1、,第2章 電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù),SACE,熟悉電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及原理，掌握電阻應(yīng)變的測(cè)量電路，以及如何應(yīng)用電阻應(yīng)變進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量。,本章主要內(nèi)容,參考書：地下工程測(cè)試?yán)碚撆c監(jiān)測(cè)技術(shù)第3章,本章主要內(nèi)容,2-0 概述,2-1 電阻應(yīng)變片,2-2 測(cè)量電路,2-3 應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2-4 應(yīng)變儀,2-0 概述,1電阻應(yīng)變測(cè)量基本原理:電阻應(yīng)變效應(yīng),電阻應(yīng)變片：待測(cè)非電量應(yīng)變值 電阻變化R 電阻應(yīng)變儀：測(cè)量R 將應(yīng)變片的 R U或 I 放大器 輸出到顯示和記錄設(shè)備,本章主要內(nèi)容,2-0 概述,2-1 電阻應(yīng)變片,2-2 測(cè)量電路,2-3 應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2-4 應(yīng)變儀,電阻應(yīng)變效應(yīng)公式,2-1

2、電阻應(yīng)變片,L,A,r,2-1 電阻應(yīng)變片,理論分析 大應(yīng)變時(shí)， K0通常不是常數(shù)； 但對(duì)于康銅等少數(shù)幾種電阻絲而言， K0 基本為定值,因此它們可用于大應(yīng)變（800010000）的量測(cè)。,金屬材料對(duì)應(yīng)變的敏感系數(shù),2 構(gòu)造：電阻絲 基底與覆蓋層 引線,2-1 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、半導(dǎo)體材料。 （2）基底與覆蓋層：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：0.15-0.18

3、的鍍錫（銥、銀）軟銅線。,2-1 電阻應(yīng)變片,3 分類 (1)金屬類 金屬絲式應(yīng)變片：絲繞式、短接式 0.01-0.05mm ，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。,2-1 電阻應(yīng)變片,3 分類 箔式應(yīng)變片 3- 10m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。 薄膜式應(yīng)變片：800 厚度0.1m的金屬薄膜，真空電鍍制造，用于高溫等特殊條件,2-1 電阻應(yīng)變片,3 分類,2-1 電阻應(yīng)變片,（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

4、系數(shù)高，K100，可直接用萬用表測(cè) 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)，非線性較大。,3 分類 （3）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。 用于主應(yīng)力方向未知條件測(cè)量。 自補(bǔ)償應(yīng)變片：用于高低溫和溫差大的條件,2-1 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) 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(duì)變化與沿其縱向的應(yīng)變之比值。,2-1 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) 應(yīng)變片這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,2-1 電阻應(yīng)變片,敏感柵是由n條直線段和（

5、n1）個(gè)半徑為r的半圓組成, 若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生軸向拉應(yīng)變 時(shí), 則各直線段的電阻將增加, 但在半圓弧段則受到從 到 之間變化的應(yīng)變，即從軸向拉應(yīng)變過渡到橫向壓應(yīng)變，會(huì)使應(yīng)變片電阻減小。,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(zhǎng)寬之積， l-柵長(zhǎng)標(biāo)距 b-柵寬 注意：盡量選用柵長(zhǎng)大、 柵寬小的應(yīng)變片。,2-1 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: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：?jiǎn)蝹€(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120、240。一般應(yīng)變儀是

6、按120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1200.6。,2-1 電阻應(yīng)變片,4 應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性 （5）機(jī)械滯后量：恒溫時(shí)，在加、卸載過程中對(duì)各個(gè)應(yīng)力水平分別測(cè)得的指示應(yīng)變量的最大差值。 產(chǎn)生原因:金屬絲、粘貼劑、基底等的殘余變形，在測(cè)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。,2-1 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(cè)量值依然產(chǎn)生變化。 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

7、的熱電勢(shì)造成的。 蠕變：恒溫情況下，受恒定機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變測(cè)值隨時(shí)間而變化。 產(chǎn)生原因：膠層傳遞應(yīng)變“滑動(dòng)”。,2-1 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)變片最大應(yīng)變測(cè)量值。 一般規(guī)定：應(yīng)變片顯示的值與機(jī)械應(yīng)變的相對(duì)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。 （8）絕緣電阻：敏感柵及引線與被測(cè)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。 一般靜態(tài)30M，動(dòng)態(tài)50M。,2-1 電阻應(yīng)變片,4 應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性 （9）動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的特性 疲勞壽命：應(yīng)變片承受特定的交變荷載至破壞（脫片、斷柵等）時(shí)的使用次數(shù)。通常

8、106107 頻率響應(yīng)：應(yīng)變波由試件傳遞到應(yīng)變片所需時(shí)間為動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)時(shí)間，金屬絲式為10-7s，半導(dǎo)體式為10-11s，可以認(rèn)為應(yīng)變片是基本沒有慣性的。,2-1 電阻應(yīng)變片,4 應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性 （10）應(yīng)變片的許用電流:不影響工作特性的最大電流。 控制應(yīng)變片的工作溫度，以防燒毀，其具體數(shù)值由廠家提供。 一般絲式應(yīng)變片許用電流為2025mA，測(cè)動(dòng)態(tài)時(shí)可達(dá)75100mA。箔式應(yīng)變片散熱性能好，可達(dá)200mA以上。,2-1 電阻應(yīng)變片,5 應(yīng)變片的選用與應(yīng)變片粘結(jié)工藝 (1) 應(yīng)變片選用： 1 工作環(huán)境 合適溫度范圍的應(yīng)變片、地下工程中防潮特性好 2 被測(cè)物的材料性質(zhì) 彈模高，基長(zhǎng)小；粗晶

9、粒巖石或混凝土選用基長(zhǎng)長(zhǎng) 3 按被測(cè)試件受力狀態(tài)和應(yīng)變性質(zhì)：應(yīng)變花 變化大選用基長(zhǎng)小，變化小選用基長(zhǎng)大 4 按測(cè)量精度： 基底材料 ，考慮動(dòng)態(tài)和靜態(tài)電阻值要求,2-1 電阻應(yīng)變片,5 應(yīng)變片的選用與應(yīng)變片粘結(jié)工藝 (2)應(yīng)變片粘結(jié)工藝： 1 應(yīng)變片檢查:外觀檢查、電阻值檢查 2 表面處理:刮刀除銹、砂布打磨、脫脂棉擦洗、吹風(fēng)機(jī)烘干,2-1 電阻應(yīng)變片,5 應(yīng)變片的選用與應(yīng)變片粘結(jié)工藝 (2)應(yīng)變片粘結(jié)工藝： 3 貼片與固化:畫線、涂膠、用玻璃紙壓、調(diào)整、補(bǔ)膠,2-1 電阻應(yīng)變片,5 應(yīng)變片的選用與應(yīng)變片粘結(jié)工藝 (2)應(yīng)變片粘結(jié)工藝： 4 粘貼質(zhì)量檢查:外觀檢查、電阻值檢查、絕緣電阻檢查、連接

10、電阻應(yīng)變儀檢查 5 連接導(dǎo)線:導(dǎo)線固定、導(dǎo)線焊接,2-1 電阻應(yīng)變片,5 應(yīng)變片的選用與應(yīng)變片粘結(jié)工藝 (2)應(yīng)變片粘結(jié)工藝： 6 防潮處理:凡士林、石蠟等,2-1 電阻應(yīng)變片,本章主要內(nèi)容,2-0 概述,2-1 電阻應(yīng)變片,2-2 測(cè)量電路,2-3 應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2-4 應(yīng)變儀,2-2 測(cè)量電路,1 定義 實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換；并構(gòu)成電阻應(yīng)變儀。 惠斯登電橋：以直流惠斯登電橋?yàn)槔?電橋平衡條件(輸出為0)：,1）全等臂電橋,2-2 測(cè)量電路,2 電橋分析,單臂電橋：R1為工作片，受力變形，產(chǎn)生阻值增量 R，當(dāng) R R時(shí)，電壓輸出為：,R1=R2=R3=R4=R,1）全等臂電橋：全橋電路,2-2

11、 測(cè)量電路,2 電橋分析,R1=R2=R3=R4=R,2）輸出對(duì)稱電橋：,2-2 測(cè)量電路,2 電橋分析,R1=R2，R3=R4,3）電源對(duì)稱電橋：,2-2 測(cè)量電路,2 電橋分析,R1=R4，R2=R3,相鄰橋臂：應(yīng)變極性相同，輸出電壓相減，應(yīng)變極性相反，輸出電壓相加； 相對(duì)橋臂：與以上規(guī)律相反。,2-2 測(cè)量電路,重要結(jié)論：電橋的加減特性,電橋加減特性,電橋加減特性非常有用： 1）提高電橋靈敏度； 2）溫度補(bǔ)償； 3）復(fù)雜受力試件上測(cè)試某外力 因素引起的應(yīng)變等。,2-2 測(cè)量電路,電橋測(cè)量電阻變化的方法 偏位法：電橋B、D輸出端存在電壓輸出，根據(jù)檢流計(jì)示數(shù)測(cè)讀橋路中電阻變化（又稱“偏轉(zhuǎn)法”

12、、“不平衡電橋法”） 零位法：調(diào)節(jié)橋臂中非工作臂(位于儀器內(nèi)部)的電阻，使輸出電壓為0，據(jù)調(diào)整的電阻差值，測(cè)讀橋臂電阻變化。 注意： 零位法不受電源電壓影響，精度高， 需二次平衡，只用于靜態(tài)測(cè)試。 偏位法受電壓影響，不需二次平衡， 可用于動(dòng)態(tài)測(cè)試。,本章主要內(nèi)容,3-0 概述,3-1 電阻應(yīng)變片,3-2 測(cè)量電路,3-3 應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,3-4 應(yīng)變儀,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,布片原則 測(cè)點(diǎn)：選擇應(yīng)力集中區(qū)和邊界危險(xiǎn)點(diǎn)，主應(yīng)變最大，最能反映力學(xué)規(guī)律的點(diǎn)貼片； 電路：利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱點(diǎn)，利用電橋的加減特性，合理選擇貼片位置，方位和組橋方式，提高靈敏度，消除影響因素； 荷載測(cè)量：避開應(yīng)力應(yīng)變非線形區(qū)

13、貼片； 在已知應(yīng)力部位安排測(cè)點(diǎn)，檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性。,1 布片和接橋方法,單橋（1/4橋）。 半橋（常用）：2個(gè)電阻應(yīng)變片作為電橋鄰臂，其余2個(gè)橋臂為應(yīng)變儀電橋盒內(nèi)無感電阻。 全橋（常用）。,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2 溫度補(bǔ)償 1）應(yīng)變片的溫度效應(yīng)：因環(huán)境溫度變化引起的虛假應(yīng)變。 電阻絲的電阻溫度變化。 應(yīng)變片與試件膨脹系數(shù)的不同造成的誤差。 2）溫度補(bǔ)償 溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片，常用于中、高溫；,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2）溫度補(bǔ)償 橋路補(bǔ)償法，用于常溫下。,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,補(bǔ)償塊補(bǔ)償法,工作片補(bǔ)償法,2 溫度補(bǔ)償 （1）拉彎工作片補(bǔ)償和補(bǔ)償塊補(bǔ)償,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2 溫度補(bǔ)償 （

14、2） 丁字片補(bǔ)償,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,3 各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量 （1）拉（壓）彎聯(lián)合作用下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量 半橋四片補(bǔ)償塊補(bǔ)償法測(cè)拉壓,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,UBD,UAC,補(bǔ)償塊,工作片,3 各種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量 （1）單向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量 全橋四片測(cè)拉壓,2-3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,UBD,UAC,俯視圖,R1,R2,R3,R4,R1,R2,R1,R2,R3,R4,課堂作業(yè)題,R1和R2為性能完全相同的兩個(gè)應(yīng)變片，R為與R1、R2阻值相同的無感電阻，一懸臂梁同時(shí)受拉力和彎矩作用，應(yīng)變片按下圖方式貼片。 （1）測(cè)拉力但不受彎矩影響如何連橋？ （2）測(cè)彎矩但不受拉力影響如何連橋？ 要求：畫出布片圖和相應(yīng)的電路圖，給出拉應(yīng)變或彎應(yīng)變與 輸出應(yīng)變關(guān)系。,本章主要內(nèi)容,2-0 概述,2-1 電阻應(yīng)變片,2-2 測(cè)量電路,2-3 應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)量,2-4 應(yīng)變儀,48,一、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢的應(yīng)變； 采用“零位(讀)法”，橋路需要二次平衡； 可配自動(dòng)平衡轉(zhuǎn)換箱使用，拓展測(cè)點(diǎn)數(shù)量。,2-4 應(yīng)變儀,49,二、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀 測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變(周期、非周期性變化)；,2-4 應(yīng)變儀,50,三、應(yīng)變儀的電標(biāo)定(內(nèi)標(biāo)定) 通過調(diào)整橋臂上電阻值模擬標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變量。 四、電阻應(yīng)變測(cè)試的缺點(diǎn) 平均應(yīng)變，難以顯示被測(cè)件應(yīng)力梯度和分