第4章结构试验测试技术

化，微分得到：
R LA
4.2 应变测量
dA 2 dD 2( dL) 2
AD
L
dR d (1 2) R
dL
L
常数
d
dR R
1 2


Ks
线性
dR R

Ks
dL L

Ks
Ks：表示单位应变引起的相对电阻变化，称金属丝灵
敏系数。越大，单位应变引起的电阻变化也越大。
1p 2 p
半桥互补桥路举例
i ip i (i 1,2,3,4)
r 1 2 0 0 1p 1 ( 2 p 2 ) 21por22 p
1p 2 p 3 p 4 p
r 1 2 3 4
3.光测法
§4-3 应变测量
五、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。
4.2 应变测量
采用如下表示电阻应变片的桥路的度数值，则：
r来自百度文库

4V0 KVi

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。
4.2 应变测量
4.2 应变测量
l
l
或
lim l
l
4.2 应变测量
图3.2.1 手持式应变仪
图3.2.2 自制应变测量装置 1-千分表 2-脚座 3-刚性杆
手持应变仪
百分表测量
4.2 应变测量
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。
4.2 应变测量
4.2 应变测量
4.2 应变测量
5.电阻应变仪工作原理
电阻应变片一同与被测结构变形时，采用一定的仪器 将电阻变化信号捕捉、转化为电压或电流的变化信号 ,并放大输出，推算结构的应变，其中能将电阻变化 信号转为电压或电流变化信号的仪器称为电阻应变仪 。
应变片
机械变形转化 为电阻变化
温度引起的附加变形的消除：
除温度产生的附加变形
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。
4.2 应变测量
温度补偿应变片法桥路连接示意
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。
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
4.1.3结构试验对仪器设备的使用要求
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。 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 应变测量
4.2.1电阻法
应变测量
应变量测一般是用应变计测出试件在一定长度范围 l （称为标 距）内的长度变化 l ，再计算出应变值 l / l 。测出的应变 值实际是标距范围内的平均应变。因此，对于应力梯度较大的结 构或混凝土等非匀质材料，都应注意应变计标距的选择。
混凝土结构，应变计的标距应大于2～3倍最大骨料粒径； 砖石结构，应变计的标距应大于4皮砖； 木结构试验时，一般要求应变计标距不小于20cm； 钢材等匀质材料，应变计标距可取小一些。
4.2 应变测量
丝栅式应变片
标距：0.2mm ~ 200mm
短接式应变片
箔式应变片
3μ m ~ 80μ m 的金属箔片
光刻腐蚀工艺
4.2 应变测量
4.电阻应变片的粘贴方法
1.检查和分选应变片； 2.粘贴表面测点准备； 3.贴片； 4.固化； 5.粘贴质量检查； 6.导线连接。 7.防潮处理。
4.2 应变测量
6.桥路组成类别
a.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
b.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
工作片 四分之一桥路
4.2 应变测量
单件式和集成式； 测力传感器；
5.按仪器仪表与结构的关系分： 位移传感器；
附着式与手持式； 应变计；
接触式与非接触式； 倾角传感器；
绝对式与相对式。 频率计；
6.按仪器仪表显示与记录的方式分： 测振传感器。
直读式与自动记录式； 模拟式和数字式。
4.1 概述
4.1.2仪器仪表的主要技术性能指标
（6）可在各种复杂环境下测量。
4.2 应变测量
1.电阻应变片的工作原理
电阻应变片的工作原理是利用金属导体的“应变
电阻效应”，即金属丝的电阻值随其机械变形而变化 的物理特性（图4-1）。
根据欧姆定律： R L
A
当金属丝受力而变形时，其长
度、截面面积和电阻率都将发生变 dR dL dA d
4.2 应变测量
4.2 应变测量
测量结构构件的内力 各截面应力分布 各截面应变分布 根据假定由表及里
本 构 关 系
可以测量的表面纤维的变形
测点位置应变片与纤维协同变形
问题转化为测量金属丝的电阻的变化
4.2 应变测量
由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，再有 受到弯头横向变形、胶层、基底等传递变形的影 响，所以应变片灵敏度系数K ，一般在标准应变 梁上由抽样标定测出，标定梁为纯弯梁或等强度 钢梁。
4.2 应变测量
4.2.1电阻法
（1）测量灵敏度和精度高。其最小应变读数为 1（微 应变，1 1106 ）在常温测量时精度可达1 ~ 2% 。 （2）测量范围广。可测1 ~ 20000。
（3）频率响应好。可测量静态到数十万赫的动态应变。 （4）应变片尺寸小，重量轻。 （5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。
位移简化测量
4.3 试验传感设备
图3.3.3电阻应变式位移传感器 1－测杆；2－弹簧；3－外壳； 4－刻度；5－电阻应变计；6－电缆
4.3 试验传感设备
位移传感器
1 1p 1 2 2 p 2 1p 2 p r 1 2 0 0 1p 1 ( 2 p 2 ) 21por22 p
4.3 试验传感设备 4.3.1荷载传感器
机械式荷载传感器
4.3 试验传感设备
4.3.1荷载传感器 电阻应变式荷载传感器
4.3 试验传感设备 4.3.2线位移传感器
机械式位移计 (百分表)
（千分表） （挠度计）
电阻应变式位移 传感器
必须标定 滑线电阻式位移 传感器
差动变压器式位移传感器
后使用
4.3 试验传感设备 4.3.2线位移传感器

R3 R3

R4 R4
Vi
微分并略去 高阶小量
如选择为同规格应变片，阻值相同，灵敏度系数相同，则有
V0

Vi 4

R1 R1

R2 R2

R3 R3

R4 R4


Vi 4
K (1
2

3
4)
输出电压变化与与四 个桥臂应变（阻值变 化率）的代数和成线 性关系。
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。
工作片 半桥桥路
工作片 全桥桥路
4.2 应变测量
7.温度补偿技术
由于温度引起的应变片附加变形：
非受力变形， 应消除
1.试件与应变片受温度影响而产生的变形 ；
2.试件材料与应变片的温度线膨胀系数不同桥因而臂桥相产路减的生输连的出接变）特形点，（。从相而邻消
c.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
d. 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，采用全桥桥路测量的
基尔霍夫定律：
V0

Vi

R1R3 R2R4
R1 R2 R3 R4
4.2 应变测量
假定，桥路四臂所接的电阻应变片的电阻阻值全部发生变化,其 值分别为 R1, R2, R3, R4 ，则桥路输出电压增量为：
V0

R1R2
R1 R2 2

R1 R1

R2 R2
4.1 概述
试件的外部作用：力、位移、温度、振动（输入数据）;
试件的反应：应力、应变、位移、裂缝、转角、速度、加速度 （输出数据）; 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设备仪器的分类 2.按仪器仪表的工作原理分：
dR K
R
应变仪
dR K 4V0
电阻变化转化为 R
Vi
易测的电压变化
4.2 应变测量
电阻应变仪采用的测量电路是惠斯登电桥（以下 简称桥路），能够把电阻变化信号转换为电压或电流 的变化信号，并使信号得以放大；桥路还可以解决测 量值的温度补偿问题。所以，桥路是试验工作中比较 理想的测试形式。
1.按功能和使用情况分： 传感器： 放大器： 显示、记录器： 分析仪器：
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
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；
4.1 概述
4.按功能种类： 3.按仪器仪表用途分：
(1p 1 ) (2 p 2 ) (3 p 3 ) (4 p 4 )
41p
全桥互补桥路举例
4.2 应变测量 8.一片多补技术的工作原理
4.2 应变测量
4.2.2其他方法测量应变
1.位移方法测量应变
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：
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。20%~80% 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。
4.2 应变测量
补偿桥路分类： 依据温度补偿片是否受力，补偿桥路可以分为：
（1）外补桥路，即补偿片不受力，称为温度补偿片； （2）互补桥路，即补偿片受力，亦为工作片。
工作片
温度补 偿片
工作片 半桥外部桥路
工作片 半桥外部桥路
4.2 应变测量
1 1p 1 2 2 p 2
dR K
R
此式用于应变片粘贴后的情形
4.2 应变测量
引出线
2.电阻应变片的构造
主要技术指标
1.电阻值（Ω ）：120、
350
2.规格： l b
影响测试性能。
3.灵敏系数K：
应变片的灵敏系数与应变仪的灵敏系 数设置相协调。
电阻栅
栅长
栅宽
4.2 应变测量
3.电阻应变片的种类
1.按敏感栅的种类划分 ：有箔式、丝绕式、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。