不充分，都會使機械滯后增加。應(yīng)變計在較高的溫度下工作時，機械滯后也會顯著地增大
造成應(yīng)變計機械滯后的主要原因有：
1. 粘合劑受潮變質(zhì)，或過期失效，或固化處理不良；
2. 粘貼技術(shù)不佳，比如部分脫落或粘合層太厚；
3. 基底材料性能差；
4. 試件的殘余應(yīng)力以及應(yīng)變計敏感柵在制造和粘貼過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
機械滯后的大小與應(yīng)變計所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載過程中的機械滯后就愈大。尤其是新安裝的應(yīng)變計，第一次承受應(yīng)變載荷時，常常產(chǎn)生較大的機械滯后，經(jīng)歷幾次加卸載循環(huán)之后，機械滯后便明顯地減少。所以，通常在正式試驗之前都預(yù)先加卸載若干次，以減少機械滯后對測量數(shù)據(jù)的影響。
2.4.5應(yīng)變計的零點漂移和蠕變
在溫度恒定的條件下，即使被測構(gòu)件未承受應(yīng)力，應(yīng)變計的指示應(yīng)變也會隨時間的增加而逐漸變化，這一變化即稱為零點漂移，或簡稱零漂。如果溫度恒定，且應(yīng)變計承受恒定的機械應(yīng)變，這時指示應(yīng)變隨時間的變化則稱為蠕變。
零漂和蠕變所反映的是應(yīng)變計的性能隨時間的變化規(guī)律，只有當(dāng)應(yīng)變計用于較長時間測量時才起作用。實際上，零漂和蠕變是同時存在的，在蠕變值中包含著同一時間內(nèi)的零漂值。

應(yīng)變計在常溫下使用時，產(chǎn)生零漂的主要原因是敏感柵通以工作電流之后產(chǎn)生的溫度效應(yīng)、在制造和安裝應(yīng)變計過程中所造成的內(nèi)應(yīng)力、以及粘結(jié)劑固化不充分等。隨著工作溫度的增加，零漂的產(chǎn)生則主要是敏感柵材料的逐漸氧化、粘結(jié)劑和基底材料性能的變化等因素所致。尤其是高溫下工作的應(yīng)變計，敏感柵材料氧化的速度迅速增加，并出現(xiàn)合金中某些元素?fù)]發(fā)的現(xiàn)象，材料的電阻率發(fā)生變化，會使應(yīng)變計產(chǎn)生很大的零漂。
蠕變的產(chǎn)生，主要是膠層在傳遞應(yīng)變的開始階段出現(xiàn)“滑動”所造成的，膠層愈厚，彈性模量愈小，機械應(yīng)變量愈大，“滑動”現(xiàn)象就愈甚，產(chǎn)生的蠕變也愈大。
2.4.6應(yīng)變計的應(yīng)變極限
應(yīng)變計的應(yīng)變極限是指在溫度恒定的條件下，對安裝有應(yīng)變計的試件逐漸加載，指示應(yīng)變與被測構(gòu)件真實應(yīng)變的相對誤差（通常規(guī)定為10%）不超過一定數(shù)值時的真實應(yīng)變值。實際上，應(yīng)變極限是表示應(yīng)變計在不超過規(guī)定的非線性誤差時，所能夠工作的最大真實應(yīng)變值。
大多數(shù)敏感柵材料的靈敏系數(shù)在彈性范圍內(nèi)變化很小，故在一般情況下，決定應(yīng)變極限大小的主要因素是：
1. 粘結(jié)劑和基底材料傳遞應(yīng)變的性能；
2. 引線與敏感柵焊點的布置形式；
3. 應(yīng)變計的安裝質(zhì)量。
選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料、制造和安裝應(yīng)變計時控制基底和粘結(jié)劑層不要太厚、適當(dāng)?shù)墓袒幚淼?；都有助于獲得較高的應(yīng)變極限。
工作溫度升高，會使應(yīng)變極限明顯地下降，中溫和高溫應(yīng)變計在極限工作溫度下的應(yīng)變極限均低于常溫應(yīng)變計。
2.4.7應(yīng)變計的疲勞壽命
應(yīng)變計的疲勞壽命是指：在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變計連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)。當(dāng)應(yīng)變計出現(xiàn)以下三種情形之一者，即可認(rèn)為是疲勞損壞：（1）敏感柵或引線發(fā)生斷路；（2）應(yīng)變計輸出幅值變化10%；（3）應(yīng)變計輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。
疲勞損壞的原因是，在動態(tài)應(yīng)力測量時，應(yīng)變計在交變應(yīng)變的作用下，經(jīng)過若干循環(huán)次數(shù)之后，其靈敏系數(shù)將隨應(yīng)變循環(huán)次數(shù)的增加而有所改變。這主要是由于敏感柵的缺陷（柵條上的針孔和裂隙）、內(nèi)焊點接觸電阻的變化、粘結(jié)劑強度下降以及應(yīng)變計安裝質(zhì)量不好等因素所造成。要提高應(yīng)變計的疲勞壽命，須特別注意引線與敏感柵之間的連接方式和焊點質(zhì)量。
2.4.8應(yīng)變計的絕緣電阻
應(yīng)變計的絕緣電阻是指敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。
絕緣電阻過低，會造成應(yīng)變計與試件之間漏電而產(chǎn)生測量誤差。當(dāng)安裝在試件上的應(yīng)變計通入工作電流以后，絕緣電阻可認(rèn)為是每段柵絲與“地”之間許多小電阻的并聯(lián)值。由于并聯(lián)電路的分流作用，使通過敏感柵的電流變小。絕緣電阻越低，分流作用就越大，通過敏感柵上的電流就越小，致使測量靈敏度降低，直接影響測量結(jié)果。
絕緣電阻下降，將使應(yīng)變計的指示應(yīng)變比實際的應(yīng)變值減少。但從對測量精度的影響來看，對絕緣電阻的要求并不很高，只有在低于0.01MΩ之后，測量誤差才急劇增加。
絕緣電阻下降，將使一部分電流分流到試件，引起的另一個不良后果是零點漂移。
提高絕緣電阻的途徑方法是：選用電絕緣性能良好的粘結(jié)劑和基底材料，并使其經(jīng)過充分的固化處理。使得提高應(yīng)變計的絕緣電阻的同時，不增加蠕變和機械滯后。
2.4.9應(yīng)變計的溫度特性
應(yīng)變計的溫度特性分：熱輸出和熱滯后。
1.熱輸出

當(dāng)應(yīng)變計安裝在可以自由膨脹的試件上，且試件不受外力作用。若環(huán)境溫度不變，則應(yīng)變計的應(yīng)變?yōu)榱恪Ｈ舡h(huán)境溫度變化，則應(yīng)變計產(chǎn)生應(yīng)變輸出。這種由于溫度變化而引起的應(yīng)變輸出，稱為應(yīng)變計的熱輸出。
產(chǎn)生應(yīng)變計熱輸出的原因主要是：
（1）應(yīng)變計敏感柵材料本身的電阻溫度系數(shù)引起的；
（2）由于敏感柵材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同，使敏感柵產(chǎn)生了附加變形。
當(dāng)環(huán)境溫度變化Δt oC時，應(yīng)變計的電阻變化量為
()[]tKRRsmStΔ?+=Δββα (2-15)
溫度改變引起的應(yīng)變計的電阻變化率為 =ΔRRt()[]tKsmSΔ?+ββα (2-16)
式中：α為敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)（1/oC）；βm為試件材料的線膨脹系數(shù)（1/oC）；βs為敏感柵材料的線膨脹系數(shù)（1/oC）；Κs為敏感柵絲的靈敏系數(shù)；R為應(yīng)變計的電阻值（Ω）。
溫度改變產(chǎn)生的熱輸出為 ??????Δ=RRKtt1ε
K1=()[tKsmSΔ?+ββα (2-17)
式中：Κ為應(yīng)變計的靈敏系數(shù)。應(yīng)變計的熱輸出一般用溫度每變化1oC時的輸出應(yīng)變值來表示。
2.熱滯后
如果應(yīng)變計是在升溫和降溫情況下循環(huán)工作，則發(fā)現(xiàn)在室溫和極限工作溫度之間增加或減少溫度時，應(yīng)變計的升溫?zé)彷敵銮€和降溫?zé)彷敵銮€并不重合。即在某一溫度下，升溫的曲線和降溫的曲線之間有一個差值，此差值即為應(yīng)變計的熱滯后。

2.4.10最大工作電流
應(yīng)變計接入測量線路，敏感柵中便通過一定的電流，一部分能量轉(zhuǎn)換為熱能而使應(yīng)變計產(chǎn)生溫升。增加工作電流，雖然能夠增大應(yīng)變計的輸出信號而提高測量靈敏度，但如果由此產(chǎn)生太大的溫升，不僅會使應(yīng)變計的靈敏系數(shù)發(fā)生變化，零漂和蠕變值明顯地增加，有時還會將應(yīng)變計燒壞。應(yīng)變計的最大工作電流是指允許通過其敏感柵而不影響工作特性的最大電流值。