《实验应力分析》教学课件

1、实 验 力 学李东平李东平 教授教授中南大学土木工程学院力学系中南大学土木工程学院力学系绪绪 论论 随着科学技术的发展，需对随着科学技术的发展，需对复杂载荷复杂载荷作作用下的用下的复杂结构复杂结构进行进行应力、应变应力、应变分析，以解分析，以解决工程强度问题。有两种不同的分析方法决工程强度问题。有两种不同的分析方法: 理论分析法：理论分析法：建立力学模型，并进行建立力学模型，并进行(近近似似)数值计算，如有限单元法。数值计算，如有限单元法。 实验分析法：实验分析法：利用模型或实体进行实验利用模型或实体进行实验研究。研究。 这两种方法是解决工程强度问题的两种这两种方法是解决工程强度问题的两种不同

2、途径，二者相辅相成、相互促进。不同途径，二者相辅相成、相互促进。实验力学的定义：实验力学的定义： 所谓实验力学（或者叫做实验应力分析）即所谓实验力学（或者叫做实验应力分析）即是用各种不同的实验方法和手段测定受力构件的是用各种不同的实验方法和手段测定受力构件的应力和变形的一门学科。应力和变形的一门学科。 实验力学的主要任务：实验力学的主要任务： 1、在设计过程中，可测定模型中的应力和变形，、在设计过程中，可测定模型中的应力和变形，根据测定结果选择构件最合理的尺寸和结构形式。根据测定结果选择构件最合理的尺寸和结构形式。 2、在现有设备上或工程结构上测量真实应力状、在现有设备上或工程结构上测量真实应

3、力状态，找出最大应力的位置及数据，评定设备或结态，找出最大应力的位置及数据，评定设备或结构的安全可靠性。构的安全可靠性。 3、对破坏或失效的构件进行分析，提出、对破坏或失效的构件进行分析，提出改进措施，防止再次出现破坏或失效现象。改进措施，防止再次出现破坏或失效现象。4、测定构件在工作过程中所受载荷大小、测定构件在工作过程中所受载荷大小和方向，或测定影响载荷情况的各种运动和方向，或测定影响载荷情况的各种运动参数参数(如位移、加速度等如位移、加速度等)。 5、对理论分析方法进行校核，验证理论、对理论分析方法进行校核，验证理论分析的正确性，并为理论分折提供条件。分析的正确性，并为理论分折提供条件。

4、实验力学的特点以及局限性实验力学的特点以及局限性特点：特点： a、方便，经济，实用；、方便，经济，实用； b、在边界条件不确定，甚至材料性能、在边界条件不确定，甚至材料性能未未知的情况下，可进行应力和应变分析；知的情况下，可进行应力和应变分析； c、不受结构形状等各种限制。、不受结构形状等各种限制。局限性：局限性： a、所得结果包含理想化和近似化因素。、所得结果包含理想化和近似化因素。 b、由于测试技术的限制，在某些特定、由于测试技术的限制，在某些特定条条 件下，还不能进行实验，且测量精度件下，还不能进行实验，且测量精度 也有待提高。也有待提高。实验力实验力学学的基本方法：的基本方法：1.电阻

5、应变计测量法（应变电测法）：电阻应变计测量法（应变电测法）： 用电阻应变计测定构件的表面应变，再根用电阻应变计测定构件的表面应变，再根据应变据应变-应力关系确定构件表面应力状态的一应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。种实验应力分析方法。2.各种光测法各种光测法 光弹性法、全息激光法、散斑干涉法、光弹性法、全息激光法、散斑干涉法、云纹法、云纹干涉法、焦散线法、动光弹法、云纹法、云纹干涉法、焦散线法、动光弹法、光塑性法等。光塑性法等。第一篇第一篇 电阻应变测量法电阻应变测量法第一章第一章 电测法概述电测法概述 一、电测法简介一、电测法简介 电测法是实验应力分析中使用最广泛和适应性最

6、强的方电测法是实验应力分析中使用最广泛和适应性最强的方法之一。该方法是利用电阻应变计法之一。该方法是利用电阻应变计(简称应变片）作为敏感简称应变片）作为敏感元件，用应变仪作为测量仪器，通过测量可以得出受力构元件，用应变仪作为测量仪器，通过测量可以得出受力构件上的应力、应变的一种实验方法。件上的应力、应变的一种实验方法。 测量时，将应变片牢固地贴在构件上，连同构件一起测量时，将应变片牢固地贴在构件上，连同构件一起变形，应变片的变形产生了电阻的变化，通过测量电桥使变形，应变片的变形产生了电阻的变化，通过测量电桥使这微小的电阻变化转换成电压或电流的变化，经过信号放这微小的电阻变化转换成电压或电流的变

7、化，经过信号放大后，再将其变换成构件的应变值而显示出来。完成上述大后，再将其变换成构件的应变值而显示出来。完成上述转换工作的仪器叫电阻应变仪。转换工作的仪器叫电阻应变仪。二、电测法的特点：二、电测法的特点：测量灵敏度、精度高，最小应变读数可达测量灵敏度、精度高，最小应变读数可达10-6，静态应变测量，静态应变测量精度可达精度可达1%2% 。应变片尺寸小，重量轻，粘贴方便，对试件的工作状态和应应变片尺寸小，重量轻，粘贴方便，对试件的工作状态和应力分布影响很小。力分布影响很小。频率响应快，机械滞后小，可以测量静态应变到频率响应快，机械滞后小，可以测量静态应变到50万万Hz动载动载和冲击载荷的动态应

8、变。和冲击载荷的动态应变。可在恶劣的环境下测量结构的应变。如在高温、低温、深水可在恶劣的环境下测量结构的应变。如在高温、低温、深水结构、强磁场及核辐射等条件下进行测量。结构、强磁场及核辐射等条件下进行测量。可对运动状态下的结构进行实测。如可对高速旋转的飞轮和可对运动状态下的结构进行实测。如可对高速旋转的飞轮和轴、行驶中的汽车、拖拉机等进行实测。轴、行驶中的汽车、拖拉机等进行实测。1. 输出为电信号，自动化程度高，可实现遥控测量。输出为电信号，自动化程度高，可实现遥控测量。三、电测法的局限性：三、电测法的局限性： 1一枚应变片只能测量一个一枚应变片只能测量一个“点点”，不易得到构件的全，不易得到

9、构件的全域性应力、应变分布域性应力、应变分布 。 2应变片一般只能测构件表面的应变对结构内部的三应变片一般只能测构件表面的应变对结构内部的三维应变测量很难进行，（安装内埋式应变计）。维应变测量很难进行，（安装内埋式应变计）。 3应变片所测出的应变只能代表栅长范围内的平均应变，应变片所测出的应变只能代表栅长范围内的平均应变，对应力梯度很大构件表面或应力集中的情况，应选栅长很对应力梯度很大构件表面或应力集中的情况，应选栅长很小的应变计，否则测量误差较大。小的应变计，否则测量误差较大。四、电测法的应用四、电测法的应用 1、航空航天工程、航空航天工程 美国美国Boeing767飞飞机静力结构实验采用了

10、机静力结构实验采用了2204个单个应变片，个单个应变片，1162个应变花，应变测个应变花，应变测量仪器约量仪器约4100个通道，个通道，采用采用120个液压加载器，个液压加载器，试验费用约试验费用约4100万美元。万美元。四、电测法的应用四、电测法的应用 2、水利工程、水利工程 日本真名川混凝土水坝，日本真名川混凝土水坝，在建造时为施工和完成后维在建造时为施工和完成后维修监测，埋设了温度计修监测，埋设了温度计187个，应变计个，应变计43个，及应力计、个，及应力计、钢筋计、裂缝计等共钢筋计、裂缝计等共600多多个测量元件。采用数据采集个测量元件。采用数据采集仪。施工中测量各处温度，仪。施工中测

11、量各处温度，施工后测量坝体应力，蓄水施工后测量坝体应力，蓄水时监测各种应力、应变和温时监测各种应力、应变和温度等。度等。四、电测法的应用四、电测法的应用 3、桥梁工程、桥梁工程 上海南浦大桥系双上海南浦大桥系双塔双索面大跨度斜拉桥，塔双索面大跨度斜拉桥，静载试验测试时在主梁静载试验测试时在主梁跨中、辅助墩顶等跨中、辅助墩顶等2个测个测试断面上共有试断面上共有144个测点，个测点，其中钢梁部分现贴应变其中钢梁部分现贴应变片片72个，混凝土桥面板个，混凝土桥面板预埋钢筋应力计预埋钢筋应力计72个。个。采用静态数据采集仪测采用静态数据采集仪测量记录。量记录。四、电测法的应用四、电测法的应用 4、交通

12、工程、交通工程 小桥车耐冲撞性试小桥车耐冲撞性试验，为测量车体前后方验，为测量车体前后方向的加速度，在前座、向的加速度，在前座、后座底板上安装加速度后座底板上安装加速度传感器，在前座假人头传感器，在前座假人头部、腹部安装加速度传部、腹部安装加速度传感器，在前座假人肩部、感器，在前座假人肩部、腰部安装荷载传感器等。腰部安装荷载传感器等。由动态应变仪放大并记由动态应变仪放大并记录，通过遥测仪进行测录，通过遥测仪进行测量。量。第二章第二章 电阻应变片电阻应变片2-1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理一、应变片的构造一、应变片的构造 最常应用应变片的是丝绕式最常应用应变片的是丝绕式电阻片和金属

13、箔式电阻片。电阻片和金属箔式电阻片。 丝绕式电阻片丝绕式电阻片一般采用一般采用0.0120.05mm直径的镍铬或铜镍直径的镍铬或铜镍(康铜康铜)合金丝绕成合金丝绕成栅栅状，其结构状，其结构如图如图2-l 所示。由五部分构成：所示。由五部分构成：1.敏感栅、敏感栅、2.基底、基底、3.引出线、引出线、4.覆覆盖层、盖层、5.粘结剂。粘结剂。1、敏感栅、敏感栅 2、基底、基底 3、引线、引线 4、覆盖层、覆盖层 5、粘结剂、粘结剂 图图2-1 应变片的构造应变片的构造 图图2-2 2-2 金属箔式应变片金属箔式应变片一、应变片的构造一、应变片的构造 金属箔式电阻片金属箔式电阻片是用是用厚度厚度0.

14、0010.01 mm的金的金属箔作为敏感栅，箔片材属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。它的利用光刻技术制成。它的几何形状和尺寸非常精密。几何形状和尺寸非常精密。参见图参见图2-22-2，也由五部分，也由五部分组成。组成。二、电阻丝的应变效应二、电阻丝的应变效应 金属导体的电阻随其变形金属导体的电阻随其变形(伸长或缩短伸长或缩短)而发生改变的这种物而发生改变的这种物理现象叫理现象叫金属导线的应变效应金属导线的应变效应。截取一段敏感栅，分析应变与电。截取一段敏感栅，分析应变与电阻变比率之间的关系，已知导线电阻表达式为阻变比率之间的关系，已知导线电阻表

15、达式为 (2-1)其中，其中，R是导线的电阻是导线的电阻()，是导线的电阻率是导线的电阻率( mm2/m)，l是导是导线的长度线的长度(m) ，s是导线的横截面积是导线的横截面积(m2)。考虑导线电阻率考虑导线电阻率为常量时，导体伸长后引起电阻的变化为为常量时，导体伸长后引起电阻的变化为 (2-2)slR 2sldssdldR将将(2-2)式除以式除以(2-1)式可得式可得 (2-3)圆截面导线变形后直径圆截面导线变形后直径D变为变为 其中，其中，是泊桑比，是泊桑比，dl/l是应变。截面面积变比为是应变。截面面积变比为 (2-4)将将(2-4)式代入式代入(2-3)式得到式得到令令KS为电阻丝

16、灵敏系数，上式变为为电阻丝灵敏系数，上式变为 (2-5)sdsldlRdR)-D(1D-DD-D-DDds244222RdR21SKRdR可见电阻变化率可见电阻变化率dR/R与应变量成正比，比例常数与应变量成正比，比例常数KS为为 (2-6)实测值实测值KS与与(2-6)式不符，其原因是式不符，其原因是在应变过程中也是变量。考在应变过程中也是变量。考虑虑为变量时，则有为变量时，则有 (2-7)即是即是 (2-8)21/RdRKSsdsldldRdR12dRdR /21dKS式式(2-8) 表明，电阻丝的灵敏系数表明，电阻丝的灵敏系数KS受到两个因素的影响：受到两个因素的影响： 1.电阻丝材料本

17、身的机械性能，即式中电阻丝材料本身的机械性能，即式中(1十十2)项。项。 2.电阻丝受力后材料的单位应变系数的变比率，为电阻丝受力后材料的单位应变系数的变比率，为 。/d 三、应变片的灵敏系数三、应变片的灵敏系数K 根据测量仪器要求，电阻丝必须具有定量的初始电阻根据测量仪器要求，电阻丝必须具有定量的初始电阻( (一般一般120 )120 )；单线长度为；单线长度为3080mm，因此，必须把它制成栅状，以，因此，必须把它制成栅状，以测量反映构件测量反映构件“点点”的应变。的应变。 应变片的灵敏系数定义：当将应变片安装在处于单向应力状应变片的灵敏系数定义：当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面

18、，应变片轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的态的试件表面，应变片轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其轴向的应变之比值，即相对变化与沿其轴向的应变之比值，即K= (R/R)/K= (R/R)/x x 称为电称为电阻片的灵敏系数。阻片的灵敏系数。 应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两者又不相等：由于横栅的存在，使敏感栅的灵敏系数小于丝材的者又不相等：由于横栅的存在，使敏感栅的灵敏系数小于丝材的灵敏系数；试件的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，又使灵敏系数；试件的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，又使应变片的灵敏系

19、数小于敏感栅的灵敏系数。应变片的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数。 应变片的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标，不能通应变片的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标，不能通过理论计算得到，而是在专门的设备上进行标定试验来确定的。过理论计算得到，而是在专门的设备上进行标定试验来确定的。常用应变片的灵敏系数为常用应变片的灵敏系数为2.02.02.42.4。 当横向应变为零时，可得轴向灵敏系数：当横向应变为零时，可得轴向灵敏系数： 当轴向应变为零时，可得横向灵敏系数：当轴向应变为零时，可得横向灵敏系数： 横向效应系数定义：横向效应系数与轴向灵敏系数的比值横向效应系数定义：横向效应系数与轴向灵敏系数的比值

20、H 。可采用等强度梁来测定应变片的可采用等强度梁来测定应变片的横向效应系数横向效应系数。yxxRRKKyx0 xyRR Ky0yxRR KxyKKH四、应变片的横向效应系数四、应变片的横向效应系数 应变片的横向效应：由于敏感栅感受横向应变而使应变片灵应变片的横向效应：由于敏感栅感受横向应变而使应变片灵敏系数减少的现象。敏系数减少的现象。 应变片的电阻变化率是感受纵向应变应变片的电阻变化率是感受纵向应变 和横向应变和横向应变 共同引起的共同引起的: :xy2-2 应变片分类与选用应变片分类与选用一、应变片分类一、应变片分类 应变片的类型很多，可根据不同的用途和特点来分类，现只应变片的类型很多，可

21、根据不同的用途和特点来分类，现只介绍几种常用应变片形式：介绍几种常用应变片形式：1丝绕式圆角栅应变片丝绕式圆角栅应变片 这种应变片敏感栅用绕丝机织成，基底多用纸，价格便宜。其这种应变片敏感栅用绕丝机织成，基底多用纸，价格便宜。其缺点是端部有半圆形弧段，造成横向效应，测量精度不高，耐湿缺点是端部有半圆形弧段，造成横向效应，测量精度不高，耐湿和耐高温性能也不好。和耐高温性能也不好。2箔式应变片箔式应变片 这种应变片用厚度金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬这种应变片用厚度金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。其横向部分可以做成宽栅条，横合金等，利用光刻技术制成。其横向部

22、分可以做成宽栅条，横向向效应很小；散热性能好，允许较大电流通过；疲劳寿命长。其缺效应很小；散热性能好，允许较大电流通过；疲劳寿命长。其缺点是工艺较复杂，制造难度大。点是工艺较复杂，制造难度大。(a)两片直角两片直角(b)三片直角三片直角(c)三片等角三片等角(d)四片直角四片直角(e)四片等角四片等角(T-)图图2-3 常见的应变花常见的应变花 3应变花应变花 为了测量平面应力场中某测点的主应力大小和方向，常常为了测量平面应力场中某测点的主应力大小和方向，常常需要测量该点上两个或三个方向上的应变，这就需要在一个基需要测量该点上两个或三个方向上的应变，这就需要在一个基底上粘贴底上粘贴24个电阻丝

23、栅，它们方向事先已安置妥当，称为应变个电阻丝栅，它们方向事先已安置妥当，称为应变花。常用的应变花有两片直角、三片直角、三片等角、四片直花。常用的应变花有两片直角、三片直角、三片等角、四片直角、四片等角角、四片等角(T-)等形式。参见图等形式。参见图2-3。 二、电阻应变片的选用二、电阻应变片的选用 1按照测试温度选择应变片的基底材料按照测试温度选择应变片的基底材料 构件的工作温度是选用应变片基底材料的主要依据，现将几构件的工作温度是选用应变片基底材料的主要依据，现将几种基底材料的工作温度列表如下：种基底材料的工作温度列表如下：表表2-1 2-1 基底材料的工作温度范围基底材料的工作温度范围2.

24、 敏感栅结构形状和尺寸的选择敏感栅结构形状和尺寸的选择 当构件处于单向应力状态或主应力方向已知的平面应力状态当构件处于单向应力状态或主应力方向已知的平面应力状态时，可采用单轴时，可采用单轴(单个敏感栅单个敏感栅)应变片。当构件表面处于主应力方应变片。当构件表面处于主应力方向未知的二向应力状态，则需选用三栅或三栅以上的应变花。向未知的二向应力状态，则需选用三栅或三栅以上的应变花。 特殊形状的应变片适用于特殊的用途，如特殊形状的应变片适用于特殊的用途，如45多栅多油应变多栅多油应变片用于测试拉应变和剪应变；平行轴多栅电阻片测应力梯度等。片用于测试拉应变和剪应变；平行轴多栅电阻片测应力梯度等。 由于

25、电阻片测量是栅长内构件应变的平均值，选择栅长尺寸由于电阻片测量是栅长内构件应变的平均值，选择栅长尺寸时，应考虑应力变比的梯度，当构件应力变化的梯度大时选择栅时，应考虑应力变比的梯度，当构件应力变化的梯度大时选择栅长小的应变片在应力集中部位，栅长越小越好。长小的应变片在应力集中部位，栅长越小越好。 从构件材料的均匀性来考虑，如混凝土、铸铁，应选择栅长从构件材料的均匀性来考虑，如混凝土、铸铁，应选择栅长较大的电阻片，对于混凝土构件，应变片的栅长应为混凝土最大较大的电阻片，对于混凝土构件，应变片的栅长应为混凝土最大骨料的骨料的45倍。倍。3根据工作环境条件考虑根据工作环境条件考虑 在潮湿环境中，考虑

26、使用防潮性能好的胶膜基底电阻片，并在潮湿环境中，考虑使用防潮性能好的胶膜基底电阻片，并且涂上防潮剂以免潮气侵入应变片内。且涂上防潮剂以免潮气侵入应变片内。 在强磁场条件下电阻片因磁场影响产生伸长或缩短，在交变在强磁场条件下电阻片因磁场影响产生伸长或缩短，在交变磁场内将产生干扰信号，因此应使用防磁电阻片。磁场内将产生干扰信号，因此应使用防磁电阻片。 测量混凝土结构内部应变和应力时，选用温度自补偿箔式应测量混凝土结构内部应变和应力时，选用温度自补偿箔式应变片，或选用混凝土埋入式应变片。变片，或选用混凝土埋入式应变片。4电阻值选择电阻值选择 应变片的电阻值有应变片的电阻值有60，120，200，35

27、0等，一般选用等，一般选用标称值标称值120的电阻片。因为应变测量仪器的桥臂电阻大都是按的电阻片。因为应变测量仪器的桥臂电阻大都是按照照120设计的。设计的。5. 应变片灵敏系数的选择应变片灵敏系数的选择 在静载荷作用下测量时，应变片可选用任意值的灵敏系数，在静载荷作用下测量时，应变片可选用任意值的灵敏系数，因为仪器上设有灵敏系数调节旋纽，测量值可以不必修正。因为仪器上设有灵敏系数调节旋纽，测量值可以不必修正。 在动态应变测量时，由于动态应变仪是按照灵敏系数等于在动态应变测量时，由于动态应变仪是按照灵敏系数等于2设计的，所以选取设计的，所以选取K2的应变片，如果应变片的灵敏系数与仪器的应变片，

28、如果应变片的灵敏系数与仪器灵敏系数不一致时，测量结果需要修正。灵敏系数不一致时，测量结果需要修正。6. 应变片精度等级的选择应变片精度等级的选择 应变片的精度一般分为三级：普通级、精密级和高精密级。应变片的精度一般分为三级：普通级、精密级和高精密级。选用的等级可根据测试目的和要求决定，普通级可用于教学实验，选用的等级可根据测试目的和要求决定，普通级可用于教学实验，高精密级可用于高精度传感器和精密测试。高精密级可用于高精度传感器和精密测试。2-3 应变片的工作特性应变片的工作特性 应变片的性能好坏直接影响应变测量的精确度，因此，应对应变片的性能好坏直接影响应变测量的精确度，因此，应对应变片的性能

29、需要提出一定的要求。应变片的性能需要提出一定的要求。一、机械滞后一、机械滞后 当对贴有应变片的试件进行当对贴有应变片的试件进行反复加、卸载试验时，其特性曲反复加、卸载试验时，其特性曲线不完全重合这种现象称为应线不完全重合这种现象称为应变片的变片的机械滞后机械滞后。见图。见图2-4。机。机械滞后值械滞后值k可用加载、卸载循环可用加载、卸载循环过程中，加载曲线与卸载曲线的过程中，加载曲线与卸载曲线的最大差值最大差值max表示。表示。图图2-4 机械滞后机械滞后 机械滞后产生原因很多，主要是应变片特性差，粘结剂固机械滞后产生原因很多，主要是应变片特性差，粘结剂固化处理不当，胶层过厚，局部脱胶等。在使

30、用应变片测量前，化处理不当，胶层过厚，局部脱胶等。在使用应变片测量前，最好最好予先加载数次，以减小滞后影响。予先加载数次，以减小滞后影响。二、蠕变和零点漂移二、蠕变和零点漂移 蠕变蠕变是当试件在某恒定应变下及某不变的温度下，应变片的是当试件在某恒定应变下及某不变的温度下，应变片的指示应变随时间而变化的特性指示应变随时间而变化的特性。 零点漂移零点漂移是在试件不受力的情况，在某恒定温度下应变片的是在试件不受力的情况，在某恒定温度下应变片的指示应变值随时间而变化的特性。产生零漂的原因是温度效应、指示应变值随时间而变化的特性。产生零漂的原因是温度效应、粘接剂固化不充分、制造和粘贴应变片过程中造成的初

31、应力、敏粘接剂固化不充分、制造和粘贴应变片过程中造成的初应力、敏感栅材料的逐渐氧化、仪器零漂等所造成的。感栅材料的逐渐氧化、仪器零漂等所造成的。三、应变极限三、应变极限 在室温条件下，使试件的应变逐渐加大，当应变片的指示应在室温条件下，使试件的应变逐渐加大，当应变片的指示应变与试件实际应变的相对误差达到变与试件实际应变的相对误差达到10时，此时试件应变为该应时，此时试件应变为该应变片的应变极限。变片的应变极限。 决定应变极限的主要因素：粘结剂和基底材料传递应变的性决定应变极限的主要因素：粘结剂和基底材料传递应变的性能；引线与敏感栅焊点的布置形式；应变计的安装质量。能；引线与敏感栅焊点的布置形式

32、；应变计的安装质量。四、绝缘电阻四、绝缘电阻(Rm) 绝缘电阻是应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值。绝缘电阻是应变片引出线与安装应变片的构件之间的电阻值。 绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。在一般环境下，短期测量通常要求绝缘电阻在差。在一般环境下，短期测量通常要求绝缘电阻在50200M。用测量电压低于用测量电压低于100V的高阻表测量绝缘电阻。的高阻表测量绝缘电阻。五、疲劳寿命五、疲劳寿命 应变片在恒定幅值的交变应力作用下连续工作，直至使应变应变片在恒定幅值的交变应力作用下连续工作，直至使应变片产生疲劳破坏的循环

33、次数，称为应变片的疲劳寿命。片产生疲劳破坏的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。 疲劳损坏：敏感栅或引线发生断路；应变计输出幅值变化疲劳损坏：敏感栅或引线发生断路；应变计输出幅值变化10%10%；应变计输出波形出现穗状尖峰。；应变计输出波形出现穗状尖峰。 为提高应变片的寿命，常选用胶基箔式应变片，同时需特别为提高应变片的寿命，常选用胶基箔式应变片，同时需特别注意引线与敏感栅之间的连接方式和焊点质量。注意引线与敏感栅之间的连接方式和焊点质量。2-4 应变片的粘结剂选用和粘贴工艺应变片的粘结剂选用和粘贴工艺一、应变片的粘结剂选用一、应变片的粘结剂选用 测试前，将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件的表面

34、上，测试前，将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，试件受力时，粘结剂应及时地把试件的全部变形传递给敏感栅。试件受力时，粘结剂应及时地把试件的全部变形传递给敏感栅。应变片能否真实地反映试件的应变，粘结剂的作用是十分重要应变片能否真实地反映试件的应变，粘结剂的作用是十分重要的。粘结剂还影响应变片的工作特性，如蠕变、滞后、零漂、的。粘结剂还影响应变片的工作特性，如蠕变、滞后、零漂、灵敏系数等。因此，必须正确地选择粘结剂。灵敏系数等。因此，必须正确地选择粘结剂。 粘结剂应满足如下主要要求：粘结剂应满足如下主要要求： 1. 固化后有较高的剪切强度，最好达到固化后有较高的剪切强度，最好达到1014

35、MPa以上。以上。 2. 基底、粘结剂固化后线膨胀系数相近。基底、粘结剂固化后线膨胀系数相近。 3. 粘结工艺简单易行，固化后有较高的绝缘度。粘结工艺简单易行，固化后有较高的绝缘度。 4. 粘结剂固化后有足够的韧性，能够承受冲击或动载荷。粘结剂固化后有足够的韧性，能够承受冲击或动载荷。 5. 对各种试件材料具有良好的粘结力，且固化内应力小。对各种试件材料具有良好的粘结力，且固化内应力小。二、贴片工艺二、贴片工艺 贴片是测量准备工作中关键的一环，只有使胶层均匀，位置贴片是测量准备工作中关键的一环，只有使胶层均匀，位置准确，无气泡，才能保证敏感栅如实地再现构件的变形。贴片工准确，无气泡，才能保证敏

36、感栅如实地再现构件的变形。贴片工艺如下；艺如下；1.检查、挑选应变片检查、挑选应变片 用放大镜检查应变片的质量，剔除那些敏感栅有形状缺陷，用放大镜检查应变片的质量，剔除那些敏感栅有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点的应变片。用万用表测量电阻，同一组片内有气泡、霉斑、锈点的应变片。用万用表测量电阻，同一组应变片的阻值差不大于应变片的阻值差不大于0.1。 2.试件表面清理试件表面清理 用砂布清除试件表面的油漆、锈斑和氧化层等覆盖层。再用用砂布清除试件表面的油漆、锈斑和氧化层等覆盖层。再用汽油或丙酮除去表面的油污。最后，用中粒度砂布与应变片粘贴汽油或丙酮除去表面的油污。最后，用中粒度砂布与应变片粘贴方

37、向成方向成45交叉打出一些条纹，可以增强胶的附着力。交叉打出一些条纹，可以增强胶的附着力。3.贴片贴片 a.在被测试件测点上画上十字线，并标出贴片的方向。在被测试件测点上画上十字线，并标出贴片的方向。 b.用脱脂棉蘸酒精消除试件表面灰尘和油污，注意不可用手用脱脂棉蘸酒精消除试件表面灰尘和油污，注意不可用手摸或用嘴吹。摸或用嘴吹。 c.涂上胶水，用应变片的背面将胶水在试件表面上涂匀。然后涂上胶水，用应变片的背面将胶水在试件表面上涂匀。然后用镊子拨动应变片，调整应变片位置和角度。在上面垫一层聚乙用镊子拨动应变片，调整应变片位置和角度。在上面垫一层聚乙烯薄膜，用手指轻轻滚压挤出多余胶水和气泡，并按压

38、一分钟。烯薄膜，用手指轻轻滚压挤出多余胶水和气泡，并按压一分钟。 d.使用红外线灯烘烤，可以加速胶水固化，温度保持在使用红外线灯烘烤，可以加速胶水固化，温度保持在60以内，几小时后即可测量。以内，几小时后即可测量。 e.用用1525w电烙铁将导线与引出线焊接起来，编上号并且用电烙铁将导线与引出线焊接起来，编上号并且用胶布固定，防止不小心拉断接头。胶布固定，防止不小心拉断接头。 f. .防护：应变片接好导线后，应立即涂上防护层，防止大气防护：应变片接好导线后，应立即涂上防护层，防止大气中水分的浸入，防止酸、碱、油等介质的浸入。其方法是在应变中水分的浸入，防止酸、碱、油等介质的浸入。其方法是在应变

39、片上涂一层中性凡士林，或用片上涂一层中性凡士林，或用914914环氧树脂作防护层。环氧树脂作防护层。1.选点。选点。 采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等2.打磨。打磨。 用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力3.清洗。清洗。 用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗4.贴片。贴片。 在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶的粘贴胶 5.排气。排气。 用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手用镊

40、子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡指揉和滚压，排出下面的气泡 6. 分开导线。把应变片的导线用手轻轻的分开，以免和应分开导线。把应变片的导线用手轻轻的分开，以免和应 变片脱离变片脱离7. 测量电阻。测量电阻。 从分开的导线处用万用表测量应变片的电阻，从分开的导线处用万用表测量应变片的电阻， 防止导线折断和坏的应变片防止导线折断和坏的应变片 8.焊接。焊接。 把引线和导线用点焊的方式焊接，要小心导线折断把引线和导线用点焊的方式焊接，要小心导线折断 9. 固定。固定。 焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止 引线

41、和应变片脱离引线和应变片脱离 第三章第三章 测量电桥的特性及应用测量电桥的特性及应用 使用应变片测量应变时，必须用适当的方法检测其阻值使用应变片测量应变时，必须用适当的方法检测其阻值的微小变化。应变片感受的机械应变量一般为的微小变化。应变片感受的机械应变量一般为10-610-2，电，电阻变化率也在阻变化率也在10-610-12数量级之间。这样小的电阻变化用一数量级之间。这样小的电阻变化用一般电阻仪很难测量出，需要采用测量电路将微电阻变化率转般电阻仪很难测量出，需要采用测量电路将微电阻变化率转换成电压或电流的变化，才能用仪表记录或显示出来。最理换成电压或电流的变化，才能用仪表记录或显示出来。最理

42、想的测量电路是惠斯登电桥。想的测量电路是惠斯登电桥。 测量电路要求满足以下两个方面的要求：测量电路要求满足以下两个方面的要求： l、足够的灵敏度、足够的灵敏度 2、足够的准确度、足够的准确度一、电桥平衡条件一、电桥平衡条件 电阻应变仪中的电桥线路如图电阻应变仪中的电桥线路如图3-2所示。它以应变片或电阻元件作为桥所示。它以应变片或电阻元件作为桥臂，臂，A、C为电源端为电源端(电桥输入端电桥输入端)，B、D为测量端为测量端(电桥的输出端电桥的输出端)。可取。可取R1为应变片，也可取为应变片，也可取R1、R2为应变片或为应变片或R1R4均为应变片等形式。均为应变片等形式。 由电工学计算可知，图由电

43、工学计算可知，图3-2中检流中检流计计G的电流的电流3-1 直流电桥的基本原理直流电桥的基本原理I Ig=(R2R4-R1R3)U/Rg(R1+R2)(R3+R4)+ R2R3(R1+R4)+R1R4 g=(R2R4-R1R3)U/Rg(R1+R2)(R3+R4)+ R2R3(R1+R4)+R1R4 (R2+R3)(R2+R3) 若电桥的四桥臂电阻满足条件若电桥的四桥臂电阻满足条件 R2R4=R1R3 (3-1)R2R4=R1R3 (3-1)则检流计的电流则检流计的电流 I Ig=0g=0，电桥的这种状态称为平衡状态。式，电桥的这种状态称为平衡状态。式(3-1) (3-1) 表达的条件称为电桥

44、平衡条件。表达的条件称为电桥平衡条件。二、电桥测量应变的基本方法二、电桥测量应变的基本方法 在电桥电路中，在电桥电路中，AB桥臂改为一个粘桥臂改为一个粘贴在测点上的应变片，贴在测点上的应变片，AD桥臂接入一可桥臂接入一可变电阻，组成的电桥如图变电阻，组成的电桥如图3-3所示。所示。 在测点无应变时，调整可变电阻在测点无应变时，调整可变电阻R4，使电桥满足平衡条件，则检流计使电桥满足平衡条件，则检流计G指针指针为零。当测点产生应变后，应变片的电为零。当测点产生应变后，应变片的电阻发生变化，电桥的平衡条件被破坏，阻发生变化，电桥的平衡条件被破坏，将有电流通过检流计将有电流通过检流计G，使得检流计，

45、使得检流计G指指针偏转。我们利用这一现象测量测点的针偏转。我们利用这一现象测量测点的应变，常用的测量方法有零读法和直读应变，常用的测量方法有零读法和直读法两种：法两种： 图图3-3 3-3 1. 1. 零读法：零读法： 当应变片感受应变电阻改变当应变片感受应变电阻改变R1R1，使电桥平衡状态被破坏，使电桥平衡状态被破坏，检流计检流计G G指针偏转时，我们调整可变电阻指针偏转时，我们调整可变电阻R4R4使检流计指针重新指使检流计指针重新指零，使电桥达到新的平衡状态。设可变电阻零，使电桥达到新的平衡状态。设可变电阻R4R4的改变量为的改变量为R4R4，则新的平衡状态的平衡条件为则新的平衡状态的平衡

46、条件为 (R1+R1)R3=R2(R4+R4) (R1+R1)R3=R2(R4+R4) 整理上式并根据整理上式并根据(3-1)(3-1)式得式得 R4=R1R3 R1/R1R2R4=R1R3 R1/R1R2因为因为K=R1/R1，所以，所以 R4=R1R3K/R2 (3-2) 式中式中 K为应变片的灵敏系数，为应变片的灵敏系数，为测点的应变值。为测点的应变值。 式式(3-2) 中，中，R1R3K/R2是常数，所以可变电阻是常数，所以可变电阻R4的改变量的改变量R4与测点应变成正比。实际应用时可把与测点应变成正比。实际应用时可把R4的改变量直接刻度为的改变量直接刻度为应变值。因为这一方法需要把检

47、流计重新调整回零，故称为零读应变值。因为这一方法需要把检流计重新调整回零，故称为零读法。零读法可以把可变电阻法。零读法可以把可变电阻R4的刻度作得很精确，是静态应变测的刻度作得很精确，是静态应变测量常用的方法。量常用的方法。2.2.直读法：直读法： 当应变片感受应变电阻改变当应变片感受应变电阻改变R1R1，使电桥平衡状态被破坏，使电桥平衡状态被破坏，检流计检流计G G指示的电流为指示的电流为I Ig=R2R4-(R1+R1)R3U/Rg(R1+R1+R2)(R3+R4)+R2R3 g=R2R4-(R1+R1)R3U/Rg(R1+R1+R2)(R3+R4)+R2R3 (R1+R1+R4)+(R1

48、+R1)R4(R2+R3)(R1+R1+R4)+(R1+R1)R4(R2+R3)在实际的应变测量中，在实际的应变测量中，R1 R1R1 L丝，将使电阻丝受拉，反之受压。，将使电阻丝受拉，反之受压。其变形量为其变形量为 L = L 构- L丝丝 = L(构构-丝丝)t 既然阻丝发生了变形，则其电阻就会发生相应的改变，根据既然阻丝发生了变形，则其电阻就会发生相应的改变，根据R/R=K，电阻丝的阻值增量为，电阻丝的阻值增量为 R=KSRL/L=KSR(构构-丝丝)t 式中式中KS为电阻丝的灵敏系数。为电阻丝的灵敏系数。综合两方面因素，因温度效应而引起的应变片电阻变化率应为综合两方面因素，因温度效应而

49、引起的应变片电阻变化率应为 Rt/R=(R+R)/R=+KS(构构-丝丝)t (3-4) 此外，应变片的敏感栅此外，应变片的敏感栅(常为康铜常为康铜)和引线和引线(常为铜常为铜)之间的焊接之间的焊接点，实际上是一个热电偶。温度变化时，接点处会产生复杂的热点，实际上是一个热电偶。温度变化时，接点处会产生复杂的热电势，从而影响电桥的输出电压。电势，从而影响电桥的输出电压。 还有，温度变化时，对胶层的性质也有影响，一般是当温度还有，温度变化时，对胶层的性质也有影响，一般是当温度升高时，会使胶层变软，应变传递能力会随之下降，从而使灵敏升高时，会使胶层变软，应变传递能力会随之下降，从而使灵敏系数降低。但

50、是这些影响牵涉的因素比较复杂，很难从理论上加系数降低。但是这些影响牵涉的因素比较复杂，很难从理论上加以分析，一般可用实验去测定，在此不作进一步讨论。以分析，一般可用实验去测定，在此不作进一步讨论。三、温度效应的补偿三、温度效应的补偿 从以上分析可以看出，温度的变化将引起应变片阻值的改变，从以上分析可以看出，温度的变化将引起应变片阻值的改变，此时如将其接入测量电路，就会使得输出电压发生变化，从而在此时如将其接入测量电路，就会使得输出电压发生变化，从而在应变仪上产生指示应变，造成虚假应变。虚假应变严重时，每升应变仪上产生指示应变，造成虚假应变。虚假应变严重时，每升温温1，可达几十微应变，严重地干扰

51、了测量结果，使得测出的，可达几十微应变，严重地干扰了测量结果，使得测出的应变值存在很大的误差。因此，必须设法将其消除，应变值存在很大的误差。因此，必须设法将其消除，消除温度效消除温度效应影响的措施，叫做温度补偿应影响的措施，叫做温度补偿。 温度补偿的方法有很多种，可大致作如下分类温度补偿的方法有很多种，可大致作如下分类 补偿片法补偿片法 电路补偿法电路补偿法 电阻元件法电阻元件法 热敏元件法热敏元件法 温度补偿方法温度补偿方法 热电偶法热电偶法 自补偿法自补偿法 对敏感栅热处理法对敏感栅热处理法 双金属线栅法双金属线栅法 温度修正法温度修正法 通常采用如下两种方法进行温度补偿：通常采用如下两种

52、方法进行温度补偿： 1、补偿片法、补偿片法 在常温应变测量中，大多采用电路补偿法中的补偿片法，在常温应变测量中，大多采用电路补偿法中的补偿片法，这种方法是利用应变电桥的特性，而实现温度补偿的。其具体这种方法是利用应变电桥的特性，而实现温度补偿的。其具体操作步骤如下：操作步骤如下： A) 取两片电阻值、灵敏系数、电阻温度系数相同的应变片，取两片电阻值、灵敏系数、电阻温度系数相同的应变片，一片贴在受力构件上，将随着被测构件的受力一起变形，称为一片贴在受力构件上，将随着被测构件的受力一起变形，称为工作片工作片R1 ；另一片并不受力，仅受温度效应影响，称为补偿片；另一片并不受力，仅受温度效应影响，称为

53、补偿片R2 。 B) 将补偿片粘贴在与被测构件相同材料的一块不受载荷的将补偿片粘贴在与被测构件相同材料的一块不受载荷的试件试件(称为补偿块称为补偿块)上，并将其置于与被测构件相同的温度场中。上，并将其置于与被测构件相同的温度场中。(也可将补偿片也可将补偿片R2粘贴在被测构件上不发生变形的部位处。粘贴在被测构件上不发生变形的部位处。) C)C)将工作片与补偿片接在电桥相邻的两个桥臂上，如图将工作片与补偿片接在电桥相邻的两个桥臂上，如图3-3-4 4所示。所示。图图 3-4 这样，当这样，当R1随被测构件受力一起随被测构件受力一起变形且温度同时发生变化时，变形且温度同时发生变化时， R1的电的电阻

54、总增量为阻总增量为 R1= R+ Rt1式中式中R为应变引起的阻值增量，为应变引起的阻值增量，Rt1为温度引起的阻值增量。而相邻桥臂上为温度引起的阻值增量。而相邻桥臂上的补偿片的补偿片R2的电阻增量却只有的电阻增量却只有 R2=Rt2由于工作片和补偿片的温度始终相同，由于工作片和补偿片的温度始终相同，而且它们的阻值、电阻温度系数、线而且它们的阻值、电阻温度系数、线膨胀系数、灵敏系数也都完全相同，膨胀系数、灵敏系数也都完全相同，因而由式因而由式(3-4)可知可知 Rt1= Rt2 最后的输出电压为最后的输出电压为 U=E(R1/R1- R2/R2)/4=ER/4RU=E(R1/R1- R2/R2

55、)/4=ER/4R这样，测量结果只反映这样，测量结果只反映RR，从而消除了温度的影响，达到了，从而消除了温度的影响，达到了温度补偿的目的。温度补偿的目的。2、自补偿法、自补偿法 在温度梯度太大，无法消除工作片与补偿片之间温差的在温度梯度太大，无法消除工作片与补偿片之间温差的情况下，就不宜采用补偿片法进行温度补偿，而要改用其他情况下，就不宜采用补偿片法进行温度补偿，而要改用其他方法，方法，如自补偿法如自补偿法。 这种方法通过对应变片的敏感栅在材料和制造工艺上采这种方法通过对应变片的敏感栅在材料和制造工艺上采取的各种措施，将取的各种措施，将KS、构构、丝丝几个系数互相配合，使应几个系数互相配合，使

56、应变片在一定的温度范围内时变片在一定的温度范围内时Rt=+KS(构构-丝丝)Rt =0 这样就自动消除了温度效应的影响，实现了温度补偿。这样就自动消除了温度效应的影响，实现了温度补偿。这种方法常用于中、高温下的应变测量。这种方法常用于中、高温下的应变测量。3-3 应变片在电桥中的接法和在构件上的布置应变片在电桥中的接法和在构件上的布置 一、应变片在电桥中的接法应变片在电桥中的接法 应变测量电桥有四个桥臂，这四个桥应变测量电桥有四个桥臂，这四个桥臂可以每个都接应变片，也可以两个臂接臂可以每个都接应变片，也可以两个臂接应变片，两个臂接固定电阻。前者称为全应变片，两个臂接固定电阻。前者称为全桥接法，

57、后者称为半桥接法。桥接法，后者称为半桥接法。 1 1、半桥单片接线法、半桥单片接线法 电桥的四个桥臂中，电桥的四个桥臂中，R1为贴于构件上为贴于构件上的应变片，与构件一起变形（工作片），的应变片，与构件一起变形（工作片），R2为温度补偿片，为温度补偿片， R3、R4为仪器内部精密为仪器内部精密电阻电阻。1仪 2 2、半桥双片接线法、半桥双片接线法 电桥的四个桥臂中，电桥的四个桥臂中，R1、 R2为贴于构件为贴于构件上的应变片与构件一起变形（工作片），上的应变片与构件一起变形（工作片）， R3、R4为仪器内部精密电阻为仪器内部精密电阻。这种接法中这种接法中R1和和R2互互为温度补偿片为温度补偿片

58、.21-仪 3 3、全桥接线法、全桥接线法 电桥的四个桥臂中，电桥的四个桥臂中，R1R1、 R2 R2 、R3R3、R4R4都为贴于构件上的应变片与构件一起都为贴于构件上的应变片与构件一起变形（工作片）变形（工作片）。这种接法中这种接法中R1R1和和R2R2互互为温度补偿片，为温度补偿片，R3R3和和R4R4互为温度补偿片互为温度补偿片. .4321-仪 4 4、串联接线法、串联接线法 在应变测量中，可将应变片串联起来接在应变测量中，可将应变片串联起来接入测量桥臂。若在电桥的入测量桥臂。若在电桥的AB臂上，串联两臂上，串联两个工作片个工作片R1和和 R2， R补补1、R补补2为温度补偿为温度补

59、偿片，片，R3、R4为仪器内部精密电阻为仪器内部精密电阻。这种接这种接法为半桥串联接法法为半桥串联接法.则有：则有：）（仪2121 由此可知：由此可知：串联接线后，桥臂的应变串联接线后，桥臂的应变为各个应变片的应变值的算术平均值。为各个应变片的应变值的算术平均值。仪若各个应变片的应变相同，则有若各个应变片的应变相同，则有 即即桥臂的应变等于串联的单个应变片的应变值。桥臂的应变等于串联的单个应变片的应变值。 若采用并联接若采用并联接线法，情况会线法，情况会怎么样呢？怎么样呢？二、应变片在构件上的布置二、应变片在构件上的布置 在应变测量时，如果能够在应变测量时，如果能够合理地选择贴片位置、方位合理

60、地选择贴片位置、方位以及以及将应变片将应变片合理地接入电桥合理地接入电桥，则不仅可以方便的实现温度补偿，则不仅可以方便的实现温度补偿，能从比较复杂的组合变形中测出所需要应变成分，而且还可以能从比较复杂的组合变形中测出所需要应变成分，而且还可以扩大应变读数，提高测量的灵敏度。扩大应变读数，提高测量的灵敏度。 为此，必须对受力构件作深入分析，了解测点处应变的正为此，必须对受力构件作深入分析，了解测点处应变的正负符号以及有关的各测点之间应变值的比例关系；还要充分地负符号以及有关的各测点之间应变值的比例关系；还要充分地利用电桥的特性。利用电桥的特性。 应变片布置和接桥方法：应变片布置和接桥方法： 1