第三章結構靜載試驗

結構靜載試驗是最常規的試驗之一。靜載試驗中使用的儀器、儀表和設備可分為加載設備、測試元件和儀表、放大儀和記錄儀等儀器設備。試驗中觀測的物理量為力、位移、應變、溫度、裂縫寬度與分布、破壞或失穩形態等。一、靜載試驗加載設備二、試驗裝置的支座設計三、應變測試技術四、靜載試驗用儀器儀表五、靜載試驗準備與實施六、結構靜載試驗示例第三章結構靜載試驗結構靜載試驗是最常規的1三、應變測試技術三、應變測試技術2在外力作用下，工程結構內部產生應力，不同部位的應力值是評定結構工作狀態的重要指標，也是建立結構理論的重要依據。但是，目前直接測定構件截面的應力值還沒有較好的方法，一般方法是先測定應變，而后通過σ=Eε的關系間接測定應力，或由已知的σ-ε關系曲線查得應力。應變量測在工程結構試驗量測中有極其重要的地位。應變量測往往還是其他物理量量測的基礎。為什么要進行結構應變測試在外力作用下，工程結構內部產生應力，不同部位的應力值是評定結31、應變的測量原理：量測應變通常是在預定的標準長度范圍(稱“標距”)L內進行。量測長度變化增量的平均值ΔL,由應變的定義式ε=ΔL/L求得ε，這就是應變量測的基本原理。所以，應變的量測實質上是量測標距L的變化增量ΔL。2、常用方法：應變量測方法很多，主要有電測法、機測法和光測法等。怎樣進行結構應變測試1、應變的測量原理：怎樣進行結構應變測試4（一）機測法機測法：利用機械式儀表，測量試驗構件上兩點之間的相對線位移，然后在轉換為應變值。實際上，只要可以測到兩點之間的位移，都可以將其轉換為應變。雙杠桿應變儀手持式應變儀（一）機測法機測法：利用機械式儀表，測量試驗構件上兩點之間的5機測法優點：試驗操作簡單，數據可靠，不受電磁等因素干擾。機測法限制：

1.不適合應變變化較大區域內的應變測量

2.不能自動記錄，測讀時間較長，測點布置困難。

3.溫度補償困難。機測法優點：試驗操作簡單，數據可靠，不受電磁等因素干擾。6（二）電測法電測法（非電量的電測技術）在測量過程中，常將某些物理量（如長度）發生的變化，先變換為電參量的變化，然后用量電器進行量測，這種方法稱為電測法。在結構試驗中，因結構受外荷載或受溫度及約束等原因而產生應變，應變為機械量（即非電量），用量電器量測非電量，首先必須把非電量（應變）轉換成電量的變化，然后才能用量電器量測。量測由應變引起的電量變化稱為應變電測法。（二）電測法電測法（非電量的電測技術）7利用材料的電阻變化測量應變

——電阻應變電測法電測法以電阻應變儀量測為主。電測法的基本原理是；將一種特制的電阻應變片作為傳感元件，牢靠地粘貼在被測試件表面，當試件由于受到外荷載的作用而發生變形時，電阻應變片也隨之變形，并發生電阻的變化。在一定的工作范圍內，電阻應變片的電阻變化與試件發生的應變成比例關系。根據測得的電阻變化，通過應變儀可獲得試件上被測點的應變值。利用材料的電阻變化測量應變

——電阻應變電測法電測法以電阻應83.1電阻應變片的原理及構造1、電阻應變片的原理

利用電阻應變片作為傳感元件，將應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，反映被測物體應變的大小。圖1電阻應變計基本組成3.1電阻應變片的原理及構造圖1電阻應變計基本組成9待測非電量ε電阻變化△R應變值ε①感受應變：ε△R②測量△R：應變儀將應變片的△R經惠斯頓電橋→△U或△I，放大器；輸出應變值。

圖2金屬絲的電阻應變原理

1.受力前的金屬絲2.受力后的金屬絲待測非電量ε電阻變化△R應變值ε圖2金屬絲的10：金屬絲的電阻值：金屬絲的電阻率：金屬絲的截面積（通常為圓斷面）：金屬絲的長度：金屬絲的泊松比：金屬絲的電阻值：金屬絲的泊松比11金屬絲的電阻應變原理

1.受力前的金屬絲

2.受力后的金屬絲（4.1）（4.2）（4.3）金屬絲的電阻應變原理

12靈敏系數K：表示單位應變引起的相對電阻變化應變片靈敏系數是使用應變片的重要數據。它主要取決于敏感柵的材料、型式和幾何尺寸。應變片的靈敏系數受到多種因素的影響，無法由理論求得，是由制造廠經抽樣在專門的設備上進行標定，并于包裝上注明。常用的應變片靈敏度系數為2—2.4。

由上式可知，只要測出敏感柵的電阻變化率即可確定構件的應變。靈敏系數K：表示單位應變引起的相對電阻變化應變片靈敏13等強度梁靜態應變測試采用等強度鋼梁，鋼梁的μ=0.285，L=150mm,室溫、單向受力狀態，應變片絲柵方向與最大主應變方向一致，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變為120.12Ω，求得應變片的實際靈敏度K。梁高h=5mm梁長L=150mmP⑴△R/R:△R/R=（120.12-120）/120=0.001Ω⑵ε:σ=Eε=Mh/2I①f=ML2/3EI②ε=3hf/2L2=0.0005⑶K:K=△R/R/ε=2.0等強度梁靜態應變測試梁高h=5mm梁長L=150mmP⑴△142、電阻應變片的構造敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲或柵狀絲。基底:紙基和膠基覆蓋層引出線

電阻應變片構造示意圖

1.引出線2.敏感柵3.覆蓋層4.基底層2、電阻應變片的構造敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲15敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲或柵狀絲。敏感柵的形狀與尺寸直接影響到應變片的性能。柵長和柵寬代表應變片的標稱尺寸，即規格。基底和覆蓋層：它們起定位和保護電阻絲的作用，并使電阻絲和被測試件之間絕緣。基底的尺寸通常代表應變片的外形尺寸。引出線：通過測量導線接入應變測量橋。引出線一般都采用鍍銀、鍍錫或鍍合金的軟銅線制成，在制造應變片時與電阻絲焊接在一起敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲或柵狀絲。敏感柵的形163、電阻應變片的種類及分類按敏感柵所用材料分類：金屬電阻應變片（金屬絲式應變片、箔式應變片、薄膜應變片）和半導體應變片；按敏感柵結構的形狀分類：單軸和多軸（應變花）按應變片的工作溫度：低溫片（低于-30℃）、常溫片（-30～60℃）中溫片（60～350℃）、高溫片（350℃以上）按基底材料：膠基和紙基3、電阻應變片的種類及分類按敏感柵所用材料分類：金屬電阻應變17金屬電阻應變片半導體應變片絲繞式應變片短接線式應變片箔式應變片敏感柵材料用途基底材料紙基應變片膠基應變片金屬基底應變片臨時基底應變片敏感柵形狀單軸應變花一般用途應變片特殊用途應變片應變片式傳感元件分類方法類型主要特點橫向效應大，K外值分散度大，價廉橫向效應小，疲勞壽命底橫向效應小，散熱條件好，蠕變小，疲勞壽命長用于測量單向應變的應變片用于平面應力狀態下測定主應變耐溫，耐熱及耐久性能差高溫應變片類型之一，用焊接方式安裝于構件上高溫應變片類型之一以有機會膠膜作基底，耐熱，耐濕，耐久性較紙基好指用于應變測量的各種常規應變片如半導體應變片、防水應變片、埋式應變片、雙層應變片等如裂紋擴展片、疲勞壽命片、測溫片、測壓片等各種類型的應變片及其特點金屬電阻應變片半導體應變片絲繞式應變片短接線式應變片箔式18

①金屬絲式應變片:絲繞式（U型）、短接式（H型）Φ0.015-0.05mm金屬絲制作，散熱效果差，許用電流低。圓角線柵，橫向效應大；直角線柵，制作復雜。①金屬絲式應變片:絲繞式（U型）、短接式（H19

②箔式應變片:

制作材料：0.002-0.005mm厚的康銅或其它合金制作工藝：光刻技術和腐蝕工藝。優點：橫向效應小，能較好地反應構件表面的變形，易于在彎曲表面上粘貼，散熱好于絲式，蠕變小，疲勞壽命長，允許通過的電流大，測量靈敏度較高。用途：較多的用于傳感器制作②箔式應變片:20③薄膜式應變片：800-1000℃

材料：厚度≤0.1μm的金屬薄膜，工藝：真空電鍍和沉積等工藝，將金屬材料在絕緣基底上制成一定形狀的薄膜而形成敏感柵。特點：耐高溫性好，工作溫度可達800-1000℃，用于高溫等特殊條件③薄膜式應變片：800-1000℃21④半導體式應變片（壓阻效應）:

材料：半導體材料，根據壓阻效應制成。優點：靈敏系數高，K>100，頻率響應好，可制作成小型和超小型應變片。缺點：溫度系數大，熱穩性能差；大應變時，非線形較大，多用于測量500以下的小應變。1、基底；2、硅條；3、內引線；4，焊接電極；5、引出線④半導體式應變片（壓阻效應）:1、基底；2、硅條；3、內引線22幾種電阻應變片

1，2，3，7，9.箔式電阻應變片4.半導體應變片

5.絲繞式電阻應變片6.短接式電阻應變片8.焊接電阻應變片幾種電阻應變片

1，2，3，7，9.箔式電阻應變片4.半導234、電阻應變片的技術性能電阻應變片的主要技術指標如下；⑴電阻值:R；⑵標距:指敏感柵在縱軸方向的有效長度L；⑶靈敏系數:K一般等于2.0，也可不等于2.0.⑷規格:以使用面積L*b表示⑸溫度適用范圍⑹其他性能指標：機械滯后、蠕變、疲勞壽命、零點漂移、橫向靈敏系數、絕緣電阻等。根據電阻應變片的性能指標，電阻應變片被分為A、B、C、D等級。A級為最高級，常用于制作應變式傳感器，結構試驗中，可選用C級或B級應變片。其相應的性能指標見教材附錄1。4、電阻應變片的技術性能24

2、應變片的電阻值應力片的電阻值，是應變片在沒有粘貼，未受力時，在室溫下所測定的電阻值。應變片的標準名義電阻值最常用的有120，350，并有60，200，500，1000系列。

3、機械滯后量（Zf）在恒定溫度下，對貼有應變片的試件進行加卸載試驗，對各應力水平應變片加卸載時所指示的應變量的最大差值作為該批應變片的機械滯后量Zf。

4、零點漂移(P)和蠕變()

在溫度恒定，被測試不受力的情況下，試件上應變片的指示應變隨時間的變化稱為零點漂移(簡稱零漂)。如果溫度恒定，應變片承受有恒定的機械應變時時，指示應變隨時間的化則稱為蠕變。

1、應變片的尺寸順著應變片軸向敏感柵兩端轉彎處內側之間的距離稱為柵長(或叫標距)，以表示。敏感柵的橫向尺寸稱為柵寬，以S表示。稱為應變片的使用面積。2、應變片的電阻值3、機械滯后量25

5、應變極限在室溫條件下，對貼有應變片的試件加載，使試件的應變逐漸增大，應變片的指示應變與真實應變的相對誤差達到規定值(一般為10%)時的真實應變即為應變片的應變極限，用j表示。

6、絕緣電阻(Rm)

絕緣電阻Rm是指敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。

7、疲勞壽命(N)

疲勞壽命N是指貼有應變片的試件在恒定幅值的交變應力作用下，應變片連續工作，直至產生疲勞損壞時的循環次數，通常可達106～107次。

8、最大工作電流最大工作電流是允許通過應變片而不影響其工作特性的最大電流，通常為幾十毫安。5、應變極限6、絕緣電阻(Rm26應變片電阻值：指應變片在未安裝、不受外力、室溫條件下的電阻值。單片阻值：單個應變片的標定電阻值。標準名義阻值：人為規定的生產標準，為一定值，如120Ω、240Ω。一般應變儀是按120Ω應變片要求設計的。平均名義阻值：一批應變片抽樣標定，電阻值取平均、求公差。如120±0.5%或120±0.6Ω。應變片電阻值：指應變片在未安裝、不受外力、室溫條件下的電阻值27應變片的敏感柵工作面積：應變片敏感柵長寬之積S=L*b。

L-柵長標距

b-柵寬注意：盡量選用L大、b小的應變片。應變片的敏感柵工作面積：應變片敏感柵長寬之積S=L*b。28

5、應變片的選用與應變片粘結工藝【應變片選用】1、工作環境：溫度保證、地下工程中防潮特性好

2、被測物材料性質:

彈模高,基長小;

粗晶粒巖石混凝土，選用基長長

3、按被測試件受力狀態和應變性質：應變花變化大選用基長小，變化小選用基長

4、按測量精度：標距、電阻值、靈敏度5、應變片的選用與應變片粘結工藝29【應變片粘結工藝】①應變片檢查：外觀檢查、電阻值檢查;②表面處理：刮刀除銹、砂布打磨、脫脂棉擦洗、吹風機烘干;③貼片與固化：畫線、涂膠、用玻璃紙壓、調整、補膠;④粘貼質量檢查：外觀檢查、電阻值檢查、絕緣電阻檢查、連接電阻應變儀檢查;⑤連接導線：導線固定、導線焊接;⑥防潮處理：凡士林、石蠟等;【應變片粘結工藝】306、電阻應變片的優點與缺點①在一定工作范圍內，電阻變化率與應變成線性關系(嚴格說是非線性很小)；②靈敏度高,普通電阻應變片的最小讀數為1-5με,半導體應變片的最小讀數可達0.1με，靈敏度高；③一般電阻應變片測量范圍達±20000με，特制的大應變量電阻應變片可測應變達200000με測量范圍廣；

【電阻應變片優點】6、電阻應變片的優點與缺點①在一定工作范圍內，電阻變化率與應31④尺寸小、重量輕，把電阻應變片貼在結構表而后對試件的工作狀態和應力分布影響極微；⑤頻率響應好，普通應變片的頻響時間約為10-7S，半導體應變片可達10-11S，從而可以不考慮應變傳遞時的相位差，能夠適應數萬赫茲的動應變測量；⑥測量自動化程度高，可遠距離傳送電信號；⑦對環境的適應性強，若對電阻應變片采取特殊措施，可用于高溫、低溫、水下壓、強磁場和腐蝕等環境；④尺寸小、重量輕，把電阻應變片貼在結構表而后對試件的工作狀態32電阻應變片在應用中的主要缺點是：①因為電阻應變片是選點布置的，故測量結果僅給出測點貼片方向的應變，難以得到應變和應力場的全貌；②通常電阻應變片只適于結構表面應力的測量，并且測量值只是電阻應變片基長內的平均應變值；③連續長時間測量會出現漂移，原因在于粘合劑的不穩定性和對周圍環境的敏感性所造成；④另外應變片必須牢固地粘貼在試件表面，才能保證正確地傳遞試件的變形，粘貼工作技術性強，粘貼工藝復雜，工作量大；⑤電阻應變片不能重復使用。【電阻應變片缺點】電阻應變片在應用中的主要缺點是：【電阻應變片缺點】333.2電阻應變儀測量應變

1、電阻應變儀介紹試驗構件的應變值一般均很小，當材料處于彈性階段時應變約為10-6—10-2，故應變片的電阻變化率很小,需用專門儀器進行測量,測量應變片的電阻變化率并能自動轉化為應變的儀器稱為電阻應變儀。

電阻應變儀按頻率響應范圍可分為:靜態電阻應變儀;靜動態電阻應變儀;動態電阻應變儀;超動態電阻應變儀;其中靜態電阻應變儀和動態電阻應變儀應用較多。3.2電阻應變儀測量應變1、電阻應變儀介紹34靜態電阻應變儀用電學方法測量不隨時間變化或變化極為緩慢的靜態應變。它由測量電橋、放大器、顯示儀表和讀數機構等組成。貼在被測構件上的電阻應變計接于測量電橋上。構件受載變形時，測量電橋有電壓輸出，經放大器放大后由顯示儀表指示出相應的應變值。靜態電阻應變儀每次只能測出一個點的應變。進行多點測量時可配以預調平衡箱。所有測點的應變計均預先接在平衡箱各點上，然后靠開關逐點轉換接入應變儀。靜態電阻應變儀用電學方法測量不隨時間變35應變儀采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位計式，應用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋電路的應變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。

應變儀采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位36①電橋：將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號,以便放大器放大。通常電橋由正弦振蕩器供電,其頻率為500赫～50千赫,較低頻率的被測應變信號對較高的頻率的電橋電壓進行調幅，輸出一個窄頻帶的調幅波信號。①電橋：將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號,以便放大器放37②放大器：對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功率去推動指示器和記錄器。為提高放大器的穩定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動態應變儀。

③相敏檢波器：將放大后的調幅波還原為被測應變信號波形，同時反映被測應變信號的方向，通常采用環形相敏檢波器。

②放大器：對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功38④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。⑤振蕩器：產生一個穩定的振蕩電壓，作為電橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。電學應變儀靈敏度高、穩定性好。它所配用的應變計體積小，微型箔式應變計能測量工程上被看作一個“點”的小范圍應變。

④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想39結構靜載試驗應變測試技術課件402、電阻應變儀工作原理電阻應變儀的基本測量電路為惠斯登電橋,如下圖所示。當滿足或電橋平衡，Uout=0。2、電阻應變儀工作原理當滿足或電橋平衡，Uout=0。41實驗時通常將粘貼在構件上的四個相同規格的應變片作為橋臂上的四個電阻，如下圖所示。當試件受力時，上述應變片感受到的應變分別為ε1，ε2，ε3和ε4，相應的電阻改變量分別為△R1，△R2，△R3和△R4，代入得電橋的輸出電壓力：應變儀的輸出結果（應變讀數）為：

這種接線法稱為全橋接線法

實驗時通常將粘貼在構件上的四個相同規格的應變片作為橋臂上的四42這個關系可用“鄰臂相減，對臂相加”概括。這叫做電橋的加減特性。有時只在電橋的AB和BC端接應變片，而在AD和DC端接應變儀內部的兩個阻值相等的標準電阻，見下圖。因R內不受構件變形的影響，則

這種接線法稱為半橋接線法

這個關系可用“鄰臂相減，對臂相加”概括。這叫做電橋的加減特43相鄰橋臂:應變極性一致時，輸出電壓為兩者之差；若極性不一致時，輸出電壓為兩者之和。相對橋臂:則與上述規律相反.此特性稱為電橋的加減特性(或和差特性).利用該特性:可提高電橋的靈敏度;對溫度影響予以補償.它是在構件上布片和接橋時遵循的基本準則之一。用電橋測量電阻變化有偏位法和零位法兩種測量方法。

偏位法時，是在表的刻度盤上刻出R，或直接刻出應變值(根據R/R=k)，由指針偏轉直接指示應變值，或者送到記錄器直接記錄。

相鄰橋臂:應變極性一致時，輸出電壓為兩者之差；44

零位測量法如右圖所示，電橋原始平衡后，如R1變成R1+R，則電橋失去平衡，電表指針偏轉，此時人為調節可變電阻r，改變D點電位，使之與B點電位相同，電橋重新平衡，電表又重新指零，這時可在可變電阻器刻度盤上直接讀出應變值，便可測出R1變化R時所對應的應變值。零位測量法與電源電壓無關，電源電壓變化不影響測量結果，故測量精度較高，但測量時電橋需要重新平衡，較麻煩，只用于靜態測試。偏位法輸出受電源電壓的影響，用于動態測試。零位測量法如右圖所示，電橋原始平衡后，如R1變成R453、布片和接橋方法

應變片在應變儀的測量電橋中有各種接法。在實際測量中，常利用電橋基本特性并采用不同的接線方法，來達到以下目的：a、實現溫度補償；b、從復雜的變形中測出所需要的應變分量；c、擴大應變儀的讀數，以減少誤差，提高測量靈敏度。3、布片和接橋方法應變片在應變儀的測量電橋中461）全橋接線法測量電橋的四個橋臂上全部接電阻應變片，稱為全橋接線法（或全橋線路）。對于等臂電橋，此時應變儀的讀數應變由公式即可得出：

εd=ε1-ε2+ε3-ε4

實際測量時，可有以下兩種情況：a、全橋測量：電橋的四個橋臂上都接工作應變片。b、相對兩臂測量：電橋相對兩臂接工作應變片，另相對兩臂接溫度補償應變片。1）全橋接線法472）半橋接線法若在測量電橋的橋臂AB和BC上接電阻應變片，而另外兩臂AD和CD接電阻應變儀的內部固定電阻R，則稱為半橋接線法。由于橋臂AD和CD接固定電阻，不感受應變，因此對于等臂電橋，按公式可得到應變儀的讀數為：εd=ε1-ε2

實際測量時，可有以下兩種情況：a、半橋雙臂測量：電橋的兩橋臂AB和BC上均接工作應變片。b、半橋單臂測量：電橋的兩橋臂AB和BC上，任意橋臂接工作應變片，而另一橋臂接溫度補償應變片。2）半橋接線法48（1）粘貼在被測構件測點上的應變片，如果周圍環境變化時，應變片柵絲的電阻應變值也將隨著溫度改變而變化；（2）同時，又因為柵絲材料和被測構件材料的膨脹系數不同，應變片被迫拉長或縮短，使柵絲電阻值也發生變化，（3）這種由于溫度改變引起的虛假應變，并不是由于載荷作用而引起的，如果只想測定構件承受在載荷作用下的變形，就應該設法消除它。（4）消除的辦法就是溫度補償。4、溫度補償方法（1）粘貼在被測構件測點上的應變片，如果周圍環境變化時，應變49在常溫應變測量中溫度補償的方法是采用橋路補償法。這種方法簡單、經濟、補償效果好。這是利用電橋特性來進行溫度補償的。橋路補償法可以分為以下兩種：1）補償塊補償法2）工作片補償法在常溫應變測量中溫度補償的方法是采用橋路補償法。這種方法簡單501）補償塊補償法其材料應與被測構件相同，但不受外力，并將它置與構件被測點附近，使補償片與工作片處于同一溫度場中。1）補償塊補償法512）工作片補償法這種方法不需要補償塊和補償片，而是在同一被測試件上粘貼幾個工作應變片，將它們接入電橋中。當試件受力且測點環境溫度變化時，每個應變片的應變中都包含外力和溫度變化引起的應變，根據電橋基本特性，在應變儀的讀數應變中即可消除溫度變化所引起的虛假應變，而得到所需測量的應變。因此工作應變片既參加工作，又起到了溫度補償的作用。2）工作片補償法52（1）同一橋路具有相同的溫度效應，即（2）外補橋路補償片的荷載效應為零，即（1）同一橋路具有相同的溫度效應，即534、應變應力的測量

根據被測對象的應力狀態，選擇測點和布置應變片和合理接橋是實測時應首先解決的問題。布片和接橋的一般原則為：（1）首先考慮應力集中區和邊界上的危險點，選擇主應變最大、最能反映其力學規律的點貼片；（2）利用結構的對稱性布點，利用應變電橋的加減特性，合理選擇貼片位置、方位和組橋方式，可以達到穩定補償、提高靈敏度、降低非線性誤差和消除其它影響因素的目的。（3）當測量荷載時，應盡量避開應力－應變的非線性區貼片；（4）在應力已知的部位安排測點，以使測量時進行監視和檢查試驗結果的可靠性。

4、應變應力的測量根據被測對象的應力狀態，選54結構靜載試驗應變測試技術課件55結構靜載試驗應變測試技術課件56結構靜載試驗應變測試技術課件57結構靜載試驗應變測試技術課件58結構靜載試驗應變測試技術課件59結構靜載試驗應變測試技術課件60圖4.5半橋外補一片多補工作原理橋路示意圖5、一片多補技術的工作原理圖4.5半橋外補一片多補工作原理橋路示意圖5、一片多補61半橋橋路全橋橋路6.應變儀半橋與全橋切換技術的工作原理半橋橋路62注意：長導線電阻對應變測量的影響當導線長度大于10m時，測得的應變將比真實值降低１%以上，要按下式進行修正。注意：長導線電阻對應變測量的影響當導線長度大于10m時63結構靜載試驗應變測試技術課件64§2.6靜態應變測量利用應變片測出的是構件上某一點處沿某一方向的線應變，必須經過應變—應力換算才能得到主應力。不同的應力狀態有不同的關系式。一、應變—應力換算關系（一）已知主應力方向的單向應力狀態構件在外力作用下，若被測點位單向應力狀態，則主應力方向已知，只有主應力值是一個未知量。此時可沿主應力的方向貼一個應變片，測得應變后，由單向應力胡克定律：E：被測構件材料的彈性模量。§2.6靜態應變測量利用應變片測出的是構件上某一點處沿65（二）已知主應力方向的二向應力狀態以受內壓作用的薄壁容器為例，如果測點的應力狀態是已知主應力方向的二向應力狀態，有主應力值兩個未知量，此時可沿主應力方向各貼一個應變片，與補償片組成兩個單臂半橋，分別測出兩個主應變和，再由廣義胡克定律求得主應力：：被測構件材料的泊松比（二）已知主應力方向的二向應力狀態以受內壓作用的薄壁容器為例66（三）未知主應力方向的二向應力狀態對于薄壁筒受壓力加扭轉作用表面任一點應力狀態如何呢？這種復雜受力狀態，被測點兩個主應力值未知，主應力方向也是未知的，即存在三個未知量。從數學角度：需沿三個方向線應變，根據測得應變值換算成主應力值。（三）未知主應力方向的二向應力狀態對于薄壁筒受壓力加扭轉作用671、平面應變狀態分析設從x，y方向取出被測點單元體，討論應變發生在同一平面（xy平面）內的平面應變狀態。該單元體的應變可用線應變和來表示。研究中規定：1）伸長的線應變為正；2）使直角（如xoy角）增大的剪應變為正；3）角逆時針為正；4）新坐標系中沿x方向的線應變用表示，剪應變用表示。1、平面應變狀態分析設從x，y方向取出被測點單元體，討論應變68（1）確定和設圖中單元體的和均為正量，坐標系xoy逆時針旋轉角后，得到新坐標系。討論沿方向的線應變。由于是小變形，分別討論和各自對方向微分線段長度變化的影響，再疊加起來。（1）確定和設圖中單元體的和均69得的伸長量為：沿方向的線應變為：把關系式代入上式（a）得的伸長量為：沿方向的線應變為：把關系式70用類似方法求得角的剪應變：是指直角的角度改變量，若假設方向微分線段的角度改變為若假設方向微分線段的角度改變為則直角的角度改變量為：用類似方法求得角的剪應變：是指直角71由和引起方向微分線段的角度改變分別為：疊加以上結果，和使直角增大，而使直角減小，故沿方向微分線段的角度改變為：由和引起方向微分線段72以代替上式中的，便可得沿方向微分線段的角度改變為：得剪應變為（b）以代替上式中的，便可得沿73（2）確定主應變及其方向將（a）式對取導數可得：若時，恰好則說明方向線應變必有最大值或最小值。將代入，則有有兩個值（2）確定主應變及其方向將（a）式對取導數可得：若74它們是兩個相互垂直的方向，一個方向上有最大線應變，一個方向上有最小線應變，線應變取得極值的方向上，剪應變為零。線應變的極值就是主應變。當它們是兩個相互垂直的方向，一個方向上有最大線應變，一個方向上752、應變—應力換算只要測出，應變片測的是線應變，而無法測剪應變，只能在三個任意方向粘貼三個應變片，分別測出。2、應變—應力換算只要測出76為簡化計算，取，測出應變相應為：為簡化計算，取77二、靜態多點應變測量在靜態多點應變測量中，經常遇到多點測量，專門設計了與應變儀配套使用的預動平衡箱，使用時將一批測點預先接入平衡箱，并對每個通道預調平衡，然后通過轉換開關將各測點逐次接入應變儀，實現靜態多點測量。測量電路的連接：二、靜態多點應變測量在靜態多點應變測量中，經常遇到多點測量，78靜態多點測量中常采用半橋公共接線法進行單臂測量。n個工作片互相靠近，處于相同溫度環境中，則可用一個公共溫度補償片進行補償。將n個工作應變片的一根引出線連在一起，稱為公共線，接B（B內部相連）；工作片另一引出線分別接預調箱接線柱的上；補償片兩根引出線分別接預調箱接線柱B、C，將短接起來。靜態多點測量中常采用半橋公共接線法進行單臂測量。n個工作片互79例：用應變片測量梁彎曲時沿橫截面高度應變分布規律的半橋公共接線圖。通常一個公共補償片可以補償6~8個工作應變片。例：用應變片測量梁彎曲時沿橫截面高度應變分布規律的半橋公共接80三、測量結果的修正計算（一）應變片阻值不同的修正國產應變儀：四個橋臂為120使用時應變片阻值不等于120需要修正。修正：根據應變電阻值，接線法查曲線，確定修正系數三、測量結果的修正計算（一）應變片阻值不同的修正國產應變儀：81（二）應變片靈敏系數不同的修正若一臺應變儀上接有n種不同靈敏系數的應變片，可在測量時調應變儀靈敏系數，測量之后對讀數應變進行修正。（三）應變片的橫向效應修正定義：（二）應變片靈敏系數不同的修正若一臺應變儀上接有n種不同靈敏82標定時：1）單向應力狀態；2）應變片軸線沿單向應力的方向；3）標定梁為鋼梁。標定靈敏系數表達式：當使用條件與標定條件不符，則，需要修正。標定時：1）單向應力狀態；2）應變片軸線沿單向應力的方向；3831、單向應力狀態下的應變、應力修正公式沿x向貼片，實際靈敏系數為：使用時，若按從儀器上讀出，則有，讀數應變與實際應變關系式1、單向應力狀態下的應變、應力修正公式沿x向貼片，實際靈敏系84由胡克定律：其中：沿y向貼片，實際靈敏系數為：由胡克定律：其中：沿y向貼片，實際靈敏系數為：85表現泊松比表現泊松比862、平面應力狀態下的應變、應變修正公式在平面應力狀態下，主應力方向已知，可沿主應力方向貼片（x、y方向），應變片的實際靈敏系數：（1）分別得兩個讀數應變和，讀數應變與實際應變的關系為：其中：（2）2、平面應力狀態下的應變、應變修正公式在平面應力狀態下，主應87（1）（2）兩式聯立解出應變修正公式：由廣義胡克定律得：（1）（2）兩式聯立解出應變修正公式：由廣義胡克定律得：88將表現彈性模量和表現泊松比分別代和，則上式有：對于主應力方向未知的二向應力狀態，將用代替，用代替，則有：將表現彈性模量891.簡述電阻應變片的測試原理。

2、簡述電阻應變計（片）的主要粘貼步驟。3、何謂半橋接法及全橋接法。4、簡述電阻應變計的構造組成。5.說明金屬電阻應變片的組成和種類。電阻應變片有哪些主要特性參數？6.說明電阻應變式力學量傳感器的基本原理？【思考題】1.簡述電阻應變片的測試原理。【思考題】907.下列哪個不是電阻應變計主要技術指標(

)。A.頻率響應

B.

電阻值

C.

標距

D.

靈敏度系數8.電阻應變計中金屬絲的靈敏系數，表示單位應變引起應變計的相對電阻變化。靈敏系數____，單位應變引起的電阻變化也___。9.貼電阻片處的應變為1500με，電阻片的靈敏系數K＝2．0，在這個電阻片上應產生的電阻變化率應是下列哪一個？()A．0．2％B．0．4％C．0．1％D．0．3％7.下列哪個不是電阻應變計主要技術指標(

)。9110.當惠斯頓電橋橋臂上的電阻全部是應變片,且應變片的靈敏系數全部相等,此時稱之為半橋測量。（ ）11.電阻應變片的靈敏度系數K

指的是()。A.應變片電阻值的大小B.單位應變引起的應變片相對電阻值變化

C.應變片金屬絲的截面積的相對變化

D.應變片金屬絲電阻值的相對變化12。電阻應變片在工作時下列哪種參數不發生變化()

A.電阻B.金屬絲長度

C.金屬絲截面積D.金屬絲重量10.當惠斯頓電橋橋臂上的電阻全部是應變片,且應變片的靈敏系92第三章結構靜載試驗

結構靜載試驗是最常規的試驗之一。靜載試驗中使用的儀器、儀表和設備可分為加載設備、測試元件和儀表、放大儀和記錄儀等儀器設備。試驗中觀測的物理量為力、位移、應變、溫度、裂縫寬度與分布、破壞或失穩形態等。一、靜載試驗加載設備二、試驗裝置的支座設計三、應變測試技術四、靜載試驗用儀器儀表五、靜載試驗準備與實施六、結構靜載試驗示例第三章結構靜載試驗結構靜載試驗是最常規的93三、應變測試技術三、應變測試技術94在外力作用下，工程結構內部產生應力，不同部位的應力值是評定結構工作狀態的重要指標，也是建立結構理論的重要依據。但是，目前直接測定構件截面的應力值還沒有較好的方法，一般方法是先測定應變，而后通過σ=Eε的關系間接測定應力，或由已知的σ-ε關系曲線查得應力。應變量測在工程結構試驗量測中有極其重要的地位。應變量測往往還是其他物理量量測的基礎。為什么要進行結構應變測試在外力作用下，工程結構內部產生應力，不同部位的應力值是評定結951、應變的測量原理：量測應變通常是在預定的標準長度范圍(稱“標距”)L內進行。量測長度變化增量的平均值ΔL,由應變的定義式ε=ΔL/L求得ε，這就是應變量測的基本原理。所以，應變的量測實質上是量測標距L的變化增量ΔL。2、常用方法：應變量測方法很多，主要有電測法、機測法和光測法等。怎樣進行結構應變測試1、應變的測量原理：怎樣進行結構應變測試96（一）機測法機測法：利用機械式儀表，測量試驗構件上兩點之間的相對線位移，然后在轉換為應變值。實際上，只要可以測到兩點之間的位移，都可以將其轉換為應變。雙杠桿應變儀手持式應變儀（一）機測法機測法：利用機械式儀表，測量試驗構件上兩點之間的97機測法優點：試驗操作簡單，數據可靠，不受電磁等因素干擾。機測法限制：

1.不適合應變變化較大區域內的應變測量

2.不能自動記錄，測讀時間較長，測點布置困難。

3.溫度補償困難。機測法優點：試驗操作簡單，數據可靠，不受電磁等因素干擾。98（二）電測法電測法（非電量的電測技術）在測量過程中，常將某些物理量（如長度）發生的變化，先變換為電參量的變化，然后用量電器進行量測，這種方法稱為電測法。在結構試驗中，因結構受外荷載或受溫度及約束等原因而產生應變，應變為機械量（即非電量），用量電器量測非電量，首先必須把非電量（應變）轉換成電量的變化，然后才能用量電器量測。量測由應變引起的電量變化稱為應變電測法。（二）電測法電測法（非電量的電測技術）99利用材料的電阻變化測量應變

——電阻應變電測法電測法以電阻應變儀量測為主。電測法的基本原理是；將一種特制的電阻應變片作為傳感元件，牢靠地粘貼在被測試件表面，當試件由于受到外荷載的作用而發生變形時，電阻應變片也隨之變形，并發生電阻的變化。在一定的工作范圍內，電阻應變片的電阻變化與試件發生的應變成比例關系。根據測得的電阻變化，通過應變儀可獲得試件上被測點的應變值。利用材料的電阻變化測量應變

——電阻應變電測法電測法以電阻應1003.1電阻應變片的原理及構造1、電阻應變片的原理

利用電阻應變片作為傳感元件，將應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，反映被測物體應變的大小。圖1電阻應變計基本組成3.1電阻應變片的原理及構造圖1電阻應變計基本組成101待測非電量ε電阻變化△R應變值ε①感受應變：ε△R②測量△R：應變儀將應變片的△R經惠斯頓電橋→△U或△I，放大器；輸出應變值。

圖2金屬絲的電阻應變原理

1.受力前的金屬絲2.受力后的金屬絲待測非電量ε電阻變化△R應變值ε圖2金屬絲的102：金屬絲的電阻值：金屬絲的電阻率：金屬絲的截面積（通常為圓斷面）：金屬絲的長度：金屬絲的泊松比：金屬絲的電阻值：金屬絲的泊松比103金屬絲的電阻應變原理

1.受力前的金屬絲

2.受力后的金屬絲（4.1）（4.2）（4.3）金屬絲的電阻應變原理

104靈敏系數K：表示單位應變引起的相對電阻變化應變片靈敏系數是使用應變片的重要數據。它主要取決于敏感柵的材料、型式和幾何尺寸。應變片的靈敏系數受到多種因素的影響，無法由理論求得，是由制造廠經抽樣在專門的設備上進行標定，并于包裝上注明。常用的應變片靈敏度系數為2—2.4。

由上式可知，只要測出敏感柵的電阻變化率即可確定構件的應變。靈敏系數K：表示單位應變引起的相對電阻變化應變片靈敏105等強度梁靜態應變測試采用等強度鋼梁，鋼梁的μ=0.285，L=150mm,室溫、單向受力狀態，應變片絲柵方向與最大主應變方向一致，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變為120.12Ω，求得應變片的實際靈敏度K。梁高h=5mm梁長L=150mmP⑴△R/R:△R/R=（120.12-120）/120=0.001Ω⑵ε:σ=Eε=Mh/2I①f=ML2/3EI②ε=3hf/2L2=0.0005⑶K:K=△R/R/ε=2.0等強度梁靜態應變測試梁高h=5mm梁長L=150mmP⑴△1062、電阻應變片的構造敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲或柵狀絲。基底:紙基和膠基覆蓋層引出線

電阻應變片構造示意圖

1.引出線2.敏感柵3.覆蓋層4.基底層2、電阻應變片的構造敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲107敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲或柵狀絲。敏感柵的形狀與尺寸直接影響到應變片的性能。柵長和柵寬代表應變片的標稱尺寸，即規格。基底和覆蓋層：它們起定位和保護電阻絲的作用，并使電阻絲和被測試件之間絕緣。基底的尺寸通常代表應變片的外形尺寸。引出線：通過測量導線接入應變測量橋。引出線一般都采用鍍銀、鍍錫或鍍合金的軟銅線制成，在制造應變片時與電阻絲焊接在一起敏感柵：用金屬材料或半導體材料制成的單絲或柵狀絲。敏感柵的形1083、電阻應變片的種類及分類按敏感柵所用材料分類：金屬電阻應變片（金屬絲式應變片、箔式應變片、薄膜應變片）和半導體應變片；按敏感柵結構的形狀分類：單軸和多軸（應變花）按應變片的工作溫度：低溫片（低于-30℃）、常溫片（-30～60℃）中溫片（60～350℃）、高溫片（350℃以上）按基底材料：膠基和紙基3、電阻應變片的種類及分類按敏感柵所用材料分類：金屬電阻應變109金屬電阻應變片半導體應變片絲繞式應變片短接線式應變片箔式應變片敏感柵材料用途基底材料紙基應變片膠基應變片金屬基底應變片臨時基底應變片敏感柵形狀單軸應變花一般用途應變片特殊用途應變片應變片式傳感元件分類方法類型主要特點橫向效應大，K外值分散度大，價廉橫向效應小，疲勞壽命底橫向效應小，散熱條件好，蠕變小，疲勞壽命長用于測量單向應變的應變片用于平面應力狀態下測定主應變耐溫，耐熱及耐久性能差高溫應變片類型之一，用焊接方式安裝于構件上高溫應變片類型之一以有機會膠膜作基底，耐熱，耐濕，耐久性較紙基好指用于應變測量的各種常規應變片如半導體應變片、防水應變片、埋式應變片、雙層應變片等如裂紋擴展片、疲勞壽命片、測溫片、測壓片等各種類型的應變片及其特點金屬電阻應變片半導體應變片絲繞式應變片短接線式應變片箔式110

①金屬絲式應變片:絲繞式（U型）、短接式（H型）Φ0.015-0.05mm金屬絲制作，散熱效果差，許用電流低。圓角線柵，橫向效應大；直角線柵，制作復雜。①金屬絲式應變片:絲繞式（U型）、短接式（H111

②箔式應變片:

制作材料：0.002-0.005mm厚的康銅或其它合金制作工藝：光刻技術和腐蝕工藝。優點：橫向效應小，能較好地反應構件表面的變形，易于在彎曲表面上粘貼，散熱好于絲式，蠕變小，疲勞壽命長，允許通過的電流大，測量靈敏度較高。用途：較多的用于傳感器制作②箔式應變片:112③薄膜式應變片：800-1000℃

材料：厚度≤0.1μm的金屬薄膜，工藝：真空電鍍和沉積等工藝，將金屬材料在絕緣基底上制成一定形狀的薄膜而形成敏感柵。特點：耐高溫性好，工作溫度可達800-1000℃，用于高溫等特殊條件③薄膜式應變片：800-1000℃113④半導體式應變片（壓阻效應）:

材料：半導體材料，根據壓阻效應制成。優點：靈敏系數高，K>100，頻率響應好，可制作成小型和超小型應變片。缺點：溫度系數大，熱穩性能差；大應變時，非線形較大，多用于測量500以下的小應變。1、基底；2、硅條；3、內引線；4，焊接電極；5、引出線④半導體式應變片（壓阻效應）:1、基底；2、硅條；3、內引線114幾種電阻應變片

1，2，3，7，9.箔式電阻應變片4.半導體應變片

5.絲繞式電阻應變片6.短接式電阻應變片8.焊接電阻應變片幾種電阻應變片

1，2，3，7，9.箔式電阻應變片4.半導1154、電阻應變片的技術性能電阻應變片的主要技術指標如下；⑴電阻值:R；⑵標距:指敏感柵在縱軸方向的有效長度L；⑶靈敏系數:K一般等于2.0，也可不等于2.0.⑷規格:以使用面積L*b表示⑸溫度適用范圍⑹其他性能指標：機械滯后、蠕變、疲勞壽命、零點漂移、橫向靈敏系數、絕緣電阻等。根據電阻應變片的性能指標，電阻應變片被分為A、B、C、D等級。A級為最高級，常用于制作應變式傳感器，結構試驗中，可選用C級或B級應變片。其相應的性能指標見教材附錄1。4、電阻應變片的技術性能116

2、應變片的電阻值應力片的電阻值，是應變片在沒有粘貼，未受力時，在室溫下所測定的電阻值。應變片的標準名義電阻值最常用的有120，350，并有60，200，500，1000系列。

3、機械滯后量（Zf）在恒定溫度下，對貼有應變片的試件進行加卸載試驗，對各應力水平應變片加卸載時所指示的應變量的最大差值作為該批應變片的機械滯后量Zf。

4、零點漂移(P)和蠕變()

在溫度恒定，被測試不受力的情況下，試件上應變片的指示應變隨時間的變化稱為零點漂移(簡稱零漂)。如果溫度恒定，應變片承受有恒定的機械應變時時，指示應變隨時間的化則稱為蠕變。

1、應變片的尺寸順著應變片軸向敏感柵兩端轉彎處內側之間的距離稱為柵長(或叫標距)，以表示。敏感柵的橫向尺寸稱為柵寬，以S表示。稱為應變片的使用面積。2、應變片的電阻值3、機械滯后量117

5、應變極限在室溫條件下，對貼有應變片的試件加載，使試件的應變逐漸增大，應變片的指示應變與真實應變的相對誤差達到規定值(一般為10%)時的真實應變即為應變片的應變極限，用j表示。

6、絕緣電阻(Rm)

絕緣電阻Rm是指敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。

7、疲勞壽命(N)

疲勞壽命N是指貼有應變片的試件在恒定幅值的交變應力作用下，應變片連續工作，直至產生疲勞損壞時的循環次數，通常可達106～107次。

8、最大工作電流最大工作電流是允許通過應變片而不影響其工作特性的最大電流，通常為幾十毫安。5、應變極限6、絕緣電阻(Rm118應變片電阻值：指應變片在未安裝、不受外力、室溫條件下的電阻值。單片阻值：單個應變片的標定電阻值。標準名義阻值：人為規定的生產標準，為一定值，如120Ω、240Ω。一般應變儀是按120Ω應變片要求設計的。平均名義阻值：一批應變片抽樣標定，電阻值取平均、求公差。如120±0.5%或120±0.6Ω。應變片電阻值：指應變片在未安裝、不受外力、室溫條件下的電阻值119應變片的敏感柵工作面積：應變片敏感柵長寬之積S=L*b。

L-柵長標距

b-柵寬注意：盡量選用L大、b小的應變片。應變片的敏感柵工作面積：應變片敏感柵長寬之積S=L*b。120

5、應變片的選用與應變片粘結工藝【應變片選用】1、工作環境：溫度保證、地下工程中防潮特性好

2、被測物材料性質:

彈模高,基長小;

粗晶粒巖石混凝土，選用基長長

3、按被測試件受力狀態和應變性質：應變花變化大選用基長小，變化小選用基長

4、按測量精度：標距、電阻值、靈敏度5、應變片的選用與應變片粘結工藝121【應變片粘結工藝】①應變片檢查：外觀檢查、電阻值檢查;②表面處理：刮刀除銹、砂布打磨、脫脂棉擦洗、吹風機烘干;③貼片與固化：畫線、涂膠、用玻璃紙壓、調整、補膠;④粘貼質量檢查：外觀檢查、電阻值檢查、絕緣電阻檢查、連接電阻應變儀檢查;⑤連接導線：導線固定、導線焊接;⑥防潮處理：凡士林、石蠟等;【應變片粘結工藝】1226、電阻應變片的優點與缺點①在一定工作范圍內，電阻變化率與應變成線性關系(嚴格說是非線性很小)；②靈敏度高,普通電阻應變片的最小讀數為1-5με,半導體應變片的最小讀數可達0.1με，靈敏度高；③一般電阻應變片測量范圍達±20000με，特制的大應變量電阻應變片可測應變達200000με測量范圍廣；

【電阻應變片優點】6、電阻應變片的優點與缺點①在一定工作范圍內，電阻變化率與應123④尺寸小、重量輕，把電阻應變片貼在結構表而后對試件的工作狀態和應力分布影響極微；⑤頻率響應好，普通應變片的頻響時間約為10-7S，半導體應變片可達10-11S，從而可以不考慮應變傳遞時的相位差，能夠適應數萬赫茲的動應變測量；⑥測量自動化程度高，可遠距離傳送電信號；⑦對環境的適應性強，若對電阻應變片采取特殊措施，可用于高溫、低溫、水下壓、強磁場和腐蝕等環境；④尺寸小、重量輕，把電阻應變片貼在結構表而后對試件的工作狀態124電阻應變片在應用中的主要缺點是：①因為電阻應變片是選點布置的，故測量結果僅給出測點貼片方向的應變，難以得到應變和應力場的全貌；②通常電阻應變片只適于結構表面應力的測量，并且測量值只是電阻應變片基長內的平均應變值；③連續長時間測量會出現漂移，原因在于粘合劑的不穩定性和對周圍環境的敏感性所造成；④另外應變片必須牢固地粘貼在試件表面，才能保證正確地傳遞試件的變形，粘貼工作技術性強，粘貼工藝復雜，工作量大；⑤電阻應變片不能重復使用。【電阻應變片缺點】電阻應變片在應用中的主要缺點是：【電阻應變片缺點】1253.2電阻應變儀測量應變

1、電阻應變儀介紹試驗構件的應變值一般均很小，當材料處于彈性階段時應變約為10-6—10-2，故應變片的電阻變化率很小,需用專門儀器進行測量,測量應變片的電阻變化率并能自動轉化為應變的儀器稱為電阻應變儀。

電阻應變儀按頻率響應范圍可分為:靜態電阻應變儀;靜動態電阻應變儀;動態電阻應變儀;超動態電阻應變儀;其中靜態電阻應變儀和動態電阻應變儀應用較多。3.2電阻應變儀測量應變1、電阻應變儀介紹126靜態電阻應變儀用電學方法測量不隨時間變化或變化極為緩慢的靜態應變。它由測量電橋、放大器、顯示儀表和讀數機構等組成。貼在被測構件上的電阻應變計接于測量電橋上。構件受載變形時，測量電橋有電壓輸出，經放大器放大后由顯示儀表指示出相應的應變值。靜態電阻應變儀每次只能測出一個點的應變。進行多點測量時可配以預調平衡箱。所有測點的應變計均預先接在平衡箱各點上，然后靠開關逐點轉換接入應變儀。靜態電阻應變儀用電學方法測量不隨時間變127應變儀采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位計式，應用最多的是交流電橋式電路并帶有載波放大器的形式。采用交流電橋電路的應變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成。

應變儀采用的電路可以是直流電橋式、交流電橋式或電位128①電橋：將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號,以便放大器放大。通常電橋由正弦振蕩器供電,其頻率為500赫～50千赫,較低頻率的被測應變信號對較高的頻率的電橋電壓進行調幅，輸出一個窄頻帶的調幅波信號。①電橋：將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號,以便放大器放129②放大器：對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功率去推動指示器和記錄器。為提高放大器的穩定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動態應變儀。

③相敏檢波器：將放大后的調幅波還原為被測應變信號波形，同時反映被測應變信號的方向，通常采用環形相敏檢波器。

②放大器：對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功130④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。⑤振蕩器：產生一個穩定的振蕩電壓，作為電橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。電學應變儀靈敏度高、穩定性好。它所配用的應變計體積小，微型箔式應變計能測量工程上被看作一個“點”的小范圍應變。

④濾波器：濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想131結構靜載試驗應變測試技術課件1322、電阻應變儀工作原理電阻應變儀的基本測量電路為惠斯登電橋,如下圖所示。當滿足或電橋平衡，Uout=0。2、電阻應變儀工作原理當滿足或電橋平衡，Uout=0。133實驗時通常將粘貼在構件上的四個相同規格的應變片作為橋臂上的四個電阻，如下圖所示。當試件受力時，上述應變片感受到的應變分別為ε1，ε2，ε3和ε4，相應的電阻改變量分別為△R1，△R2，△R3和△R4，代入得電橋的輸出電壓力：應變儀的輸出結果（應變讀數）為：

這種接線法稱為全橋接線法

實驗時通常將粘貼在構件上的四個相同規格的應變片作為橋臂上的四134這個關系可用“鄰臂相減，對臂相加”概括。這叫做電橋的加減特性。有時只在電橋的AB和BC端接應變片，而在AD和DC端接應變儀內部的兩個阻值相等的標準電阻，見下圖。因R內不受構件變形的影響，則

這種接線法稱為半橋接線法

這個關系可用“鄰臂相減，對臂相加”概括。這叫做電橋的加減特135相鄰橋臂:應變極性一致時，輸出電壓為兩者之差；若極性不一致時，輸出電壓為兩者之和。相對橋臂:則與上述規律相反.此特性稱為電橋的加減特性(或和差特性).利用該特性:可提高電橋的靈敏度;對溫度影響予以補償.它是在構件上布片和接橋時遵循的基本準則之一。用電橋測量電阻變化有偏位法和零位法兩種測量方法。

偏位法時，是在表的刻度盤上刻出R，或直接刻出應變值(根據R/R=k)，由指針偏轉直接指示應變值，或者送到記錄器直接記錄。

相鄰橋臂:應變極性一致時，輸出電壓為兩者之差；136

零位測量法如右圖所示，電橋原始平衡后，如R1變成R1+R，則電橋失去平衡，電表指針偏轉，此時人為調節可變電阻r，改變D點電位，使之與B點電位相同，電橋重新平衡，電表又重新指零，這時可在可變電阻器刻度盤上直接讀出應變值，便可測出R1變化R時所對應的應變值。零位測量法與電源電壓無關，電源電壓變化不影響測量結果，故測量精度較高，但測量時電橋需要重新平衡，較麻煩，只用于靜態測試。偏位法輸出受電源電壓的影響，用于動態測試。零位測量法如右圖所示，電橋原始平衡后，如R1變成R1373、布片和接橋方法

應變片在應變儀的測量電橋中有各種接法。在實際測量中，常利用電橋基本特性并采用不同的接線方法，來達到以下目的：a、實現溫度補償；b、從復雜的變形中測出所需要的應變分量；c、擴大應變儀的讀數，以減少誤差，提高測量靈敏度。3、布片和接橋方法應變片在應變儀的測量電橋中1381）全橋接線法測量電橋的四個橋臂上全部接電阻應變片，稱為全橋接線法（或全橋線路）。對于等臂電橋，此時應變儀的讀數應變由公式即可得出：

εd=ε1-ε2+ε3-ε4

實際測量時，可有以下兩種情況：a、全橋測量：電橋的四個橋臂上都接工作應變片。b、相對兩臂測量：電橋相對兩臂接工作應變片，另相對兩臂接溫度補償應變片。1）全橋接線法1392）半橋接線法若在測量電橋的橋臂AB和BC上接電阻應變片，而另外兩臂AD和CD接電阻應變儀的內部固定電阻R，則稱為半橋接線法。由于橋臂AD和CD接固定電阻，不感受應變，因此對于等臂電橋，按公式可得到應變儀的讀數為：εd=ε1-ε2

實際測量時，可有以下兩種情況：a、半橋雙臂測量：電橋的兩橋臂AB和BC上均接工作應變片。b、半橋單臂測量：電橋的兩橋臂AB和BC上，任意橋臂接工作應變片，而另一橋臂接溫度補償應變片。2）半橋接線法140（1）粘貼在被測構件測點上的應變片，如果周圍環境變化時，應變片柵絲的電阻應變值也將隨著溫度改變而變化；（2）同時，又因為柵絲材料和被測構件材料的膨脹系數不同，應變片被迫拉長或縮短，使柵絲電阻值也發生變化，（3）這種由于溫度改變引起的虛假應變，并不是由于載荷作用而引起的，如果只想測定構件承受在載荷作用下的變形，就應該設法消除它。（4）消除的辦法就是溫度補償。4、溫度補償方法（1）粘貼在被測構件測點上的應變片，如果周圍環境變化時，應變141在常溫應變測量中溫度補償的方法是采用橋路補償法。這種方法簡單、經濟、補償效果好。這是利用電橋特性來進行溫度補償的。橋路補償法可以分為以下兩種：1）補償塊補償法2）工作片補償法在常溫應變測量中溫度補償的方法是采用橋路補償法。這種方法簡單1421）補償塊補償法其材料應與被測構件相同，但不受外力，并將它置與構件被測點附近，使補償片與工作片處于同一溫度場中。1）補償塊補償法1432）工作片補償法這種方法不需要補償塊和補償片，而是在同一被測試件上粘貼幾個工作應變片，將它們接入電橋中。當試件受力且測點環境溫度變化時，每個應變片的應變中都包含外力和溫度變化引起的應變，根據電橋基本特性，在應變儀的讀數應變中即可消除溫度變化所引起的虛假應變，而得到所需測量的應變。因此工作應變片既參加工作，又起到了溫度補償的作用。2）工作片補償法144（1）同一橋路具有相同的溫度效應，即（2）外補橋路補償片的荷載效應為零，即（1）同一橋路具有相同的溫度效應，即1454、應變應力的測量

根據被測對象的應力狀態，選擇測點和布置應變片和合理接橋是實測時應首先解決的問題。布片和接橋的一般原則為：（1）首先考慮應力集中區和邊界上的危險點，選擇主應變最大、最能反映其力學規律的點貼片；（2）利用結構的對稱性布點，利用應變電橋的加減特性，合理選擇貼片位置、方位和組橋方式，可以達到穩定補償、提高靈敏度、降低非線性誤差和消除其它影響因素的目的。（3）當測量荷載時，應盡量避開應力－應變的非線性區貼片；（4）在應力已知的部位安排測點，以使測量時進行監視和檢查試驗結果的可靠性。

4、應變應力的測量根據被測對象的應力狀態，選146結構靜載試驗應變測試技術課件147結構靜載試驗應變測試技術課件148結構靜載試驗應變測試技術課件149結構靜載試驗應變測試技術課件150結構靜載試驗應變測試技術課件151結構靜載試驗應變測試技術課件152圖4.5半橋外補一片多補工作原理橋路示意圖5、一片多補技術的工作原理圖4.5半橋外補一片多補工作原理橋路示意圖5、一片多補153半橋橋路全橋橋路6.應變儀半橋與全橋切換技術的工作原理半橋橋路154注意：長導線電阻對應變測量的影響當導線長度大于10m時，測得的應變將比真實值降低１%以上，要按下式進行修正。注意：長導線電阻對應變測量的影響當導線長度大于10m時155結構靜載試驗應變測試技術課件156§2.6靜態應變測量利用應變片測出的是構件上某一點處沿某一方向的線應變，必須經過應變—應力換算才能得到主應力。不同的應力狀態有不同的關系式。一、應變—應力換算關系（一）已知主應力方向的單向應力狀態構件在外力作用下，若被測點位單向應力狀態，則主應力方向已知，只有主應力值是一個未知量。此時可沿主應力的方向貼一個應變片，測得應變后，由單向應力胡克定律：E：被測構件材料的彈性模量。§2.6靜態應變測量利用應變片測出的是構件上某一點處沿157（二）已知主應力方向的二向應力狀態以受內壓作用的薄壁容器為例，如果測點的應力狀態是已知主應力方向的二向應力狀態，有主應力值兩個未知量，此時可沿主應力方向各貼一個應變片，與補償片組成兩個單臂半橋，分別測出兩個主應變和，再由廣義胡克定律求得主應力：