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1、三、应变测试技术第1页/共92页在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同部位的应力值是评定结构工作状态的重要指标，部位的应力值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立结构理论的重要依据。也是建立结构理论的重要依据。但是，目前直接测定构件截面的应力值还没有但是，目前直接测定构件截面的应力值还没有较好的方法，一般方法是先测定应变，而后通较好的方法，一般方法是先测定应变，而后通过过=E=E的关系间接测定应力，或由已知的的关系间接测定应力，或由已知的-关系曲线查得应力。关系曲线查得应力。应变量测在工程结构试验量测中有极其重要的应变量测在工程结构试验量测中有极其重要
2、的地位。应变量测往往还是其他物理量量测的基地位。应变量测往往还是其他物理量量测的基础。础。为什么要进行结构应变测试第2页/共92页1 1、应变的测量原理：、应变的测量原理：量测应变通常是在预定的标准长度范围量测应变通常是在预定的标准长度范围(称称“标距标距”)L)L内进内进行。量测长度变化增量的平均值行。量测长度变化增量的平均值L,L,由应变的定义式由应变的定义式=L/L=L/L 求得求得 ，这就是应变量测的基本原理。所以，应变的量测实质，这就是应变量测的基本原理。所以，应变的量测实质上是量测标距上是量测标距L L的变化增量的变化增量LL。2 2、常用方法：、常用方法：应变量测方法很多，主要有
3、电测法、机测法和光测法等。应变量测方法很多，主要有电测法、机测法和光测法等。怎样进行结构应变测试第3页/共92页（一）机测法机测法：利用机械式仪表，测量试验构件上两点之间的相对线位移，然后在转换为机测法：利用机械式仪表，测量试验构件上两点之间的相对线位移，然后在转换为应变值。实际上，只要可以测到两点之间的位移，都可以将其转换为应变。应变值。实际上，只要可以测到两点之间的位移，都可以将其转换为应变。双杠杆应变仪双杠杆应变仪手持式应变仪手持式应变仪第4页/共92页机测法优点：机测法优点：试验操作简单，数据可靠，不受电磁等因素干扰。试验操作简单，数据可靠，不受电磁等因素干扰。机测法限制：机测法限制：
4、1.1.不适合应变变化较大区域内的应变测量不适合应变变化较大区域内的应变测量 2.2.不能自动记录，测读时间较长，测点布不能自动记录，测读时间较长，测点布 置困难。置困难。3.3.温度补偿困难。温度补偿困难。第5页/共92页（二）电测法电测法（非电量的电测技术）电测法（非电量的电测技术）在测量过程中，常将某些物理量（如长度）发在测量过程中，常将某些物理量（如长度）发生的变化，先变换为电参量的变化，然后用量生的变化，先变换为电参量的变化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法。电器进行量测，这种方法称为电测法。在结构试验中，因结构受外荷载或受温度及约在结构试验中，因结构受外荷载或受温度及约束等
5、原因而产生应变，应变为机械量（即非电束等原因而产生应变，应变为机械量（即非电量），用量电器量测非电量，首先必须把非电量），用量电器量测非电量，首先必须把非电量（应变）转换成电量的变化，然后才能用量量（应变）转换成电量的变化，然后才能用量电器量测。量测由应变引起的电量变化称为应电器量测。量测由应变引起的电量变化称为应变电测法。变电测法。第6页/共92页利用材料的电阻变化测量应变电阻应变电测法电测法以电阻应变仪量测为主。电测法以电阻应变仪量测为主。电测法的基本原理是；将一种特制的电阻应变电测法的基本原理是；将一种特制的电阻应变片作为传感元件，牢靠地粘贴在被测试件表面，片作为传感元件，牢靠地粘贴在被
6、测试件表面，当试件由于受到外荷载的作用而发生变形时，当试件由于受到外荷载的作用而发生变形时，电阻应变片也随之变形，并发生电阻的变化。电阻应变片也随之变形，并发生电阻的变化。在一定的工作范围内，电阻应变片的电阻变化在一定的工作范围内，电阻应变片的电阻变化与试件发生的应变成比例关系。根据测得的电与试件发生的应变成比例关系。根据测得的电阻变化，通过应变仪可获得试件上被测点的应阻变化，通过应变仪可获得试件上被测点的应变值。变值。第7页/共92页3.13.1 电阻应变片的原理及构造电阻应变片的原理及构造1 1、电阻应变片的原理、电阻应变片的原理 v利用电阻应变片作为传感元件，将应变片贴在被测物利用电阻应
7、变片作为传感元件，将应变片贴在被测物体上，会随被测物体的变形而拉长或收缩，从而改变体上，会随被测物体的变形而拉长或收缩，从而改变电阻值，反映被测物体应变的大小。电阻值，反映被测物体应变的大小。图图1 1 电阻应变计基本组成电阻应变计基本组成第8页/共92页待测非电量待测非电量电阻变化电阻变化R R应变值应变值 感受应变：感受应变：RR测量测量R R：应变仪将应变片的应变仪将应变片的 R R 经惠斯顿电桥经惠斯顿电桥 U U或或I I，放大器；放大器；输出应变值。输出应变值。图图2 2 金属丝的电阻应变原理金属丝的电阻应变原理 1.1.受力前的金属丝受力前的金属丝 2.2.受力后的金属丝受力后的
8、金属丝第9页/共92页：金属丝的电阻值：金属丝的电阻值：金属丝的电阻率：金属丝的电阻率：金属丝的截面积（通常为圆断面）：金属丝的截面积（通常为圆断面）：金属丝的长度：金属丝的长度：金属丝的泊松比：金属丝的泊松比第10页/共92页 金属丝的电阻应变原理 1.受力前的金属丝 2.受力后的金属丝（4.1）（4.2）（4.3）第11页/共92页灵敏系数灵敏系数K K：表示单位应变引起的相对电阻变化：表示单位应变引起的相对电阻变化 应变片灵敏系数是使用应变片的重要数据。应变片灵敏系数是使用应变片的重要数据。它主要取决于敏感栅的材料、型式和几何尺寸。它主要取决于敏感栅的材料、型式和几何尺寸。应变片的灵敏系
9、数受到多种因素的影响，无法由应变片的灵敏系数受到多种因素的影响，无法由理论求得，是由制造厂经抽样在专门的设备上进理论求得，是由制造厂经抽样在专门的设备上进行标定，并于包装上注明。常用的应变片灵敏度行标定，并于包装上注明。常用的应变片灵敏度系数为系数为22.422.4。由上式可知，只要测出敏感栅的电阻变化率即由上式可知，只要测出敏感栅的电阻变化率即可确定构件的应变。可确定构件的应变。第12页/共92页v等强度梁静态应变测试等强度梁静态应变测试v采采用用等等强强度度钢钢梁梁，钢钢梁梁的的=0.285=0.285，L=150mm,L=150mm,室室温温、单单向向受受力力状状态态，应应变变片片丝丝栅
10、栅方方向向与与最最大大主主应应变变方方向向一一致致，采采用用砝砝码码在在梁梁一一端端施施加加作作用用力力P=0.1KNP=0.1KN，测测得得挠挠度度为为1.5mm1.5mm，实实测测量量得得电电阻阻由由120120变为变为120.12120.12，求得应变片的实际灵敏度，求得应变片的实际灵敏度K K。梁高h=5mm梁长L=150mmP Pv R/R:R/R:vR/R=R/R=（120.12-120120.12-120）/120=0.001/120=0.001v:=E=Mh/2I :=E=Mh/2I v f=ML f=ML2 2/3EI /3EI =3hf/2L=3hf/2L2 2=0.000
11、5=0.0005vK:K=R/R/=2.0K:K=R/R/=2.0第13页/共92页2 2、电阻应变片的构造、电阻应变片的构造敏感栅：敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。丝。基底基底:纸基和胶基纸基和胶基覆盖层覆盖层引出线引出线 电阻应变片构造示意图电阻应变片构造示意图1.1.引出线引出线 2.2.敏感栅敏感栅 3.3.覆盖层覆盖层 4.4.基底层基底层第14页/共92页敏感栅敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。敏感栅的形状与尺寸直接影响到应或栅状丝。敏感栅的形状与尺寸直接影响到应变片的性能。栅
12、长和栅宽代表应变片的标称尺变片的性能。栅长和栅宽代表应变片的标称尺寸，即规格。寸，即规格。基底和覆盖层基底和覆盖层：它们起定位和保护电阻丝的作：它们起定位和保护电阻丝的作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。基底的用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。基底的尺寸通常代表应变片的外形尺寸。尺寸通常代表应变片的外形尺寸。引出线引出线：通过测量导线接入应变测量桥。引出：通过测量导线接入应变测量桥。引出线一般都采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制线一般都采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制成，在制造应变片时与电阻丝焊接在一起成，在制造应变片时与电阻丝焊接在一起第15页/共92页3 3、电阻应变片的种类及分类、电阻应变
13、片的种类及分类按敏感栅所用材料分类：按敏感栅所用材料分类：金属电阻应变片（金属金属电阻应变片（金属丝式应变片、箔式应变片、薄膜应变片）和半导丝式应变片、箔式应变片、薄膜应变片）和半导体应变片；体应变片；按敏感栅结构的形状分类：按敏感栅结构的形状分类：单轴和多轴（应变花）单轴和多轴（应变花）按应变片的工作温度：按应变片的工作温度：低温片（低于低温片（低于-30-30）、常温片（）、常温片（-30-306060）中温片（中温片（6060350350）、高温片（）、高温片（350350以上）以上）按基底材料：按基底材料：胶基和纸基胶基和纸基第16页/共92页金属电阻应 变 片半导体应变片丝绕式应变片
14、短接线式应变片箔式应变片敏感栅材 料用 途基 底材 料纸基应变片胶基应变片金属基底应变片临时基底应变片敏感栅形 状单 轴应变花一般用途应变片特殊用途应变片应变片式传感元件分类方法类 型主要特点横向效应大，K外值分散度大，价廉横向效应小，疲劳寿命底横向效应小，散热条件好，蠕变小，疲劳寿命长用于测量单向应变的应变片用于平面应力状态下测定主应变耐温，耐热及耐久性能差高温应变片类型之一，用焊接方式安装于构件上高温应变片类型之一以有机会胶膜作基底，耐热，耐湿，耐久性较纸基好指用于应变测量的各种常规应变片如半导体应变片、防水应变片、埋式应变片、双层应变片等如裂纹扩展片、疲劳寿命片、测温片、测压片等各种类型
15、的应变片及其特点各种类型的应变片及其特点第17页/共92页 金属丝式应变片金属丝式应变片:丝绕式（丝绕式（U U型）、短接式（型）、短接式（H H型）型）0.015-0.05mm 0.015-0.05mm 金属丝制作，金属丝制作，散热效果差，许用电流低。散热效果差，许用电流低。圆角线栅，横向效应大；圆角线栅，横向效应大；直角线栅，制作复杂。直角线栅，制作复杂。第18页/共92页 箔式应变片箔式应变片:制作材料：制作材料：0.002-0.005mm0.002-0.005mm厚的康铜或其它合厚的康铜或其它合 金制作工艺金制作工艺 ：光刻技术和腐蚀工艺。：光刻技术和腐蚀工艺。优点：横向效应小，能较好
16、地反应构件表面的优点：横向效应小，能较好地反应构件表面的 变形，易于在弯曲表面上粘贴，散热好于丝变形，易于在弯曲表面上粘贴，散热好于丝 式，蠕变小，疲劳寿命长，允许通过的电流式，蠕变小，疲劳寿命长，允许通过的电流 大，测量灵敏度较高。大，测量灵敏度较高。用途：较多的用于传感器制作用途：较多的用于传感器制作第19页/共92页 薄膜式应变片：薄膜式应变片：800-1000800-1000 材料：材料：厚度厚度0.1m0.1m的金属薄膜，的金属薄膜，工艺：真空电镀和沉积等工艺，将金属工艺：真空电镀和沉积等工艺，将金属材料在绝缘基底上制成一定形状的薄膜而材料在绝缘基底上制成一定形状的薄膜而形成敏感栅。
17、形成敏感栅。特点：耐高温性好，工作温度可达特点：耐高温性好，工作温度可达800-800-10001000，用于高温等特殊条件，用于高温等特殊条件第20页/共92页半导体式应变片半导体式应变片（压阻效应）（压阻效应）:材料：材料：半导体材料，根据压阻效应制成。半导体材料，根据压阻效应制成。优点：灵敏系数高，优点：灵敏系数高，K100K100，频率响应好，可制作成小型和，频率响应好，可制作成小型和超小型应变片。超小型应变片。缺点：温度系数大，热稳性能差；缺点：温度系数大，热稳性能差；大应变时，非线形较大，多用于测量大应变时，非线形较大，多用于测量 500 500以下的小应变。以下的小应变。1、基底
18、；2、硅条；3、内引线；4，焊接电极；5、引出线第21页/共92页几种电阻应变片几种电阻应变片1 1，2 2，3 3，7 7，9.9.箔式电阻应变片箔式电阻应变片 4.4.半导体应变片半导体应变片5.5.丝绕式电阻应变片丝绕式电阻应变片 6.6.短接式电阻应变片短接式电阻应变片 8.8.焊接电阻焊接电阻应变片应变片第22页/共92页4 4、电阻应变片的技术性能电阻应变片的技术性能电阻应变片的主要技术指标如下；电阻应变片的主要技术指标如下；电阻值电阻值:R:R；标距标距:指敏感栅在纵轴方向的有效长度指敏感栅在纵轴方向的有效长度L L；灵敏系数灵敏系数:K:K一般等于一般等于2.02.0，也可不等
19、于，也可不等于2.0.2.0.规格规格:以使用面积以使用面积L*bL*b表示表示温度适用范围温度适用范围其其他他性性能能指指标标：机机械械滞滞后后、蠕蠕变变、疲疲劳劳寿寿命命、零点漂移、横向灵敏系数、绝缘电阻等。零点漂移、横向灵敏系数、绝缘电阻等。根根据据电电阻阻应应变变片片的的性性能能指指标标，电电阻阻应应变变片片被被分分为为A A、B B、C C、D D等等级级。A A级级为为最最高高级级，常常用用于于制制作作应应变变式式传传感感器器，结结构构试试验验中中，可可选选用用C C级级或或B B级级应应变变片片。其相应的性能指标见教材附录其相应的性能指标见教材附录1 1。第23页/共92页 2、
20、应变片的电阻值 应力片的电阻值，是应变片在没有粘贴，未受力时，在室温下所测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值最常用的有120，350，并有60，200，500，1000系列。3、机械滞后量（Zf）在恒定温度下，对贴有应变片的试件进行加卸载试验，对各应力水平应变片加卸载时所指示的应变量的最大差值作为该批应变片的机械滞后量Zf。4、零点漂移(P)和蠕变()在温度恒定，被测试不受力的情况下，试件上应变片的指示应变随时间的变化称为零点漂移(简称零漂)。如果温度恒定，应变片承受有恒定的机械应变时时，指示应变随时间的化则称为蠕变。1、应变片的尺寸 顺着应变片轴向敏感栅两端转弯处内侧之间的距离称为栅长(或叫
21、标距)，以 表示。敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以S表示。称为应变片的使用面积。第24页/共92页 5、应变极限、应变极限 在室温条件下，对贴有应变片的试件加载，使试件的应变逐渐增大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变即为应变片的应变极限，用j表示。6、绝缘电阻(Rm)绝缘电阻Rm是指敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。7、疲劳寿命(N)疲劳寿命N是指贴有应变片的试件在恒定幅值的交变应力作用下，应变片连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数，通常可达106107次。8、最大工作电流 最大工作电流是允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流，通常为几十毫安。第2
22、5页/共92页应变片电阻值：应变片电阻值：指应变片在未安装、不受外指应变片在未安装、不受外力、室温条件下的电阻值。力、室温条件下的电阻值。单片阻值：单片阻值：单个应变片的标定电阻值。单个应变片的标定电阻值。标准名义阻值标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一人为规定的生产标准，为一定值，如定值，如120120、240240。一般应变仪是按。一般应变仪是按120120应变片要求设计的。应变片要求设计的。平均名义阻值：平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如取平均、求公差。如120 0.5%120 0.5%或或1200.61200.6。第26页/共92页
23、v应应变变片片的的敏敏感感栅栅工工作作面面积积：应应变变片片敏敏感感栅栅长长宽宽之之积积S=L*bS=L*b。v L-L-栅长标距栅长标距v b-b-栅宽栅宽v注意：尽量选用注意：尽量选用L L大、大、b b小的应变片。小的应变片。第27页/共92页 5 5、应变片的选用与应变片粘结工艺、应变片的选用与应变片粘结工艺【应变片选用应变片选用】1 1、工作环境：温度保证、地下工程中防潮特性好、工作环境：温度保证、地下工程中防潮特性好 2 2、被测物材料性质、被测物材料性质:弹模高弹模高,基长小基长小;粗晶粒岩石混凝土，选用基长长粗晶粒岩石混凝土，选用基长长 3 3、按被测试件受力状态和应变性质：应
24、变花、按被测试件受力状态和应变性质：应变花 变化大选用基长小，变化小选用基长变化大选用基长小，变化小选用基长 4 4、按测量精度：标距、电阻值、灵敏度、按测量精度：标距、电阻值、灵敏度第28页/共92页【应变片粘结工艺应变片粘结工艺】应变片检查：外观检查、电阻值检查应变片检查：外观检查、电阻值检查;表表面面处处理理：刮刮刀刀除除锈锈、砂砂布布打打磨磨、脱脱脂脂棉棉擦擦洗洗、吹风机烘干吹风机烘干;贴贴片片与与固固化化：画画线线、涂涂胶胶、用用玻玻璃璃纸纸压压、调调整整、补胶补胶;粘粘贴贴质质量量检检查查：外外观观检检查查、电电阻阻值值检检查查、绝绝缘缘电电阻检查、连接电阻应变仪检查阻检查、连接电
25、阻应变仪检查;连接导线：导线固定、导线焊接连接导线：导线固定、导线焊接;防潮处理：凡士林、石蜡等防潮处理：凡士林、石蜡等;第29页/共92页6 6、电阻应变片的优点与缺点、电阻应变片的优点与缺点在一定工作范围内，电阻变化率与应变成线在一定工作范围内，电阻变化率与应变成线性关系性关系(严格说是非线性很小严格说是非线性很小)；灵敏度高灵敏度高,普通电阻应变片的最小读数为普通电阻应变片的最小读数为1-1-5,5,半导体应变片的最小读数可达半导体应变片的最小读数可达0.10.1，灵敏度高；灵敏度高；一般电阻应变片测量范围达一般电阻应变片测量范围达2000020000，特，特制的大应变量电阻应变片可测应
26、变达制的大应变量电阻应变片可测应变达200000200000 测量范围广；测量范围广；【电阻应变片优点】第30页/共92页尺寸小、重量轻，把电阻应变片贴在结构表尺寸小、重量轻，把电阻应变片贴在结构表而后对试件的工作状态和应力分布影响极微；而后对试件的工作状态和应力分布影响极微；频率响应好，普通应变片的频响时间约为频率响应好，普通应变片的频响时间约为1010-7 7S S，半导体应变片可达，半导体应变片可达1010-11-11S S，从而可以不考虑，从而可以不考虑应变传递时的相位差，能够适应数万赫兹的动应变传递时的相位差，能够适应数万赫兹的动应变测量；应变测量；测量自动化程度高，可远距离传送电信
27、号；测量自动化程度高，可远距离传送电信号；对环境的适应性强，若对电阻应变片采取特对环境的适应性强，若对电阻应变片采取特殊措施，可用于高温、低温、水下压、强磁场殊措施，可用于高温、低温、水下压、强磁场和腐蚀等环境；和腐蚀等环境；第31页/共92页 电阻应变片在应用中的主要缺点是：电阻应变片在应用中的主要缺点是：因为电阻应变片是选点布置的，故测量结果仅因为电阻应变片是选点布置的，故测量结果仅给出测点贴片方向的应变，难以得到应变和应力给出测点贴片方向的应变，难以得到应变和应力场的全貌；场的全貌；通常电阻应变片只适于结构表面应力的测量，通常电阻应变片只适于结构表面应力的测量，并且测量值只是电阻应变片基
28、长内的平均应变值；并且测量值只是电阻应变片基长内的平均应变值；连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所造成；的不稳定性和对周围环境的敏感性所造成；另外应变片必须牢固地粘贴在试件表面，才能另外应变片必须牢固地粘贴在试件表面，才能保证正确地传递试件的变形，粘贴工作技术性强，保证正确地传递试件的变形，粘贴工作技术性强，粘贴工艺复杂，工作量大；粘贴工艺复杂，工作量大；电阻应变片不能重复使用。电阻应变片不能重复使用。【电阻应变片缺点电阻应变片缺点】第32页/共92页3.2 电阻应变仪测量应变 1、电阻应变仪介绍 试验构件的应变值一般
29、均很小，当材料处于弹性试验构件的应变值一般均很小，当材料处于弹性阶段时应变约为阶段时应变约为10-610-610-210-2，故应变片的电阻变化率，故应变片的电阻变化率很小很小,需用专门仪器进行测量需用专门仪器进行测量,测量应变片的电阻变化率测量应变片的电阻变化率并能自动转化为应变的仪器称为电阻应变仪。并能自动转化为应变的仪器称为电阻应变仪。电阻应变仪按频率响应范围可分为电阻应变仪按频率响应范围可分为:静态电阻应变仪静态电阻应变仪;静动态电阻应变仪静动态电阻应变仪;动态电阻应变仪动态电阻应变仪;超动态电阻应变仪超动态电阻应变仪;其中静态电阻应变仪和动态电阻应变仪应用较多。其中静态电阻应变仪和动
30、态电阻应变仪应用较多。第33页/共92页 静态电阻应变仪用电学方法测量不随时静态电阻应变仪用电学方法测量不随时间变化或变化极为缓慢的静态应变。它由测量间变化或变化极为缓慢的静态应变。它由测量电桥、放大器、显示仪表和读数机构等组成。电桥、放大器、显示仪表和读数机构等组成。贴在被测构件上的电阻应变计接于测量电桥上。贴在被测构件上的电阻应变计接于测量电桥上。构件受载变形时，测量电桥有电压输出，经放构件受载变形时，测量电桥有电压输出，经放大器放大后由显示仪表指示出相应的应变值。大器放大后由显示仪表指示出相应的应变值。静态电阻应变仪每次只能测出一个点的应变。静态电阻应变仪每次只能测出一个点的应变。进行多
31、点测量时可配以预调平衡箱。所有测点进行多点测量时可配以预调平衡箱。所有测点的应变计均预先接在平衡箱各点上，然后靠开的应变计均预先接在平衡箱各点上，然后靠开关逐点转换接入应变仪。关逐点转换接入应变仪。第34页/共92页 应变仪采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位计式，应用最多的是交流电桥式电路并带有载应变仪采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位计式，应用最多的是交流电桥式电路并带有载波放大器的形式。采用交流电桥电路的应变仪由电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器和电源部分波放大器的形式。采用交流电桥电路的应变仪由电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器和电源部分组成。组成。第35
32、页/共92页电桥：电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号,以便放大器放大。通常电桥由正弦振荡器供电,其频率为500赫50千赫,较低频率的被测应变信号对较高的频率的电桥电压进行调幅，输出一个窄频带的调幅波信号。第36页/共92页放大器：放大器：对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功率去推动指对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功率去推动指示器和记录器。为提高放大器的稳定性，一般采用交流载波放大器，直流放大示器和记录器。为提高放大器的稳定性，一般采用交流载波放大器，直流放大器仅用于超动态应变仪。器仅用于超动态应变仪。相敏检波器：相敏检波器：将放大后的调幅波还原为被将放
33、大后的调幅波还原为被测应变信号波形，同时反映被测应变信号测应变信号波形，同时反映被测应变信号的方向，通常采用环形相敏检波器。的方向，通常采用环形相敏检波器。第37页/共92页滤波器：滤波器：滤除相敏检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想的输出波形。滤除相敏检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想的输出波形。振荡器：振荡器：产生一个稳定的振荡电压，作为电桥供电电压和相敏检波器的参考电产生一个稳定的振荡电压，作为电桥供电电压和相敏检波器的参考电压。电学应变仪灵敏度高、稳定性好。它所配用的应变计体积小，微型箔式应压。电学应变仪灵敏度高、稳定性好。它所配用的应变计体积小，微型箔式应变计能测量工程
34、上被看作一个变计能测量工程上被看作一个“点点”的小范围应变。的小范围应变。第38页/共92页第39页/共92页2 2、电阻应变仪工作原理、电阻应变仪工作原理 电阻应变仪的基本测量电路为电阻应变仪的基本测量电路为惠斯登电桥惠斯登电桥,如下图如下图所示。所示。当满足或电桥平衡，Uout=0。第40页/共92页实验时通常将粘贴在构件上的四个相同规格的应变片实验时通常将粘贴在构件上的四个相同规格的应变片作为桥臂上的四个电阻，如下图所示。当试件受力时，作为桥臂上的四个电阻，如下图所示。当试件受力时，上述应变片感受到的应变分别为上述应变片感受到的应变分别为1 1，2 2，3 3和和4 4，相应的电阻改变量
35、分别为，相应的电阻改变量分别为R R1 1，R R2 2，R R3 3和和R R4 4，代入，代入得电桥的输出电压力：得电桥的输出电压力：应变仪的输出结果（应变读数）为：应变仪的输出结果（应变读数）为：这种接线法称为这种接线法称为全桥接线法全桥接线法 第41页/共92页这个关系可用这个关系可用“邻臂相减，对臂相加邻臂相减，对臂相加”概括。这叫做概括。这叫做电桥的加减特性电桥的加减特性。有时只在电桥的。有时只在电桥的ABAB和和BCBC端接应变片，端接应变片，而在而在ADAD和和DCDC端接应变仪内部的两个阻值相等的标准电端接应变仪内部的两个阻值相等的标准电阻，见下图。因阻，见下图。因R R内不
36、受构件变形的影响，则内不受构件变形的影响，则 这种接线法称为这种接线法称为半桥接线法半桥接线法 第42页/共92页相邻桥臂相邻桥臂:应变极性一致时，输出电压为两者之差；应变极性一致时，输出电压为两者之差；若极性不一致时，输出电压为两者之和。若极性不一致时，输出电压为两者之和。相对桥臂相对桥臂:则与上述规律相反则与上述规律相反.此特性称为电桥的加减特性此特性称为电桥的加减特性(或和差特性或和差特性).).利用该特性利用该特性:可提高电桥的灵敏度可提高电桥的灵敏度;对温度影响予以对温度影响予以补偿补偿.它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。用电桥测
37、量电阻变化有偏位法和零位法两种测量方用电桥测量电阻变化有偏位法和零位法两种测量方法。法。偏位法时偏位法时，是在表的刻度盘上刻出，是在表的刻度盘上刻出 R R，或直，或直接刻出应变值接刻出应变值(根据根据 R/R=kR/R=k)，由指针偏转直接指，由指针偏转直接指示应变值，或者送到记录器直接记录。示应变值，或者送到记录器直接记录。第43页/共92页 零位测量法零位测量法如右图所示，电桥如右图所示，电桥原始平衡后，如原始平衡后，如R R1 1变成变成R R1 1+R R，则，则电桥失去平衡，电表指针偏转，此电桥失去平衡，电表指针偏转，此时人为调节可变电阻时人为调节可变电阻r r，改变，改变D D点
38、电点电位，使之与位，使之与B B点电位相同，电桥重点电位相同，电桥重新平衡，电表又重新指零，这时可新平衡，电表又重新指零，这时可在可变电阻器刻度盘上直接读出应在可变电阻器刻度盘上直接读出应变值，便可测出变值，便可测出R R1 1变化变化 R R时所对时所对应的应变值应的应变值 。零位测零位测量法与电源电压无关，电源电压变量法与电源电压无关，电源电压变化不影响测量结果化不影响测量结果，故测量精，故测量精度较高，但测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静度较高，但测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静态测试。偏位法输出受电源电压的影响，用于动态测试。态测试。偏位法输出受电源电压的影响，用于动态测
39、试。第44页/共92页3、布片和接桥方法、布片和接桥方法 应变片在应变仪的测量电桥中有各种接法。在应变片在应变仪的测量电桥中有各种接法。在实际测量中，常利用电桥基本特性并采用不同的实际测量中，常利用电桥基本特性并采用不同的接线方法，来达到以下目的：接线方法，来达到以下目的：a、实现温度补偿；、实现温度补偿；b、从复杂的变形中测出所需要的应变分量；、从复杂的变形中测出所需要的应变分量；c、扩大应变仪的读数，以减少误差，提高测量灵、扩大应变仪的读数，以减少误差，提高测量灵敏度。敏度。第45页/共92页1 1）全桥接线法）全桥接线法测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变片，称测量电桥的四个桥臂上全部接电
40、阻应变片，称为全桥接线法（或全桥线路）。对于等臂电桥，为全桥接线法（或全桥线路）。对于等臂电桥，此时应变仪的读数应变由公式即可得出：此时应变仪的读数应变由公式即可得出：d d=1 1-2 2+3 3-4 4 实际测量时，可有以下两种情况：实际测量时，可有以下两种情况：a a、全桥测量：电桥的四个桥臂上都接工作应、全桥测量：电桥的四个桥臂上都接工作应变片。变片。b b、相对两臂测量：电桥相对两臂接工作应变、相对两臂测量：电桥相对两臂接工作应变片，另相对两臂接温度补偿应变片。片，另相对两臂接温度补偿应变片。第46页/共92页2 2）半桥接线法）半桥接线法若在测量电桥的桥臂若在测量电桥的桥臂 ABA
41、B和和BCBC上接电阻应变片，上接电阻应变片，而另外两臂而另外两臂ADAD和和CDCD接电阻应变仪的内部固定电接电阻应变仪的内部固定电阻阻R R，则称为半桥接线法。由于桥臂，则称为半桥接线法。由于桥臂ADAD和和CDCD接固接固定电阻，不感受应变，因此对于等臂电桥，按定电阻，不感受应变，因此对于等臂电桥，按公式可得到应变仪的读数为：公式可得到应变仪的读数为：d d=1 1-2 2 实际测量时，可有以下两种情况：实际测量时，可有以下两种情况：a a、半桥双臂测量：电桥的两桥臂、半桥双臂测量：电桥的两桥臂ABAB和和BCBC上均接上均接工作应变片。工作应变片。b b、半桥单臂测量：电桥的两桥臂、半
42、桥单臂测量：电桥的两桥臂ABAB和和BCBC上，任上，任意桥臂接工作应变片，而另一桥臂接温度补偿意桥臂接工作应变片，而另一桥臂接温度补偿应变片。应变片。第47页/共92页（1）粘贴在被测构件测点上的应变片，如果周）粘贴在被测构件测点上的应变片，如果周围环境变化时，应变片栅丝的电阻应变值也将围环境变化时，应变片栅丝的电阻应变值也将随着温度改变而变化；随着温度改变而变化；（2）同时，又因为栅丝材料和被测构件材料的）同时，又因为栅丝材料和被测构件材料的膨胀系数不同，应变片被迫拉长或缩短，使栅膨胀系数不同，应变片被迫拉长或缩短，使栅丝电阻值也发生变化，丝电阻值也发生变化，（3）这种由于温度改变引起的虚
43、假应变，并不）这种由于温度改变引起的虚假应变，并不是由于载荷作用而引起的，如果只想测定构件是由于载荷作用而引起的，如果只想测定构件承受在载荷作用下的变形，就应该设法消除它。承受在载荷作用下的变形，就应该设法消除它。（4）消除的办法就是温度补偿。）消除的办法就是温度补偿。4、温度补偿方法、温度补偿方法第48页/共92页在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。这种方法简单、经济、补偿效果好。这是利用电桥在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。这种方法简单、经济、补偿效果好。这是利用电桥特性来进行温度补偿的特性来进行温度补偿的 。桥路补偿法可以分为以下两种：。桥路补偿法可以分为以下两
44、种：1 1）补偿块补偿法）补偿块补偿法2 2）工作片补偿法）工作片补偿法第49页/共92页1 1）补偿块补偿法）补偿块补偿法 其材料应与被测构件相同，但不受外力，并将它置与构件被测点附近，使补偿其材料应与被测构件相同，但不受外力，并将它置与构件被测点附近，使补偿片与工作片处于同一温度场中。片与工作片处于同一温度场中。第50页/共92页2 2）工作片补偿法）工作片补偿法这种方法不需要补偿块和补偿片，而是在同一被测试件上粘贴几个工作应变片，这种方法不需要补偿块和补偿片，而是在同一被测试件上粘贴几个工作应变片，将它们接入电桥中。当试件受力且测点环境温度变化时，每个应变片的应变中将它们接入电桥中。当试
45、件受力且测点环境温度变化时，每个应变片的应变中都包含外力和温度变化引起的应变，根据电桥基本特性，在应变仪的读数应变都包含外力和温度变化引起的应变，根据电桥基本特性，在应变仪的读数应变中即可消除温度变化所引起的虚假应变，而得到所需测量的应变。因此工作应中即可消除温度变化所引起的虚假应变，而得到所需测量的应变。因此工作应变片既参加工作，又起到了温度补偿的作用。变片既参加工作，又起到了温度补偿的作用。第51页/共92页（1 1）同一桥路具有相同的温度效应，即）同一桥路具有相同的温度效应，即（2）外补桥路补偿片的荷载效应为零，即第52页/共92页4 4、应变应力的测量应变应力的测量 根据被测对象的应力
46、状态，选择测点和布置应变片和根据被测对象的应力状态，选择测点和布置应变片和合理接桥是实测时应首先解决的问题。布片和接桥的一般合理接桥是实测时应首先解决的问题。布片和接桥的一般原则为：原则为：（1 1）首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应变）首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应变最大、最能反映其力学规律的点贴片；最大、最能反映其力学规律的点贴片；（2 2）利用结构的对称性布点，利用应变电桥的加减特性，）利用结构的对称性布点，利用应变电桥的加减特性，合理选择贴片位置、方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、合理选择贴片位置、方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、提高灵敏度、降低非线性误差和消
47、除其它影响因素的目的。提高灵敏度、降低非线性误差和消除其它影响因素的目的。（3 3）当测量荷载时，应尽量避开应力应变的非线性区贴）当测量荷载时，应尽量避开应力应变的非线性区贴片；片；（4 4）在应力已知的部位安排测点，以使测量时进行监视）在应力已知的部位安排测点，以使测量时进行监视和检查试验结果的可靠性。和检查试验结果的可靠性。第53页/共92页第54页/共92页第55页/共92页第56页/共92页第57页/共92页第58页/共92页第59页/共92页图4.5 半桥外补一片多补工作原理桥路示意图5、一片多补技术的工作原理第60页/共92页半桥桥路 全桥桥路6.应变仪半桥与全桥切换技术的工作原理
48、第61页/共92页注意：长导线电阻对应变测量的影响 当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低%以上，要按下式进行修正。第62页/共92页第63页/共92页 2.6 静态应变测量利用应变片测出的是构件上某一点处沿某一方向的线应变，必须经过应变应力换算才能得到主应力。不同的应力状态有不同的关系式。一、应变应力换算关系（一）已知主应力方向的单向应力状态构件在外力作用下，若被测点位单向应力状态，则主应力方向已知，只有主应力 值是一个未知量。此时可沿主应力 的方向贴一个应变片，测得应变 后，由单向应力胡克定律：E：被测构件材料的弹性模量。第64页/共92页（二）已知主应力方向的二向应力状态以受内
49、压作用的薄壁容器为例，如果测点的应力状态是已知主应力方向的二向应力状态，有主应力 值两个未知量，此时可沿主应力方向各贴一个应变片，与补偿片组成两个单臂半桥，分别测出两个主应变 和 ，再由广义胡克定律求得主应力：被测构件材料的泊松比第65页/共92页（三）未知主应力方向的二向应力状态对于薄壁筒受压力加扭转作用表面任一点应力状态如何呢？这种复杂受力状态，被测点两个主应力值未知，主应力方向也是未知的，即存在 三个未知量。从数学角度：需沿三个方向线应变，根据测得应变值换算成主应力值。第66页/共92页1、平面应变状态分析设从x，y方向取出被测点单元体，讨论应变发生在同一平面（xy平面）内的平面应变状态
50、。该单元体的应变可用线应变 和 来表示。研究中规定：1）伸长的线应变为正；2）使直角（如xoy角）增大的剪应变为正；3）角逆时针为正；4）新坐标系中沿x方向的线应变用 表示，剪 应变用 表示。第67页/共92页（1）确定 和设图中单元体的 和 均为正量，坐标系xoy逆时针旋转 角后，得到新坐标系 。讨论沿 方向的线应变 。由于是小变形，分别讨论 和 各自对 方向微分线段 长度变化的影响，再叠加起来。第68页/共92页得 的伸长量为：沿 方向的线应变为：把关系式 代入上式（a）第69页/共92页用类似方法求得 角的剪应变：是指直角 的角度改变量，若假设 方向微分线段的角度改变为若假设 方向微分线