主要设备、仪器、材料及电测法基本原理

1.实验目的

1）了解电测法的基本原理。

2）初步掌握应变片的粘贴技术。

3）学习贴片质量检查的一般方法。

4）为以后的电测实验及综合性、设计性实验打好基础。

2.主要设备、仪器及材料

1）万用表、兆欧表。

2）矩形钢件试样一块。

3）电阻应变片、502快干胶、连接导线、接线端子。

4）石蜡或硅橡胶密封剂。

5）电烙铁、松香、焊锡、丙酮、砂纸、脱脂棉、镊子等。

3.电测法基本原理

所谓电测法，即是将电阻应变片（以下简称应变片）牢固地粘贴在被测构件上，当构件变形时应变片的电阻值随之发生相应的改变。然后通过电阻应变仪测出这一电阻的改变量并换算成应变值指示出来（或用记录仪记录下来）。

应变片及工作原理：

应变片是将应变变化量转换为电阻变化量的转换元件。它一般由金属电阻丝构成。对于单根金属电阻丝，由物理学可知其阻值

如果电阻丝受轴向拉（压）力作用如图2-25所示，则式（2.23）中的l、A、ρ都将发生变化。将式（2.23）两端取对数

lnR=lnρ+lnl−lnA

然后取导数

式（2.24）中：dl/l为纵向线应变。dA/A表示金属丝长度变化时，由于横向效应而引起的截面积相对改变。

图2-25　电阻丝

对于圆截面直径为D的金属丝而言，其横截面积A=πD2/4，将其两端取对数再微分，则

根据纵向应变dl/l与横向应变dD/D之间的关系即可得出

式中，μ为金属材料的泊松比。

式（2.25）中：d/ρρ为金属丝电阻率的相对变化。目前与实验结果较为相符的解释认为：金属丝电阻率的变化率与其体积的变化率dV/V之间呈线性关系，即

又，由材料力学可知，在单向应力状态下

因而有

式中，m是与金属丝材料及其加工方法有关的常数。

将式（2.26）、式（2.27）代入式（2.25）得

将上式中括号内的常数记为K，则

或近似于

式（2.29）说明：电阻丝的电阻变化率是其所产生的应变变化的K倍。实验证明，K值在很大范围内保持常量。故二者的变化率呈线性关系。这便是应变片测量应变的理论基础。

由式（2.29）可得：(www.zuozong.com)

式中，K称为电阻丝灵敏系数。它表示应变片电阻变化率/RRΔ与试样表面轴向应变/llΔ之比。K值由生产厂通过标定给出。

如将电阻丝AB粘贴在被测构件上，它将随同构件受力变形而发生变形，如图2-26所示。此时，电阻丝的应变即反映了构件在AB长度内的应变。电阻丝因应变而产生了电阻增量，于是将非电量的应变ε转换为电参量RΔ了。

图2-26　粘贴在被测构件上的电阻丝

目前，常用的有丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片等。丝式应变片是由金属电阻丝（即敏感元件）绕成丝栅（敏感栅），并用特种胶水粘贴在基底和基盖之间，丝栅的两端还焊有两根引出线供连接测量线路之用，如图2-27所示。

图2-27　丝式应变片的结构

应变片的规格很多，需根据被测对象的尺寸及应力分布情况来选用。例如，在轴向均匀的应力场中测定正应力，则视试样的尺寸尽可能选用基长、基宽大的应变片；在沿高度变化的纯弯曲应力场中测正应力，则尽可能选用基长大、基宽小的应变片；而在应力逐点发生变化的局部应力场中，为了真实地反映“点”的应力，则选用的应变片的尺寸越小越好。总而言之，应变片尺寸大，所感受的平均应变量多，有利于提高测量精度；应变片尺寸小，能较好地反映“点”的应力，但所感受的平均应变量则少。故需权衡二者，合理选用。

4.实验方法及操作步骤

1）将试样清理干净，按照贴片工艺要求，沿标志线粘贴应变片。

2）检查贴片质量，合格后涂敷保护层。

应变片粘贴工艺：

在电测应变分析中，构件表面的应变通过粘结层传递给应变片。测量数据的可靠性很大程度上依赖于应变片的粘贴质量。这就要求粘结层薄而均匀，无气泡，充分固化，既不产生蠕滑又不脱胶。应变片的粘贴全由手工操作，要达到位置准确，质量优良，全靠反复实践积累经验。应变片粘贴工艺包括下列几个过程：

（1）应变片的筛选

应变片的丝栅或箔栅要排列整齐，无弯折，无锈蚀斑痕，底基不能有局部破损。经筛选后的同一批应变片，要用万用表逐片测量电阻值，其电阻值相差不应超过0.5Ω（欧姆）。

（2）试样表面处理

为使应变片粘贴牢固，试样粘贴应变片的部位应刮去油漆层，打磨锈斑，除去油污。表面为贴片而处理的位置应大于应变片底基的3倍。若表面光滑，则用细砂纸打出与应变片轴线成45°的交叉纹路。打磨平整后，用划针沿贴片方位划出标志线。

贴片前，用蘸有丙酮（或四氯化碳）的药棉清洗试样的打磨部位，直至药棉上不见污渍为止。待丙酮挥发，表面干燥，方可进行贴片。

（3）应变片粘贴

常温应变片的粘结剂有502（或501）快干胶、环氧树脂胶、酚醛树脂胶等。在寒冷或潮湿的环境下，贴片前，最好用电吹风的热风使贴片部位加热至30～40℃。贴片时，在粘贴表面先涂一层粘结剂。用手指捏住（或镊子钳住）应变片的引出线，在基底上也涂上粘结剂，即刻放置于试样上，且使应变片基准线对准刻于试样上的标志线。盖上聚氯乙烯透明薄膜（或玻璃纸），用拇指沿应变片轴线朝一个方向滚压，手感由轻到重，挤出气泡和多余的胶水，保证粘结层尽可能薄而均匀，避免应变片滑动或转动，且加压1～2min，使应变片粘牢。轻轻揭去聚氯乙烯薄膜，观察粘贴情况。如在敏感栅部位有气泡，则应将此应变片铲除，清理干净后重新贴片；如敏感栅部位已粘牢，只是基底边缘翘起，则只要在局部补充粘贴即可。

应变片粘贴后要待粘结剂完全固化后才可使用。不同种类的粘结剂固化要求各异。502胶可自然固化，但加热到50℃左右可加速固化。酚醛树脂胶则必需加热才可固化。加热一般用恒温箱、反射炉、红外线灯或电吹风等。粘结剂固化前，用镊子把应变片引出线拉起，使它不与试样接触。

（4）导线的连接和固定

连接应变片与应变仪的导线，一般可用聚氯乙烯双芯多股铜导线或丝包漆包线。在强磁场环境中测量最好用多股屏蔽线，水下测量的塑料导线的外皮不能有局部损伤。导线与应变片引出线的连接最好用接线端子片作为过渡（图2-29）。接线端子片用502胶固定在试样上，导线头和接线端子片上的铜箔应预先挂锡，然后将应变片引出线和导线焊接在接线端子片上。也可把应变片引出线直接缠绕在导线上，然后上锡焊接，并在焊锡头与试样之间用涤纶胶带隔开。不论用何种方法连接都不能出现“虚焊”。最后，用压线片将导线固定在试样上。也可用胶布代替压线片将导线固定在试样上。

图2-28　导线的连接和固定

（5）应变片粘贴工艺的质量检查

贴片质量的好坏是电测成败的关键，贴好应变片需要熟练的粘贴技术，还需要外观质量和内在质量的保证。

（6）外观质量

粘贴于构件上的应变片，胶层应薄而均匀，透过敏感栅粘结剂具有透明感。粘结剂太少，粘贴时滚压不当，敏感栅部位将形成气泡，胶层不均匀，粘结剂太多造成应变片局部隆起，应变片发生折皱等都是不允许的，应铲除重贴。应变片引出线不能粘于构件上。如引出线与连接导线直接焊接，焊点应光亮饱满，引出线不外露。

（7）内在质量

应变片粘贴完后，用万用表测量其阻值。贴片前后应变片的电阻应无较大变化。如有较大变化，说明应变片粘贴时受过折皱，最好重贴。粘结剂固化后，用低压兆欧表测量引线与构件间的绝缘电阻。短期测量的应变片，绝缘电阻要求为50～100MΩ；长期测量或高湿度环境或水下测量，绝缘电阻要求在500MΩ以上。绝缘电阻的高低是应变片粘贴质量的重要指标，绝缘电阻偏低，应变片的零飘、蠕变、滞后都较严重，将引起较大的误差。粘结剂未充分固化也会引起绝缘电阻偏低，可用电吹风加热以加速固化。

导线焊接后应再一次测量电阻值和绝缘电阻。由于导线的电阻，使测出的电阻值略有增加是正常的。但读数漂移不定，一般是焊接不良所致，应重新焊接。导线连接后的绝缘电阻如发现低于导线连接以前的值，一般是接线端子片底基被烧穿引起的，应更换接线端子片。

（8）质量的综合评定

应变片粘贴工艺质量最终应由实测时的表现来评定。应变仪是高灵敏度的仪器，应变片接入应变仪后，那些通过外观检查、万用表测定都难以发现的隐患皆将暴露无遗。诸如，由于电阻值变化太大使电桥无法平衡；由于虚焊或绝缘电阻过低产生的漂移；由于气泡等原因，当用橡皮软件轻压应变片敏感栅时，引起应变指示较大的变化等。这些缺陷都应在正式测量之前，采取措施消除。

（9）应变片的防潮保护

粘贴好的应变片，如长期暴露于空气中，会因受潮降低粘结牢度，减小绝缘电阻，严重的会造成应变片剥离脱落。因此应敷设防潮保护层。

常温下的防潮剂有中性凡士林，703、704、705硅橡胶，环氧树脂，石蜡等。中性凡士林使用简便，但因易于揩掉，难以起到长期保护的作用。硅橡胶固化后有一定弹性，环氧树脂固化后较为坚硬，都是良好的保护剂。石蜡能长期防潮，按重量比的配方是：石蜡75%，松香20%，凡士林5%。把配好的混合物加热熔化，蒸发水分，搅拌均匀，冷却到60℃左右即可使用。

防潮保护层涂敷之前，可把涂敷层加热至40～50℃，以保证粘结良好。保护层厚约1～2mm，周边超出应变片10～20mm，最好将焊锡头及接线端子片都埋入防潮保护剂中。

5.注意事项

502快干胶粘结力很强，且有强烈的刺激性气味，应避免过量吸入，若皮肤或衣物被粘住，应以丙酮清洗，不要用力拉扯。

6.预习思考题和复习问答题

完成5.1中与本实验相关的预习思考题和5.2中与本实验相关的复习问答题。