土木工程測試學(xué)電阻應(yīng)變測量技術(shù)

§3-0概述基本原理利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，將應(yīng)變片貼在被測物體上，會隨被測物體的變形而拉長或收縮，從而改變電阻值，反映被測物體應(yīng)變的大小。待測非電量ε電阻變化△R應(yīng)變值ε①感受應(yīng)變：ε△R②測量△R：應(yīng)變儀將應(yīng)變片的△R→△U或△I，惠斯頓電橋放大器輸出應(yīng)變值11工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)以絲式應(yīng)變片為例§3-1電阻應(yīng)變片2§3-1電阻應(yīng)變片理論推導(dǎo)分析大應(yīng)變時dρ/ρ/ε，通常不是常數(shù)；但對于康銅等少數(shù)幾種電阻絲而言，dρ/ρ/ε基本為定值,因此它們可用于大應(yīng)變（≥8000~10000με）的量測，可以滿足一般工程中應(yīng)變測試的要求。半導(dǎo)體的dρ/ρ/ε通常>100實際情形電阻絲端頭橫向變形基底傳遞變形的影響電阻應(yīng)變片的實際靈敏度K≤KS。實際工作中一般采用標(biāo)定的方法確定應(yīng)變片的靈敏度。3§3-1電阻應(yīng)變片例題：等強(qiáng)度梁靜態(tài)應(yīng)變測試采用等強(qiáng)度鋼梁，鋼梁的μ=0.285，L=150mm,室溫、單向受力狀態(tài)，應(yīng)變片絲柵方向與最大主應(yīng)變方向一致，采用砝碼在梁一端施加作用力P=0.1KN，測得撓度為1.5mm，實測量得電阻由120Ω變?yōu)?20.12Ω，求得應(yīng)變片的實際靈敏度K。梁高h(yuǎn)=5mm梁長L=150mmP⑴△R/R:△R/R=（120.12-120）/120=0.001⑵ε:σ=Eε=Mh/2I (1)f=-ML2/3EI(2)(1)/(2):ε=-hf/L2=0.0005⑶K:K=△R/R/ε=24§3-1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。（2）基底與覆蓋層：作用：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）引線與接線端子：Φ0.15-0.18的鍍錫（銥、銀）軟銅線。電阻絲引線

基底覆蓋層正視圖側(cè)視圖接線端子5§3-1電阻應(yīng)變片3分類(1)金屬類①金屬絲式應(yīng)變片。絲繞式、短接式Φ0.01-0.03mm，響應(yīng)時間為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。6§3-1電阻應(yīng)變片3分類(1)金屬類②箔式應(yīng)變片3-10μm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。③薄膜式應(yīng)變片：800℃厚度≤0.1μm的金屬薄膜，真空電鍍制造，用于高溫等特殊條件7§3-1電阻應(yīng)變片3分類（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。靈敏系數(shù)高，K>100，可直接用萬用表測出現(xiàn)于50年代中期應(yīng)變響應(yīng)時間僅有10-11s熱穩(wěn)性能差；大應(yīng)變時，非線形較大，多用于測量500以下的小應(yīng)變。8§3-1電阻應(yīng)變片3分類（3）應(yīng)變花應(yīng)變花：在一個基底上有幾個按一定角度排列的敏感柵的應(yīng)變片。測量主應(yīng)力方向未知條件下平面應(yīng)力狀態(tài)。自補償應(yīng)變片：用于高低溫和溫差大的條件9§3-1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)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，應(yīng)變片電阻值的相對變化與沿其縱向的應(yīng)變之比值電阻絲端頭橫向變形，電阻應(yīng)變片的實際靈敏度K≤K0。實際工作中一般采用標(biāo)定的方法確定應(yīng)變片的靈敏度。10§3-1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)由于橫向應(yīng)變使得應(yīng)變片的總電阻變化量減小的現(xiàn)象，降低靈敏度，稱橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)用橫向效應(yīng)系數(shù)描述H。橫向應(yīng)變H通過實際測定，一般較小，只有高精度測量才考慮修正。在同一單向應(yīng)變中，垂直與單向應(yīng)變粘貼的應(yīng)變片與平行與單向應(yīng)變方向的同批應(yīng)變片的指示的應(yīng)變之比值（用百分?jǐn)?shù)表示）。問題：H不能通過計算得到嗎？11§3-1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)的影響不考慮H考慮H：實測的靈敏度K設(shè)此時測點的真實應(yīng)變?yōu)棣舩、εy，實測應(yīng)變?yōu)棣拧痻、，由式2、3得。相對誤差為12§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性例：單向受力條件橫向效應(yīng)誤差估計單向應(yīng)力狀態(tài)下：εy=-μεx 設(shè)H=0.03平面受力條件橫向效應(yīng)誤差估計雙向受壓的混凝土梁，設(shè)：εx/εy=1，H=0.03，求橫向效應(yīng)。解：13§3-1電阻應(yīng)變片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)變片敏感柵長寬之積，S=L*b。L-柵長標(biāo)距b-柵寬注意：盡量選用L大、b小的應(yīng)變片。電阻絲引線正視圖接線端子bL14§3-1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：單個應(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120Ω、240Ω。一般應(yīng)變儀是按120Ω應(yīng)變片要求設(shè)計的。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120±0.6Ω。15§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（5）機(jī)械滯后機(jī)械滯后：恒溫時，在加、卸載過程中對同一機(jī)械應(yīng)變分別測得的指示應(yīng)變間的最大差值。產(chǎn)生原因:金屬絲、粘貼計、基底等的殘余變形，在測試時尚未完全釋放。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。16§3-1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，應(yīng)變測量值依然產(chǎn)生變化。蠕變：受力、恒溫情況下，應(yīng)變測量值的變化。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片受潮后，絕緣電阻降低，或通電后產(chǎn)生的熱電勢造成的。17§3-1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)變極限：應(yīng)變片最大應(yīng)變測量值。一般確定：應(yīng)變片顯示的值與機(jī)械應(yīng)變的相對誤差達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（一般10%）時的機(jī)械應(yīng)變即為應(yīng)變極限。此時，認(rèn)為應(yīng)變片失去了工作能力。18§3-1電阻應(yīng)變片4應(yīng)變片的參數(shù)和工作特性（8）絕緣電阻敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。應(yīng)變片粘結(jié)層固化程度和是否受潮的標(biāo)志保證長時間的測量>50M歐,高精度測試>2M歐,一般19上次課的復(fù)習(xí)1電阻應(yīng)變片的概念和基本原理2電阻應(yīng)變片的構(gòu)造3電阻應(yīng)變片的分類4電阻應(yīng)變片的工作參數(shù)靈敏系數(shù)橫向效應(yīng)幾何參數(shù)電阻值機(jī)械滯后零漂蠕變應(yīng)變極限絕緣電阻20上次課程繁復(fù)習(xí)橫向效應(yīng)雅的影響不考慮H考慮H：實測的石靈敏度紛K設(shè)此時測福點的真實批應(yīng)變?yōu)棣舩、εy，實測應(yīng)謎變?yōu)棣拧痻、，由修式2、淋3得。相對誤理差為21§3-1電阻應(yīng)變姥片4立應(yīng)變片序的參數(shù)煌和工作戚特性（9）世動態(tài)測厭量時的佳特性疲勞壽嬸命：應(yīng)督變片承半受特定描的交變蒜荷載至譯破壞（啟脫片、匪斷柵等夫）時的兵使用次蔽數(shù)。頻率響應(yīng)飼：應(yīng)變波指由試件傳萄遞到應(yīng)變碌片所需時叢間為動態(tài)尼頻率響應(yīng)沸時間，金傭?qū)俳z式τ隱為10-7s，半導(dǎo)另體式τ為翻10-11s，可版以認(rèn)為淘應(yīng)變片饞是基本高沒有慣豪性的。22§3-1電阻應(yīng)變銀片4應(yīng)礦變片的參悠數(shù)和工作銳特性（10賄）應(yīng)變?nèi)榔脑S悲用電流控制應(yīng)習(xí)變片的橡工作溫答度，以石防燒毀堆，其具柄體數(shù)值影由廠家傍提供。一般絲角式應(yīng)變餡片許用或電流為20咳~25袋mA，怎測動態(tài)辱時可達(dá)煙75~莊100娛mA箔式應(yīng)變潑片散熱性斜能好，可借達(dá)200較mA以上音。23§3-鐵1電阻應(yīng)魂變片5應(yīng)變地片的選用殃與應(yīng)變片巨粘結(jié)工藝(1)斬應(yīng)變瞧片選用婆：工作環(huán)境溫度保證柜、地下工炕程中防潮牙特性好被測物的頭材料性質(zhì)彈模高，濃基長小；朱粗晶粒巖散石混凝土康選用基長發(fā)長按被測滋試件受數(shù)力狀態(tài)坊和應(yīng)變叫性質(zhì)：應(yīng)變花變化大選朋用基長小哪，變化小券選用基長距大按測量丟精度：標(biāo)距、電知阻值、靈脈敏度24§3-1電阻應(yīng)變齊片5應(yīng)遙變片的權(quán)選用與演應(yīng)變片遲粘結(jié)工忠藝(2)努應(yīng)變片憶粘結(jié)工稍藝：應(yīng)變片檢買查外觀檢諷查、電悠阻值檢聲查表面處慣理刮刀除臨銹、砂叉布打磨曬、脫脂益棉擦洗玩、吹風(fēng)涼機(jī)烘干貼片與熟固化畫線、涂匪膠、用玻厲璃紙壓、誰調(diào)整、補歐膠粘貼質(zhì)瓣量檢查外觀檢寺查、電登阻值檢蔑查、絕湖緣電阻叫檢查、屠連接電乞阻應(yīng)變亞儀檢查連接導(dǎo)敗線導(dǎo)線固用定、導(dǎo)短線焊接防潮處理凡士林、斜石蠟等25§3-遮2測量電遮路定義實現(xiàn)二以次轉(zhuǎn)換統(tǒng)；并構(gòu)罵成電阻干應(yīng)變儀袖?；菟沟请娺b橋：以直改流惠斯登裕電橋為例戚，常用交興流。實際，常押設(shè)計為等遞臂電橋：R1=R2=R3=R4=R，蘆設(shè)R1為工作片擔(dān)，受力變乎，產(chǎn)生阻密值增量Δ刑R，當(dāng)備ΔR<牽<R時同，電壓輸寬出為：表明：歐等臂電坑橋的輸金出電壓節(jié)與應(yīng)變役在一定往范圍內(nèi)教為線性榨關(guān)系。UＡＲ１Ｒ２ＢＣＤＲ4Ｒ326§3-隙2測量電路同理，烈四臂均漲為工作司片時：電橋加減璃特性：1、對鄰屋臂，同號亂電阻變化鍋，相減，哪異號電阻恩變化，相宜加；2、對對矩臂，正好竄相反，同老號電阻變忘化，相加聾，異號電券阻變化，松相減。電橋加減佩特性非常沸有用：1）提培高電橋羽靈敏度粱；2）尸溫度補尸償；3泰）復(fù)雜膛受力試盡件上測暗試某外陳力因素瀉引起的僑應(yīng)變等仗?；菟诡D電橋

UＡＲ１Ｒ２ＢＣＤＲ4Ｒ327§3-3應(yīng)變（錯應(yīng)力）繭測量1布零片和接均橋（1）絲式布片的一裹般性原則揀：選擇主應(yīng)主變大、最暗能反映力所學(xué)規(guī)律的裕點貼片利用結(jié)逗構(gòu)對稱斗點，利楚用電橋盡的加減蒼特性，壁合理選栽擇貼片菜位置，班方位和頁組橋方圓式，提鄙高靈敏睜度，消登除影響仇因素避開應(yīng)騰力——稍應(yīng)變非則線形區(qū)票貼片在已知撒應(yīng)力部秩位安排上測點，沿檢驗結(jié)球果的可與靠性28§3-竹3應(yīng)變（燈應(yīng)力）垃測量1布攝片和接脊橋（2）接斑橋：半橋緩接法和全拖橋接法。半橋接法彎：兩個應(yīng)纖變片作電橋橋的相鄰薄臂，另兩際臂用應(yīng)變寶儀電橋盒勸中精密無亮感電阻。全橋接圓法：電剃橋四個泉臂均由安應(yīng)變片圾構(gòu)成。消除導(dǎo)線蟲電阻的影揪響，提高租靈敏度29§3-輛3應(yīng)變（應(yīng)歸力）測量2溫度毅補償應(yīng)變片控的溫度由效應(yīng)因環(huán)境飲溫度變過化引起景的虛假退應(yīng)變。①電阻超絲的電渴阻溫度棒變化。②應(yīng)變片調(diào)與試件膨鍬脹系數(shù)的壩不同造成鄉(xiāng)豐的誤差。方法：形溫度補脅償。溫度自烏補償應(yīng)仁變片法偵，常用律于中、座高溫；橋路補償好法，用于經(jīng)常溫下。橋路補償月法：補償塊補助償法工作片香補償法30§3-婦3應(yīng)變（應(yīng)瓦力）測量例：溫媽度補償康銅絲父αs=璃20×熔10-6/℃，版βs=逝15×1揭0-6/℃，補碳素鋼軋試件的白βsh域=11宿×10-6/℃，妨試件彈金性模量疤E=2拴×106公斤/仔厘米2，K=2械.0，當(dāng)烤△T=±寄1℃時，挪求應(yīng)變片革的溫度應(yīng)摘變εt？溫度升筒高1℃礎(chǔ)，△爽T=+屯1℃εt=α猴s△揚T/啦K+硬（β夾sh-釘βs塵）△驕T=2啦0×1列0-6×1談/2+酬（恨11×費10-6-15特×10-6）×竄1=6足×10-6σ=1襲.2公丈斤/厘紀(jì)米2=1.偵2Mp蠢a，造撈成被測倘物體受裝拉假象愈。31§3-3應(yīng)變（嘆應(yīng)力）談測量2溫為度補償（1）拉爛彎—工作嫂片補償和襖補償塊補棒償當(dāng)單純與補償片邊所用的震補償板夾和待測耐材料不匪同時，潛產(chǎn)生的珍虛假應(yīng)疤變值εf為多大幫？32§3-3應(yīng)變（應(yīng)還力）測量2溫度垮補償（2）耕拉彎—晃丁字片幅補償33上次課瀉的復(fù)習(xí)1測量叼電路惠斯登自電橋2布片復(fù)與接橋接橋：半辰橋接法和瘋?cè)珮蚪臃▔摹?溫濫度補償溫度效粒應(yīng)（溫復(fù)度引起效電阻的縣變化、扯膨脹系歐數(shù)的不床同）溫度補償溫度自首補償應(yīng)喘變片法橋路補償項法34§3-停3應(yīng)變（應(yīng)染力）測量3各瘦種應(yīng)力禾狀態(tài)下饒的應(yīng)力倡應(yīng)變測北量（1）博單向應(yīng)耗力狀態(tài)蒙下的應(yīng)湊力應(yīng)變摧測量①半橋四極片補償塊置補償法測損拉壓35§3-葡3應(yīng)變（應(yīng)誤力）測量3各逆種應(yīng)力步狀態(tài)下很的應(yīng)力陸應(yīng)變測必量（1）單跳向應(yīng)力狀戚態(tài)下的應(yīng)遞力應(yīng)變測飛量②全橋四匆片測拉壓問題：箏1、上風(fēng)述四片應(yīng)蠻變片在接飛橋時，可遍以隨意互布換嗎？2、可規(guī)以采用猾半橋接負(fù)法嗎？36§3-萍3應(yīng)變（應(yīng)望力）測量3各種孔應(yīng)力狀態(tài)肯下的應(yīng)力晃應(yīng)變測量（1）單逃向應(yīng)力狀撤態(tài)下的應(yīng)烤力應(yīng)變測疑量③全橋觸四片補慚償片測瘡拉壓R3R2R437§3-3應(yīng)變（應(yīng)克力）測量3各種海應(yīng)力狀態(tài)晉下的應(yīng)力輪應(yīng)變測量（2）駝主應(yīng)力栽方向已牙知的平休面應(yīng)力嗽測量σ2ε1