应 变 电 测 技 术
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应 变 电 测 技 术. 重庆交通大学 道路与桥梁实验教学中心. 应变(应力)测试方法. 应变测量的目的 强度是评定结构性能重要指标,目前尚无可靠方法对应力进 行直接测量,而是通过测试材料应变,根据虎克定理 ( 或已知的 σ-ε 曲线 ) 换算应力 应变的定义 , 应变表示: 1×10 -6 , 1με=1×10 -6 。. 主要测试方法 应变电测法:应变计和应变仪(数据采集器) 位移法 振弦式应变计 光测法 光纤、光栅传感器. 混凝土结构内部钢筋应变计布置. 混凝土表面应变测试 斜拉桥锚拉板应力分布测试.

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应 变 电 测 技 术

重庆交通大学

道路与桥梁实验教学中心


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应变(应力)测试方法

  • 应变测量的目的

  • 强度是评定结构性能重要指标,目前尚无可靠方法对应力进

  • 行直接测量,而是通过测试材料应变,根据虎克定理(或已知的

  • σ-ε曲线)换算应力

  • 应变的定义

  • , 应变表示:1×10-6,1με=1×10-6。


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  • 主要测试方法

  • 应变电测法:应变计和应变仪(数据采集器)

  • 位移法

  • 振弦式应变计

  • 光测法

  • 光纤、光栅传感器

混凝土结构内部钢筋应变计布置

混凝土表面应变测试 斜拉桥锚拉板应力分布测试


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  • 应变电测法主要优点

  • 可制成应变式测力、位移、转角、

    加速度传感器,设备一机多用

  • 分辨率高,量程大,精度高

  • 频率范围宽,动态响应好

  • 尺寸小,可以测试应力集中;重量

    轻,不影响对象工作性能

  • 应变计成本低,容易实施多点测量

应变电测法用于桥梁荷载试验

  • 应变电测法缺点

  • 一般只能测定表面应变,砼构件可测定内部应变

  • 受温度影响大,长时间应变测量精度低

  • 属弱电设备,容易受各类电磁干扰影响


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  • 光测法

  • 又称光测弹性力学法,简称光弹性法,是一种光学和力学结合进

    行应力分析的实验技术,适用模型材料有环氧树脂、有机玻璃等

  • 光测法优点

  • 全场测量,可以了解结构受力全貌、应力集中、接触应力等

  • 灵敏度高

  • 直观,如显示应力云图,有利研究结构应力集中、缺陷等问题

  • 可以进行无损检测

  • 可以进行三维应力分析

结构应力云图


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  • 应变机械测量法

  • 应变机械测量法特点

  • 设备成本低

  • 操作简单

  • 稳定性好

  • 大标距测量,只能测试区段平均应变

  • 分辨率较低

  • 有一定重量和体积,不适用小型结构应力测试

机械式千分表测量应变原理图


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  • 振弦式应变计

  • 振弦式应变计法特点

  • 长期测试稳定性好

  • 受环境影响相对较小

  • 广泛采用网络数据传输技术

  • 广泛应用于桥梁、大坝等施工、营运监测

  • 装配式振弦传感器可用于桥梁荷载试验,稳定性好

  • 分辨率高,但量程相对较小

  • 成本较高

振弦式应变计配套采集器


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电阻应变计应变测试原理

  • 电阻应变计的工作原理

  • 应变的概念

  • 应变的定义:

  • 应变的单位: 1×10-6,1με=1×10-6

  • 应变测量目的:反映结构应力-应变关系,根据虎克定理,换算应力

    目前尚缺乏直接测试应力的可行方法

  • 应变电测设备组成

  • 应变计、应变仪、计算计采集处理软件


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  • 应变电测设备与信号流程

TDS-602多功能应变采集器

UCAM-70A-10多功能应变采集器

YE2539高速静态应变仪


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  • 应变电测设备与信号流程

系统感知部分,实现

输入信号到电量转换

对传感器输出进行放

大等处理,便于采集

信号采集、显示、

存储,类分析处理

  • 电测传感器

  • 利用电子、电磁学原理,将输入信号(非电量)转换为便于放

    大、处理或记录的电信号(如u、I、R、L、C、Ф、Q)

  • 应变计是一种将应变转换为电阻变化的电测传感器

  • 传感元件是类似电阻丝的导体, 随几何尺寸变化其电阻也变化


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  • 电阻应变计原理

  • 基于电阻应变效应

    导体或半导体在机械变形时(伸长或缩短),其电阻值随变形而

    发生变化,这一物理现象称为“电阻应变效应”

    可以用下式表示:

  • 应变电测信号转换

  • 应变计粘贴在结构表面上

  • 结构变形,根据电阻应变效应,应变计电阻值发生变化

  • 通过应变仪测量电桥,将电阻变化信号进行放大处理

  • 应变仪显示与电阻变化成正比的应变值

  • 电阻应变效应 的推导

  • K值的含义:反映应变计电阻应变效应显著程度的指标

    厂方提供,也可自行标定。金属应变计K=2.0~2.5,半导体约为50


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  • 电阻应变计的构造

  • 应变计组成

    由敏感丝栅、基地、覆盖层、引出线组成,其中敏感丝栅为感知

    器件,通常用康铜合金制成

  • 敏感丝栅

  • 作 用:敏感元件,将应变转换为电阻变化

  • 常用材料:金属,如康铜合金,半导体温度系数大,应用不多

  • 工 艺:丝式盘绕(已淘汰),照相光刻(箔式,目前常用)

BX120-80AA应变计

丝式电阻应变计的构造


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  • 电阻应变计的构造

  • 基底

  • 作用:固定敏感元件,并使敏感丝栅与构件绝缘

  • 材料:胶基(强度高,散热较差),纸基(强度底,散热较好)

  • 要求:一定的强度、化学性能问题、电绝缘效果好

  • 引出线:用于焊接应变计与应变仪的连线电缆

  • 覆盖层:固定敏感丝栅形状,防止应变计机械损伤

连接应变计的线缆


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  • 电阻应变计分类

  • 敏感丝栅的形状:丝式盘绕、短接式、箔式

  • 敏感丝栅的材料:金属、半导体

  • 单轴/多轴:单轴、多轴(应变花)

  • 环境适用;高温、中温、常温、低温

  • 测试对象的不同:大标距(平均应变)、小标距(应力集中)

    应变花种类 应变花砼梁端平面应变测试

大标距混凝土表面应变计


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小标距(3mm)应变片测局部受力、应力集中


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各类电阻应变计


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  • 电阻应变计工作特性

  • 电阻值

  • 灵敏系数,式中 的K值

  • 横向灵敏系数,一般处于0.1%~5%之间

  • 机械滞后

  • 时间零点漂移和蠕变

  • 应变极限(与量程有关)

  • 疲劳寿命

  • 绝缘电阻

  • 温度特性:

  • 最大工作电流

  • 几何尺寸


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  • 电阻应变计的选用

  • 标距:对于匀质材料,选用3~5mm标距;对非匀质材料,选用大标

    距应变片,如混凝土结构,要求满足L≥4φ,构件较小、应力梯度大、应力集中的采用小标距

  • 阻值:常用为120Ω,同一次试验的阻值要相同

  • 灵敏系数:同一次试验的灵敏系数相同

  • 单向应变测试选用单轴片,平面应变测试选用应变花

  • 敏感栅材料:金属(康铜合金)

  • 基底材料:有机玻璃构件采用纸基,金属结构采用胶基

  • 其它考虑:环境条件量程、精度等级、基底材料、稳定性


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  • 电阻应变仪以及测量电路

  • 应变仪主要指标

  • 通道数

  • 量程

  • 计算功能

  • 监测功能

  • 应变仪作用

  • 应变计专用配套仪器、信号转换放大、桥路组合、多点巡回

  • 测量。分动态和静态应变仪两者种

  • 应变仪的组成

  • 多点接线装置

  • 测量电桥

  • 放大线路

  • 软件系统


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  • 测量电桥

  • 作用:将电阻变化转化为电压,便于放大和处理,根据需

  • 要进行桥路组合

  • 应变仪测量电桥 应变仪测点接驳装置


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  • 测量电桥及输出特性

  • 应变片将应变转换为电阻变化

  • 电桥将各桥臂电阻变化转化为电压

  • 应变仪输出与应变成正比信号

  • 测量电桥的输出特性

    相邻桥臂符号相反,输出呈相减性;相对桥臂符号相同,输出

    呈相加性

  • 电桥平衡条件

    满足R1/R4=R2/R3,即R1*R3=R2*R4时,ΔU=0, ε=0


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  • 桥路组合方式(以等截面矩型悬臂梁为例)

  • 1/4桥接法

    R1外接应变片, R2、R3、R4机内电阻

R1 P

1/4桥 ε显示= ε实际

  • 半桥

    R1、R2外接应变片,R3、R4机内电阻

    R1 P

    R2

    1/2桥 ε显示= 2ε实际


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  • 全桥

    R1、R2、R3、R4均为外接应变片

    R1 R3 P

    R2 R4

    全桥 ε显示= 4ε实际


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电阻应变计和应变仪的应用技术

  • 应变片粘贴技术

  • 粘贴工艺环节是应变测试的主要误差来源

  • 粘贴工艺基本要求

    定位准确、粘贴牢固、焊接可靠、绝缘满足要求、防潮(水)防损伤措施得当

  • 粘贴方法和程序

  • 应变片的筛选

  • 构件表面处理

  • 贴片

  • 固化

  • 导线焊接与固定

  • 粘贴质量检查


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应变计粘贴示意图


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钢筋应变片布置 砼表面应变片布置

表面应变片防护处理


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  • 温度补偿技术

  • 温度补偿目的

    消除温度变化对应变测试结果的影响

    式中:α丝——应变片温度系数

    Δt——温度变化值

    β构——构件线膨胀系数

    β丝——构件线膨胀系数

    K——应变片灵敏系数

  • 补偿原理

    用测量电桥的输出的加、减特性,抵偿温度影响

  • 补偿方法

  • 专用温度补偿片

  • 工作片互补


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  • 要达到理想补偿效果,应满足以下条件:

  • 工作片与补偿片同规格

  • 补偿件与被测结构同材料

  • 补偿片和工作片的连接线缆同规格

  • 补偿片与工作片同温度场

1/2桥专用温度片补偿接法图例


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  • 应变仪主要操作内容

  • 测试线缆连接以及接桥(桥路组合)

  • 测试参数设置:灵敏系数、桥路模式、换算系数、计算功能

  • 调零(平衡)

  • 加载测试

  • 卸载测试


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  • 应变测试的误差控制

  • 贴片质量有保证

  • 仪器性能良好

  • 测试参数设置正确

  • 回路接触电阻稳定

  • 连接线缆布置规范

  • 供电电压稳定、接地良好

  • 适宜的试验环境

  • 尽量避免或抑制外界电磁干扰


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电阻应变计电测技术的扩展和应用

  • 根据应变仪测量电桥原理,任何可转换为电阻变化的传感

    器均可以与应变配套测试

  • 应变仪是桥梁结构检测最常用设备,与应变式传感器配套

    进行以下参量的检测:

  • 结构挠度、位移

  • 结构转角

  • 荷载

  • 裂缝的捕捉

  • 裂缝宽度增量

  • 振动加速度


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  • 应变式位移传感器

  • 机电百分表

  • 测试原理

    结构位移→测杆使悬臂梁变形→应变片将梁的变形转换为电阻变化

    →测量电桥转换→应变仪处理输出应变→由应变换算位移(ε=kf )

  • 应用

    位移、挠度测试

    裂缝宽度增量测试

    转角测试

机电百分表 机电百分表电测部分原理图


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  • 滑线电阻丝位移计

滑线电阻丝位移计 滑线电阻丝位移计原理图

  • 测试原理

  • 应用,同机电百分表

  • 主要指标


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  • 应变式测力传感器

  • 原理

  • 荷载作用于传感器→弹性体变形→应变片应变效应

  • → 测量电桥将电阻变化转换为电压→应变仪放大输出应变→根据应变

  • 与荷载的关系换算力值P=σs=EεS

  • 应用

  • 荷载测试

  • 加载控制

应变式测力传感器 应变式测力传感器原理图 现场试验荷载测试


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  • 应变式加速度传感器

  • 原理

  • 基于电阻应变效应和牛顿第二定律(F=ma)

  • 特点

  • 低频特性好、与动态应变仪配套、灵敏度较低,不适用冲击、随机振动试验

  • 应用

  • 结构自振特性、行车动力响应等检测

应变式加速度传感器 应变式加速度传感器构造图


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