電阻應變測試系統(tǒng)的發(fā)展和應用技術

PAGEPAGE24振動應變測試技術交流研討會電阻應變測試系統(tǒng)的發(fā)展和應用技術中國儀器儀表學會振動與應變測試專業(yè)主任委員同濟大學土木工程學院結構與防災研究所李炳生高級工程師（教授級）摘要：本文首先就電阻應變原理、傳感器的設計、電阻應變測試系統(tǒng)三個發(fā)展階段，然后介紹了電阻應變測試系統(tǒng)的應用技術和如何提高它的測試精度。關鍵詞：電阻應變測試系統(tǒng)、電阻應變電橋、虛擬零點、計量測試、無線傳輸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡設計、柔性測試。一、概述自從三十年代以來，人們利用某種金屬絲材當受力后，將會產(chǎn)生電阻應變效應，再通過應變電橋原理（即惠斯登電橋），把非電量的電阻量轉換成電量（電壓或電流），再通過專用的電量放大、顯示、測試或記錄分析，人們把這種應變測試方法統(tǒng)稱為“電阻應變測試法”。根據(jù)被測件受到應變頻率的變化速率，可分為靜態(tài)、準靜態(tài)、動態(tài)和超動態(tài)等應變的測試，利用電阻應變原理，可研制成可測試力、壓力（拉壓力）、位移、轉角、速度和加速度等等，不同量程和精度要求的傳感器，從而使電阻應變測試比電容（C）應變計法、電感（L）應變計法、振弦（f）應變計法和機械應變計法具有獨特的優(yōu)點，從而在我國的結構試驗和實驗應力分析中起著主導作用，它已經(jīng)在航空航天、兵器工業(yè)、土木建筑、橋梁隧道、鐵路交通等等的科研、教學和生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用！我國，在電阻應變測試系統(tǒng)的發(fā)展和應用中也經(jīng)歷過一個從無到有，從小到大，由模擬式到數(shù)字式，發(fā)展到由計算機及其豐富的軟件，操作功能齊全的應變測試系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了國產(chǎn)化、自動化（含數(shù)據(jù)采集和分析），多品種，高性能的電阻應變測試系統(tǒng)應用到各個領域之中，促進和確保了電阻應變測試系統(tǒng)向多功能、高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的柔性測試技術及無線網(wǎng)絡設計方向發(fā)展。本文首先從電阻應變原理，應變式傳感器的設計，再到電阻應變測試系統(tǒng)發(fā)展的三個階段，然后介紹了電阻應變測試系統(tǒng)的應用技術和如何提高它的測試精度，來與國內(nèi)從事電阻應變測試的同行共同討論和探討！二、電阻應變測試系統(tǒng)的主要組成及工作原理電阻應變測試是各項各業(yè)中進行結構試驗和實驗應力分析中最常用的方法之一，它憑借著經(jīng)過嚴密安裝在被測試件或不同彈性體上的電阻應變計，將非電量如應變、壓力、溫度、位移、轉角、扭矩、速度和加速度等參數(shù)轉換成電阻變化，并通過電阻應變電橋及數(shù)采測試系統(tǒng)和計算機及其控制軟件，使其變?yōu)殡妷骸㈦娏骰螂姽β实妮敵?，人們把它通稱為“電阻應變測試系統(tǒng)”，其組成的“電阻應變測試系統(tǒng)”，參見圖1所示各種非電量的各種非電量的物理量（試件）電阻應變電橋（轉換）靜動態(tài)數(shù)采系統(tǒng)（放大）計算機及其控制分析（記錄分析）圖1電阻應變測試系統(tǒng)組成框圖1、電阻應變測試的主要優(yōu)缺點1）、電阻應變測試的主要優(yōu)點⑴.在額定范圍內(nèi)應變線性好，測試精度高，應變分辨率高，如0.2～1。⑵.應變計柵可以做到小至0.2mm，可滿足應變（應力）集中測試，大至150mm甚至更長的基柵，可滿足含有粗骨料的試件測試，如鋼筋混凝土結構中的表面應變測試。⑶.利用光刻技術，可制造出各種應變花，從而可以測試在復雜受力下的應變（應力）下的應變大小、主應變方向、扭矩應變和剪應變（應力）等參數(shù)。⑷.電阻應變計尺寸小、自重輕，不會改變試件的受力狀態(tài)，尤其是在進行結構動態(tài)或超動態(tài)測試時效果更為明顯。⑸.應用范圍廣，它可在各種特殊環(huán)境條件下，如高溫+1000℃⑹.適用于室內(nèi)外模型和實物的靜、動態(tài)和沖擊爆炸應變測量，甚至可測頻寬范圍大，f=0～數(shù)兆HZ，且響應特性好。⑺.可利用電阻應變計研制成可測不同參數(shù)，應變（應力）、位移、力、壓力、溫度、速度和加速度等的電阻應變式傳感器，從而促使應變測試系統(tǒng)的進一步的擴大應用。2）、電阻應變測試的主要缺點⑴.一經(jīng)粘貼過的應變計，只能使用一次，不可重復使用。⑵.粘貼操作工藝復雜，要有專門的技能。⑶.不適合作長期觀察。2、電阻應變計的工作原理電阻應變計的工作原理是利用某種金屬絲導體的“應變電阻效應”，即這種金屬絲的電阻阻值隨著其機械變形而變化的物理特性（參見圖2所示）。這種金屬絲的電阻值與其長度和截面積的相關關系如下公式（1）所示：(1)式中：—金屬絲的電阻值（）；—金屬絲的電阻率（）；—金屬絲的長度（）；—金屬絲的截面面積（）。當金屬絲受力后，絲材會產(chǎn)生伸長或縮短變形時，它的長度、截面面積和電阻率將都會發(fā)生變化，其電阻變化規(guī)律可由對式（1）兩邊取對數(shù)然后再微分可得到（2）式（2）式中：—金屬絲長度的相對變化，即應變（）；—金屬絲截面面積的相對變化；——電阻率的相對變化，通常情況下，值非常小，可以忽略不計。根據(jù)絲材的變形特點，可得從而，（2）式可寫為（3）式（3）令（4）把（4）代入（3）得（5）式（5）式中：K為金屬絲的靈敏系數(shù)，（5）式表示單位應變產(chǎn)生的相對電阻變化與靈敏系數(shù)K和應變成正比關系。3、金屬粘貼式電阻應變計的定義、分類、命名、構造和指標最新的“報批稿”，參照對GB/T13992-1992《電阻應變計》名稱修訂為“金屬粘貼式電阻應變計”，并將應力分析用和傳感器用應變計的技術指標分別提出了技術要求，這是十分合適和必要的，本介紹也按照金屬粘貼式電阻應變計《報批稿》為依據(jù)。⑴金屬粘貼式電阻應變計的定義金屬粘貼式電阻應變計的定義為用金屬電阻體作為敏感柵，并用粘接劑，固定在試件上的電阻應變計，簡稱為應變計。⑵應變計分類應變計按敏感柵、敏感柵材料、基底材料和敏感柵的結構形式分類，也可按用途、應用條件或極限應變和工作溫度進行分類。⑶應變計型號命名應變計的型號由漢語拼音字母和數(shù)字組成，共有8項。參見圖（3）應變計型號示例圖（3）?？蓽囟茸匝a償應變計的材料線膨脹系數(shù)1*10可溫度自補償應變計的材料線膨脹系數(shù)1*10-6/℃。應變計極限工作溫度℃，常溫應變計此項省略應變計敏感柵的結構形狀，對存在柵中心的應變計，用（數(shù)字）表示柵間距應變計的柵長（mm）應變計的標稱電阻值()應變計的基底材料種類應變計敏感柵材料種類應變計類別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧ圖(3)電阻應變計型號示例圖4、電阻應變計的結構形狀和代號參照《報批稿》表1列出的應變計結構形狀代號中了解到應變計結構形狀和代號共有24種，它包含了單，雙，三，四軸，即不同組合的應變花，剪切和扭矩以及圓膜應變計，詳細可參見報批稿中表1所示，表1下列出了一個示例：BCH350-3AA（23）表示為：常溫，箔式，單軸，敏感柵材料為康銅，基底材料為環(huán)氧類，電阻值為350歐姆，柵長為3毫米，溫度自補償所適用試件材料線膨脹系數(shù)為23×10-6/℃的電阻應變計。5、電阻應變計的構造和主要品種及選用原則⑴電阻應變計的構造，一般是由基底與覆蓋層之間粘貼合金敏感柵和電阻柵的兩端焊接到引出導線所組成，圖（4）所示為典型箔式應變計結構示意圖。圖（5）為膠基箔式應變計和應變花（部分）。⑵主要品種（a）、箔式應變計箔式應變計的制造工藝先進，可制成大小不同，單向和多項應變花，同一批制造的應變計參數(shù)集中，阻值又可以進行人工調(diào)整達到阻值規(guī)一化，箔材的寬度較大，粘貼牢固散熱條件好，從而可以通過較大的電流，機械滯后和蠕變小，疲勞壽命長。（b）、紙基箔式應變計這種應變計結合了紙基和箔式應變計的優(yōu)點，它既具有紙基粘貼方便的特點，又具備了箔式應變計橫向效應小，絕緣程度高，價格低廉。（c）、半導體電阻應變計利用半導體材料的壓阻效應制造的電阻應變計，其K值很大約為100左右，但它可測線性量程小約為1000之內(nèi)，價格亦貴為此常用在制造高靈敏度的傳感器中，作為敏感元件用。⑶電阻應變計的選用原則：電阻應變計的品種規(guī)格很多，選用時必須滿足測試要求，使用方便和盡可能節(jié)省費用等原則，結合到試件所處環(huán)境和條件，例如溫度、濕度、測點部位的重要程度，應變大小、被測材料的均質(zhì)程度，動態(tài)還是靜態(tài)等做全面考慮。圖4典型箔式應變計示意圖圖5膠基箔式電阻應變計和應變花6、電阻應變計的主要技術指標用于應力分析的應變計的技術指標有如下13點應變計電阻阻值：一般有120、350等數(shù)種；靈敏系數(shù)K：一般康銅絲箔K值2.00-2.20之間；機械滯后：包含室溫下和極限工作溫度下；蠕變：包含室溫下和極限工作溫度下；橫向效應系數(shù)：縱橫應變效應系數(shù)之比一般；靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)：工作范圍內(nèi)的平均變化（℃）3；熱輸出：平均熱輸出系數(shù)℃；漂移：室溫下和極限工作溫度下；熱滯后：每個工作溫度下；絕緣電阻：室溫下和極限溫度下；應變極限：室溫下的應變極限；疲勞壽命：室溫下的疲勞壽命；應變計標距L：指應變計敏感絲柵的長度。用于應力分析的應變計單項技術指標分別為A、B、C三級，各等級技術指標應符合報批稿中表2的規(guī)定。本文不再介紹。7、電阻應變計的使用技術電阻應變計粘貼質(zhì)量的好壞，是決定電阻應變測試成敗的關鍵，應精心操作并嚴格遵照如下操作步驟。⑴應變計的類型選擇根據(jù)使用對象確認為，用于應力分析，還是用于傳感器的電阻應變計，如選用應力分析的應變計，可按照測試要求在《報批稿》的表2的1-13個指標中選擇。⑵粘結劑的選擇用于應力分析并測試周期較短的一般可選用502快速固化膠，使用它相對快速和易操作，免去了加熱加溫和加壓的操作過程，如在氣溫10℃和濕度太高的情況下，盡量暫停操作。⑶試件貼片表面的打磨對一般勻質(zhì)試件如鋼和鋁等金屬材料，可選用120-320目砂輪打磨，使貼片表面平整光潔度達5-6級，為使應變計與試件表面粘貼牢固，要使用320目細砂紙磨痕與應變計工作柵呈45O交叉形，對于鑄鐵或混凝土表面可用砂輪打磨，對砼表面則需涂上防潮表面（環(huán)氧樹脂或聚氯乙烯甲苯溶液膠），并待完全固化后。⑷貼片部位的清洗可用棉球或脫脂醫(yī)用紗布，蘸少許丙酮或無水乙醇，以單方向擦凈油污、灰塵多次，擦洗到所用的棉球潔凈為止。⑸劃貼片定位標記線可用4H鉛筆和鋼尺，劃出貼片定位線，注意定位線不可通過應變計工作柵區(qū)域。⑹貼片本道工序最好在干燥的環(huán)境下進行，再用棉球蘸丙酮單向擦凈貼片部位，擦凈后嚴禁用手指接觸，然后將502快干膠先在試件表面，后在應變計背面涂上適量的膠水，將應變計對準貼在定位線上，再在應變計上表面覆蓋聚四氟乙烯薄膜，用手指順應變計軸線方向擠壓出多余膠液，以上各點應在短時間內(nèi)連續(xù)完成。⑺固化處理對用于應力分析的應變計，根據(jù)使用粘結劑要求施加相應的壓力、加溫固化和穩(wěn)定處理，對于使用502快干膠粘貼的應變計，不一定要求嚴格的加壓加溫，采取常溫的自然固化就可以。⑻貼片質(zhì)量檢查外觀檢查，用肉眼和量角器檢查貼片位置的偏離，應變計有否變形，膠質(zhì)有否雜質(zhì)與氣泡，測量應變計電阻阻值及絕緣電阻是否達到要求，如發(fā)現(xiàn)超差，即予鏟除重貼。⑼引出線焊接為可靠地把粘貼好的應變計的兩個引出短線，經(jīng)過事先粘貼好的專用接線端子，用20W內(nèi)熱式電烙鐵，用焊錫與引出長導線牢固連接妥當。⑽應變計防潮密封保護技術措施對用于室內(nèi)短期進行的應力分析的應變計，待應變計達到絕緣度后，可采用703硅橡膠密封就可以了，如需長期在室外或混凝土內(nèi)部的應變計則必須要進行嚴格的作2～4度的防潮密封處理，一般用環(huán)氧樹脂膠。⑾應變計質(zhì)量檢查對經(jīng)過嚴密貼片處理且連接妥當?shù)膽冇?，再測量電阻值及絕緣電阻認為是已達標，然后再把處理好的應變計，連接到應變數(shù)采測試系統(tǒng)，進行系統(tǒng)應變計質(zhì)量檢查，觀察是否可以平衡，測值穩(wěn)定與否，認為完全達到要求，等待進行應變測試。8、電阻應變測量電路和測試系統(tǒng)經(jīng)過嚴格粘貼于任何受力試件上的電阻應變計，由于受力應變引起電阻應變計阻值的相對變化很小，而且應變值有“拉”、“壓”、“靜態(tài)”和“動態(tài)”等區(qū)分，必須要有專門的測試系統(tǒng)經(jīng)過放大（適調(diào)）顯示或經(jīng)過A/D轉換后接電子計算機，進行數(shù)采和處理分析的電阻應變測試系統(tǒng)來實現(xiàn)。把非電量的電阻變化轉變?yōu)殡娏康淖兓峭ㄟ^電阻應變電橋（通稱為惠斯登電橋）的工作原理來實現(xiàn)的。圖（6）所示的為一個比較式電壓電橋電路圖中：A、B、C、D為電橋端點R1、R2、R3、R4為電橋電阻U為供橋電壓△U為輸出電壓圖6電阻應變電橋工作原理圖電阻應變電橋通常可分為電壓橋（又分為立式橋和臥式橋），電流橋和功率橋三種，其中電壓橋的應用最廣，其變化原理如圖（6）所示，當忽略電源內(nèi)阻影響時，電橋負載BD上的電壓壓降為：(6)當時，即電橋處于平衡狀態(tài)，又稱平衡電橋，它的必要條件是：或（7）設當和，當，且?時，可求得輸出電壓為（8）式(8)由于?，故可略去分母中的項，于是為（9式）（9）如電橋為全橋（等臂電橋），其輸出電壓為（10）（10）從（10）式中可得出電阻應變電橋的橋臂特性和橋臂系數(shù)，它的定義為當應變電橋的相鄰兩臂的電阻增量同號時，其輸出電壓相互抵消，反之異號時相互疊加，用表示橋臂特性系數(shù)，我們設定當采用半橋接線方式時（即RAB為工作應變計，RBC為補償應變計）；此時從應變測試系統(tǒng)中測得應變值為，同理采用不同接橋方式的橋臂系數(shù)與相比，可得出不同的電橋橋臂系數(shù)，值的利用，不僅可以減少測點，提高了應變測試的輸出靈敏度，而且可自動抵消溫度漂移的影響，為此在應變測試系統(tǒng)中十分重要，應給予充分利用。應變電橋的橋路連接型式和優(yōu)缺點的比較⑴1/4橋，又稱獨立工作應變計接橋方式，它有兩種橋路補償方法，一種為標準電阻由數(shù)采系統(tǒng)內(nèi)提供，另一種為采用外接電阻應變計接入做公共補償橋臂用。1/4橋的優(yōu)點免去了公共補償用應變計，而是由數(shù)采系統(tǒng)內(nèi)接精密或合成膜標準電阻，操作使用方波，節(jié)省了工本。缺點是當測試環(huán)境差，如溫度、濕度變化大，連接導線較長將會產(chǎn)生予調(diào)平衡的困難和補償效果較差。為此采用1/4橋的接線方式在室內(nèi)使用較多，而在現(xiàn)場環(huán)境條件較差的地方一般不宜采用這種連接型式。⑵半橋又稱1/2橋半橋連接也可分為兩種接法，一種為多點（一般為10個測點）為一個公共補償片，另一種為每個測點各有一個獨立補償片。半橋連接在結構應變（應力）測試系統(tǒng)中，應用十分廣泛，其主要優(yōu)點是采用公用補償可減少補償應變計外，還可根據(jù)試件受力狀態(tài)，利用應變電橋的橋臂特性來提高輸出靈敏度，如當某受拉試件，布置成為縱橫布片，并組成半橋后，其，即它既可以提高輸出靈敏度（）倍外，還可以獲得溫度自動補償?shù)淖饔?，類似于此種接橋方式一般適用于現(xiàn)場的較長時間觀察的應變（應力）測試系統(tǒng)之中，缺點為工本略有增加。⑶全橋全橋是把組成電橋的四個橋臂，全部由電阻應變計組成，此種橋路的優(yōu)點為，根據(jù)被測試件受力特點和測試項目的重要程度，選用不同的受力組橋方式，既可以提高輸出靈敏度，又可以獲得溫度自動補償和最小的漂移。人們利用全橋的接橋方式，已經(jīng)廣泛的使用在各類應變計的傳感器中，如GBY型工具式應變傳感器，YWC型和YHD型位移傳感器、轉角、壓力、速度和加速度等傳感器。大量應變計式傳感器的研發(fā)和批量生產(chǎn)及廣泛應用，克服了電阻應變計不可重復使用和減免了大量繁瑣的應變計的粘貼工藝，成為現(xiàn)實。其主要缺點為使用應變計數(shù)量多，工作量和成本相應提高，在操作過程中，若其中一個應變片有故障，則全功盡棄。三、應變計式傳感器的原理和設計應用多少年來，尤其是我國改革開放的三十年來，應變計式的傳感器也隨著各行各業(yè)的高新科技的發(fā)展，大量的應變數(shù)采測試系統(tǒng)的涌現(xiàn)，也促使了古老的應變計技術及其多種多樣的應變計式的傳感器應運而生，人們充分利用應變測試系統(tǒng)的自動化、微型化、微機化、智能化，為提高應變測試系統(tǒng)的測試精度和長期穩(wěn)定可靠做出了很大貢獻。應變計式傳感器的基本原理是建立在電阻應變電橋的原理基礎上，傳感器的設計是利用感受機構把直接感受的被測非電量如應變（應力）、位移（角位移）、力（壓力和拉力）、扭矩、速度和加速度等，一般是選用彈性十分好的彈性元件，作為感受機構，再經(jīng)過特殊的粘貼應變計工藝，接線組橋后接到數(shù)采系統(tǒng)進行放大顯示和記錄分析，作為傳感器還需要保護外殼和特殊的安裝支架供傳感器和安裝固定用。下面介紹幾種在結構和應變（應力）試驗中較常用的傳感器，供選配時應用參考。1)YHD型位移傳感器YHD型位移傳感器是由同濟大學設計研制，并由上世紀八十年代初已通過上海市高等教育局主持進行的科研成果轉讓給江蘇溧陽市儀表廠批量生產(chǎn)的產(chǎn)品之一，二十多年來在各項各業(yè)的結構試驗中已獲得廣泛的應用。該傳感器由機械傳動結構，表面指示裝置，電氣線路等部分組成，它的主要特點是輸出靈敏度高、線性好、量程范圍寬（1.0-2000mm）、溫漂小、抗?jié)裥阅軓?、體積小、自重輕（如最新研發(fā)的拉線式位移傳感器），安裝使用方便，從而使位移測試實現(xiàn)自動化（有線或無線傳輸），為減輕位移測試的勞動強度和提高測試精度提供了極大方便，值得有關單位試用。圖（7）a為YHD型位移傳感器結構示意圖圖（7）b為YHD型位移傳感器應變電橋圖1、量頭2、雙觸頭3、敏感電阻絲（高阻）4、公用導線5、引出引線6、橋路電阻7、外殼8、量片9、活動軸焊10、導向槽11、彈簧（恒力）12、安裝軸頸圖7YHD型位移傳感器結構與應變電橋原理圖2）、GBY型工具式表面應變傳感器GBY型工具式表面應變傳感器，也是利用應變計及其應變電橋原理研發(fā)而成，它是采用高彈性材料（如鈹青銅），經(jīng)過特殊的金加工成形，再選用高精度自補償傳感器用金屬粘貼式電阻應變計作為敏感元件，經(jīng)過工廠化的嚴格的粘貼加壓、加溫、防潮密封、組橋和標定等工藝制作而成，該傳感器的主要特點為輸出靈敏度極高（），當標距時，可與直接粘貼式應變計相當、線性和分辨率好、構造簡單、安裝使用方便，其最大的優(yōu)點是可以揭下重復使用，徹底地改變了粘貼式應變計只能使用一次的歷史，改善了測試條件，提高了工作效率，從而性價比高，它與靜態(tài)和靜動態(tài)應變數(shù)采系統(tǒng)連接，可自動測試任何結構表面的應變數(shù)值以及在標距范圍之內(nèi)的裂縫寬度的變化全過程。圖（8）所示為GBY型工具式表面應變傳感器結構示意圖彈性體2、電阻應變計3、防潮密封層4、固定端子組合5、輸出導線圖（8）GBY型工具式表面應變傳感器結構示意圖表1所示為應變計式傳感器主要指標一覽表，供參考表1應變計式傳感器主要指標一覽表序號參數(shù)主要特點型號量程范圍靈敏度準確度備注1位移量程范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性好YHD型位移0～2000機電兩用，穩(wěn)定性好WBD位移5.0～100輸出靈敏度高、分辨率好、體積小YWC位移5.0～100分辨率較高、穩(wěn)定性好YZC傾角0～102壓力體積小、穩(wěn)定性好、可測液體壓力UYY液壓0～70量程范圍大、精度高、可測拉和壓力LTR-L拉壓力0～10000.2～0.5體積小、可測大六角螺栓拉力或鋼絞線拉力YBY拉壓力M16～M320～10003應變長期穩(wěn)定好、溫度自補償HNY砼內(nèi)埋式極高的靈敏度、線性好、可揭下重復使用GBY工具式表面應變高靈敏度大量程雙夾具自脫式結構，進行金屬材料的“”全曲線，且不會損壞YHD電子引伸儀4溫度可埋入混凝土內(nèi)部，自動測試溫度變化全過程HNT熱敏電阻0～100℃注：以上傳感器與所有電阻應變測試系統(tǒng)完全兼容，可任意接配使用。四．動靜態(tài)應變測試系統(tǒng)的發(fā)展和應用簡介我國的動靜態(tài)應變測試系統(tǒng)的發(fā)展和應用大致可分為三個階段，第一階段為我國解放初期的50年代的十多年里，比起國外約落后十余年，表現(xiàn)為當時沒有專門的生產(chǎn)廠商，使用單位也很少，但隨著國民經(jīng)濟恢復，某些科研院校急需進行有關結構實驗，如北京航空學院，因需要對飛機結構及部件進行應變（應力）測試，有關科研人員仿制了從美國進口的SR4型靜態(tài)電阻應變儀，它是利用電子管作為電壓放大器件，交流載波供橋和調(diào)制放大原理，該儀器全部采用分散元器件組裝而成，當時為振興民族精神把它起名為“祖國牌”電阻應變儀。由于種種原因，一時無法組織生產(chǎn)和投入市場，急于項目需要單位，也只能向外國引進，除SR4外還有從匈牙利引進少量的靜態(tài)應變儀，但一時無法滿足工農(nóng)業(yè)和教學科研的日益增長的需求，直到50年代末，由上海華東電子儀器廠會同有關高等院校（如上海交通大學，同濟大學等）、科研單位聯(lián)合研制了用電子管式放大器，如59型靜態(tài)應變儀，YJ-5型靜態(tài)電阻應變儀，YJD-1型靜動態(tài)電阻應變儀和YD-4型動態(tài)應變儀，它們的共同點是體積大而自重重，溫漂和時漂大，可測應變量程范圍小，動態(tài)信噪比大、抗干擾和穩(wěn)定性差，指零讀數(shù)法、手動作電容和電阻予調(diào)平衡操作十分繁雜等等，雖然這些電阻應變儀可解決一時教學科研的需要，由于上述先天的不足，影響到應變測試的應用和普及。第二階段，在70到90年代，國內(nèi)外由于數(shù)字電路和小型集成電路的出現(xiàn)，應變電測放大器開始向直流供橋，數(shù)字顯示和測讀方向發(fā)展，首先提出的為位數(shù)字靜態(tài)應變儀，如“YJ-18”和“YDR-3”型再發(fā)展到位的“YJ28A”型靜態(tài)電阻應變儀，他們共同特點是把原為交流供橋，改為直流或方波供橋，從而去除了交流電橋中的電容預調(diào)平衡和載波解調(diào)等電路，對于動態(tài)應變放大器，推出了多通道多機型，動態(tài)響應較高如“YD-21”和“YDR-3”型，它們的主機頻率一般小于10K動態(tài)記錄器主要有三種，第一種光線示波記錄儀，該記錄儀是利用光電原理，由動態(tài)應變儀從粘貼在被測試件上的電阻應變計或傳感器轉換過來的電壓量，由示波器中的電磁轉換原理組成的振動子的偏轉，使動態(tài)光投射到由特殊感光元件的感光記錄紙上，繼后在白灼光的曝光下，顯示出動態(tài)波形，再經(jīng)過人工的測算，可計算出被測試結構的頻率f(HZ)和應變（）及相位等，該記錄儀的主要缺點是不能長期保存和重復再分析。第2種記錄儀是“X-Y”函數(shù)記錄儀，它主要是利用“電-機”變換原理,把由動態(tài)應變放大器送過來的電信號（如力和位移），同時推動“X”軸和“Y”軸的伺服電機轉動而產(chǎn)生“X-Y”函數(shù)關系。該記錄器的優(yōu)點是記錄幅面大，一般為250mm×300mm，記錄波形曲線直觀，其主要缺點是①記錄通道數(shù)太少，一臺記錄儀同時記錄最多只有3個函數(shù)曲線。②可測頻響范圍低，f≦2.5Hz。③記錄數(shù)據(jù)不能進行自動分析和再分析。第3種記錄儀，是技術比較先進但構造復雜的磁帶記錄儀，他利用“電－磁”和“磁－電”轉換原理把動態(tài)應變儀傳送過來的電信號進行同步記錄，它的優(yōu)點是根據(jù)不同機型可以同時記錄7個，14個，21個或更多的記錄通道信號，再與后接專門的分析儀共同實現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)回放和分析，這種記錄儀具有通道多，可測頻響高，記錄可自動分析又可反復回放作再分析，為此對動態(tài)應變測試記錄和分析精度最高，但是性能好的磁帶記錄儀和分析儀一般均為進口貨，不但價格昂貴和操作繁瑣為此影響了普及和推廣應用。對于采用由傳感器，放大器，記錄器和分析儀所組成的動、靜態(tài)應變測試的系統(tǒng)儀器，如需進行一個中小型結構試驗時，尤其是在現(xiàn)場進行實驗環(huán)境下，系統(tǒng)顯得龐大和繁雜，連接環(huán)節(jié)十分復雜，不僅增加了系統(tǒng)調(diào)試的時間和復雜性，一不小心將會造成測試數(shù)據(jù)的誤差偏大，既勞民又傷財，同樣困擾著我國結構試驗的普及和發(fā)展。第三階段是從上世紀90年代中到現(xiàn)在，他是隨著我國不斷深入改革開放和國內(nèi)外微電子集成電路的大量涌現(xiàn)，尤其是電子計算機及其相應的軟件開發(fā)和運用，促使我國應變測試系統(tǒng)的振興。江蘇東華測試技術有限公司，憑借著該公司首先重視應變測試系統(tǒng)產(chǎn)品的研制，為緊跟市場的需要，相繼研發(fā)DH3815N、DH1816、DH3818型靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用范圍寬，既有全橋，半橋和1/4橋供電阻應變計及傳感器接入方式，可方便地對“力”、“壓力”、“位移”、“轉角”等物理量進行高精度實時測量，該公司高新科技的產(chǎn)品中，選用專用高性能繼電器，配合專業(yè)的電路設計，消除了測點切換時產(chǎn)生的接觸電勢變化對測量精度的影響。使用方便，具有對每個測點分別自動平衡，還可以對應變計的靈敏系數(shù)、導線電阻、橋路方式，以及各種橋式傳感器靈敏度等參數(shù)設計，可對測試系統(tǒng)進行自動修正。穩(wěn)定性好，采取了先進的隔離技術，合理的接地措施，使系統(tǒng)具有極強的對惡劣環(huán)境抗干擾能力，確保了長期工作的穩(wěn)定性。 豐富的軟件全漢化的Win2000/XP應用軟件，人機對話完成了對系統(tǒng)的予調(diào)平衡，測量參數(shù)設置，自動完成測量結果的修正，數(shù)據(jù)連續(xù)存儲，實時顯示測量曲線（包括“X-Y”函數(shù)圖形）及數(shù)值、應力和應變花計算，也可滿足靜態(tài)樁基抗壓、抗扭或水平靜載荷實驗，根據(jù)熱電耦的分度號直接計算溫度，測量數(shù)據(jù)的存儲，報告打印，操作便捷，十分方便。該系統(tǒng)軟件可同時提供與office軟件的接口功能，數(shù)據(jù)文件可轉換為Excel(*.xls)的文件格式，采樣實時波形可直接保存為位圖文件（.bmp）。東華公司相繼推出的DH3817動靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)，是為滿足結構試驗中經(jīng)常需要測量變化緩慢的物理量，如應變、位移、力、壓力等。如使用靜態(tài)測試系統(tǒng)只能測得平均值，很難精確測到“峰-峰”變化值，若用動態(tài)應變測試系統(tǒng)不僅價格較貴，且操作相對比較復雜。因此，該公司特別研制生產(chǎn)了既保留靜態(tài)應變測試系統(tǒng)的綜合指標和使用方法，又提高了采樣頻率的應變測試系統(tǒng)，稱之為動靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)。DH5920、5922等動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，它具有高度集中、高度便攜、系統(tǒng)完整、抗干擾、先進的工藝、DMA方式傳送數(shù)據(jù)、每通道獨立的DSP實時信號處理系統(tǒng)，每通道獨立A/D轉換接口，具有數(shù)字磁帶機式的信號記錄功能、多功能高性能的信號適調(diào)器，包括應變，電荷，IEPE（ICP）豐富的配套軟件可完成測試數(shù)據(jù)管理、分析處理及實驗報告的生成。DH3819/DH5908無線傳輸數(shù)據(jù)采集器是東華公司新研制出來的采集器，其主要特點為通過無線傳輸經(jīng)過模數(shù)轉換后的數(shù)字信號，因此，系統(tǒng)同時具有常規(guī)測試的準確度和無線遙測的便捷；采用藍牙或無線網(wǎng)絡（Wi-Fi）成熟的無線通訊手段，大大提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性；無線通訊為雙向通訊，不僅將采集的數(shù)據(jù)實時傳送到計算機，而且將參數(shù)設置，平衡控制、采樣控制等信息實時傳送到采集器；可靠的通訊方式，系統(tǒng)實現(xiàn)了邊采樣、邊傳送、邊存盤、邊顯示、利用計算機海量的存儲硬盤，長時間、無間斷記錄所有測點信號。智能化管理的可充電鋰電池組供電保證了系統(tǒng)長時間可靠的連續(xù)工作。應變測試系統(tǒng)從有線傳輸發(fā)展到無線傳輸數(shù)據(jù)采集的變化是一個創(chuàng)新和飛躍，無線傳輸測試系統(tǒng)避免了拉線、埋線、查線、收線等繁雜工作，既節(jié)省了導線的投資，又大大提高了工作效率，而且徹底解決了長導線的干擾影響，對于旋轉或運動部件，狹小空間或布線困難場合的測量就可以采用DH5905無線（藍牙）遙測應變測試分析系統(tǒng)，利用他的多通道，高性能、高性能抗混濾波器，實時扭矩的計算和軸功率的計算，由豐富的軟件，完成測試數(shù)據(jù)的管理、分析處理及實驗報告的生成。上述簡單介紹僅為江蘇東華測試技術有限公司開發(fā)研制出一代又一代的可編程序，型號、，品種多樣，功能齊全性能良好的應變測試系統(tǒng)，他們有共同的硬件和豐富的控制軟件，全漢化的操作和十分良好的售前和售后服務，與用戶充分溝通和互動，贏得了市場聲譽，給廣大用戶提供了一個使用十分便捷，自動化水平高，測試精度高，可靠性十分良好信得過的應變測試系統(tǒng)。目前該公司通過十多年專業(yè)測試系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)驗和技術積累，使新老產(chǎn)品的技術性能始終處于國內(nèi)領先，與國際先進水平保持同步發(fā)展，是我們廣大使用單位值得信賴的朋友和合作伙伴。讓我們共同支持東華測試，樹立民族品牌，促使其成為國內(nèi)外著名產(chǎn)品。五、對應變測試系統(tǒng)發(fā)展的展望通過本文就動、靜態(tài)應變測試系統(tǒng)的發(fā)展談談個人幾點看法。1.研發(fā)方向適用于數(shù)采系統(tǒng)的多功能模塊化，盡力做到實驗參數(shù)全覆蓋目前有關應變測試系統(tǒng)功能已經(jīng)可以測試eq\o\ac(○,1)應變（應力）eq\o\ac(○,2)熱電耦測溫eq\o\ac(○,3)來自不同的應變計式傳感器的信號eq\o\ac(○,4)電位計信號輸入，但尚不能與振弦式（頻率輸入）和LVDT電感式傳感器兼容，因為振弦式傳感器在地下建筑結構中應用也十分廣泛，而電感式在位移測試中也十分可貴，為此，建議有關公司能研發(fā)有關適配器給予兼容，如能獲得解決，這勢必會對有關用戶是個福音和對生產(chǎn)廠商也是一個新的增長點。2.充分利用“虛擬儀器技術”，進一步發(fā)揮以計算機軟硬件技術為核心，以自動控制技術、傳感器技術、現(xiàn)代信號處理技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術、數(shù)值方法技術為支撐，創(chuàng)造依據(jù)用戶各類特殊需要的人機對話界面，用事先設計出的實驗程序，用閉環(huán)方式由計算機來測控實現(xiàn)對整個實驗全過程和數(shù)據(jù)處理，從而大大的減輕實驗研究所花費的人力和物力，且能提高測試精度，例如采用偽動力實驗設備對某結構（柱、框架）等，施加反復水平力作用下的結構“位移”，“應變（應力）”，用此實驗來一次實驗評判結構的恢復力特性參數(shù)。這樣顯得十分方便簡潔，應值得推廣和應用。3.建議國家和省市計量測試機構加強對有關電阻應變計和電阻應變儀的國家計量檢定規(guī)程的宣貫和修訂工作，并加強廠、所、校之間的技術合作與互動交流，舉例如：JJG623-2005電阻應變儀，自從2005年-09-03實施以來，又經(jīng)歷了4年多，似乎“電阻應變儀”的內(nèi)容已不能涵蓋于日新月異的應變測試系統(tǒng)的發(fā)展，如已投產(chǎn)無線測試的動態(tài)和超動態(tài)的應變測試系統(tǒng)，該檢定規(guī)程是缺失的，如從國外引進同類系統(tǒng)，對引進單位又如何進行產(chǎn)品驗收和正確使用！4.為進一步擴大和宣傳力度，建議對國內(nèi)外在數(shù)采方面的飛速發(fā)展情況，應該在有關教材和科技專業(yè)書籍中加以總結和交流。對于重大的國內(nèi)外的專業(yè)展覽會和專業(yè)雜志上定期和不定期的刊登新技術新產(chǎn)品的信息也很重要。5.定期或不定期舉辦有關全國性或地區(qū)性的應變測試系統(tǒng)方面的學術交流會，進一步推廣全漢化具有傻瓜式數(shù)采系統(tǒng)，針對每個結構試驗要求，如何做到充分利用國產(chǎn)化的應變采集系統(tǒng)的高新科技產(chǎn)品，優(yōu)質(zhì)高效的完成，力爭做到少花錢多辦事、辦好事，通過學術交流會可以進行互相交流和學習，取長避短，對生產(chǎn)廠來講，可以展示新老產(chǎn)品及其產(chǎn)品正確使用、維護、軟件升級等，全方位理性化的服務平臺，對廣大使用單位來講，可以吸取到新技術新產(chǎn)品和新經(jīng)驗，獲得提高結構試驗中如何正確選用和提高應變測試系統(tǒng)的測試精度和可靠性，充分利用虛擬儀器和無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡設計和柔性測試技術，極大地滿足實現(xiàn)專業(yè)完整的測試解決方案。使結構試驗不斷地改革創(chuàng)新與國際先進產(chǎn)品競爭，使產(chǎn)品始終處于領先水平。六、如何提高應變測試系統(tǒng)在各類結構試驗中的測試精度。通過本人，從事結構試驗的數(shù)十年中的經(jīng)驗和教訓，特提出如下幾個如何提高測試精度的建議與同行共同探討。1.首先對于每一個結構實驗的任務和目的要求，認真編制一個考慮較全面且切實可行的實驗方案，一般方案中必須包含：模型制作（包含試件制?。?，加載（或卸載）程序，測點布置數(shù)量，傳感器的選型和數(shù)采系統(tǒng)的選配等，實驗全過程中可能會遇到的技術難題，如是否長期觀察，現(xiàn)場還是室內(nèi)，溫濕度的變化等等均需在方案中列入。直到實驗結果的獲取，無數(shù)經(jīng)驗告訴我們，任何一個成功的試驗，首先來自一個十分完滿且正確的實驗方案，對于重大實驗項目，一般還需組織有關教授，專家進行評審，用以促使試驗項目順利進行。2.正確選用應變測試系統(tǒng)，根據(jù)實驗對象（如現(xiàn)場還是室內(nèi)，長期還是短期，動態(tài)還是靜態(tài)，高壓水下等）選用性能良好，操作使用方便?？垢蓴_性能和可配性能好的系統(tǒng)，對于現(xiàn)場又需作長期監(jiān)測的重大項目，擬優(yōu)先選用由工廠化生產(chǎn)的工具式應變計，如本文介紹的GBY型工具式表面應變計，它可與常規(guī)粘貼式電阻應變計有相似的靈敏度，又可重復使用，安裝使用方便，使用的好的話，既可以節(jié)省人力，又可以節(jié)約花費，做到事半功倍，值得推廣使用！3.采用測試系統(tǒng)標定法，進一步提高動、靜態(tài)應變測試精度提出進行任何一個結構實驗的實驗科技術人員，特別關心的是測試精度和測試可靠性程度，對此人們對所需選用的電阻應變計、傳感器、適調(diào)器和數(shù)采系統(tǒng)中每個組成部分，分別核查是否有生產(chǎn)和計量許可證和合格證之外，事先還應分別對來自由各個廠商產(chǎn)品進行主要性能的標定驗收，這種方法已經(jīng)被大家所重視和接受，但人們往往對整個系統(tǒng)的驗收缺少必要的重視，對此我們提出了采用測試系統(tǒng)標定法，所謂“系統(tǒng)標定法”，就是對一個測試系統(tǒng)，從傳感器端處，用標準計量器具給出一個已知標準量值，如位移、應變、拉壓力等值，然后在采集系統(tǒng)處測得一個相應數(shù)值，作為一個相關比例的數(shù)值，有的數(shù)采系統(tǒng)中已設計有傳感器參數(shù)設置模式，則可以標定其最終測值是否1：1的測得被測物理值，如位移、應變、拉壓力值，采用此種系統(tǒng)標定法，可自動免去了各個組成包含長導線，不同適配器等的誤差，從而提高了計量測試精度，由于采用了測試系統(tǒng)的硬軟件功能，特別適用于做擬動力結構試驗中，先用力控制，后用位移控制的實驗來講是一個十分重大的技術措施！這樣不僅提高了測試精度，而且測值十分直觀明確有利及時判定實驗的繼續(xù)進行與否。4.采用“虛擬零點”法，提高測試系統(tǒng)測試精度在結構試驗中，尤其是需要進行長期觀察如2-3年，乃至作為對重大結構做長期健康監(jiān)測，要求對所選測試系統(tǒng)中的因受環(huán)境（溫度、濕度、電磁場干擾乃至風力）影響；將會給測試系統(tǒng)帶來誤差，我們多少年來試用了“虛擬零點”法取得了一定的效果。所謂“虛擬零點”法，即在測試系統(tǒng)中，選用一個與被檢測的結構相似但不受力的且環(huán)境條件“完全相似”的測點與工作測點同樣作為數(shù)采系統(tǒng)的一個測點，例如選用HNY型砼內(nèi)埋式應變傳感器來測定混凝土養(yǎng)生全過程和結構施工和直到竣工驗收和正常工作時的內(nèi)部應變時，除了在被測試桿件或基礎內(nèi)埋設傳感器外，另將一個或數(shù)個性能完全相同的傳感器埋入一個相同混凝土標號同一齡期的混凝土塊塊體里（最好埋設在不受力的同一個結構件中），僅僅作為測試系統(tǒng)的零點補償，并依此作為長期測試的檢測和修正數(shù)據(jù)的依據(jù)。雖然增加了虛擬測點，增加了通道占用和傳感器成本，但對測試精度的提高起到了很大作用，值得大家注意和應用。5.采用系統(tǒng)的自動增益技術，提高測試系統(tǒng)精度在結構試驗中，尤其是在進行結構擬動力實驗中，采用液壓傳感器或拉壓力測力傳感器作為測試系統(tǒng)的力值控制的加載全過程時，對注意選用的傳感器量程范圍，靈敏度和穩(wěn)定性均好的產(chǎn)品外，對任何傳感器不會十全十美的，既要有大的量程范圍，又要有高的輸出靈敏度，客觀上是一個很難解決的矛盾，如人們?yōu)闈M足某一個結構擬動力試驗中，選用量程范圍滿足和合適的靈敏度的傳感器接入測試系統(tǒng)中，利用系統(tǒng)中具有的自動增益功能，當在小力值時因輸出信號偏小，由放大器提高增益使信號提高，當加載到大力值時自動減低增益來滿足大量程的顯示和測試要求。這種技術的應用，尤其是對于進行結構破壞性靜態(tài)試驗時，將會獲得十分良好的測試效果，可值得試用此種技術來提高測試系統(tǒng)精度?？傊?，人們?yōu)榱颂岣吒黝惤Y構試驗中的計量測試精度，關鍵在于如何正確選用國內(nèi)外日新月異的高新科技的性能良好，功能齊全的動、靜態(tài)應變測試系統(tǒng)國內(nèi)外生產(chǎn)廠商尤其時以東華測試技術有限公司全體員工，在公司領軍人物的領導下，經(jīng)過數(shù)十年不間斷研發(fā)和創(chuàng)新，為我們廣大科技人員展示了性能良好，功能齊全，面貌全新的優(yōu)良產(chǎn)品，我們應十分珍惜和正確的選用，再加上廠、所、校之間的交流和合作，相信古老又悠久的應變電測系統(tǒng)，必將會發(fā)揮青春的魅力，在各個方面共同努力下，為我國社會主義建設將會做出更大的貢獻。