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1、,第2章 电阻应变测试技术,SACE,熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握电阻应变的测量电路，以及如何应用电阻应变进行应力和应变测量。,本章主要内容,参考书：地下工程测试理论与监测技术第3章,本章主要内容,2-0 概述,2-1 电阻应变片,2-2 测量电路,2-3 应变（应力）测量,2-4 应变仪,2-0 概述,1电阻应变测量基本原理:电阻应变效应,电阻应变片：待测非电量应变值 电阻变化R 电阻应变仪：测量R 将应变片的 R U或 I 放大器 输出到显示和记录设备,本章主要内容,2-0 概述,2-1 电阻应变片,2-2 测量电路,2-3 应变（应力）测量,2-4 应变仪,电阻应变效应公式,2-1
2、电阻应变片,L,A,r,2-1 电阻应变片,理论分析 大应变时， K0通常不是常数； 但对于康铜等少数几种电阻丝而言， K0 基本为定值,因此它们可用于大应变（800010000）的量测。,金属材料对应变的敏感系数,2 构造：电阻丝 基底与覆盖层 引线,2-1 电阻应变片,2 构造 （1）电阻丝：敏感材料，关键性部分。 要求：电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小，压延性好。 材料：铜镍、镍铬、铁铬铝等高阻合金、半导体材料。 （2）基底与覆盖层：定位，传力，保护 要求：绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，热稳定，温度应变小。 材料：纸基、胶基、纸浸胶基 （3）引线：0.15-0.18
3、的镀锡（铱、银）软铜线。,2-1 电阻应变片,3 分类 (1)金属类 金属丝式应变片：丝绕式、短接式 0.01-0.05mm ，响应时间为10-7s， 散热效果差，许用电流低。 圆角线栅，横向效应大； 直角线栅，制作复杂。,2-1 电阻应变片,3 分类 箔式应变片 3- 10m厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷。 照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的一种传感器。横向效应小，散热好于丝式。 薄膜式应变片：800 厚度0.1m的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等特殊条件,2-1 电阻应变片,3 分类,2-1 电阻应变片,（2）半导体式应变片（压阻效应） 半导体材料，根据压阻效应制成。 灵敏
4、系数高，K100，可直接用万用表测 应变响应时间仅有10-11s 热稳性能差；大应变时，非线性较大。,3 分类 （3）应变花: 在一个基底上有几个按一定角度排列的敏感栅的应变片。 用于主应力方向未知条件测量。 自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （1）灵敏系数 单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之比值。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （2）横向效应 应变片这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,2-1 电阻应变片,敏感栅是由n条直线段和（
5、n1）个半径为r的半圆组成, 若该应变片承受轴向应力而产生轴向拉应变 时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到从 到 之间变化的应变，即从轴向拉应变过渡到横向压应变，会使应变片电阻减小。,4 应变片的参数和工作特性 （3）应变片的规格几何参数 应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积， l-栅长标距 b-栅宽 注意：尽量选用栅长大、 栅宽小的应变片。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （4）应变片电阻值:指应变片在未安装、不受外力、室温 条件下的电阻值。 单片阻值：单个应变片的标定电阻值。 标准名义阻值 ：人为规定的生产标准，为一定值，如120、240。一般应变仪是
6、按120应变片要求设计的。 平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如120 0.5%或1200.6。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （5）机械滞后量：恒温时，在加、卸载过程中对各个应力水平分别测得的指示应变量的最大差值。 产生原因:金属丝、粘贴剂、基底等的残余变形，在测试时尚未完全释放。 消除方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。如用于制造传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影响。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （6） 零漂、蠕变 零漂：不受力、温度均不变时，应变测量值依然产生变化。 产生原因：应变片受潮后，绝缘电阻降低，或通电后产生
7、的热电势造成的。 蠕变：恒温情况下，受恒定机械应变时，应变测值随时间而变化。 产生原因：胶层传递应变“滑动”。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （7）应变极限：应变片最大应变测量值。 一般规定：应变片显示的值与机械应变的相对误差达到规定标准（一般10%）时的机械应变即为应变极限。此时，认为应变片失去了工作能力。 （8）绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。 应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。 一般静态30M，动态50M。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （9）动态测量时的特性 疲劳寿命：应变片承受特定的交变荷载至破坏（脱片、断栅等）时的使用次数。通常
8、106107 频率响应：应变波由试件传递到应变片所需时间为动态频率响应时间，金属丝式为10-7s，半导体式为10-11s，可以认为应变片是基本没有惯性的。,2-1 电阻应变片,4 应变片的参数和工作特性 （10）应变片的许用电流:不影响工作特性的最大电流。 控制应变片的工作温度，以防烧毁，其具体数值由厂家提供。 一般丝式应变片许用电流为2025mA，测动态时可达75100mA。箔式应变片散热性能好，可达200mA以上。,2-1 电阻应变片,5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (1) 应变片选用： 1 工作环境 合适温度范围的应变片、地下工程中防潮特性好 2 被测物的材料性质 弹模高，基长小；粗晶
9、粒岩石或混凝土选用基长长 3 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，变化小选用基长大 4 按测量精度： 基底材料 ，考虑动态和静态电阻值要求,2-1 电阻应变片,5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (2)应变片粘结工艺： 1 应变片检查:外观检查、电阻值检查 2 表面处理:刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干,2-1 电阻应变片,5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (2)应变片粘结工艺： 3 贴片与固化:画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶,2-1 电阻应变片,5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (2)应变片粘结工艺： 4 粘贴质量检查:外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接
10、电阻应变仪检查 5 连接导线:导线固定、导线焊接,2-1 电阻应变片,5 应变片的选用与应变片粘结工艺 (2)应变片粘结工艺： 6 防潮处理:凡士林、石蜡等,2-1 电阻应变片,本章主要内容,2-0 概述,2-1 电阻应变片,2-2 测量电路,2-3 应变（应力）测量,2-4 应变仪,2-2 测量电路,1 定义 实现二次转换；并构成电阻应变仪。 惠斯登电桥：以直流惠斯登电桥为例。,电桥平衡条件(输出为0)：,1）全等臂电桥,2-2 测量电路,2 电桥分析,单臂电桥：R1为工作片，受力变形，产生阻值增量 R，当 R R时，电压输出为：,R1=R2=R3=R4=R,1）全等臂电桥：全桥电路,2-2
11、 测量电路,2 电桥分析,R1=R2=R3=R4=R,2）输出对称电桥：,2-2 测量电路,2 电桥分析,R1=R2，R3=R4,3）电源对称电桥：,2-2 测量电路,2 电桥分析,R1=R4，R2=R3,相邻桥臂：应变极性相同，输出电压相减，应变极性相反，输出电压相加； 相对桥臂：与以上规律相反。,2-2 测量电路,重要结论：电桥的加减特性,电桥加减特性,电桥加减特性非常有用： 1）提高电桥灵敏度； 2）温度补偿； 3）复杂受力试件上测试某外力 因素引起的应变等。,2-2 测量电路,电桥测量电阻变化的方法 偏位法：电桥B、D输出端存在电压输出，根据检流计示数测读桥路中电阻变化（又称“偏转法”
12、、“不平衡电桥法”） 零位法：调节桥臂中非工作臂(位于仪器内部)的电阻，使输出电压为0，据调整的电阻差值，测读桥臂电阻变化。 注意： 零位法不受电源电压影响，精度高， 需二次平衡，只用于静态测试。 偏位法受电压影响，不需二次平衡， 可用于动态测试。,本章主要内容,3-0 概述,3-1 电阻应变片,3-2 测量电路,3-3 应变（应力）测量,3-4 应变仪,2-3应变（应力）测量,布片原则 测点：选择应力集中区和边界危险点，主应变最大，最能反映力学规律的点贴片； 电路：利用结构对称点，利用电桥的加减特性，合理选择贴片位置，方位和组桥方式，提高灵敏度，消除影响因素； 荷载测量：避开应力应变非线形区
13、贴片； 在已知应力部位安排测点，检验结果的可靠性。,1 布片和接桥方法,单桥（1/4桥）。 半桥（常用）：2个电阻应变片作为电桥邻臂，其余2个桥臂为应变仪电桥盒内无感电阻。 全桥（常用）。,2-3应变（应力）测量,2 温度补偿 1）应变片的温度效应：因环境温度变化引起的虚假应变。 电阻丝的电阻温度变化。 应变片与试件膨胀系数的不同造成的误差。 2）温度补偿 温度自补偿应变片，常用于中、高温；,2-3应变（应力）测量,2）温度补偿 桥路补偿法，用于常温下。,2-3应变（应力）测量,补偿块补偿法,工作片补偿法,2 温度补偿 （1）拉弯工作片补偿和补偿块补偿,2-3应变（应力）测量,2 温度补偿 （
14、2） 丁字片补偿,2-3应变（应力）测量,3 各种应力状态下的应力应变测量 （1）拉（压）弯联合作用下的应力应变测量 半桥四片补偿块补偿法测拉压,2-3应变（应力）测量,UBD,UAC,补偿块,工作片,3 各种应力状态下的应力应变测量 （1）单向应力状态下的应力应变测量 全桥四片测拉压,2-3应变（应力）测量,UBD,UAC,俯视图,R1,R2,R3,R4,R1,R2,R1,R2,R3,R4,课堂作业题,R1和R2为性能完全相同的两个应变片，R为与R1、R2阻值相同的无感电阻，一悬臂梁同时受拉力和弯矩作用，应变片按下图方式贴片。 （1）测拉力但不受弯矩影响如何连桥？ （2）测弯矩但不受拉力影响
15、如何连桥？ 要求：画出布片图和相应的电路图，给出拉应变或弯应变与 输出应变关系。,本章主要内容,2-0 概述,2-1 电阻应变片,2-2 测量电路,2-3 应变（应力）测量,2-4 应变仪,48,一、静态电阻应变仪 测量不随时间变化或变化非常缓慢的应变； 采用“零位(读)法”，桥路需要二次平衡； 可配自动平衡转换箱使用，拓展测点数量。,2-4 应变仪,49,二、动态电阻应变仪 测量动态应变(周期、非周期性变化)；,2-4 应变仪,50,三、应变仪的电标定(内标定) 通过调整桥臂上电阻值模拟标准应变量。 四、电阻应变测试的缺点 平均应变，难以显示被测件应力梯度和分布情况； 贴片技术要求高；一般只能测被测件表面应变； 普通电阻应变片输出信号较小，强电磁场内易受干扰。 发展：向自动化、小型化、数字化、集成化方向发展，提高稳定性和抗干扰能力以及环境适应能力。,2-4 应变仪,51,电阻应变的测试原理及相关概念(灵敏度、横向效应)； 电阻应变片的结构、类型及基本技术指标； 惠斯登电桥的基本原理，电桥的加、减特性； 利用电桥的加减特性，在应力应变测试中合理地布片及组建桥路； 了解静、动态电阻应变仪原理，掌握使用方法(实验),本章回顾,