威势精密测量贸易(上海)有限公司 VPG Micro-Measurements

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应变计的选择:标准、程序和建议

1.0 绪论 作为任何应变计安装的准备,首先要为测试任务选择合适的应变计,应变计的选择初看十分简单,不似应力分析的关键步骤,而事实恰恰相反,仔细合理地选择应变计的特性和参数会显得十分重要:可针对指定环境...
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1.0 绪论

作为任何应变计安装的准备,首先要为测试任务选择合适的应变计,应变计的选择初看十分简单,不似应力分析的关键步骤,而事实恰恰相反,仔细合理地选择应变计的特性和参数会显得十分重要:可针对指定环境和操作条件优化应变计性能、获取准确和可靠的应变测试、最大限度降低应变计安装的整体费用。

应变计的安装和工作特性受到以下参数影响,并可从不同角度予以选择:

. 应变丝合金材质
. 基底材料 (载体)
. 丝栅电阻
. 应变计图案
. 温度自补偿编号
. 应变计长度
. 可选项

基本上,应变计的选择过程就是确定与环境及其他操作条件精确匹配的参数,同时确保最佳安装和不受条件制约,所谓的条件制约通常由以下需求而形成,诸如:

. 精度 . 测试持续时间
. 稳定性 . 循环持久性
. 温度 . 安装难易度
. 伸长率 . 环境

在选择应变计时,应变计的本身价格一般不作为考虑的根本因素,因为整个测试装置的整体价格才是有意义的经济测量,而应变计的费用往往只在其中占很小比重。在很多场合,选择应变计的系列和附加性能会增加费用,但却可以降低装置的成本。

在选择应变计的过程中,还必须认识到折衷的重要,这是因为符合某一个制约或需求的参数选择,可能和另一个大相径庭。例如小半径的环状带测试,可供应变计安装的空间非常有限,应变的变化率有非常大,显而易见要选择一种尽可能短小的应变计,然而,长度小于0.125 in [3 mm]的应变计,通常最大伸长率较低、疲劳寿命短、稳定性差和安装难度大。另一个经常影响应变计的选择和引起折衷考虑的情况是,如何为日复一日进行应变测试做相应的库存。当折衷不可避免之时,我们必须完全明确为符

合应变计安装要求所进行的折衷,会给应力测试带来什么结果。对于在任何特定情况下做出最佳整体折衷,并评判测试数据的精确性与有效性,这种明确的理解是必须的。

这里考虑到的应变计选择标准主要同应力分析的应用相关。应用于传感器弹性体的应变计的选择标准,与这里提及的许多方面非常相似,但对不同应用有显著区别,因此应当区别对待。Vishay Micro-Measurements的传感器应用部门可对这方面的选择提供相关帮助。

2.0 应变计选择参数
2.1 应变感应合金材料

决定应变计工作性能的主要因素是用于制造金属箔栅格的应变感应合金材料。但是,合金材料并非在任何情况下都是一个可以独立选择的参数。这是因为Vishay Micro-Measurements的每一个应变计系列(以型号的前两或三个字母表示),是被设计成一个完整体系的。这样的体系是由一个特殊的金属箔材与基底的组合所构成,并包括附加的应变计结构组合(诸如覆盖层、引线、焊接点等)。

Vishay Micro-Measurements 供应以下种类的应变计合金材料(以及各自的代表字母):

A: 温度自补偿康铜
P: 退火康铜
D: 等弹性合金
K: 镍-铬合金,温度自补偿改性卡马合金

2.1.1 康铜合金

在所有现代应变计的合金材料中,康铜是历史最悠久的,而且仍是使用最广泛的。这种情况反映了这样一个事实,对于许多应变计的应用而言,康铜具有最佳的整体综合性能。比如,这种合金有一个足够高的应变灵敏度,或灵敏系数(gage factor),而对于应变级别和温度相对不敏感。其电阻率足够的高,这样即便是很小的栅格也能达到合适的电阻值,并且其电阻的温度系数也不是很大。此外,康铜具有很好的疲劳寿命以及比较大的延长性能。但必须注意,在温度超过+150°F [+65°C]的情况下,康铜往往呈现出连续的漂移;在测试持续数小时乃至数天的情况下,应变计的零点稳定性至关重要,这一特性必须被加以考虑。

很重要的是,康铜可被加工为自我温度补偿(见右框),以配合各类测试材料的膨胀系数。A合金是按自我温度补偿(S-T-C)的号码00,03,05,06,09,13,15,18,30,40和50来选择,用于同测试材料的对应热膨胀系数(用ppm/ ° F表示)相匹配。

对于测量5%(50,000με)或更大的应变,退火康铜(P合金)通常是栅格材料的首选。这种康铜拥有很好的延展性,栅长0.125 in [3 mm]的应变计,可以达到大于20%的应变。但是,应当紧记,在高循环应变加载下,在每一个循环周期里,P合金会表现出一些永久的电阻变化,从而造成应变计相应的零点漂移。由于这个特点,为避免应变计在应变重复加载中过早失效的倾向,通常并不建议在循环应变测试中采用P合金。P合金可供选择的自我温度补偿(S-T-C)号码为08和40,分别对应相应的金属与塑料材料。

2.1.2 等弹性合金

当需要测量纯粹的动态应变——也就是说,不需要保证一个稳定的参考零点——等弹性合金(isoelastic,D合金)具有一定的优势。与A合金相比,主要表现在,出色的疲劳寿命,以及更高的灵敏系数(大约3.2)以改善动态测试中的信噪比。

D合金并不能实现自我温度补偿。此外,如图所示(见框中),其热输出非常高(大约80με/° F [140με/° C]),使得这种合金往往无法适用于静态应变测量。但是,有的情况下,D合金可应用于需要高输出信号的特殊用途传感器,此时可运用全桥电路来实现适当的温度补偿。

当考虑选择这种栅格材料的时候,D合金的一些其他特性同样应当被指出。比如,它是一种磁阻材料;并且它对应变的反应有些非线性,当应变大小在±5000με以外时尤其显著。

2.1.3卡马合金

改性卡马,或K合金,由于它的应用范围非常广,使其成为应变计合金家族中的一个重要成员。这种合金具有良好的疲劳寿命和极佳的稳定性;作为精确的静态应变测量的首选,室温下可以长时间测量(数月或数年),或在较短的时期内高温测量。推荐用于长期静态应变测量,温度范围–452° ~ +500°F [–269° ~ +260°C]。在较短的时期内,带覆盖的K合金应变计可应用的最高温度为+750°F [+400°C]。在惰性气体的氛围中有助于提高在高温下的稳定性以及延长应变计的使用寿命。

除了其他的优点,相比A合金,K合金的热输出曲线更为平滑,从而可以在极端温度下对热输出误差进行更为精确的修正。同康铜一样,K合金可以针对不同热膨胀系数的材料进行自我温度补偿。但K合金可以供选择的S-T-C号


码有限,有以下几种:00, 03, 05, 06, 09, 13, 以及15。通常,当需要一款温度补偿应变计,而A合金无法达到环境条件以及性能特点的要求时,K合金将是很好的选择。

由于直接在K合金上焊接非常困难,Vishay Micro-Measurements采用双面铜焊盘(duplex copper feature),过去这是一个可选项,如今已经成为我们所有K合金开放式应变计的标准配置。双面铜焊盘是一个精密加工的铜焊盘(DP)或焊点(DD),这取决于可焊接区域的大小。所有不带引线或焊接点的K合金应变计,都在名称中明确标注了DP或DD(位于可选项,或附加说明)。对于特殊形式的铜处理,联系我们的客户服务部门可以得到具体的建议。开放式的K合金应变计同样可以定制焊接点。

自我温度补偿

康铜和改性卡马应变计合金共同拥有一种特性,它们能够通过特殊的工艺处理实现自我温度补偿。自我温度补偿应变计被设计成能够产生最低的热输出(温度变化引起显示应变变化),温度范围约–50° ~ +400°F [–45° ~ +200°C]。不论选择康铜(A合金)还是改性卡马(K合金)应变计,自我温度补偿(S-T-C)号码必须明确说明。S-T-C号码是以ppm/°F为单位的热膨胀系数的近似值,以保证相应的应变计在测试材料上显示出最小的热输出值。
附图说明了A和K合金的典型的热输出特性。未补偿过的等弹性合金的热输出同样列在图中,以供对比。通常情况下,可根据测试材料的热膨胀系数,来选择最接近的A和K合金应变计的S-T-C号码。然而,在一定的特殊温度范围内,这些合金的热输出曲线可以按室温参考温度点为轴而旋转。这是由于在特定的方向上错误的匹配了S-T-C号码与膨胀系数。当选择的S-T-C号码小于膨胀系数,曲线可按逆时针方向旋转。相反的匹配将造成曲线顺时针旋转。显然,在S-T-C错配的情况下,A和K合金原有的热输出曲线将不再适用,一般情况下,作为温度的函数,热输出需要进行校准。

若需要了解更多应变计受温度影响的信息,请参阅Tech Note TN-504。



2.2 基底材料

传统的金属箔式应变计结构包括了一个光蚀刻的金属箔图案,安装于一个塑料基底或载体上。基底提供了若干重要功能:

. 提供了一种安装金属箔图案的手段
. 提供了一种易于粘结的表面,使应变计能与待测物粘合
. 为金属箔与测试对象间提供了绝缘层

Vishay Micro-Measurements提供了两种基本的应变计基底材料:聚酰亚胺,以及玻璃纤维增强环氧-酚醛。与应变感应合金一样,基底材料并不是一个独立可选的参数。特定的基底与合金的组合,加上特殊结构特点,被设计成为一个系统,并给予应变计系列命名。因此,当为某一特定的应用选择最佳应变计型号时,正确的过程并非任意选取合金与基底材料的组合,而是需要指定一个可用的应变计系列。Vishay Micro-Measurements应变计系列以及他们的特性将在下一章节2.3中详细描述。每个系列都有其自身的特点和推荐应用领域;后续的表格中给出了选择建议。这里单独讨论基底材料,如同前一章节里讨论合金材料一样,以帮助理解由合金与基底材料导致的各个系列的特点。

Vishay Micro-Measurements的聚酰亚胺E基底是一种特别柔韧的载体,可以轻易的弯曲以适应很小的半径。此外,金属箔与聚酰亚胺基底的高剥离强度,使得该基底应变计对安装过程中的机械损伤较不敏感。由于其易于处理,以及适用温度范围宽于–320° ~ +350°F [–195° ~ +175°C],聚酰亚胺是一种理想的基底材料,适合于一般用途的静态与动态应力分析。这种基底还能够进行大的延伸,并可以用来测量超过20%的塑料应变。聚酰亚胺基底是Vishay Micro-Measurements的EA-, CEA-, EP-, EK-, S2K-, N2A-, 以及ED-系列应变计的一个特色。

为了在较广泛的温度范围内获得出色的表现,玻璃纤维增强环氧-酚醛基底材料是最合适的选择。这种基底可以在温度范围–452° ~ +550°F [–269° ~ +290°C]内进行静态与动态应变测量。对于短时间应用,温度上限可以扩大到+750°F [+400°C]。但是,这种载体材料的最大延长量是有限的,大约1~2%,增强环氧-酚醛基底用在下列应变计系列:WA, WK, SA, SK, WD, 以及SD。

2.3 应变计系列

正如2.1和2.2节中提到的,应变感应合金和基底材料并不能完全独立选择和任意组合。相反的,选择必须出于现有的应变计系统,或者称为系列,每个系列通常包括特殊设计或结构特色,以及合金与基底材料的特殊组合。为了满足特定的测试需求而方便识别合适的应变计系列,下页的两张表格以简表形式,列出关于应变计系列的性能以及选择方法的信息。

第一张表给出了所有通用Vishay Micro-Measurements应变计系列的简单介绍——包括每个系列的合金与基底组合,以及主要结构特色。这张表定义了每个系列的工作温度范围,应变范围,以及与应变级别相关的循环耐久度。但是,必须注意,性能参数只是标称的,并主要适用于栅长0.125 in [3 mm]或更大的应变计。

第二张表根据具体测试的“概况”,或测试要求组合,给出了推荐的应变计系列,分类遵循以下原则:

. 应变测量类型(静态,动态,等)
. 应变计的工作温度
. 测试持续时间
. 精度要求
. 循环耐久度要求

这张表为大多数传统应用提供了初步选择应变计系列的基本手段。同时也包括推荐的粘合剂,因为粘合剂会成为应变计安装后的系统的一部分,并相应的影响到应变计的性能。此选择表,辅以第一张表的信息,用来配合我们的《精密应变计数据手册》,以完成最终的选型。实现这一过程的程序参见本资料的3.0节。

当一个测试遇到所需条件超出表中所列范围时,通常可以假设测试要求达到或超过了可选应变计的性能极限。在这样的条件下,应变计性能特点的相互作用变得非常复杂,从而无法在一个简单的表格中给出。遇到这种情况,用户请询问我们的应用工程部,以得到最佳的折衷方案。

正如表格中显示的,CEA系列通常是常规应变测量的首选,对性能及环境没有极端要求(并且不要求极小的尺寸,或特殊的栅格式样)。CEA系列是聚酰亚胺基底-覆盖,A合金应变计,带镀铜粗糙大焊盘,以方便直接在应变计上焊接引线(参见下图)。这种薄的柔韧的应变计可以弯曲成几乎任意半径。对于综合的操作性能,比如,方便,不易损伤等,CEA系列应变计是非常优秀的。




标准应变计系列选择表






2.4 栅格长度

应变计的栅格长度是栅格的应变敏感区域的长度,如图所示。末端弯曲和焊盘部分可被认为对应变不敏感,因为他们的截面积相对较大,并且电阻较低。为满足广泛的实验应力分析和传感器应用的需要,Vishay Micro-Measurements提供的栅格长度范围从0.008 in [0.2 mm] 到4 in [100 mm]。



在一组给定的条件下,栅长常常是一个非常重要的决定应变计性能的因素。例如,应变测量通常取在机器零件或结构的关键点上——也就是说,在应力最高的点上。通常高应力点意味着应力集中,应变的梯度非常陡峭,并且最大的应变集中在一个非常小的区域中。应变计趋于整合,或平均,栅格覆盖区域的应变。因为任意不均匀分布的应变的平均值总是小于极大值,所以当应变计明显大于应变极大区域时所显示的应变量值就会太小了。下图显示了一个典型的应力集中区域附近的应变分布,示意了使用相比峰值应变区域过长的应变计测量所产生的误差。



作为一个经验法则,在实践中,对于小孔,圆角,凹槽,或任何其它需要测量的集中应力的结构,应变计栅长应不大于他们的半径的0.1倍,或相应尺寸。对于尺寸明显小于0.5 in [13 mm]的集中应力的结构,这一经验法则会导致选取非常小的应变计。由于选用小应变计可能导致许多其它问题,因此往往需要折衷。

栅长小于0.125 in [3 mm]的应变计的性能会降低——特别是最大允许延长量,静态应变下的稳定性,循环应变下的耐久性。当其中任意一项的权重大于取平均应变导致的精度损失,就需要用更大的应变计。

当可以使用较大的应变计时,许多优点值得注意。不论是安装还是接线过程,几乎在每一个方面,大应变计(栅长最大0.5 in或13 mm)通常都比小应变计更容易操作。此外,大应变计改善了散热,因为同样的电阻大小,大应变计的单位栅格面积功率更小。当应变计安装在塑料或其他导热能力很差的材料上时,这点非常重要。不充分的散热将导致栅格、基底、粘合剂和测试件表面的温度升高,从而明显影响应变计的性能和精度(参见Tech Note TN-502, Optimizing Strain Gage Excitation Levels)。

另外还有一种大应变计的应用——通常用到非常大的应变计——非均匀材料的应变测量。以混凝土为例,混凝

土是集料(石,沙)和水泥的混合物。当测量混凝土结构的应变时,通常希望使用足够长的应变计以跨越多个集料,从而测量有代表性的应变。换句话说,这种情况下往往寻求平均应变,而不是集料与水泥之间相互作用导致的局部剧烈应变波动。一般来说,当测量任意复合材料结构的应变时,栅长应当足够的大,以考虑到材料的不均匀性。

在常规应用中,不需要考虑上述规则,可选择栅长0.125至0.25 in [3至6 mm]的应变计。这个范围内有最多可供选择的式样和存货。此外,特大或特小的尺寸通常价格更高,并且特大应变计并不能显著提升疲劳寿命、稳定性或最大延伸量,而特小应变计通常在这些特性上表现不佳。

2.5 栅格式样

栅格式样包括,栅格的形状,多栅格应变计的栅格数量与方向,焊盘结构,以及特殊式样的多种标准结构特色。关于栅格和焊盘结构的详细信息,在我们的《应变计数据手册》中“栅格式样”一栏有说明。列表中多种多样的式样可以充分满足常规应变计安装和应变测试的要求。

对于单栅应变计,一个式样是否适合某个特殊应用,主要取决于以下几点:

焊盘——显然,它们的大小和方向应当与可安装位置的空间相一致。同样重要的是,焊盘的安排不能严重影响到操作者正确接线的熟练程度。
栅格宽度——当很大的应力梯度与应变计测量轴垂直,一个窄的应变计将减少误差。在安装位置允许并适合的情况下,更宽的应变计有助于改善散热并提高稳定性——特别是应变计将被安装在导热能力不强的材料或测试件的情况下。
电阻值——某些情况下,同一系列两种式样应变计的唯一区别,在于栅格电阻——标准的是120欧姆与350欧姆。当选择存在时,更高的电阻会被选用,因为它能减少热量输出(加载同样的电压)。高电阻的另一个优势在于减少导线的影响,诸如由于导线电阻导致的电路不敏感,以及由温度波动引起的导线电阻变化导致的信号不稳。同样的,当应变计环路包含开关、滑环或其他电阻随机变化源时,在同样的工作电压下,高电阻能够提高信噪比。

在实验应力分析中,单栅应变计通常仅用于测试点应力状态已知为单轴,而且主轴方向的精度误差合理(±5°)的情况。

这些规则严重限制了单栅应变计在应力分析中的应用意义。使用单栅片无法考虑到双轴应力状态,将导致推算出的应力大小存在巨大误差。



对于一个双轴应力状态——通常应变测量必需的情形——双栅或三栅的应变花被用来确定主应力。若已知应力主轴方向,可以使用一个双栅90度(或T型)应变花,将栅格的轴与主轴对齐来测量。主轴方向有时可以从诸多因素中足够准确的找到。例如,从测试物体的外形和加载的类型,可能从对称的情形明显辨别出主轴方向,比如圆柱形压力容器。主轴也可以用光应力检测方法找到。

表面应力最普通的情况是,从其他因素无法推断主轴方向,此时必须用三栅应变花来获得主应力大小。应变花可以按任意方向安装,但通常将它的一个栅格沿着测试物体的某一明显的方向安装。三栅应变花有两种可供选择,45度矩形,和60度三角结构。通常的选择是矩形应变花,因为这种结构在数据处理上相对简单。



当使用应变花时,必须认真考虑单层应变花和层叠应变花之间的性能差异。对于任意给定栅长,单层应变花总是在许多方面优于层叠应变花,包括与测试件之间的热传导,通常为静态测量提供更好的稳定性和精度。此外,当测试表面存在一个明显的垂直应变梯度时(比如弯曲),单层应变花将提供更精确的应变数据,因为它所有的栅格几乎在同一个测试平面上。还有一点,比起单层应变花,层叠应变花通常在贴合测试表面轮廓上更困难。



另一方面,经常发生这样的情况,当测试平面存在很大的应变梯度时,单层应变花会因为各个栅格的数据采自不同的点而产生误差。对于这样的应用,层叠应变花通常更适合。而且当安装应变花的空间有限时,层叠应变花也有优势。



2.6 可选择项


Vishay Micro-Measurements为应变计和特殊传感器提供了可选组合。在基本应变计结构之上额外附加的选项通常会增加成本,但获得的好处足以弥补支出。例如:

. 显著减少了安装时间和成本
. 降低了必需的技术要求而获得可靠的安装
. 增强了应用的可靠性
. 简化了不同位置或在野外的安装
. 增强了保护性,既在安装操作中,也在测试环境中
. 达到特殊性能特点

可选择项会根据不同系列和不同式样而不同。标准的可选项请参考我们的《应变计数据手册》。

下表是提供的可选项概要。





可选项 L 和 LE 引线的方向

以下图表显示了可选项L和LE应变计与式样相关的引线标准方向。一般规则是引线的方向与式样最长的尺寸方向平行。这些图表同样可应用于WA-, WK- 和 WD-系列应变计的引线方向,若这些系列中有以下式样的话。







2.7 EA系列应变计标准可选项的特性

如同应变计选择的其他方面,可选项的选择通常也涉及各种选择。例如,一个可以最大化类似疲劳寿命这样的性能参数的选项,可能同时会对安装过程提出更高的技术要求。由于安装难度和性能参数之间有许多涉及选项的相互作用,下面的表格归纳了关于各标准选项的相对优点以帮助选择。作为对比,CEA系列的相应性能列在表格的最右面。

在为应力分析所做的应变测量中,标准可选项最常应用于EA系列应变计,因此这一节所提供的信息主要是针对这类选项应用的。

当试图应用带可选项的EA系列应变计时,首先应当考虑的常常是,是否有同等功能的CEA系列应变计能满足测

试需求。例如,比较一个带选项W的EA系列片和一个类似式样的CEA系列片,你会发现后者不仅更廉价,而且更为柔软易贴合,并具备更好的疲劳寿命。可选项W的唯一可能优点在于,具有更多的式样可供选择,以及偶尔需要大的焊接端子。

同样需要注意到的是,许多标准应变计类型(不带可选项的),通常备有库存;而带可选项的往往通过订单生产,并且可能会涉及最小订购量的要求。

下表中,开放式不带可选项的EA系列应变计的各性能参数姑且指定为5。数字大于5,代表某选项改善了某性能参数,反过来数字小于5则代表降低了性能。


3.0 选择程序

在任意一个应用中,应变计的性能都受到设计和制造中的每个要素影响。Vishay Micro-Measurements提供多种多样的应变计型号以满足最广泛的应变测试需要。除去大量的参数需要考虑,应变计选择过程可被简化为一些基本的步骤。下表解释了应变计命名编码,显然,除了可选项,一共有五个参数需选择:应变计系列,S-T-C号码,



栅格长度和式样,以及电阻值。

在上述参数中,栅格长度和式样通常是首先和第二做出的选择,基于可供安装的空间大小,以及应力主轴方向和预期应变梯度。一个很好的出发点是,对于栅长的最初考虑是0.125 in [3 mm]。这一尺寸为剩余的参数,诸如式样、系列和电阻值,提供了最宽选择范围。这类应变计及其焊盘大小足以方便的操作和安装。同时,这样大小的栅长能够提供比得上更大尺寸的性能。

选择长应变计的主要原因通常是以下之一:(a)更大的栅格区域提供更好的散热;(b)在非均匀材料诸如纤维增强复合材料上测平均应变;或者(c)稍许简化操作和安装(栅长最大到0.50 in [13 mm])。另一方面,更小的栅长可能会需要用在测试对象是邻近应力集中区域的峰值应变,比如小孔或关节。而在可供安装的空间非常有限时,显然同样需要用到小栅长。

选择栅格式样,首先考虑的是需要单栅应变计还是应变花(见2.5节)。单栅格可以提供不同外形(长-宽)比率,以及各种焊盘安排,能够适用不同的安装需求。双栅90度应变花,当适用时,也能提供一系列不同栅格和焊盘结构。对于三栅应变花(矩形或三角形),当栅长已被决定之后,首先需要考虑的是选择单层的还是层叠的结构,如同2.5节里所述。

我们《应变计数据手册》的格式设计成可以简单的选择栅格长度和式样。类似式样不同栅长的应变计被归为大组,并按大小顺序排列。主清单(大图)中的应变计最广泛用于应力分析应用。当需要选择一款适合的应变计时,这一节应当总是首先被考虑。

当最初选择栅格尺寸和式样完成后,下一步是选择应变计系列,即决定金属箔和基底组合,以及其他与系列相关的特性。完成这一过程,可以通过先前图表所列的,对于特殊或一组测试需求给出的建议。如果应变计系列可以添加可选项,此时选项应当试验性的被指定,因为被选择的应变计式样所需选项,需要下一段落中简述的过程来确认。

选择好应变计系列(以及可选项,如果有的话),将再次参考我们的《精密应变计数据手册》,在推荐的系列中查找所需的应变计的尺寸和式样。如果这一组合并未列在我们的产品目录中,大小相同式样近似,或是式样等同大小略有差异的一类,可以选择来满足安装和测试的要求。在极端的情况下,可能需要选择替代的系列,并重复这一选择过程。经常发生的,特别是在常规应变测试中,不止一种栅格尺寸和式样的组合适合指定的测试条件。这类情况下,明智的做法是从主清单(大图)中选择应变计,以避免可能的延期交货或最小订单要求。

正如2.5节栅格式样中所讨论的那样,在仪器适用的情况下,选择350欧姆的电阻值通常具有很多优点。但是,这一选择可能会受到价格因素的影响,特别对于非常小的应变计来说。同时,高电阻的小应变计的疲劳寿命相对更底。最后,在完整的应变计命名中,应当根据本文中每种合金的可选S-T-C号码列表,选出相应的号码。

这样便完成了应变计选择程序。对于程序中的每一个步骤,4.0节提供的《应变计选择清单》可提供帮助,用来清算测试条件和影响选择的各种要求。

4.0 应变计选择清单

本清单提供了一种方便快速的手段,来帮助确定没有任何关键的要求被忽视而影响到选择结果。使用本清单所需要明确的是,所列的考虑项适用于常规的和传统的应力分析情况,并不包含特殊应用,包括核辐射,强磁场,极端离心力,等类似情况。





5.0 应变计选择案例

这一节里,给出了三个典型的应力分析中应变计选择程序的例子,试图解释做出特殊选择的主要原因。但是,需要注意的是,富有经验的应力分析专家通常并不遵循这些例子中所说明的按部就班的方式。相反的,专家会同时考虑测试条件和环境、安装条件、以及测试要求,然后回顾我们的《应变计数据手册》,并从合适大小的栅格式样和系列中,迅速筛选候选型号。于是,选择标准从特殊应变测试任务,集中到测试程序所需的应变计。不管形式上还是其他,知识渊博的专业人员确实是这样,根据参数选项来选择,比如前述清单中的项目。

A. 压力容器的设计研究

在一个压力容器的缩小比例塑料模型上进行应变测试。这个模型将进行室温,或接近室温的静态测试;并且,尽管整个测试将可能持续数月,但每个单独测试只会运行数小时。



应变计选择:

1. 栅格长度——应当避免非常短的栅长,以减小塑料的低导热能力导致的散热问题。模型很大,显然没有严重的应变梯度;因此,指定0.25 in [6.3 mm]的栅长,因为在这一尺寸下有最宽泛的式样供选择。

2. 栅格式样——在模型的某些区域,从对称的角度考虑,应力主轴的方向很明显,因而可以使用单栅片。在已选定的栅长下,可供选择的式样中,250BF是一个很好的折衷,因为它的高电阻值将有利于最小化散热问题。在模型的其他区域,主轴方向未知,因此需要三栅应变花。为此,应当选择一个“平面的”应变花,因为层叠应变花将明显的加固结构和导致散热问题。由于电阻值较高,250RD是个很好的选择。



3. 应变计系列——选择聚酰亚胺(E)基底,因为低弹性模量将使对塑料模型的加固最小化。通常用作静态应变测量的栅格合金材料是A合金,因此这个应用应当选择EA系列。

4. 可选项——接引线过程中测试模型的过热将会损坏材料。因此选择选项L(预接引线),从而使得仪器的电缆能够直接连上引线而完全不需要使用电烙铁。选项L优于选项LE和P,因为后二者的覆盖将会加固结构。

5. 电阻值——在这个案例中,电阻值由第二步决定,选择栅格式样导致选择较高的电阻;也就是,选择250BF而非250BG,以及250RD而非250RA。因此,选择的电阻值为350欧姆。

6. S-T-C号码——理想情况是,应变计应当能够与模型的材料相匹配而自我温度补偿,但这并不总是可行的,因为塑料——特别是增强塑料——热膨胀系数变化范围很广。对于未增强塑料,通常选择S-T-C30,40或50。如果模型材料和S-T-C材料必然存在错配,那么应当选择S-T-C13(因为库存状况),并且在恒温下完成测试。

应变计名称:

通过上述步骤,所选择的应变计是:
EA-30-250BF-350/Option L (单栅)
EA-30-250RD-350/Option L (应变花)

B. 动态应力分析研究
水泵正齿轮

应变测量是在水泵运行时测试齿轮的齿根部。齿根部的圆角半径为0.125 in(或约3mm),测试温度范围预期0° ~ +180°F [–20° ~ +80°C]。

应变计选择:

1. 栅格长度——考虑到圆角半径,这个应用中小的栅长应当被指定。栅长应当选取0.015 in [0.38 mm],但是我们的《应变计数据手册》指出,这样的选择将严格限制可用的栅格式样和合金材料。考虑到步骤2和3可能会遇到麻烦,这里选择栅长0.031 in [0.8 mm]。

2. 栅格式样——因为该齿轮是个正齿轮,主轴的方向已知,可以使用单栅片。应当选择两个焊盘在相同方向的式样,这样引线可以沿着根部圆周在相邻齿之间引出。根据这样的考虑,选择031CF。

3. 应变计系列——预计这一应用只涉及低应变级别;此外,应变信号必须通过滑环或遥感系统,从旋转的部件传输到固定的仪器上。等弹性合金(D合金)成为首选,因其灵敏系数高(标称3.2,对比A和K合金为2.1)。因为应变计必须非常柔韧以贴合小的圆角半径,E基底是最合适的选择。这个案例中不用考虑最高测试温度,因为任意一种标准基底都能在预期温度范围内正常工作。E基底和D合金的组合决定了选择ED系列。

4. 可选项——为了在测试环境中保护栅格,选项E,覆盖,应当被指定。由于一个齿轮的外径和咬合齿轮的根部之间的空间有限,应变计必须被安装得特别薄;并且要用特别小的引线,与栅格方向成90°连接焊盘,并且绕过齿轮的边界以连接更大的导线。这就必须要求应变计粘接后接上小引线,而不能使用预连接引线。

5. 电阻值——在ED系列的031CF,我们的《应变计数据手册》列出的电阻值为350欧姆。通常应当尽可能选择更高的电阻,不论是否存在,在这个例子中将有利于在使用滑环时提高信噪比。

6. S-T-C号码——D合金无法自我温度补偿,而这一测试也不需要补偿,应为只需要测量动态应变。ED系列命名规则中的两位S-T-C号码替换为字母DY,表示“动态”。

应变计名称:

综合以上选择程序,选用的应变计为:
ED-DY-031CF-350/Option E

C.试飞应力分析
飞行器翼尖钛部件——
附加,或不附加导弹模块

应变测试工作温度范围–65°~+450°F[–55°~+230°C],这将作为应变计选择的主要因素。

应变计选择:

1. 栅格长度——使用光应力涂料技术初步研究表明,栅格长度0.062 in [1.6 mm],能够在应变梯度,峰值应变区域,和应变计安装空间之间得到最佳折衷。

2. 栅格式样——从应力状态的信息,以及由光弹性涂料研究得到的应力主轴方向,可知翼尖的部分区域可用单栅片或双栅T应变花测量。在其他部位,主应变方向跟随飞行机动而改变,需要45度矩形应变花。应变梯度非常陡峭,因此应当选择层叠应变花。从我们的《应变计数据手册》中得知,先前的要求建议选择060WT和060WR层叠应变花,以及062AP单栅片。做出这样的选择,应当注意到所有这三种式样都可以在WK系列中可行,可满足指定工作温度范围

3. 应变计系列——最大工作温度以及静态动态应变测试的需求,明确指定需要K合金作为栅格材料。SK或WK都可选择,但WK为首选,因为他们带引线。

4. 可选项——为了简化安装,带焊接端子的可选项W最佳。但是,这一选项不适用于层叠应变花,并且只适用于单栅片。

5. 电阻值——可行的话,在这个案例中,应当指定350欧姆,因为高电阻能提供需多优点。

6. S-T-C号码——翼尖部件用到的钛合金型号为6Al-4V,热膨胀系数4.9×ppm/°F [8.8ppm/°C]。S-T-C号码为05的K合金是合适的选择。

应变计名称:

WK-05-062AP-350/Option W
WK-05-060WT-350
WK-05-060WR-350



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