1 熱應(yīng)力
物體的溫度發(fā)生變化時，它和不能自由伸縮的 其他物體之間或是物體內(nèi)部各部分之間相互約束所 產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力或溫度應(yīng)力[1]。
桿和套環(huán)的線膨脹系數(shù)分別為^。、^，彈性螺模 量為瓦、石，截面積為Ut，預(yù)緊力為Fa、Ft。，溫度內(nèi) 力為Fct、Fn，溫度變化量為At，常溫下螺桿和套環(huán)的 長度均為1。為簡單起見，假定僅在長度方向上產(chǎn)生 應(yīng)力和應(yīng)變。
常溫下螺桿和套環(huán)上的預(yù)緊力平衡，溫度變化 后，它們的軸力平衡：
Fc0 + Ft0 = 0， Fc0 + Fct = Ft0 + Ftt (1)
由式（1)可得溫度變化引起的螺桿和套環(huán)上的 內(nèi)力相等。
變形幾何方程和物理關(guān)系[2]為
A1c=A1t
A1c=A1ct + A1cF=acAtl +
Alt = Altt+AltF=acAtl +
式中：A4-螺桿的變形;
Alt—套環(huán)的變形；
Alct、Alcr ——螺桿由溫度變化和溫度內(nèi)力引起
的變形；
Altt、Altr ——套環(huán)由溫度變化和溫度內(nèi)力引起
的變形。
聯(lián)立式（1)和式（2)，可求得螺桿溫度應(yīng)力為
(3)
由式（3)可知，當螺桿和套環(huán)的線膨脹系數(shù)、彈 性模量、截面積變化不大時，螺桿溫度應(yīng)力與溫度變 化量為線性關(guān)系。
2兩種測量方法的工作原理 2.1金屬應(yīng)變式傳感器
電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變 效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時， 其電阻值隨著所受機械變形的變化而發(fā)生變化的 現(xiàn)象[3]。實驗采用箔式電阻應(yīng)變片進行測量，并以鋼 質(zhì)材料制作的補償塊對測量電路進行溫度補償。
2.2壓阻式壓力傳感器
壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技 術(shù)制成的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是 基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用力而變化的壓阻效 應(yīng)。其核心部分是一塊圓形硅膜片，在膜片上利用集 成電路的工藝方法擴散上4個阻值相同的半導(dǎo)體應(yīng) 變電阻。當硅膜片兩邊存在壓力差時，在硅膜片上產(chǎn)
生應(yīng)力，硅膜片上的4個等值電阻在應(yīng)力作用下，阻 值發(fā)生變化，一對變大，另一對變小，使電橋失去平 衡，輸出與被測壓力成比例的電壓[4]。
3測量結(jié)果分析 3.1預(yù)緊力測量結(jié)果分析
在常溫下測量螺桿的預(yù)緊力，比較兩種方法的 測量結(jié)果，使用金屬應(yīng)變式壓力傳感器測得的軸向 應(yīng)力均值為368.7MPa，使用壓阻式壓力傳感器測得 的軸向應(yīng)力均值為395.6MPa，大于應(yīng)變傳感器的測 量結(jié)果，相對誤差為6.8%。產(chǎn)生這種差異的原因是 電橋存在零位輸出以及兩種測試方法的誤差。由于 壓阻式壓力傳感器采用半導(dǎo)體材料的擴散技術(shù)， 被連接成惠斯通電橋的4個電阻的阻值不可能制作 得完全相等，擴散電阻的各個電阻溫度系數(shù)也不一 定相等?；谶@些原因，在組成橋路時容易產(chǎn)生零位 漂移和零位溫度漂移[^61。零位輸出電壓即在不加任 何輸入下電橋的輸出電壓時，若使用惠斯通電橋，電 源電壓為3 V，R1=R2=R：3=R，R4=0.99R，則輸出電壓為
Vnr = V-RR4-RR--(4)
Voc Vs (Ri+R2)(R3+R4) 1 ；
可求得零位輸出電壓為7.5mV。在壓力傳感器 的測試結(jié)果中，存在較大的零位輸出，因此測試結(jié)果 往往偏大。測量之前對每個金屬應(yīng)變片的阻值進行 檢驗，使用的各金屬應(yīng)變片阻值基本相同，所以零位 輸出很小，應(yīng)變式傳感器測得的螺桿預(yù)緊力更接近 于真實值。
3.2溫度應(yīng)力測試結(jié)果分析
將試件置于控溫試驗箱中，采用兩種測量方法 同時進行測量，測量結(jié)果如表1所示?？疾鞙囟葢?yīng)力 隨溫度的變化關(guān)系，如圖2所示。鐵的線膨脹系數(shù)為 12x10H，而鋁的線膨脹系數(shù)為23x10"VT，約為鐵 的2倍。在溫度升高時，套環(huán)的膨脹量大于螺桿，這 將引起螺桿產(chǎn)生額外的軸向拉力。溫度降低時，套環(huán) 的收縮同樣要比螺桿快，但是由于預(yù)緊力的作用， 二者仍然緊密連接在一起，因此螺桿上產(chǎn)生額外的 軸向壓力。由圖2可以看出，使用壓力傳感器和應(yīng)變 式傳感器測得的溫度應(yīng)力在隨溫度變化趨勢上是相 同的，但是應(yīng)變式傳感器測得的拉壓應(yīng)力值均大于 壓力傳感器的測量結(jié)果
