第三章_應(yīng)變測量技術(shù)

1、第三章 電測法電測法的應(yīng)用特別廣泛， 涉及到許多領(lǐng)域。 在實驗應(yīng)力分析、 斷裂力學(xué)、 靜、 動態(tài)試驗、 宇航工程中都有廣泛的用途。在橋梁結(jié)構(gòu)試驗中最常用的是電阻應(yīng)變測試技術(shù)。1938年，由 E.Similton 和 A.Ruge 等人首次制造出了絲繞式電阻應(yīng)變片，57年出現(xiàn)了半導(dǎo)體應(yīng)變片，至今各種規(guī)格的應(yīng)變片已有二萬多種。1856 年， W.Thomson 在鋪設(shè)海底電纜時發(fā)現(xiàn)了電纜隨海水深度不同而變化，通過近一 步對鐵絲和銅絲近行拉伸試驗，得到了三個結(jié)論：1銅絲和鐵絲的應(yīng)變與其電阻的變化成涵數(shù)關(guān)系； 2銅絲和鐵絲的應(yīng)變對其電阻的變化有不同的靈敏度； 3銅絲和鐵絲由于應(yīng)變而產(chǎn)生的電阻變化可用惠

2、斯通電橋測量。 這些結(jié)論是現(xiàn)代電測法的理論基礎(chǔ)， 他指出了應(yīng)變可以轉(zhuǎn)換成電阻的變化， 從而使用電 學(xué)方法測量應(yīng)變成為可能。電測法的優(yōu)點：1精度高， 1%；2分辨率高，可測出 10-6，即1卩£,對鋼只有0.2MPa的應(yīng)力；（分辨率：可檢測出 的被測量的最小值。靈敏度：輸出量的變化值與相應(yīng)被測量的變化值之比）。3. 測量范圍廣，可達(dá) 23%;4. 尺寸?。ㄗ钚〉?.2mm），可滿足應(yīng)力梯度較大的應(yīng)變測量；尺寸小另一個重要意 義在于當(dāng)前某些工程結(jié)構(gòu) （如船體、橋梁、飛機、桁架等 ）進行全面的應(yīng)力分析時，往往要測 量數(shù)十點甚至數(shù)百點的應(yīng)力， 電阻片很容易大量粘貼使用。 對于結(jié)構(gòu)十分緊湊以至

3、其他測量 儀表 （如杠桿引伸儀 ）根本無法安裝的情況下，電測法就能發(fā)揮很大的作用，可以用來測量局 部應(yīng)力。5. 質(zhì)量小，便于安裝，不會干繞構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)；這是一個突出的優(yōu)點。它使得電測 不僅可以作靜態(tài)應(yīng)力的測量， 而且可以在動態(tài)應(yīng)力分析方面發(fā)揮獨特作用。 對一系列重要的 動力學(xué)參數(shù) （如加速度、振幅、頻率等 ）能夠比較精確地進行實驗研究。6. 頻率響應(yīng)好，響應(yīng)時間約為10?s ;在高頻動應(yīng)變（沖擊力及爆炸壓力等）測量中具 有很好的動態(tài)響應(yīng)。7. 可以在高溫（8001000C）、低溫（-100-70C ）、高壓（上萬個大氣壓）、高速旋轉(zhuǎn) （幾千轉(zhuǎn)/ min幾萬轉(zhuǎn)/ min）、核幅射等特殊條件下成

4、功的使用；8. 輸出電信號， 易于實現(xiàn)測量數(shù)字化和自動化，即適合于現(xiàn)場測量，也可以進行遙測， 還可以制成各種傳感器，可以作力，液壓，位移，轉(zhuǎn)角，速度及加速度等參量的測量，是一 種使用方便、適用性強、比較完備的測試手段。缺點是：1 .只能測結(jié)構(gòu)物表面應(yīng)變；2. 現(xiàn)場測量受環(huán)境溫度和濕度影響大；3. 對應(yīng)力集中的測量不夠精確。主要缺點是：粘貼工作量大；粘貼好的應(yīng)變片較為脆弱，野外防潮、防損傷難度大；由 于每次使用前需平衡、 歸零， 無法長期觀測， 一般僅用于短期測試， 無法應(yīng)用于施工監(jiān)控中； 重復(fù)使用困難。第一節(jié) 電阻應(yīng)變片1.構(gòu)造（圖3.1 ）圈FH電阻應(yīng)變片的構(gòu)適I*感堆臨洱暮底;3-債建層洽

5、引岀線繞線式應(yīng)變片主要由敏感元件、基底、覆蓋層和引出線等幾部分組成。（1）敏感絲柵是應(yīng)變片的主要元件，一般由康酮、鎳鉻合金制成；對材料性能要求：電阻率高、靈敏系數(shù)大、線性范圍大、電阻溫度系數(shù)小、易于加工成 絲。Cu-NiPt5.0Fe4.0Ni3.02.0Ni-Cu-Mn1.00.51.01.5(%)Ni(20%)-Cu(80%)f Cu2.02.53.0o-/r.r（2）基底和覆蓋層一般有紙質(zhì)和膠質(zhì)；對材料性能要求：基底和覆蓋層起定位和保護應(yīng)變片幾何形狀的作用，也起到與被測試試件之間電絕緣作用，因此要求厚度小而機械強度高、 絕緣性能好、熱穩(wěn)定性能好、耐腐蝕、 抗潮濕、無滯后和儒變現(xiàn)象、稍透明

6、等。2.工作原理AL1J金屬應(yīng)變片的工作原理在于導(dǎo)體的“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指導(dǎo)體或半 導(dǎo)體在機械變形（伸長或縮短）時，其電阻隨其變形而發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。dR d- dL dA= r R t L Ad=2d = _2ldLA DL（dD/D:橫向應(yīng)變；DL/L:縱向應(yīng)變；卩：泊桑比）dR d- dL=+R r ldRRdLT二 KodLT此式表明，導(dǎo)體（如金屬絲）的電阻應(yīng)變效應(yīng)由兩方面原因造成，一是由（1 ± 2卩）表達(dá)的幾何尺寸的改變；一是電阻率也隨應(yīng)變發(fā)生變化。這就從機理上對電阻應(yīng)變效應(yīng)作了一定的說明。可惜，電阻率p到底依什么規(guī)律隨應(yīng)變變化，至今尚無圓滿的解釋。不

7、過，實踐表明，Ko值與合金的成分、含雜質(zhì)情況、加工成絲的工藝以及熱處理過程等有很大關(guān)系，故各種材料的靈敏系數(shù)均由實驗測定。3 靈敏系數(shù)的標(biāo)定用應(yīng)變片進行應(yīng)變測量時， 對應(yīng)變片中金屬絲需加一定的電壓，為了防止電流過大， 產(chǎn)生發(fā)熱及熔斷等現(xiàn)象，要求金屬絲有一定的長度，以獲得較大的初始電阻值； 但測量構(gòu)件應(yīng)變時，又要求盡可能縮短應(yīng)變片的長度，以接近一點的真實應(yīng)變；因此，在應(yīng)變片中的金屬絲一般做成圖3.1所示的柵狀（稱為敏感柵）。固定在構(gòu)件上的應(yīng)變片，其敏感柵的電阻變 化不僅與敏感柵軸線方向的構(gòu)件應(yīng)變有關(guān)，而且與敏感柵彎頭圓弧方向的構(gòu)件應(yīng)變有關(guān)，因此應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與上節(jié)由一段直的金屬絲在拉伸（或縮短

8、）狀態(tài)下所得靈敏系數(shù)不相同，他與被測構(gòu)件的應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)。為了有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)， 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)定義為；當(dāng)將應(yīng)變片安裝在處于單向應(yīng)力狀態(tài)的試件表面，使其軸線與應(yīng)力方向平行時，應(yīng)變片電阻值的相對變化與沿軸線的應(yīng)變之比值， 即AR/RK 二應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般由制造廠實驗測定，稱為應(yīng)變片的標(biāo)定。 靈敏系數(shù)的測定必需在符合上述定義的實驗裝置上進行，通常采用等彎矩梁與等強度梁兩種測定方法，這兩種測定方法的基本原理相同，圖3.2為一個等彎矩梁實驗裝置，將被測定正值的應(yīng)變片安裝在梁的 等彎矩區(qū)域內(nèi)，并使其軸線與梁的軸線方向重合，當(dāng)梁受載后，在等彎矩區(qū)域內(nèi)，梁的上下表面是一個單向等應(yīng)力場（但應(yīng)變是雙向的）?？?/p>

9、采用杠桿儀或撓度計以及理論計算方法確定梁的軸向應(yīng)變，同時設(shè)法測定在該載荷下，此應(yīng)變片的電阻值的相對變化，按照式3.8計算，即可求得應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。在圖3.2中，沿梁軸線方向安裝了一個三點撓度計，當(dāng)梁受載變形后，撓度計上千分表的讀數(shù)與梁的軸向應(yīng)變有如下關(guān)系：fh4. 電阻應(yīng)變片的分類有如下的應(yīng)變片的種類很多， 至今各種規(guī)格的應(yīng)變片已有二萬多種。根據(jù)不同的方法,分類。1）材料丿金屬半導(dǎo)體金屬絲式應(yīng)變片最常用的形式為絲繞式，又稱為圓角線柵式。它的制造設(shè)備和技術(shù)都較簡便，但橫向靈敏度較箔式應(yīng)變片為大（橫向靈敏度會給測量帶來一定的誤差）。絲式應(yīng)變片 常用的金屬材料是康酮、鎳鉻合金、鐵鎳鉻合金和鉑銥金等

10、。半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點是靈敏度高、 頻率響應(yīng)好、可以做成小型和超小型應(yīng)變片。 半導(dǎo)體 應(yīng)變片的出現(xiàn)為應(yīng)變電測技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了新的途徑。它的缺點是溫度系數(shù)大， 穩(wěn)定性不及金屬應(yīng)變片等。2）制做工藝丿絲繞式箔式圖5門金屬純武應(yīng)變片圖5也由皿簾式應(yīng)耋沖絲繞式：價格低，但耐濕性差；箔式應(yīng)變片是把康酮、鎳鉻等合金制成0.0030.001的箔材，經(jīng)一定熱處理后，涂刷一層樹脂（環(huán)氧、聚脂等），經(jīng)聚合處理后形成基底，然后 用由照相、光刻技術(shù)腐蝕成絲得到敏感柵，焊上引線，再涂一層保護層。它在性能上的優(yōu)點 是:a. 尺寸精確：隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，箔式片能保證尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，故靈敏系數(shù)分散性小，尤其突出的是能制成

11、柵長很?。ㄈ?.2mm）或敏感柵圖案特殊的應(yīng)變片，易做成任意形狀；b. 散熱性好，附著力大：箔式片柵絲截面為矩形，故柵絲周表面積大，因而散熱性好。 同時附著力增大，有利于變形傳遞，因而增加了測量的準(zhǔn)確性；c. 橫向效應(yīng)很小：箔式片敏感柵橫向部分的線條寬度比縱向部分的大得多，因而單位長度的電阻也小得多，使箔式片橫向效應(yīng)很??；逸散功率大，允許較大電流，d. 絕緣性好，蠕變和機械滯后小，耐濕性好，因為箔式片均為膠基；e. 生產(chǎn)率高，便于成批生產(chǎn)。缺點是：工藝復(fù)雜，成本高3）使用溫場：低溫應(yīng)變片（工作溫度低于常溫應(yīng)變片（工作溫度低于 中溫應(yīng)變片（工作溫度低于 高溫應(yīng)變片（工作溫度高于4）敏感柵形狀：單

12、軸應(yīng)變片-30 C)-3 60C)60 350 C)350 C)WJ5-I4應(yīng)童祀應(yīng)變花應(yīng)變花：在兩向應(yīng)力狀態(tài)時，需要測出一點的兩個或三個方向的應(yīng)變，才可求出此測點 的主應(yīng)力的大小和方向。 這就要使用粘貼在一個公共基底上，按一定方向布置的2-4個敏感柵組成的電阻應(yīng)變片。這種應(yīng)變片叫做電阻應(yīng)變花、應(yīng)變花或多軸應(yīng)變片。對于箔式應(yīng)變片組成的應(yīng)變花，因其橫向效應(yīng)系數(shù)極小，故不考慮修正問題。對于由 半圓頭絲繞式應(yīng)變片組成的應(yīng)變花，如果對測試結(jié)構(gòu)要求不很嚴(yán)格的話，也不必考慮修正。此外，按敏感柵的長度分， 有大標(biāo)距應(yīng)變片和小標(biāo)距應(yīng)變片。還有各種特殊用途的應(yīng)變片如防磁應(yīng)變片、防水應(yīng)變片、埋人式應(yīng)變片、層式應(yīng)變

13、片、可拆式應(yīng)變片、疲勞壽命片、 測壓片、無基底式應(yīng)變片、大應(yīng)變片、裂縫探測片、溫度自補償應(yīng)變片等。5. 應(yīng)變片的工作特性應(yīng)變片的性能好壞直接影響應(yīng)變測量的精確度，因此，應(yīng)對應(yīng)變片的性能（特稱為工作特性）提出種種要求。常溫應(yīng)變片的工作特性用以下八項標(biāo)準(zhǔn)：1）應(yīng)變片電阻指應(yīng)變片沒有安裝、也不受外力的情況下，于室溫下測定的電阻值。我國應(yīng)變片名義阻 值一般取120Q ,制造廠對應(yīng)變片應(yīng)逐個測量，并按阻值分裝成包，注明每包中應(yīng)變片的平 均阻值（平均名義電阻值）及單個阻值與平均名義電阻值的最大偏差值。A、B C三級平均名義電阻值偏差分別為 0.2%、0.4%、0.8%。2）靈敏系數(shù)應(yīng)變片安裝在單向應(yīng)辦狀態(tài)

14、的試件表面上， 且其軸線與應(yīng)力方向重合。在單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片電阻的相對變化與沿其軸向的應(yīng)變之比值稱為靈敏系數(shù)。它經(jīng)抽樣標(biāo)定，制造廠于包裝上注明其平均名義值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。它是使用應(yīng)變片時的重要數(shù)據(jù)。A、B C三級標(biāo)準(zhǔn)誤差一般分別為 1% 2% 3%3）機械滯后在溫度不變的情況下；對安裝有應(yīng)變片的試件加載和卸載，當(dāng)試件到達(dá)同一應(yīng)變水平時，來比較應(yīng)變片在相應(yīng)過程中的兩個指示應(yīng)變，它們的差值，取在各種應(yīng)變水平下的最大者， 作為這批應(yīng)變片的機械滯后量，A、B、C三級分別為5、10、20卩&。指示應(yīng)變，是指應(yīng)變片的電阻變化率除以其靈敏系數(shù)所得的商。指示應(yīng)變也可用經(jīng)過校準(zhǔn)的靜態(tài)應(yīng)變儀測得。機械滯后

15、現(xiàn)象總是存在， 但經(jīng)多次加卸載之后便趨于穩(wěn)定。因此，在使用應(yīng)變片正式測量前，最好預(yù)先加載幾次，以減小機械滯后的影響。4）蠕變在溫度不變的情況下， 使安裝有應(yīng)變片的試件表面產(chǎn)生某恒定的應(yīng)變，應(yīng)變片的指示應(yīng)變將隨時間稍有下降，此現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的蠕變，A B、C三級一般每小時分別為 5、10、25 卩 e o5）絕緣電阻指應(yīng)變片引出線與安裝應(yīng)變片的構(gòu)件之間的電阻值。使用應(yīng)變片時，這個電阻值往往作為安裝應(yīng)變片肘粘結(jié)層固化程度和是否受潮的標(biāo)志，室溫下A B、C三級分別大于1000、500、500MQ o6）應(yīng)變極限溫度不變，使試件應(yīng)變逐漸加大。當(dāng)應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件實際應(yīng)變的相對誤差達(dá)到某規(guī)定值（例如

16、10%）時，此時的試件應(yīng)變?yōu)樵搼?yīng)變片的應(yīng)變極限。在一批應(yīng)變片中，按一 定百分率抽樣測定應(yīng)變片的應(yīng)變極限值，取其中最低的應(yīng)變極限值，定為這批應(yīng)變片的應(yīng)變極，A B、C 三級分別為 10000、8000、6000 卩 e。7）橫向效應(yīng)系數(shù)對于同一個單向應(yīng)變值，應(yīng)變片在與此應(yīng)變方向垂直安裝時的指示應(yīng)變與沿此應(yīng)變方向 安裝時的指示應(yīng)變的比值（以百分?jǐn)?shù)表示）稱為橫向效應(yīng)系數(shù)，A、B、C三級一般分別為1% 2% 4%8）疲勞壽命已安裝的應(yīng)變片，在一定幅值的交變應(yīng)變作用下，不致發(fā)生機械的或電氣的損壞，而且其指示應(yīng)變和真實應(yīng)變的差值不超過某一規(guī)定數(shù)值的應(yīng)變循環(huán)次數(shù)，為該應(yīng)變片的疲勞壽 命。應(yīng)變片用于測靜應(yīng)變時

17、不要求此參數(shù)。A B、C三級循環(huán)次數(shù)一般分別為 107、106、105o以上所講，為衡量常溫應(yīng)變片性能優(yōu)劣的若干指標(biāo)。八項指標(biāo)中，除應(yīng)變片電阻外，其他各項均對已安裝的應(yīng)變片而言，因此。在使用中能否達(dá)到上述指標(biāo)，很大程度決定于安裝量的好壞。6. 電阻應(yīng)變片的安裝1）常用膠a. 氫基丙烯酸酯類（501、502）b 環(huán)氧樹脂類2）貼片流程a. 選片b. 清理構(gòu)件表面c. 畫線貼片d. 檢查、焊線e. 固定導(dǎo)線f. 應(yīng)變片保護第二節(jié)電阻應(yīng)變儀R6K ；：R=120X 2X 10- =0.00024 QR1. 直流電橋工作原理I 121 34R411輕R2-C1J)uRrR1 IER1R2U BD -

18、1 12R1 - 1 34Ri R3 - R? R4(Rl R2)(R3 R4)當(dāng) R1R3 -R2R4 =0時，電橋平衡。：UbdR 歸只2 M 只3H 只4cR.|cR2cR3cR4ER1R2(R(R1 R2)2( R1_収2). ER3 R4 R2) (R3 R4)2(厶R3(R3訊）R48#當(dāng)R = R2 = R3 = R4 = R 時BD4 R1二 R2：R3R4)R2R3f4KE#由上式有:1）電橋輸出電壓增量 厶Ubd與橋臂電阻變化率R R或應(yīng)變&成正比例。所以電阻應(yīng)變儀可以采用直接讀數(shù)法，例如直讀式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和動態(tài)電阻應(yīng)變儀中按輸出量的大小確定應(yīng)變都是基于這個原理。

19、2）各個橋臂電阻變化率或應(yīng)變£對電橋輸出電壓的影響是線性疊加的。但相鄰的橋臂符號相反，相對橋臂符號相同，這一特性非常重要，利用這一特性可以提高電橋輸出和解決 溫度補償問題。上面討論中假設(shè) & = R2二R3二R4二R，但實際上四個應(yīng)變片的電阻不可能完全相同。所以在未受變形之前，電橋也不可能恰好平衡。因此，需要調(diào)節(jié)電阻使電橋平衡。如圖 所示，在 A B C三點間接有電阻r及電位器 W調(diào)節(jié) W即可使電橋平衡，平衡條是：RabRad但因W的調(diào)節(jié)能力有限，四臂的電阻不能相差太大。其次還有功率橋、雙橋平衡測量電路和電位計電路等。2. 溫度效應(yīng)補償1 )溫度效應(yīng)：貼有應(yīng)變片的構(gòu)件總是處于

20、某一溫場中，因此當(dāng)溫度變化時，從兩方面使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。一是敏感柵電阻變化； 第二是外當(dāng)構(gòu)件材料的線膨脹系數(shù)與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，電阻絲會受到附加的拉伸或壓縮，從而引起電阻的變化，這稱為溫度效應(yīng)。當(dāng)電阻絲溫度改變 趙(C)，其電阻將會隨之而改變 ：R 。 R： = -Rt式中：1 電阻絲的電阻溫度系數(shù) (1 /C )； R應(yīng)變片的變原始電阻值 (Q)。當(dāng)構(gòu)件材料與應(yīng)變片電阻絲的線膨脹系數(shù)不相等，但二者又粘合在一起，這樣溫度改變t ( C)時，應(yīng)變片中產(chǎn)生了溫度應(yīng)變，引起一附加的電阻的變化R,。Ry 二 Kt R(： j - ： ) ：t式中：Kt 貼好的應(yīng)變絲對溫度應(yīng)力的靈敏

21、系數(shù)，Kt二K。；:j 試件材料的線膨脹系數(shù) (1 /C )；:電阻絲的線膨脹系數(shù) (1 /C )。因此，總的溫度效應(yīng)是二者之和：2 )補償方法一是自補償，二是橋路補償。自補償是使用一種特殊的應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，其電阻增量等于零或相互抵消而不產(chǎn)生視應(yīng)變。這種特殊應(yīng)變片稱溫度自補償應(yīng)變片，它主要用于機械類試驗中，在結(jié)構(gòu)試驗中國內(nèi)目前尚少采用。橋路補償如圖所示。在實際工作中，為保證補償效果，對補償片的設(shè)置應(yīng)考慮如下因素。1）補償片與工作片應(yīng)該是同批產(chǎn)品，具有相同電阻值、靈敏系數(shù)和幾何尺寸；2）貼補償片的試塊材料應(yīng)與試件的材料一致，并應(yīng)做到熱容量基本相等。如是混凝土材料，則需同樣配合比和在同樣條件

22、下養(yǎng)護；3）補償片的貼片、干燥、防潮等處理工藝必須與工作片完全一致；4）連接補償片的導(dǎo)線應(yīng)與連接工作片的導(dǎo)線同一規(guī)格、同一長度，并且相互平列靠近布置或捆扎成束；5）補償片與工作片的位置應(yīng)盡量接近，使二者處于同樣溫度場條件下，以防不均勻熱源的影響；6）補償片的數(shù)量多少，根據(jù)試驗材料特性、測點位置、試驗條件等決定。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)可用一個補償片同時補償10個工作片。對混凝土材料或木材可用一個補償片補償510個工作片。如果要求嚴(yán)格或者是某些測點所處條件特殊時，應(yīng)單獨補償，以盡量減少因 補償片連續(xù)工作而工作片間斷工作所造成的溫差影響。上述橋路補償?shù)闹饕獌?yōu)點是方法簡單、適用經(jīng)濟，在常溫下補償效果較好，

23、但在溫度變化梯度較大時，將會有一定誤差。3 .應(yīng)變片在構(gòu)件上的布置和在電橋中的接法1 ）單向拉伸（壓縮）1一1 Rjb)t)方案一 :1 二；P；T二 KEU(4，、KE:；1 ；2）P4當(dāng)K儀- K片時有：；p =；儀一般表達(dá)式為：K片'p儀K儀萬案一:KEKE,.U（；1-：2）（1）；P44當(dāng)K儀=K片時有： ；p = < （1：；'丄）2）純彎曲構(gòu)件0方案一:1 - ;M；T2 二；T；M心KE /_U( L14-；2）=KE4當(dāng)K儀二K片時有：；m-；儀萬案一:1 - ；M；T；2 - - ；M亠H （當(dāng)構(gòu)件有水平對稱軸時）KEKEU(打-；2 )=；M42當(dāng)K

24、儀=K片時有：術(shù)_ ；儀3 ）拉彎構(gòu)件11#RiM ；P ；T2 = _ ；M ；P ；TU 二KE（；1 _；2）=KE ；M八M ；P ；T#匚3 = 一 ；M * ip v z-TKElU（ ；1 - ；2 亠=344）彎扭組合構(gòu)件；4）KE2TCA如果要測扭矩產(chǎn)生的應(yīng)變十+-；2；3 - ；4) = KE ； nN ； M；3 二；N 一 ；MRi& KE “U（；i4如果要測彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)绾谓泳€?-；3；2 - ；4)= KE ；m儀=K片時有:5）平面應(yīng)力狀態(tài)一般用應(yīng)變花測量。情況一：當(dāng)主應(yīng)力方向已知時，沿主應(yīng)力方向貼應(yīng)變片（補償片不參與應(yīng)變），則有:-2二走（；2 &q

25、uot;J13式中：E 構(gòu)件材料彈性模量；.1構(gòu)件材料泊松比；1、；2 方向相互垂直的主應(yīng)變;方向相互垂直的主應(yīng)力。情況二：當(dāng)主應(yīng)力方向未知時，采用應(yīng)變花測量（補償片不參與應(yīng)變），則有:EE 22口）A 1B C珂呂）a/ b2 C2max序 號應(yīng)變花形式ABC0145° 直 角應(yīng)變花+ 名905 名902名45 -名0 -帝90丁 vJl=L /TJ 7a2220260°等邊三角形應(yīng)$0 + ®60 + 呂 1202 査一So ®2o名60 名120變花3303名0 -名90名60 名120傘形應(yīng)變花22三片45°應(yīng)變花用于主方向大致知道的情

26、況，而三片60°應(yīng)變花用于主方向完全不知的情況。4.電阻應(yīng)變儀1）組成框圖14M1"-*»- J"圖2-20靜態(tài)電阻應(yīng)變儀原理框圖2）技術(shù)指標(biāo)a. 測量點數(shù)b. 測量范圍土 30000卩&土 300000卩£ ;c. 電橋電壓一般2V,可調(diào)；d. 靈敏度系數(shù) 1.82.6可調(diào)，不能調(diào)整著全為2;e. 電阻平衡范圍土 0.6 Q ;f. 應(yīng)變片阻值 60 Q1000 Q ;g. 零飄 自動調(diào)整h. 測點速率：10-50點/si. 分辯率：1卩&j. 使用環(huán)境溫度-20 C40 C 江蘇省靖江市東華測試技術(shù)開發(fā)有限公司DH3816靜

27、態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)江蘇省靖江市東華測試技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。本套靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，是由計算機控制操作，能夠完成多測點（最多960個測點）的應(yīng)變應(yīng)力的測試和分析。I、主要特點a. 和筆記本電腦 USB、RS 232 口進行數(shù)據(jù)通訊，便于攜帶，適用于實驗室和工地現(xiàn) 場的測試；b. 全橋、半橋、（公用補償）連接方便；c. 采樣速度塊；d. 參數(shù)設(shè)置及修正、平衡、數(shù)據(jù)存儲均由計算機完成；e. 系統(tǒng)能配接橋式傳感器、熱點偶；f 對每個測點的多次采樣（測量）結(jié)果可由數(shù)據(jù)序列或圖形顯示，并可打印輸出或存 儲。n、主要技術(shù)指標(biāo)a. 測試點數(shù)：每臺計算機可連接16個數(shù)據(jù)采集箱，每個數(shù)據(jù)

28、采集箱可接60個測點；b. 采樣速度：12點/s；c. 應(yīng)變測量范圍：土 200000卩&d. 分辨率：1卩&e. 零飄：4卩& /4 h;f 自動平衡范圍：應(yīng)變計阻值的土1%。 日本產(chǎn)TDS 602靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀本儀器為日本東京測器 TML 公司生產(chǎn)、由歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司經(jīng)銷的靜態(tài) 數(shù)據(jù)采集儀。該儀器具有自動多通道測量應(yīng)變、應(yīng)變式傳感器、直流電壓、 熱電偶和熱電阻 的功能。 內(nèi)部可以最多測量 30 個通道， 如果接上自動轉(zhuǎn)換箱最多可以測量 1000 點。彩色觸 摸屏操作。通常測量速度是 0.06 秒/點，高速 ADC 方式時掃描速度為 0.02 秒/點。可以

29、通過 以太網(wǎng)方式與網(wǎng)絡(luò)通迅。儀器使用方便，是目前較為先進的儀器設(shè)備。I、主要特點a. 儀器由自帶計算機系統(tǒng)控制；b. 儀器自帶接線掃描箱；c. 測試數(shù)據(jù)可直接打?。籨. 測試數(shù)據(jù)可存于自備計算機硬盤中；e. 可由普通計算機鍵盤控制或觸摸屏控制，操作簡單、方便；f 外形小巧，攜帶方便；g.測試穩(wěn)定性好。n、主要配置及技術(shù)指標(biāo)：a. 彩色LCD觸摸屏；b. 高應(yīng)變分辨率0.1x10-6 ；c. 全部通道可以進行應(yīng)變分析及計算；d. 定時測量、比較、報警監(jiān)視功能；e. 標(biāo)準(zhǔn)配置1.2GB硬盤，3英寸軟驅(qū)；f. 標(biāo)準(zhǔn)配置 GP-IB和RS-232C接口；g. 最多可同量監(jiān)視 30通道數(shù)據(jù)；h. 內(nèi)部半

30、導(dǎo)體繼電器轉(zhuǎn)換箱最多30點（標(biāo)準(zhǔn)為10點）；i. 標(biāo)準(zhǔn)配置光纖端口可以連接ISW-50C轉(zhuǎn)換箱。第三節(jié) 靜態(tài)應(yīng)變測量靜態(tài)應(yīng)變測量的一般步驟可分述如下：'1 .明確測量目的，選擇測點位置和確定布片方案。這是應(yīng)變測量的總體設(shè)計工作。 測量目的決定了測點位置的選擇。 如為獲得構(gòu)件上的應(yīng)力分布資料， 就需要在構(gòu)件表面沿某 一方向相繼貼若干應(yīng)變片， 在估計應(yīng)力變化比較劇烈的地方貼片應(yīng)適當(dāng)加密。 如為檢驗構(gòu)件 的強度儲備， 則只要選擇應(yīng)力可能為最大的幾個點進行測量。 如為研究構(gòu)件截面突變處的應(yīng) 力集中問題， 則測點要在局部地方密集連續(xù)布置。 如為研究某一構(gòu)件所受的載荷情況， 則要 沿構(gòu)件某一截面的

31、四周貼片。在測點位置疑慮不定時，可借鑒類似構(gòu)件的計算或?qū)嶒炠Y料， 或輔以其他實驗方法 （例如脆性涂尾法 ） 來決定。決定布片方案時， 要考慮測點的應(yīng)力狀態(tài)、 構(gòu)件的受載情況和溫度補償?shù)脑瓌t。 單向應(yīng) 力狀態(tài)測點只需貼一個工作片， 主方向已知的雙向應(yīng)力狀態(tài)測點宜貼兩個工作片， 而主方向 未知時，則需在一點貼三個工作片或采用應(yīng)變花。當(dāng)構(gòu)件受拉、彎、扭的不同載荷時，要根 據(jù)測試要求來決定應(yīng)變片的接橋方法， 以便在測量結(jié)果中消除不需要的載荷影響。 在溫度沿 構(gòu)件表面變化不大的測試中， 可以考慮將測點按位置分組， 同一組的工作片共用一個貼在附 近的溫度補償片。測點和布片方案決定后，應(yīng)制訂相應(yīng)的試驗方案文

32、件。2 .應(yīng)變片柵長選取要根據(jù)被測構(gòu)件的幾何尺寸， 材質(zhì)的粗細(xì) （ 例如混凝土或金屬 ）和應(yīng)力梯度的大小來選擇應(yīng)變片的柵長。根據(jù)用途和測試要求來選擇應(yīng)變片的種類和型式。應(yīng)變片是以其柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變來代替這一長度內(nèi)某點的應(yīng)變的，其誤差取決于， 柵長的大小和應(yīng)變沿構(gòu)件表面的變化率。現(xiàn)分析某柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變和其中一點（例如中點M）應(yīng)變之間的差別。如圖所示，設(shè)應(yīng)變片柵長直范圍內(nèi)應(yīng)變分布的規(guī)律可用一個多項 式表示；X 二 c0C|Xc2x2c3x3當(dāng)Ci、C2、C3等于零時，；x是均勻應(yīng)變；當(dāng)C2、C3等于零時，；x呈線性變化；類似推演；x可以是呈二次變化、三次變化等。當(dāng)用柵長L內(nèi)的平均應(yīng)變代替

33、中點 M的應(yīng)變時，顯然只有均，勻應(yīng)變和應(yīng)變呈線性變化的情況不會引入誤差。對于應(yīng)變呈二次變化 的情況，在L內(nèi)的平均應(yīng)變?yōu)長2(c0 c1 x c2 x ) dx0LL2Co CiC2 23而中點的應(yīng)變?yōu)長2L-M C0C1 C2 -4平均應(yīng)變與中點應(yīng)變之差為.: ； - ； - ；M =空 L212從上式可見，誤差的大小與柵長L和系數(shù)C2有關(guān)，柵長愈大或應(yīng)變變化愈劇烈時，誤差也愈大。對于按三次或三次以上規(guī)律分布的應(yīng)變，次數(shù)愈高誤差愈大。所以對于應(yīng)變分布變化比較劇烈的區(qū)域，如應(yīng)力集中區(qū)的測點， 應(yīng)選用柵長小的應(yīng)變片。 而對于均勻的或變化不太 劇烈的應(yīng)變場，如純彎曲、簡單拉壓構(gòu)件上的測點，可選用柵長

34、稍大的應(yīng)變片，它易于貼準(zhǔn) 方位，并且橫向效應(yīng)小。根據(jù)上述理由，同樣可得出大構(gòu)件應(yīng)選用大柵長應(yīng)變片，小構(gòu)件應(yīng)選用小柵長應(yīng)變片的結(jié)論。對于菲均質(zhì)材料的構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)材料的不均勻程度來選擇應(yīng)變片柵長。如混凝土構(gòu)件，由于石于和水泥的彈性摸量相差較大，變形極不均勻，故應(yīng)變片應(yīng)有足夠的柵長，以測出一定長度內(nèi)的平均應(yīng)變（在測點附近的一定范圍內(nèi)，還要用環(huán)氧樹脂之類的涂料填補混凝土的 空隙）。為使材料均勻性差而造成的誤差小于5%,應(yīng)變片柵長至少應(yīng)比骨料 （如石于）直徑大34倍。3.貼片、布線、防護和線路檢查（這是應(yīng)變測量的現(xiàn)場準(zhǔn)備工作）首先要對選定的應(yīng)變片檢查其電阻值，并按阻值分組使用（同一橋路中各應(yīng)攣片阻值相差

35、希望不超過土 0.2 Q ）。要對應(yīng)變片靈敏系數(shù)進行抽樣檢查，并檢測應(yīng)變儀的特性，做到 對這些工具的誤差范圍有確切的數(shù)據(jù)。其次，貼片的好壞在相當(dāng)大的程度上影響測量精度和正確性。要根據(jù)應(yīng)變片基底的要求選用合適的粘結(jié)劑，嚴(yán)格按規(guī)定的工藝操作和固化。要仔細(xì)觀察在基底下有無氣泡和粘貼方 位是否正確，對不合要求的應(yīng)變片必須鏟除重貼。第三，測量導(dǎo)線的布置，要考慮導(dǎo)線電阻、溫度變化和分布電容等可能造成的影響，力求做到同一橋路的應(yīng)變片取等長的導(dǎo)線并沿途固定在一起。要注意避開電磁場的干擾或采取屏蔽措施。第四，應(yīng)變片粘貼后，要根據(jù)需要進行機械防護和防潮處理。在測量導(dǎo)線和應(yīng)變片焊接后，要從測量導(dǎo)線接應(yīng)變儀的一端，檢

36、驗應(yīng)變片電阻和對金屬構(gòu)件的絕緣電阻，同時核對測量導(dǎo)線的編號與應(yīng)變片粘貼位置是否相符。4 應(yīng)變儀調(diào)試和預(yù)加載測量將全部測量導(dǎo)線與應(yīng)變儀接妥，對所有測點進行預(yù)調(diào)平衡， 失衡嚴(yán)重時可采取并聯(lián)固定電阻的應(yīng)急措施。搖動測量導(dǎo)線，看應(yīng)變儀讀數(shù)有無明顯的變化，以判斷測量導(dǎo)線及接線頭有無問題。在逐點預(yù)調(diào)平衡后， 可用手摸相應(yīng)的應(yīng)變片，以手指溫度使應(yīng)變片受熱，應(yīng)變儀指針就應(yīng)有反應(yīng)，以此進一步檢查編號與粘貼位置有無錯誤，并可觀察應(yīng)變片反應(yīng)的正負(fù)方向是否正確（摸工作片，有正應(yīng)變反應(yīng)）。在一切準(zhǔn)備工作確認(rèn)無誤后， 在可能情況下應(yīng)進行 預(yù)加載三次（最好超載5-10%），然后正式加載并記錄測量讀數(shù)。5 分析測量數(shù)據(jù)的規(guī)律

37、性和改進試驗。（這是對整個測試工作的檢查）在多次重復(fù)加載的情況下，測試數(shù)據(jù)應(yīng)有較好的重復(fù)性，數(shù)據(jù)隨載荷的變化有明顯的規(guī) 律性。在重復(fù)性和規(guī)律性有疑問時， 要檢查和改進試驗的各個環(huán)節(jié) （包括加載是否正確在內(nèi)）。 要確認(rèn)數(shù)據(jù)可靠后，測試才可結(jié)束。6 注意問題1）長導(dǎo)線和靈敏度系數(shù)修正被測構(gòu)件常常遠(yuǎn)離應(yīng)變儀而需要用長導(dǎo)線將應(yīng)變片與應(yīng)變儀相連接。這時，導(dǎo)線自身就具有一定的電阻值， 這電阻將與應(yīng)變片的電阻串聯(lián)接入橋臂，但它并不隨應(yīng)變而變化， 故橋臂阻值的相對變化率將減小，使應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變讀數(shù)變小，其影響相當(dāng)于減小了應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。設(shè)阻值為R的應(yīng)變片感受應(yīng)變后阻值變化為R，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為 K片，當(dāng)無導(dǎo)線電阻影響時，應(yīng)變儀測得真實應(yīng)變?yōu)?:RK儀 R2Rl1 ARz =K片R設(shè)導(dǎo)線電阻為R,應(yīng)變儀靈敏系數(shù)為 K儀來進行測量，則測得的應(yīng)變讀數(shù)將為K 儀 2RlK片（1 P -一般導(dǎo)線長度大于 10米以上要修正。用如圖所示的公共地線接橋法，可以減輕導(dǎo)線電阻對測量的影響。工作片和補償片各用一根長導(dǎo)線與電橋相接，兩片之間先連一短導(dǎo)線（不計其電阻），再用一公共地線與電橋相接，此時在每一橋臂中只有一根導(dǎo)線電阻的影響，而公共地線的電阻