土木工程材料原理與方法3-電測法

2023/2/11土木工程材料原理與方法(設(shè)計)東南大學(xué)材料學(xué)院龐超明Email:pangchao@辦公電話：52090638手機容回顧試驗條件的影響試驗機變形儀（簡介）電測法簡介電阻應(yīng)變片2023/2/1試驗條件的影響溫度：部分材料影響不大，常溫15～25℃時，但對感溫材料，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。濕度：材料內(nèi)部和外部的濕度；濕度對不同材料的影響不同；試件尺寸：一般小試件強度比大試件強度高，相同受壓面，高度大的比高度小的測試強度低。受荷面平整度：如受荷面平整度不夠，會引起應(yīng)力集中而降低強度，成型面一般不作受壓面加荷速度：一般加荷速度快，強度高，反之則低，因為當(dāng)加荷快時，應(yīng)變來不及發(fā)展即已破壞。2023/2/1材料試驗機三個系統(tǒng)：加荷載系統(tǒng)、測力系統(tǒng)與試件裝置系統(tǒng)的構(gòu)造原理。加荷系統(tǒng)的兩種形式：油壓式和機械傳動式測力系統(tǒng)：常見為螺旋狀彈簧測力機構(gòu)、油壓擺錘式測力機構(gòu)、水平杠桿式、電腦自動采集系統(tǒng)試件裝置系統(tǒng)：上、下承壓板，一般帶球面座。二、試驗機的檢定精度等級有0.5,1,2,3四個。相應(yīng)示值誤差為±0.5%、±1%、±2%、±3%2023/2/1變形測量儀測量試件微小變形或位移所用儀器。根據(jù)變形放大原理，有齒輪、杠桿、彈簧等機械式變形測量儀，如千分表、引伸儀、應(yīng)變儀等。引伸儀有杠桿式、鏡式等引伸儀，應(yīng)變儀有手持式，電阻式應(yīng)變儀等。簡單介紹了百分表、手持式應(yīng)變儀和杠桿式引伸儀2023/2/1電測法簡介電阻應(yīng)變測試：憑借粘貼在試件上的應(yīng)變片將力學(xué)量等轉(zhuǎn)化成電阻，并利用專門儀器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、電流或功率輸出，獲得構(gòu)件的表面應(yīng)變，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實驗應(yīng)力分析方法。優(yōu)點：

測量靈敏度和精度高；測量范圍廣；頻率響應(yīng)好；應(yīng)變片尺寸小，不會影響構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)；易實現(xiàn)數(shù)字化、自動化及無線電遙控。缺點：只能測量構(gòu)件表面的應(yīng)變，不能進(jìn)行全范圍的測量。只能測定構(gòu)件表面一個點、沿某一個方向、電阻應(yīng)變柵長范圍內(nèi)的應(yīng)變；2023/2/1儀器組成2023/2/1電阻應(yīng)變片

變形測量儀

是電阻式的傳感器，它通過本身電阻的變化來反映所需要測量的應(yīng)變

對變形起轉(zhuǎn)換放大作用，將應(yīng)變片阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化，通過電子放大器將信號放大，并指示出變形的大小。

通過電阻應(yīng)變儀中的電橋來完成

利用電阻的應(yīng)變效應(yīng)原理主要規(guī)格與幾何尺寸，電阻和靈敏系數(shù)有關(guān)。主要特性為具有機械滯后和溫度效應(yīng)電阻應(yīng)變片原理：導(dǎo)體具有應(yīng)變效應(yīng)，其阻值隨其機械變形而變化。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)種類與構(gòu)造電阻絲柵、引出線和絕緣材料主要規(guī)格與特性：幾何尺寸與標(biāo)距；電阻；靈敏系數(shù)大K；機械滯后；溫度效應(yīng)2023/2/1溫度效應(yīng)——遺留問題由于環(huán)境溫度變化引起電阻相對變化。實際需要:由于機械壓力引起的試體變形。T變化△t℃,兩方面溫度效應(yīng)：①電阻絲的阻值變化α絲電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)②敏感柵和被測試體材料的膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的附加應(yīng)變。

ε附=β試Δt－β絲Δt2023/2/1由于附加應(yīng)變而引起的電阻相對變化為,∴由于溫度變化而引起的總電阻的相對變化為反推應(yīng)變：可能相當(dāng)大，在測量時應(yīng)作溫度補償。

2023/2/1例Δt＝1℃，K=2.2，α絲＝120×10-6，β絲＝14×10-6，β砼＝10×10-6，則εt＝εt1＋εt2＝120×10-6/2.2＋（10-14）×10-6＝50.5×10-6ε對混凝土而言，彈性模量最小為3.5×104MPa，則σ＝Eε＝3.5×104×50.5×10-6＝1.77MPa。2023/2/1主要內(nèi)容電測法電阻應(yīng)變儀簡介測量橋路：全橋和半橋溫度補償測量電橋的應(yīng)用2023/2/1電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀：將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)化為變形。主要作用：把應(yīng)變片電阻的變化顯示出來，配合應(yīng)變片組成電橋?qū)ε浜想姌驅(qū)π盘栕鞣糯筇幚?。電阻?yīng)變儀的種類：靜態(tài)：可進(jìn)行多點靜態(tài)應(yīng)變測量。靜動態(tài)：測量靜態(tài)或f<200Hz單點動態(tài)應(yīng)變測量。動態(tài)：f在5000Hz以下的動態(tài)應(yīng)變，可同時測量數(shù)個動態(tài)應(yīng)變信號。超動態(tài)：用于測量工作頻率達(dá)幾千赫的動態(tài)應(yīng)變，多在爆炸、高速沖擊等瞬時應(yīng)變測量中應(yīng)用。2023/2/1靜態(tài)應(yīng)變儀2023/2/1靜態(tài)應(yīng)變儀指示電表振蕩器交流放大器相敏檢波器電橋測量試件變形時應(yīng)變片產(chǎn)生的阻值變化，并以電壓信號輸出輸出一個和測量電橋的輸出電壓信號大小相等、相位相反的電壓信號。為電橋和相敏檢波器提供參考電壓將微小應(yīng)變信號放大分辨應(yīng)變大小和正負(fù)。指示值。濾波器動態(tài)測量中濾掉高頻成分，波形平滑。相敏檢波器作用：分辨應(yīng)變大小和正負(fù)分相敏和檢波兩部分。相敏反映信號電壓的極性，分辨出拉、壓應(yīng)變；檢波就是將調(diào)幅波還原為放大了的信號電壓；2023/2/1測量橋路—直流惠司登電橋電阻R1、R2、R3和R4組成閉合回路ABCD，AC間供給電壓U，BD為電壓輸出端。對ABC回路對ABC回路∴當(dāng)R1R4=R2R3UBD＝0電橋平衡。2023/2/1ACDBUR1R3R4R2UBD半橋接線R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，且R3＝R4＝R，其中R1為受力片，R2為溫度補償片，當(dāng)試件受力變形時，R1變化ΔR1，則當(dāng)電阻R1=R2=R3=R4=R時，由于ΔR1＜＜4R，所以分母中可忽略ΔR1，則又，所以2023/2/1全橋接線R1、R2、R3、R4均為應(yīng)變片，試件受力時，R1、R2、R3、R4阻值分別變化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時，分母中忽略ΔR的乘積

ΔR1＋ΔR2＜＜2R，ΔR3＋ΔR4＜＜2R，分母略去ΔR及其乘積，得∴2023/2/1結(jié)論應(yīng)變片電阻的應(yīng)變化轉(zhuǎn)變成輸出電壓的變化而輸出，并根據(jù)應(yīng)變片阻值與應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)變成電壓與應(yīng)變關(guān)系直接讀出應(yīng)變量。直流放大器存在零點漂移問題，穩(wěn)定性難以保證，采用交流電橋：即供橋電壓為交流電。交流電橋中只有純電阻時類似直流電橋。2023/2/1三、電橋的溫度變化溫度補償：為消除由于溫度變化為而帶來的虛假應(yīng)變而采取的措施。兩種方法應(yīng)變片自補償，指在制造工藝上，使K、α絲、β絲、β試幾個系數(shù)還可搭配，使之在一定溫度范圍內(nèi)ΔRt＝0。主要用于高溫下測量。另一種是橋路補償法，主要是通過貼補償片和橋接方法來消除溫度的影響2023/2/1補償片補償法2023/2/1ACDBUR1R3R4R2UBD補償片補償法被測試件補償試件方法：測試時貼—應(yīng)變片作為補償片，該補償片與工作片的阻值相同，同一材料上，處于同一環(huán)境溫度下，不受力。受力片R1由受力引起變化ΔR1和溫度變化ΔRt

即為R1+ΔR1+ΔR1t而補償片R2變化為R2＋ΔR2t,

因為R1=R2，ΔR1t＝ΔR2t＝ΔRt工作片補償法2023/2/1方法：測量時找兩點要求：應(yīng)變符號相反，比例關(guān)系已知，環(huán)境溫度條件相同，在兩點各貼上應(yīng)變片，接在相鄰橋臂，實現(xiàn)溫度補償即在同一試件的同一處，貼縱橫兩個應(yīng)變片，同時受力。工作片補償法為縱橫貼，橫向/縱向應(yīng)變=μ，即ε2/ε1=-μ即在測完以后讀后除以1+μ，即為

直接測得應(yīng)變ε1

2023/2/1測量電橋的應(yīng)用測試材料的彈性模量和泊松比拉伸：兩側(cè)面粘貼工作片R1和R4，在補償試件上粘貼補償片R2和R3，全橋接線，若以εP，εM分別代表軸向拉伸和彎曲變形所引起的應(yīng)變，測得各應(yīng)變片的應(yīng)變分別為ε1，ε2,ε3,ε4,則ε1＝εP－εM＋εt；ε2＝ε3＝εt；ε4＝εP＋εM＋εt2023/2/1R1R4FF貼片示意圖應(yīng)變片方向拉伸試件兩側(cè)面，沿與試件軸線垂直的x方向粘貼工作片R1和R4，另外在補償試件上粘貼補償片R2和R3，全橋接線，則ε1＝－μ（εP－εM）＋εt；ε2＝ε3＝εtε4＝－μ（εP＋εM）＋εt所以應(yīng)變儀讀數(shù)則材料的拉伸泊松比2023/2/1砂漿或混凝土

抗壓彈性模量的測試測試軸心抗壓荷載P0，并評定調(diào)平三次以規(guī)定加荷速度均勻加壓至0.4PC（混凝土為1/3PC），使試體兩測變形相近。3.在0.3MPa(混凝土為0.5MPa)時讀應(yīng)變值ε0(ε01ε02)(取左右兩面平均值)，加荷至0.4P0，讀應(yīng)變εP(εP1εP2)

，再卸荷到0.5MPa,再f反復(fù)三到四次，直至最后，前后兩次ε0、εP相差不超過20με4.計算，取最后一次讀數(shù)ε0，εP（10-6ε）5.測定三個試體的彈模,最后取三次試驗的平均值.

2023/2/1變形測試方法使用百分表或者千分表如混凝土彈性模量的測試中使用蝶式引伸儀：所使用測量固定架的的標(biāo)距有100mm，150mm，測量精度一般為0.01mm或者0.001mm。使用電腦自動采集系統(tǒng)仍然需要依靠應(yīng)變片、光纖等2023/2/1數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)TDS-303用于與應(yīng)變片、直流電壓、熱電偶和鉑電阻溫度計等裝置配合，自動掃描的數(shù)據(jù)采集儀同時測量最多30個，如與外部掃描箱配合，測量點數(shù)甚至可增加至1000個2023/2/1系統(tǒng)模塊2023/2/1內(nèi)部掃描箱2023/2/12023/2/11應(yīng)變計2線法(1/4橋)用掃描箱中的固定電阻和工作應(yīng)變計作為橋臂共同組成橋路。如導(dǎo)線太細(xì)太長，電阻增大，初始不易平衡、電阻變化和溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變量大。B、C短接2023/2/11應(yīng)變計3線法(1/4橋)可補償2線法中導(dǎo)線的溫度影響（導(dǎo)線電阻進(jìn)入橋臂），但不能進(jìn)行應(yīng)變計的溫度補償2023/2/12應(yīng)變計法(1/2橋)2023/2/12應(yīng)變計公用補償法(1/2橋)2023/2/14應(yīng)變計法2023/2/1作業(yè)比較2應(yīng)變計法與4應(yīng)變計法由于導(dǎo)線電阻引起的靈敏度降低比例2023/2/1誤差理論真值：某一時刻、某一位置或某一狀態(tài)下被測物理量的真正大小。誤差限ε：在真實值與測量值之間，總是存在誤差，被測物體的真實值與測量的近似值之間的最大差值的絕對值。數(shù)學(xué)公式表示保留的小數(shù)位數(shù)越多，并不意味著數(shù)字就越精確，而決定于ε，ε越小，則數(shù)據(jù)越精確。例：最小刻度為1mm的直尺測量一長度為x*的物體，所以x*－x的誤差限為0.5mm，如果我們測得一物體的長度為x＝50mm，則該物體的真實值x*應(yīng)該在50±0.5mm范圍之內(nèi)。2023/2/1有效數(shù)字如果近似值x的誤差限是其某一位上的半個單位，即<0.5×10－n，且該位直到x的第一位非零數(shù)字一共有n位，則稱近似值x具有n位有效數(shù)字。x用科學(xué)計數(shù)法表示x＝±(a1*10-1+…an*10-n)*10m則如：π=3.141592654……的近似值取x＝3.14有三位有效數(shù)字，取x＝3.1416有5位有效數(shù)字，取x＝3.1415則為4為有效數(shù)字。2023/2/1數(shù)字修約對近似數(shù)，有效位數(shù)確定后，保留的有效數(shù)字最末一位數(shù)字應(yīng)按下面的修約規(guī)則：1.

若舍去部分的數(shù)值，大于保留部分的末位的半個單位，即0.5，則末位加1；2.若舍去部分的數(shù)值，小于保留部分的末位的半個單位，即0.5，則末位不變；3.若舍去部分的數(shù)值，等于保留部分的末位的半個單位，即0.5，則末位湊成偶數(shù)。即當(dāng)末位為偶數(shù)時則末位不變，為奇數(shù)時則末位加1。由于數(shù)字舍入引起的誤差成為舍入誤差，按上述規(guī)則進(jìn)行數(shù)字舍入，其舍入誤差皆不可能超過保留數(shù)字最末位的半個單位。必須指出，這種舍入規(guī)則，不是以往簡單的四舍五入，從而時舍入誤差成為隨機誤差。在大量運算時，其舍入誤差的均值趨于零。2023/2/1例修約規(guī)則的簡單概括：