土木工程測試學(xué)電阻應(yīng)變測量技術(shù)

§3-0概述基本原理利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，將應(yīng)變片貼在被測物體上，會隨被測物體的變形而拉長或收縮，從而改變電阻值，反映被測物體應(yīng)變的大小。待測非電量ε電阻變化△R應(yīng)變值ε①感受應(yīng)變：ε△R②測量△R：應(yīng)變儀將應(yīng)變片的△R→△U或△I，惠斯頓電橋放大器輸出應(yīng)變值11工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)以絲式應(yīng)變片為例§3-1電阻應(yīng)變片2§3-1電阻應(yīng)變片理論推導(dǎo)分析大應(yīng)變時(shí)dρ/ρ/ε，通常不是常數(shù)；但對于康銅等少數(shù)幾種電阻絲而言，dρ/ρ/ε基本為定值,因此它們可用于大應(yīng)變（≥8000~10000με）的量測，可以滿足一般工程中應(yīng)變測試的要求。半導(dǎo)體的dρ/ρ/ε通常>100實(shí)際情形電阻絲端頭橫向變形基底傳遞變形的影響電阻應(yīng)變片的實(shí)際靈敏度K≤KS。實(shí)際工作中一般采用標(biāo)定的方法確定應(yīng)變片的靈敏度。3§3-1電阻應(yīng)變片例題：等強(qiáng)度梁靜態(tài)應(yīng)變測試采用等強(qiáng)度鋼梁，鋼梁的μ=0.285，L=150mm,室溫、單向受力狀態(tài)，應(yīng)變片絲柵方向與最大主應(yīng)變方向一致，采用砝碼在梁一端施加作用力P=0.1KN，測得撓度為1.5mm，實(shí)測量得電阻由120Ω變?yōu)?20.12Ω，求得應(yīng)變片的實(shí)際靈敏度K。梁高h(yuǎn)=5mm梁長L=150mmP⑴△R/R:△R/R=（120.12-120）/120=0.001⑵ε:σ=Eε=Mh/2I (1)f=-ML2/3EI(2)(1)/(2):ε=-hf/L2=0.0005⑶K:K=△R/R/ε=24§3-1電阻應(yīng)變片2構(gòu)造（1）電阻絲：敏感材料，關(guān)鍵性部分。要求：電阻率大，應(yīng)變電阻系數(shù)大，溫度電阻系數(shù)小，壓延性好。材料：銅鎳、鎳鉻、鐵鉻鋁等高阻合金。（2）基底與覆蓋層：作用：定位，傳力，保護(hù)要求：絕緣，強(qiáng)度大，易粘貼，蠕變小，滯后小，防潮，熱穩(wěn)定，溫度應(yīng)變小。材料：紙基、膠基、紙浸膠基（3）引線與接線端子：Φ0.15-0.18的鍍錫（銥、銀）軟銅線。電阻絲引線

基底覆蓋層正視圖側(cè)視圖接線端子5§3-1電阻應(yīng)變片3分類(1)金屬類①金屬絲式應(yīng)變片。絲繞式、短接式Φ0.01-0.03mm，響應(yīng)時(shí)間為10-7s，散熱效果差，許用電流低。圓角線柵，橫向效應(yīng)大；直角線柵，制作復(fù)雜。6§3-1電阻應(yīng)變片3分類(1)金屬類②箔式應(yīng)變片3-10μm厚的康銅或其它合金膜，光刻印刷。照相腐蝕成形法，集成電路制造技術(shù)。目前主要使用的一種傳感器。橫向效應(yīng)小，散熱好于絲式。③薄膜式應(yīng)變片：800℃厚度≤0.1μm的金屬薄膜，真空電鍍制造，用于高溫等特殊條件7§3-1電阻應(yīng)變片3分類（2）半導(dǎo)體式應(yīng)變片（壓阻效應(yīng)）半導(dǎo)體材料，根據(jù)壓阻效應(yīng)制成。靈敏系數(shù)高，K>100，可直接用萬用表測出現(xiàn)于50年代中期應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間僅有10-11s熱穩(wěn)性能差；大應(yīng)變時(shí)，非線形較大，多用于測量500以下的小應(yīng)變。8§3-1電阻應(yīng)變片3分類（3）應(yīng)變花應(yīng)變花：在一個(gè)基底上有幾個(gè)按一定角度排列的敏感柵的應(yīng)變片。測量主應(yīng)力方向未知條件下平面應(yīng)力狀態(tài)。自補(bǔ)償應(yīng)變片：用于高低溫和溫差大的條件9§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（1）靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)：單向受力狀態(tài)下，敏感柵縱向中心線與應(yīng)力方向平行時(shí)，應(yīng)變片電阻值的相對變化與沿其縱向的應(yīng)變之比值電阻絲端頭橫向變形，電阻應(yīng)變片的實(shí)際靈敏度K≤K0。實(shí)際工作中一般采用標(biāo)定的方法確定應(yīng)變片的靈敏度。10§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（2）橫向效應(yīng)由于橫向應(yīng)變使得應(yīng)變片的總電阻變化量減小的現(xiàn)象，降低靈敏度，稱橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)用橫向效應(yīng)系數(shù)描述H。橫向應(yīng)變H通過實(shí)際測定，一般較小，只有高精度測量才考慮修正。在同一單向應(yīng)變中，垂直與單向應(yīng)變粘貼的應(yīng)變片與平行與單向應(yīng)變方向的同批應(yīng)變片的指示的應(yīng)變之比值（用百分?jǐn)?shù)表示）。問題：H不能通過計(jì)算得到嗎？11§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（2）橫向效應(yīng)的影響不考慮H考慮H：實(shí)測的靈敏度K設(shè)此時(shí)測點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變?yōu)棣舩、εy，實(shí)測應(yīng)變?yōu)棣拧痻、，由式2、3得。相對誤差為12§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性例：單向受力條件橫向效應(yīng)誤差估計(jì)單向應(yīng)力狀態(tài)下：εy=-μεx 設(shè)H=0.03平面受力條件橫向效應(yīng)誤差估計(jì)雙向受壓的混凝土梁，設(shè)：εx/εy=1，H=0.03，求橫向效應(yīng)。解：13§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（3）應(yīng)變片的規(guī)格——幾何參數(shù)應(yīng)變片的敏感柵工作面積：應(yīng)變片敏感柵長寬之積，S=L*b。L-柵長標(biāo)距b-柵寬注意：盡量選用L大、b小的應(yīng)變片。電阻絲引線正視圖接線端子bL14§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（4）應(yīng)變片電阻值應(yīng)變片電阻值：指應(yīng)變片在未安裝、不受外力、室溫條件下的電阻值。單片阻值：單個(gè)應(yīng)變片的標(biāo)定電阻值。標(biāo)準(zhǔn)名義阻值：人為規(guī)定的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，為一定值，如120Ω、240Ω。一般應(yīng)變儀是按120Ω應(yīng)變片要求設(shè)計(jì)的。平均名義阻值：一批應(yīng)變片抽樣標(biāo)定，電阻值取平均、求公差。如120±0.5%或120±0.6Ω。15§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（5）機(jī)械滯后機(jī)械滯后：恒溫時(shí)，在加、卸載過程中對同一機(jī)械應(yīng)變分別測得的指示應(yīng)變間的最大差值。產(chǎn)生原因:金屬絲、粘貼計(jì)、基底等的殘余變形，在測試時(shí)尚未完全釋放。消除方法：采用優(yōu)質(zhì)片，正確選擇粘合劑及粘貼工藝。如用于制造傳感器，標(biāo)定前應(yīng)作循環(huán)加載以消除滯后影響。16§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（6）零漂、蠕變零漂：不受力、溫度均不變時(shí)，應(yīng)變測量值依然產(chǎn)生變化。蠕變：受力、恒溫情況下，應(yīng)變測量值的變化。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片受潮后，絕緣電阻降低，或通電后產(chǎn)生的熱電勢造成的。17§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（7）應(yīng)變極限應(yīng)變極限：應(yīng)變片最大應(yīng)變測量值。一般確定：應(yīng)變片顯示的值與機(jī)械應(yīng)變的相對誤差達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（一般10%）時(shí)的機(jī)械應(yīng)變即為應(yīng)變極限。此時(shí)，認(rèn)為應(yīng)變片失去了工作能力。18§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（8）絕緣電阻敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。應(yīng)變片粘結(jié)層固化程度和是否受潮的標(biāo)志保證長時(shí)間的測量>50M歐,高精度測試>2M歐,一般19上次竹課的無復(fù)習(xí)1侍電阻叔應(yīng)變倡片的喬概念殿和基噸本原原理2總電阻可應(yīng)變谷片的嫌構(gòu)造3交電阻愛應(yīng)變底片的鐵分類4他電阻叼應(yīng)變效片的杰工作津參數(shù)靈敏泳系數(shù)橫向棵效應(yīng)幾何心參數(shù)電阻裂值機(jī)械肝滯后零漂磨蠕變應(yīng)變遠(yuǎn)極限絕緣才電阻20上次地課程委復(fù)習(xí)橫向聚效應(yīng)苗的影愿響不考蹤蝶慮H考慮頁H：實(shí)測罵的靈勵敏度滴K設(shè)此至?xí)r測蘿點(diǎn)的模真實(shí)高應(yīng)變偉為εx、εy，實(shí)鴉測應(yīng)鳥變?yōu)棣拧痻、，日由式向2、源3得晃。相對征誤差丟為21§3子-1電阻樂應(yīng)變單片4嘆應(yīng)狂變片檔的參敏數(shù)和蕩工作販特性（9魂）動選態(tài)測仆量時(shí)肢的特劈燕性疲勞麗壽命喝：應(yīng)沫變片奶承受序特定員的交溝變荷地載至走破壞添（脫宴片、陵斷柵保等）貓時(shí)的哀使用求次數(shù)蔥。頻率敵響應(yīng)持：應(yīng)竿變波雅由試娘件傳民遞到岸應(yīng)變德片所政需時(shí)某間為籌動態(tài)役頻率桂響應(yīng)槐時(shí)間稀，金糠屬絲損式τ法為1宏0-7s，衰半導(dǎo)昏體式池τ為館10-1逝1s，恢可以悄認(rèn)為嶺應(yīng)變悔片是還基本淺沒有杰慣性帽的。22§3吊-1電阻逆應(yīng)變復(fù)片4幻玉應(yīng)確變片捷的參魔數(shù)和針工作登特性（1世0）潛應(yīng)變衫片的感許用口電流控制絮應(yīng)變庫片的鏈工作騾溫度葡，以酬防燒訪毀，門其具漂體數(shù)碑值由弱廠家隙提供小。一般晚絲式位應(yīng)變扎片許病用電干流為2渾0~鄰25易mA明，測萄動態(tài)斤時(shí)可現(xiàn)達(dá)7趙5~粥10役0m所A箔式藝應(yīng)變魔片散謎熱性依能好仿，可書達(dá)2參00囑mA冶以上飾。23§3國-1電阻府應(yīng)變瓶片5適應(yīng)變缸片的集選用暖與應(yīng)高變片親粘結(jié)游工藝(1銅)薯應(yīng)變吉片選服用：工作國環(huán)境溫度詠保證固、地己下工倉程中娃防潮眠特性討好被測錫物的期材料飲性質(zhì)彈模夜高，谷基長村??；司粗晶俗粒巖俯石混杏凝土揉選用館基長置長按被單測試?yán)p件受滅力狀雙態(tài)和左應(yīng)變?nèi)栊再|(zhì)在：應(yīng)變倦花變化忍大選怒用基恐長小際，變茂化小劈燕選用緞基長更大按測大量精膚度：標(biāo)距扯、電火阻值轎、靈破敏度24§3核-1電阻廢應(yīng)變頓片5野應(yīng)變或片的坐選用饞與應(yīng)妄變片斥粘結(jié)漲工藝(2捏)應(yīng)耍變片還粘結(jié)鵲工藝汪：應(yīng)變扒片檢擱查外觀鏈檢查像、電夢阻值羅檢查表面馳處理刮刀污除銹匙、砂巡壽布打步磨、升脫脂垃棉擦筐洗、固吹風(fēng)亂機(jī)烘礦干貼片禁與固葡化畫線多、涂亡膠、飛用玻根璃紙揚(yáng)壓、高調(diào)整儀、補(bǔ)伸膠粘貼微質(zhì)量擾檢查外觀工檢查朵、電錘阻值醋檢查哥、絕僻緣電奇阻檢舌查、比連接崗電阻樓應(yīng)變露儀檢賭查連接頃導(dǎo)線導(dǎo)線短固定剃、導(dǎo)騾線焊遲接防潮腿處理凡士詠林、樓石蠟的等25§3敢-2測量膠電路定義實(shí)現(xiàn)賞二次視轉(zhuǎn)換尼；并葛構(gòu)成秩電阻補(bǔ)應(yīng)變主儀?；菟固璧请娕臉颍焊垡灾痹锪骰荽沟悄戨姌驉罏槔?，常蒙用交但流。實(shí)際尖，常畫設(shè)計(jì)門為等巖臂電浸橋：R1=R2=R3=R4=R恩，設(shè)逗R1為工述作片祖，受梨力變約，產(chǎn)飲生阻級值增好量Δ衰R述，當(dāng)見Δ變R<聰<立R時(shí)森，電謝壓輸循出為億：表明紀(jì)：等肚臂電你橋的員輸出材電壓勵與應(yīng)氣變在懲一定哥范圍碌內(nèi)為衛(wèi)線性修關(guān)系幼。UＡＲ１Ｒ２ＢＣＤＲ4Ｒ326§3廁-2測量嘉電路同理凍，四佳臂均叨為工蟲作片宅時(shí)：電橋桌加減烤特性顏：1、支對鄰根臂，桑同號防電阻捎變化腔，相姐減，夕異號鈴電阻固變化蠻，相里加；2、縫對對鎖臂，屢正好魂相反伍，同生號電醒阻變傘化，座相加咐，異涉號電小阻變鬧化，稿相減誰。電橋卻加減假特性廳非常嘆有用聰：1）妹提高咸電橋無靈敏火度；峽2）的溫度食補(bǔ)償舟；3察）復(fù)喬雜受回力試辨件上忽測試剪某外金力因嘉素引滾起的悉應(yīng)變支等?；菟诡D電橋

UＡＲ１Ｒ２ＢＣＤＲ4Ｒ327§3煮-3應(yīng)變臟（應(yīng)直力）悅測量1抱布片雕和接跨橋（1寺）今布片襲的一靈般性墻原則征：選擇季主應(yīng)址變大往、最騾能反均映力續(xù)學(xué)規(guī)持律的鈔點(diǎn)貼若片利用扔結(jié)構(gòu)篩對稱掠點(diǎn)，尖利用椒電橋系的加驗(yàn)減特惜性，曾合理擁選擇旺貼片萍位置筍，方妻位和效組橋影方式孕，提販高靈博敏度但，消愉除影脖響因?qū)幩乇荛_臥應(yīng)力患——俱應(yīng)變舊非線余形區(qū)筒貼片在已頁知應(yīng)襯力部哪位安骨排測陽點(diǎn)，坐檢驗(yàn)引結(jié)果蟲的可鐵靠性28§3蝴-3應(yīng)變墾（應(yīng)腎力）猴測量1晴布片刃和接恢橋（2祥）接鼠橋：碑半橋揉接法皆和全別橋接唯法。半橋混接法碰：兩信個(gè)應(yīng)恢變片寸作電駕橋的瓦相鄰盞臂，晴另兩攏臂用刑應(yīng)變畫儀電券橋盒亂中精皺密無相感電狗阻。全橋山接法伏：電煎橋四貍個(gè)臂殖均由巡壽應(yīng)變咸片構(gòu)蜘成。消除百導(dǎo)線欲電阻矩的影繡響，迫提高踩靈敏沿度29§3千-3應(yīng)變雖（應(yīng)慰力）郵測量2會溫度片補(bǔ)償應(yīng)變迅片的范溫度歉效應(yīng)因環(huán)耳境溫臨度變擋化引敗起的架虛假桶應(yīng)變援。①電庸阻絲是的電團(tuán)阻溫錫度變勸化。②應(yīng)跡變片娃與試咐件膨柱脹系振數(shù)的蛇不同棚造成均的誤咳差。方法蒸：溫斜度補(bǔ)胃償。溫度山自補(bǔ)悲償應(yīng)粘變片叢法，籍常用亦于中幻玉、高麻溫；橋路認(rèn)補(bǔ)償宋法，歇用于取常溫嗓下。橋路倆補(bǔ)償梅法：補(bǔ)償皇塊補(bǔ)貨償法工作策片補(bǔ)嚷償法30§3柄-3應(yīng)變積（應(yīng)校力）姜測量例：姨溫度殲補(bǔ)償康銅添絲α茶s=截20安×1音0-6/℃義，乖βs類=曲15枯×1鑒0-6/℃逢，碳傲素鋼程試件宿的β頁sh攝=1筋1×寶10-6/℃丟，試華件彈脅性模鹽量E濕=2公×1團(tuán)06公斤纏/厘私米2，K穩(wěn)=2湖.0閉，當(dāng)膠△T離=±折1℃春時(shí)，瓦求應(yīng)璃變片附的溫硬度應(yīng)漿變εt？溫度蠶升高米1℃者，膠△T屠=+禮1℃εt=香αs椅△李T犧/K贏+扯（攜βs距h-剝β偵s）斯△胃T=辣20鵝×1謎0-6×將1/伏2+與（省1象1×姜10-6-免15盛×1胖0-6）鑼×沸1=6流×菠10-6σ=疤1.溪2公至斤/即厘米2=1塞.2勺Mp輪a，筒造成綁被測駁物體邁受拉己假象儉。31§3返-3應(yīng)變善（應(yīng)件力）嗚測量2艘溫度壺補(bǔ)償（1爐）拉論彎—下工作氣片補(bǔ)覽償和叫補(bǔ)償輩塊補(bǔ)巖償當(dāng)單拍純補(bǔ)思償片悠所用惱的補(bǔ)羨償板裝和待井測材晝料不倍同時(shí)填，產(chǎn)設(shè)生的彼虛假推應(yīng)變減值εf為多宮大？32§3揚(yáng)-3應(yīng)變拒（應(yīng)警力）旨測量2窄溫度屢補(bǔ)償（2憲）拉盈彎—燭丁字趁片補(bǔ)每償33上次擇課的鼻復(fù)習(xí)1射測量最電路惠斯籌登電喚橋2桑布片愛與接朗橋接橋杠：半酷橋接盼法和雕全橋桐接法堡。3攜溫度櫻補(bǔ)償溫度調(diào)效應(yīng)音（溫搬度引哈起電常阻的何變化嶺、膨望脹系扛數(shù)的鮮不同蚊）溫度欣補(bǔ)償溫度盜自補(bǔ)開償應(yīng)衡變片航法橋路孤補(bǔ)償千法34§3撒-3應(yīng)變媽（應(yīng)敬力）腳測量3寄各種雄應(yīng)力飼狀態(tài)抗下的閥應(yīng)力奏應(yīng)變凡測量（1頭）單強(qiáng)向應(yīng)急力狀謙態(tài)下若的應(yīng)蒙力應(yīng)損變測氣量①半信橋四嘴片補(bǔ)船償塊退補(bǔ)償迷法測稻拉壓35§3慮-3應(yīng)變吵（應(yīng)闊力）毀測量3玩各種策應(yīng)力瘋狀態(tài)紗下的圖應(yīng)力白應(yīng)變累測量（1襖）單敲向應(yīng)渡力狀厘態(tài)下懶的應(yīng)鉤力應(yīng)呼變測途量②全伙橋四株片測鍬拉壓問題腰：袖1插、上度述四言片應(yīng)鋒變片反在接雁橋時(shí)糧，可忍以隨滅意互幅換嗎養(yǎng)？2、遙可以襪采用降半橋完接法身嗎？36§3屬-3應(yīng)變蹦（應(yīng)壞力）派測量3晝各種眨應(yīng)力譯狀態(tài)辜下的珠應(yīng)力戶應(yīng)變?yōu)y量（1承）單街向應(yīng)狀力狀奶態(tài)下弄的應(yīng)士力應(yīng)火變測孩量③全刷橋四漏片補(bǔ)它償片療測拉屋壓R3R2R437§3攔-3應(yīng)變愧（應(yīng)嫌力）葡測量3梁各種笨應(yīng)力福狀態(tài)竹下的貧應(yīng)力販應(yīng)變銳測量（2嚷）主濕應(yīng)力疫方向齊已知號的平蜜面應(yīng)胃力測袖量σ2ε1ε2ε3ε438§3掙-3應(yīng)變江（應(yīng)臉力）遭測量3宋各種損應(yīng)力偵狀態(tài)檢下的校應(yīng)力收應(yīng)變墊測量（3福）主虛