第4章 试验量测技术

4.2 应变量测
四川建築職 業技術學院
【灵敏度】
【标距长度】 【阻值】
4.2 应变量测
4.电阻应变片的分类.
1.按敏感栅的种类划分 ：有箔式、丝绕式（常用）、半 导体等； 2.按基底材料划分：有纸基、胶基等； 3.按使用极限温度划分：有低温、常温、高温等； 4.按敏感栅形状分：单轴与多轴。
4.2 应变量测 常见的丝式应变片：
4R 2
4.2 应变量测
温度补偿的要求：
（1）同一批应变片，规格相同 标距相同，且K1=K2 ； （2）电阻值之差小于0.5 Ω， 避免有初读数； （3）粘贴在同一种材料和同一 温度场中。
4.2 应变量测 3.桥路的种类
（1）等臂桥路：指四个桥臂电阻值相 等的电桥桥路。电桥平衡，输出电压 为零。不能测应变，可以测电阻阻值
6.信噪比：仪器测得的信号中信号与噪声的比值，单位为杜比 （dB），信噪比越大，测试效果越好。 7.稳定性：仪器受环境条件干扰影响后其指示值的稳定程度。
4.1 概述 4.1.3 结构试验对仪器仪表的使用要求
1.测量仪器不应该影响结构的工作；要求仪器自重轻、尺寸小， 尤其是对模型结构试验，还要考虑仪器的附加质量和仪器对结构 的作用力。
4.2 应变量测
全桥
UO

1 4UiK
1
2
3
4


4Ui 4
KM
桥臂放大系数为4，此时从应变仪 上得到的应变读数为单贴一片时的 4倍，说明灵敏度提高了4倍。
4.2 应变量测 4.2.4 其他方法量测应变
1.位移方法量测
应变的定义是单位长度上的变形（拉伸、压缩和剪切），在 结构试验中，可以用两点之间的相对位移来近似地表示两点之间 的平均应变。设两点之间的距离为L（称为标距），被测物体产 生变形后，两点之间有相对位移，则在标距内的平均应变为：
R1 R1 R1 R1 R2
Ui
R4 R3 R4

Ui
R1

R2 R4
R2 R3

R4


R1 R1
4.2 应变量测
如果AB桥路上接的是应变片： 则有：
UO
Ui
R1

R2 R4
R2 R3

R4


R1 R1
=Ui

R1

R2 R4
R2 R3
4.2 应变量测
桥路应用举例 例如：矩形截面简支梁跨中受拉边缘的应变测量。 1/4桥
UO

Ui 4
K
M
T
T


Ui 4
KM
桥臂放大系数为1，输出电压没有放大，
实测应变与受拉边缘的拉应变相同。
4.2 应变量测
半桥
UO

2Ui 4
KM
桥臂放大系数为2，输出电压放大2 倍，即将受拉边缘的拉应变放大了 2倍。
R LA

dL
L
dR R

K0
K0
单丝敏感度 度系数
4.2 应变量测
主要原因如下：
1.敏感栅几何形状的改变、粘胶、基底的影响；
2.金属丝绕成栅状后存在横向效应。 电阻应变片的灵敏度系数可以写成：
dR K R
4.2 应变量测 2.电阻应变片的基本构造.
栅宽
栅长
敏感栅：将金属或者半导体材料制成的电阻丝排列成栅状，并 用胶粘剂固定在底基上。 底基和覆盖层：起保护和定位敏感栅的作用，并使电阻丝与被 测试件绝缘。常用的底基和覆盖层有纸质和塑料胶基两种。 引出线：将电阻应变片焊接与应变测量电桥。
l 或 lim l
l
l
4.2 应变量测
2.频率法
钢弦式钢筋应变计是将一根金属丝(弦)两端固定然后张拉， 金属丝内部将产生一定的张力，此时金属丝的固有振动频率与其 内部张力就具有一定的定量关系。通过测量钢丝弦固有频率的变 化，就可以测出外界应变的变化，振弦式应变传感器就是根据这 一原理制作而成的。
第4章 试验量测技术
结构试验的量测技术是指通过一定的量测仪器或者手段， 直接或间接的取得结构性能变化的定量数据。只有取得了可 靠的数据，才能对结构性能做出准确的结论，达到实验的目 的。
4.1 概述 1.试件的外部作用
力、位移、温度、振动。（输入数据）
2.试件的反应
应力、应变、位移、裂缝、转角、速度、加速度。（输出数据）
力传感器 激光位移传感器
4.1 概述 4.按功能种类
单件式 集成式
5.按仪器仪表与结构的关系
附着式与手持式 接触式与非接触式 绝对式与相对式
6.按仪器仪表显示与记录的方式
直读式与自动记录式 模拟式和数字式
直读式（百分表） 自动记录式（加速度传感器）
4.1 概述
4.1.2 仪器仪表的主要技术性能指标
精确度高的仪表意味着随机误差和系统误差都很小。常以最大量程时 的相对误差来表示精度，并以此来确定仪器的精度等级。例如，一台精度 为0.2级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量程的±0.2％ 。
4.1 概述
5.滞后量：当输入由小增大或者由大减小时，对于同一个输入 将得到大小不同的输出量，滞后量越小越好。
位移、速度、加速度传感器
数据采集系统
4.1 概述 2.按仪器仪表的工作原理
机械式仪器； 电测仪器； 光学测量仪器； 复合式仪器； 伺服式仪器：带有控制功能仪器
机械式仪器（百分表）
电测仪器（电阻应变片）
光学仪器（激光位移传感器）
4.1 概述 3.按仪器仪表的用途
测力传感器； 位移传感器； 应变计； 倾角传感器； 频率计； 测振传感器。
4.2 应变量测
4.2 应变量测
4.2 应变量测 4.2.3 电阻应变仪
思考：在土木工程中试件变形能在应变片电阻丝中 产生多大的电阻变化?
4.2 应变量测
应变仪由振荡器、测量电路、放大器、相敏检波器和电源组 成。 应变仪可以分为静态和动态2种： 静态应变仪：测量的信号与时间有关。 动态应变仪：测量的信号与时间无关。

2

4.2 应变量测
UO
=
1 4
Ui
K
1


2

3


4

根据上式可知：4个桥臂都在工作时，输出电压和4个桥臂的
电阻应变率有关，应变仪的总读数应变为：
=
4UO KUi
1 2
3
4
桥路特点：邻臂电阻阻值变化的符号相反，成相减输出；对臂符 号相同，成相加输出。所以桥路中电阻阻值变化的组合不同，其 构成桥路读数值的特点就不同，可构成不同类别的桥路。
非受力变形， 应消除
2.试件材料与应变片的温度线膨胀系数不同而产生的变形 。
4.2 应变量测
温度引起的附加变形的消除：
根据桥路的的特性，相邻桥臂相减输出，当两个规格相 同的应变片粘界在同样材料的表面，感受同样的温度，在桥路 中相邻连接时，温度引起的应变将自动消除，我们称温度补偿。
因桥路的连接特点（相邻桥臂 相减输出） ，从而消除温度 产生的附加变形
2.测量仪器具有合适的灵敏度、量程和精度。
3.安装使用方便，稳定性和重复性好。
4.价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。
5.在达到上述要求条件下，尽量要求多功能，多用途，以适应多 方面的需要。
4.2 应变量测
4.2.1 电阻应变计 1.电阻应变计的工作原理.
电阻应变计简称应变片，利用应变片测量应变是基于电 阻丝长度的变化会引起阻值的变化。根据物理中电阻的计算 公式：
4.2 应变量测 2.温度补偿技术
大家知道，结构或者构件在荷载作用下会发生 变形，但温度变化同样会使结构或者构件产生变形， 而应变片测得的应变是荷载和温度共同作用下的总 变形，实际我问只关注荷载单独作用下的应变，那 么怎样才能得到荷载产生的应变呢？
由于温度引起的变形叫做附加变形： 1.试件与应变片受温度影响而产生的变形 ；
（4）全桥桥路：在四肢桥臂中，桥臂电 阻全部（且必须全部）是外接电阻应变 片的桥路称为全桥桥路。全桥桥路中没 有无感电阻。能实现温度补偿，读数值 精度高，数据可靠。所以在各类传感器 中多采用全桥测量桥路。
半桥桥路 1/4桥路
4.2 应变量测 4.常用的桥路
4.2 应变量测
4.2 应变量测
4.2 应变量测
4.2 应变量测
温度补偿应变片法桥路连接示意
半桥外部桥路
4.2 应变量测
于是有：
UO
Ui 4

R1
Rt1 R

Rt 2 R


Ui 4
R1 R
UiK 4
1
半桥互补桥路
UO

Ui 4

R1
Rt1 R

R2 R
Rt 2

Ui 2R Ui K
4.2 应变量测
dR

R

d

R L
dL+
R dA A

L d
A

dL
A
L
A2
dA
dR d dL dA R LA
4.2 应变量测
dA A


4
2DdD
D2

2
dD D

2
dL L

2
4
dL
L
dR d
dR d dL dA d 1 2 或者 R = 1 2
1.刻度值：仪器的最小分度值，是指示或显示装置所能指示的 最小测量值，即每一最小刻度所表示的测量数值。
2.量程：仪器仪表可以测量的最大范围。一般要求测量数值在 20%~80%之间。 3.灵敏度：被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示值的大 小，即仪器仪表对被测物理量变化的反应能力或反应速度。
4.精确度：仪表指示值与被测真值的符合程度。
4.3 力的量测 1.机械式测力仪器
利用弹性元件的弹性变形与所受外力成一定比例关系而制成。
4.3 力的量测
2.电子式测力仪器——（电子测力计、负荷传感器、 荷载传感器）
弹性元件把被测力的变化转化为应变量的变化，再利 用应变片将其转换为电阻的变化。
4.4 位移和变形量测 4.4.1 位移量测 1.机械式仪表——接触式位移计
4.2 应变量测
3.光测法——光纤光栅应变计
分布式光纤传感系统原理是同时 利用光纤作为传感敏感元件和传输信 号介质，采用先进的OTDR技术，探测 出沿着光纤不同位置的温度和应变的 变化，实现真正分布式的测量。 应变 测量原理是基于Brillouin散射的分布 式温度和应变传感系统，它可以同时 测量温度和应变。
试验测试技术就是用各种方法，对这些数据进行测量和记录。
信号输入 数据采集
系统
信号输出 数据采集
结构测试过程
4.1 概述
4.1.1 仪器仪表的分类 1.按功能和使用情况
传感器： 放大器： 显示、记录器： 分析仪器： 数据采集仪：自动采集记录； 数据采集系统：可以实现以上 各功能的设备仪表综合系统。
（2）四分之一桥路：桥臂中，当且仅 当有一肢桥臂的电阻是外接的电阻应 变片，其阻值发生相应变化，而其余 桥臂采用无感电阻的桥路称1/4桥路。 不能实现温度补偿
等臂桥路 1/4桥路
4.2 应变量测
（3）半桥桥路：在四肢桥臂中，有两 肢相邻桥臂的电阻是外接电阻应变片， 其电阻阻值发生相应变化，而另外两肢 相邻桥臂的电阻是无感电阻的桥路称半 桥桥路。能实现温度补偿
4.2 应变量测
4.2.2 电阻应变片的粘贴技术
1.应变片的检查分选：检查有无汽包、霉斑、锈点，栅极是 否平直、整齐、均匀。 2.测点处理：测点应平整、无缺陷、无裂缝等。 3.应变片粘贴：测点上的十字中心线应与应变片上的标志对 准，胶层应尽量薄。 4.固化处理：胶的强度应达到要求。 5.粘贴质量检查：应变片应无气泡、粘贴牢固、方位准确， 无短路或者断路。 6.导线连接：引出线不与试件形成断路，焊点应牢固、圆滑、 丰满、无虚焊。 7.防潮防护：防止应变片受潮和破坏。

R4


K
4.2 应变量测
UO =Ui
R1

R2 R4
R2 R3

R4


R1 R1

R2 R2

R3 R3

R4 R4

如果4个应变片的规格相同的，则上式可以写成：
UO
=
1 4
U
i
K
1

2

3

4

对于半桥测量可以写成：
U
O
=
1 4
U
i
K

1

应变片
机械变形转化 为电阻变化
dR K 应变仪 dR K 4Uo
R
电阻变化转化为 R
易测的电压变化
Ui
4.2 应变量测
4.2.4 惠斯通电桥
1.惠斯通电桥基本理论
在前面的分析中已知，在土木工程中试件变形引起应变 片中金属丝阻值的变化很小，常规测量仪器很难准确测得， 解决本问题的方法——惠斯通电桥。
基尔霍夫定律：
UO U BA U DA
Ui
R1 R1 R2
Ui
R4 R3 R4

Ui

R1
R1R3 R2
R2R4
R3 R4

4.2 应变量测
由以上的分析得输出电压：
UO

Ui

R1
R1R3 R2
Fra Baidu bibliotek R2R4
R3
R4

UO
U BA
U DA
Ui