第三章結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試一、結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試原理及方法應(yīng)力測(cè)試原理：進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的測(cè)試，然后利用胡克定律，得到測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力；應(yīng)力測(cè)試方法：電測(cè)法、機(jī)測(cè)法、光測(cè)法。二、鋼弦傳感器測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變1、鋼弦傳感器結(jié)構(gòu)按布設(shè)位置分類：內(nèi)置鋼弦、表面鋼弦；按性能分類：智能鋼弦、普通鋼弦；表面鋼弦結(jié)構(gòu)：鋼弦、底座、引出線；內(nèi)置鋼弦結(jié)構(gòu)：鋼弦、引出線；2、鋼弦傳感器測(cè)試應(yīng)變?cè)礓撓覀鞲衅魇且环N間接測(cè)量?jī)x器，其測(cè)試原理是通過測(cè)試兩端固定鋼弦的頻率，通過事先標(biāo)定的鋼弦頻率與其應(yīng)變的關(guān)系值得到混凝土的應(yīng)變，再根據(jù)混凝土彈性模量換算出混凝土應(yīng)力。鋼弦式應(yīng)變傳感器工作原理是：在微幅振動(dòng)條件下，鋼弦的自振頻率與鋼弦應(yīng)力有如下關(guān)系：式中：f——鋼弦的自振頻率；

L——鋼弦的自由長(zhǎng)度；

σ——鋼弦應(yīng)力；

ρ——鋼弦的質(zhì)量密度。上式可變換為：

σ=k·f2

式中：k——常數(shù)。

從上式可發(fā)現(xiàn)，鋼弦應(yīng)力與其自振頻率的平方成正比，常數(shù)k可通過標(biāo)定求得。實(shí)用弦式應(yīng)變傳感器均經(jīng)過標(biāo)定得到應(yīng)變一頻率關(guān)系：式中：k、A——常數(shù)；

f0——初始頻率。3、利用鋼弦傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試算例

有一混凝土簡(jiǎn)支梁，跨度為3米，在跨中上、下翼緣各布置一表面鋼弦傳感器，混凝土彈性模量為2×104MPa，上翼緣鋼弦初始讀數(shù)為2000HZ、加載后讀數(shù)為1900HZ，下翼緣鋼弦初始讀數(shù)為2150HZ、加載后讀數(shù)為2200HZ，鋼弦系數(shù)K為0.0008937，試計(jì)算此時(shí)上、下翼緣混凝土應(yīng)力？解：由應(yīng)變?cè)隽抗溅?k(f22-f12)，上、下翼緣混凝土應(yīng)變?cè)隽糠謩e為：上翼緣：ε=k(f22-f12)=0.0008937×(19002-20002)=-448.5με下翼緣：ε=k(f22-f12)=0.0008937×(22002-21502)=154.4με根據(jù)胡克定律σ=ε·E，得到上下翼緣的應(yīng)力：上翼緣：σ=ε·E=-448.5×10-6×3.5×104=-15.7MPa上翼緣：σ=ε·E=154.4×10-6×3.5×104=5.4MPa答：上、下翼緣應(yīng)力增量分別為-15.7MPa、5.4MPa三、應(yīng)變片測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變1、應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類分類：紙基、膠基；規(guī)格：3×5mm、3×3mm、5×100mm、5×150mm等等；結(jié)構(gòu)：電阻絲絲柵、基底、覆蓋層、引出線、粘結(jié)劑；2、應(yīng)變片測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)黼娮钁?yīng)變片的工作原理是基于電阻絲具有應(yīng)變效應(yīng)，即電阻絲的電阻值隨其變形而發(fā)生改變(電阻應(yīng)變效應(yīng)）。由于應(yīng)變片和結(jié)構(gòu)粘貼在一起，當(dāng)結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，其長(zhǎng)度也會(huì)發(fā)生變化，從而引起應(yīng)變片電阻的變化，電阻變化會(huì)引起電路中電壓變化，通過測(cè)試儀器，可測(cè)得此電壓變化。電阻絲的橫截面為圓形，式中,D為電阻絲的直徑，由材料力學(xué)得知：軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的關(guān)系為：K0的物理含義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的相對(duì)電阻變化率。為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，一般在1.7-3.6間。一定范圍內(nèi)，應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變成正比。3、電阻應(yīng)變儀及測(cè)量電路（1）、電阻應(yīng)變儀由電阻應(yīng)變片的工作原理可知：當(dāng)K=2.0，被測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變?yōu)?0-3~10-6時(shí)，。這個(gè)信號(hào)很微弱，用量電器檢測(cè)很困難，要借助于放大器放大，而電阻應(yīng)變儀就是電阻應(yīng)變片的專用放大器及量電器。其主要組成為：振蕩器、測(cè)量電路、放大器、相敏檢波器、電源等部分組成。應(yīng)變儀的測(cè)量電路一般采用惠斯登電橋，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，并解決了溫度補(bǔ)償問題。進(jìn)行靜力測(cè)試的為靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試的為動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀；（2）、電橋原理惠斯登電橋：R1R2R3R4UUBDACBD在電阻應(yīng)變儀中，主要是通過惠斯登電橋原理來(lái)量測(cè)應(yīng)變所引起的電阻變化的微小信號(hào)。該電橋以R1、R2、R3、R4作為四個(gè)橋臂，如圖所示。橋路中R1與R2，R3與R4分別串聯(lián)，兩組并聯(lián)于AC兩端，在AC端接有電源，一般應(yīng)變電橋有兩種方案，一種是等臂電橋，即R1=R2=R3=R4；另一種為半等臂電橋，即R1=R2=R′,R3=R4=R″,且R′=R″。若將R1、R2、R3、R4看成四個(gè)應(yīng)變片，組成全橋接法，根據(jù)基爾霍夫定律可知：

BD間輸出電壓為UBD=UBC-UDC,即：Δ

由惠斯登電橋原理可知，當(dāng)電橋平衡（即ΔUBD=0）時(shí)，滿足以下條件：即：當(dāng)電橋接成1/4電橋時(shí)，即R1受到應(yīng)變后，阻值有微小增量ΔR1，這時(shí)電橋輸出電壓也有增量ΔUBD當(dāng)電橋接成全電橋時(shí)，即R1、R2、R3、R4受到應(yīng)變后，阻值有微小增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，這時(shí)電橋輸出電壓也有增量ΔUBD：在全等臂電橋情況下，即R1=R2=R3=R4=R；且應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K=K1=K2=K3=K4，則有：當(dāng)電橋?yàn)?/4橋臂時(shí)，

當(dāng)電橋?yàn)榘霕驎r(shí)，

當(dāng)電橋?yàn)槿珮蚪臃〞r(shí)

從上邊式子可以看出：電橋輸出電壓的增量ΔUBD與橋臂電阻變化率

或應(yīng)變?chǔ)懦烧壤?，輸出電壓與四個(gè)橋臂應(yīng)變的代數(shù)和成線性關(guān)系。由此可以看出電橋的增減特性，即相鄰兩橋臂的應(yīng)變輸出符號(hào)相反，相對(duì)橋臂的應(yīng)變輸出符號(hào)相同。利用這一特性，可以提高測(cè)量的靈敏度和解決溫度補(bǔ)償問題。橋路的不平衡輸出，與兩相對(duì)橋臂上應(yīng)變之和成線性，且與兩相鄰橋臂上應(yīng)變之差成線性，這種利用橋路的不平衡輸出進(jìn)行測(cè)量的電橋稱為不平衡電橋，屬于偏位測(cè)量法，適用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。（3）、平衡電橋R1為工作片，R2為溫度補(bǔ)償片，R3和R4由滑線電阻ac代替，觸點(diǎn)D平分ac。且使橋路R1=R2=R′，R3=R4=R″。根據(jù)惠斯登電橋，橋路處于平衡狀態(tài)時(shí)有：

當(dāng)構(gòu)件受力變形后，R1有微小變量ΔR1，此時(shí)橋路失去平衡調(diào)整觸點(diǎn)D使橋路重新恢復(fù)平衡新平衡的條件為：整理得：

即：由此可見，滑線電阻的變化量可用以度量工作電阻的應(yīng)變量，此法稱為零位測(cè)定法。用于靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。R1R2R3R4ΔrD4、應(yīng)變片溫度補(bǔ)償應(yīng)變片溫度效應(yīng)：用電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片除了能感受試件受力應(yīng)變外，由于環(huán)境溫度變化的影響，同樣也能通過應(yīng)變片的感受而引起電阻應(yīng)變儀指示部分的示值變動(dòng)，這種變動(dòng)稱為溫度效應(yīng)。產(chǎn)生溫度效應(yīng)的原因：溫度變化從兩個(gè)方面使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。第一是電阻絲溫度改變?chǔ)℃時(shí)，其電阻將會(huì)隨之改變?chǔ)t，即：式中：α絲——電阻絲的電阻溫度系數(shù)（1/℃）；第二是因?yàn)椴牧吓c應(yīng)變片電阻絲的線膨脹系數(shù)不相等，但二者又粘在一起，當(dāng)溫度改變?chǔ)℃時(shí)，引起附加電阻的變化，即：總的溫度應(yīng)變效應(yīng)為兩者之和。這種溫度效應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)變稱為“視應(yīng)變”。根據(jù)橋路原理有：當(dāng)應(yīng)變片的電阻絲為鎳鉻合金時(shí)，溫度變化1℃，將產(chǎn)生相當(dāng)于鋼材應(yīng)力為14.7N/mm2的示值，這個(gè)量不能忽視，必須加以消除。而消除溫度效應(yīng)的方法稱為溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：應(yīng)變片自補(bǔ)償法和橋路補(bǔ)償法。較常用的是橋路補(bǔ)償法。橋路補(bǔ)償法：利用電橋的加減特性，當(dāng)電橋的兩個(gè)相鄰橋臂的電阻相同時(shí)，反映在電橋輸出上起了相互抵消的作用。橋路補(bǔ)償又分溫度片補(bǔ)償和工作片補(bǔ)償法。溫度片補(bǔ)償法：在測(cè)量時(shí)，選一塊與被測(cè)材料相同的材料作為溫度補(bǔ)償塊，在它上面粘貼于工作應(yīng)變片同一類型、同一阻值、同一靈敏系數(shù)的應(yīng)變片，并使它處于與工作片相同的溫度梯度條件下，但不使其受力，然后將其接在與工作片相鄰的橋臂上，即可達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹1R2R3R4橋路溫度片補(bǔ)償R1為工作片粘貼在試件上，R2為溫度補(bǔ)償片粘貼在補(bǔ)償塊上，R3、R4為精密無(wú)感電阻，電阻變化為

由此可見，測(cè)量結(jié)果僅為測(cè)試對(duì)象受力后產(chǎn)生的應(yīng)變值，溫度變化對(duì)電橋輸出沒有影響，達(dá)到了溫度補(bǔ)償?shù)哪康?/p>

工作片補(bǔ)償法:測(cè)量時(shí)，如果在被測(cè)構(gòu)件上能找到應(yīng)變符號(hào)相反，比例關(guān)系已知、溫度條件相同的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，在這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)上各粘貼一個(gè)工作應(yīng)變片，例如在懸臂梁同一截面上下各粘貼一片接在相鄰橋臂上，在等臂條件下可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。R1R2R3R45、應(yīng)變片橋路聯(lián)結(jié)在荷載試驗(yàn)量測(cè)中，應(yīng)變片與電橋的連接有半橋與全橋兩種接線方法。（1）半橋式接線方