应变电测技术

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

小标距(3mm)应变片测局部受力、应力集中

各类电阻应变计

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

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

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

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

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

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

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

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

应变计粘贴示意图

钢筋应变片布置 砼表面应变片布置表面应变片防护处理

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

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

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

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

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

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

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

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

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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