土木工程材料原理与方法3-电测法

1、2022-3-41东南大学材料学院庞超明Email: 办公电话：52090638 手机验条件的影响试验机变形仪（简介）电测法简介电阻应变片2022-3-4温度：部分材料影响不大，常温1525时，但对感温材料，应严格控制温度。湿度：材料内部和外部的湿度；湿度对不同材料的影响不同；试件尺寸：一般小试件强度比大试件强度高，相同受压面，高度大的比高度小的测试强度低。受荷面平整度：如受荷面平整度不够，会引起应力集中而降低强度，成型面一般不作受压面加荷速度：一般加荷速度快，强度高，反之则低，因为当加荷快时，应变来不及发展即已破坏。2022-3-4 三个系统：加荷载系统、测力系统与

2、试件装置系统的构造三个系统：加荷载系统、测力系统与试件装置系统的构造原理。原理。加荷系统的两种形式：油压式和机械传动式加荷系统的两种形式：油压式和机械传动式测力系统：常见为螺旋状弹簧测力机构、油压摆锤式测力系统：常见为螺旋状弹簧测力机构、油压摆锤式测力机构、水平杠杆式、电脑自动采集系统测力机构、水平杠杆式、电脑自动采集系统试件装置系统：上、下承压板，一般带球面座。试件装置系统：上、下承压板，一般带球面座。 二、试验机的检定二、试验机的检定 精度等级有精度等级有0.5,1,2,30.5,1,2,3四个。相应示值误差为四个。相应示值误差为0.5%0.5%、1%1%、2%2%、3%3%100(%)p

3、ppe2022-3-4测量试件微小变形或位移所用仪器。测量试件微小变形或位移所用仪器。根据变形放大原理，有齿轮、杠杆、弹簧根据变形放大原理，有齿轮、杠杆、弹簧等机械式变形测量仪，如千分表、引伸仪、等机械式变形测量仪，如千分表、引伸仪、应变仪等。引伸仪有杠杆式、镜式等引伸应变仪等。引伸仪有杠杆式、镜式等引伸仪，应变仪有手持式，电阻式应变仪等。仪，应变仪有手持式，电阻式应变仪等。简单介绍了百分表、手持式应变仪和杠杆简单介绍了百分表、手持式应变仪和杠杆式引伸仪式引伸仪2022-3-4电阻应变测试：凭借粘贴在试件上的应变片将力电阻应变测试：凭借粘贴在试件上的应变片将力学量等转化成电阻，并利用专门仪器转

4、变为电压、学量等转化成电阻，并利用专门仪器转变为电压、电流或功率输出，获得构件的表面应变，确定构电流或功率输出，获得构件的表面应变，确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。件表面应力状态的一种实验应力分析方法。优点：优点： 测量灵敏度和精度高；测量范围广；频测量灵敏度和精度高；测量范围广；频率响应好；应变片尺寸小，不会影响构件的应力率响应好；应变片尺寸小，不会影响构件的应力状态；易实现数字化、自动化及无线电遥控。状态；易实现数字化、自动化及无线电遥控。 缺点：只能测量构件表面的应变，不能进行全缺点：只能测量构件表面的应变，不能进行全范围的测量。只能测定构件表面一个点、沿某一范围的测量。只能

5、测定构件表面一个点、沿某一个方向、电阻应变栅长范围内的应变；个方向、电阻应变栅长范围内的应变；2022-3-42022-3-4电阻应变片 变形测量仪 是电阻式的传感器，它通过本身电阻的变化来反映所需要测量的应变 对变形起转换放大作用，将应变片阻值的变化转换成电压（或电流）变化，通过电子放大器将信号放大，并指示出变形的大小。 通过电阻应变仪中的电桥来完成 利用电阻的应变效应原理主要规格与几何尺寸，电阻和灵敏系数有关。主要特性为具有机械滞后和温度效应原理：导体具有应变效应，其阻值随其机械变形而变化。金属电阻丝的灵敏系数种类与构造电阻丝栅、引出线和绝缘材料主要规格与特性：几何尺寸与标距；电阻；灵敏系

6、数大K；机械滞后；温度效应2022-3-424dLALR)21 (/RRKs由于环境温度变化引起电阻相对变化。实际需要:由于机械压力引起的试体变形。T变化t,两方面温度效应：电阻丝的阻值变化 丝电阻丝材料的电阻温度系数敏感栅和被测试体材料的膨胀系数不同产生的附加应变。 附=试t丝t2022-3-4tRR丝1由于附加应变而引起的电阻相对变化为 ,由于温度变化而引起的总电阻的相对变化为反推应变：可能相当大，在测量时应作温度补偿。2022-3-4tKRR)(2丝试tKtRRRRRt)(21丝试丝ttKKRRtt丝试丝1/t1，K=2.2，丝12010-6，丝1410-6，砼1010-6，则tt1t2

7、12010-6/2.2（10-14）10-650.510-6对 混 凝 土 而 言 ， 弹 性 模 量 最 小 为3.5104MPa，则E3.510450.510-61.77MPa。 2022-3-4电测法电测法电阻应变仪简介电阻应变仪简介测量桥路：全桥和半桥测量桥路：全桥和半桥温度补偿温度补偿测量电桥的应用测量电桥的应用2022-3-4 电阻应变仪：将应变片的电阻变化转化为变形。电阻应变仪：将应变片的电阻变化转化为变形。主要作用：把应变片电阻的变化显示出来，配合应变片组成电桥对配主要作用：把应变片电阻的变化显示出来，配合应变片组成电桥对配合电桥对信号作放大处理。合电桥对信号作放大处理。 电阻

8、应变仪的种类：电阻应变仪的种类：静态：可进行多点静态应变测量。静态：可进行多点静态应变测量。静动态：测量静态或静动态：测量静态或f200Hzf200Hz单点动态应变测量。单点动态应变测量。动态：动态：f f在在5000Hz5000Hz以下的动态应变，可同时测量数个动态应以下的动态应变，可同时测量数个动态应变信号。变信号。超动态：用于测量工作频率达几千赫的动态应变，多在爆超动态：用于测量工作频率达几千赫的动态应变，多在爆炸、高速冲击等瞬时应变测量中应用。炸、高速冲击等瞬时应变测量中应用。2022-3-42022-3-4静态应静态应变仪变仪指示电指示电表表振荡器振荡器交流放大器交流放大器相敏检波器

9、相敏检波器电桥电桥测量试件变形时应变片产生测量试件变形时应变片产生的阻值变化，并以电压信号的阻值变化，并以电压信号输出输出输出一个和测量电桥的输出输出一个和测量电桥的输出电压信号大小相等、相位相电压信号大小相等、相位相反的电压信号反的电压信号。为电桥和相为电桥和相敏检波器提敏检波器提供参考电压供参考电压将微小应变信号放大分辨应变大小和正负。指示值。滤波器滤波器动态测量中滤掉高频成分，波形平滑。作用：分辨应变大小和正负作用：分辨应变大小和正负分相敏和检波两部分。分相敏和检波两部分。相敏反映信号电压的极性，分辨出拉、压应变；相敏反映信号电压的极性，分辨出拉、压应变；检波就是将调幅波还原为放大了的信

10、号电压；检波就是将调幅波还原为放大了的信号电压；2022-3-4电阻电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R R4 4组成闭合回路组成闭合回路ABCDABCD，ACAC间供给电压间供给电压U U，BDBD为电压输出为电压输出端。端。对对ABCABC回路回路 对对ABCABC回路回路当当R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 U UBDBD0 0电桥平衡。电桥平衡。2022-3-4ACDBUR1R3R4R2UBD211RRUI432RRUI21111RRURRIUAB433RRURUAD)(43213241433211RRRRRRRRURRRRRRUUUUADABBDR R

11、1 1、R R2 2为应变片，为应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻，且为固定电阻，且R R3 3R R4 4R R，其中，其中R R1 1为受力片，为受力片，R R2 2为温度补偿为温度补偿片，当试件受力变形时，片，当试件受力变形时，R R1 1变化变化RR1 1，则，则当电阻当电阻R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R时，由于时，由于RR1 14R4R，所以分母中可忽略所以分母中可忽略RR1 1，则，则又又 ，所以，所以2022-3-4URRRRRRRRRRUBD)(4321132411URRRUBD1122KRR1UKUBD41 R R1 1、R R2 2

12、、R R3 3、R R4 4均为应变片，试件受力时，均为应变片，试件受力时，R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4阻值分别变化阻值分别变化RR1 1、RR2 2、RR3 3、RR4 4，则，则 当当R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R时，分母中忽略时，分母中忽略RR的乘积的乘积 RR1 1RR2 22R2R，RR3 3RR4 42R2R，分母略去，分母略去RR及及其乘积，得其乘积，得 2022-3-4URRRRRRRRRRRRRRRRUBD)()()(4433221133224411RURRRRRRRRRRUBD)2)(2(43214321UKURRR

13、RRUBD)(41443214321应变片电阻的应变化转变成输出电压的变应变片电阻的应变化转变成输出电压的变化而输出，并根据应变片阻值与应变关系化而输出，并根据应变片阻值与应变关系转变成电压与应变关系直接读出应变量。转变成电压与应变关系直接读出应变量。直流放大器存在零点漂移问题，稳定性难直流放大器存在零点漂移问题，稳定性难以保证，以保证，采用交流电桥：即供桥电压为交流电。采用交流电桥：即供桥电压为交流电。交流电桥中只有纯电阻时类似直流电桥。交流电桥中只有纯电阻时类似直流电桥。2022-3-4温度补偿：为消除由于温度变化为而带来温度补偿：为消除由于温度变化为而带来的虚假应变而采取的措施。的虚假应

14、变而采取的措施。两种方法两种方法应变片自补偿，指在制造工艺上，使应变片自补偿，指在制造工艺上，使K K、丝丝、丝丝、试试几个系数还可搭配，使之在一定温几个系数还可搭配，使之在一定温度范围内度范围内RRt t0 0。主要用于高温下测量。主要用于高温下测量。另一种是桥路补偿法，主要是通过贴补偿片和另一种是桥路补偿法，主要是通过贴补偿片和桥接方法来消除温度的影响桥接方法来消除温度的影响2022-3-42022-3-4ACDBUR1R3R4R2UBD补偿片补偿法被测试件补偿试件 方法：测试时贴应变片作为补偿片，该补偿片与工作片的阻值相同，同一材料上，处于同一环境温度下，不受力。 受力片R1由受力引起变

15、化R1和温度变化Rt 即为R1+R1 +R1t而补偿片R2变化为R2R2t , 因为R1=R2，R1tR2tRtRRRRRRtRtRRRRtRRRtRRUBD4)()()U412022-3-4方法：测量时找两点要求：应变符号相反，比例关系已知，环境温度条件相同，在两点各贴上应变片，接在相邻桥臂，实现温度补偿即在同一试件的同一处，贴纵横两个应变片，同时受力。为 纵 横 贴 ， 横 向为 纵 横 贴 ， 横 向 / / 纵 向 应 变纵 向 应 变 = = ， 即， 即2 2/1 1=-=-即在测完以后读后除以即在测完以后读后除以1+ 1+ ，即为，即为 直接测得应变直接

16、测得应变1 1 2022-3-4uRRRtRRRtRRRRtRRRRtRRUBD)()()()(432211322411)(4142121KRRRKUBD41)1 (41KUBD测试材料的弹性模量和泊松比测试材料的弹性模量和泊松比拉伸：两侧面粘贴工作片拉伸：两侧面粘贴工作片R R1 1和和R R4 4，在补偿试件上粘贴补偿片在补偿试件上粘贴补偿片R R2 2和和R R3 3，全桥接线，若以全桥接线，若以P P，M M分别代表分别代表轴向拉伸和弯曲变形所引起的应变，轴向拉伸和弯曲变形所引起的应变，测得各应变片的应变分别为测得各应变片的应变分别为1 1，2 2, , 3 3, , 4 4, ,则则

17、1 1P PM Mt t；2 23 3t t；4 4P PM Mt t2022-3-4py24321向向y21pR1R4FF贴片示意图应变片方向拉伸试件两侧面，沿与试件轴线垂直的拉伸试件两侧面，沿与试件轴线垂直的x x方向粘贴工作片方向粘贴工作片R R1 1和和R R4 4，另外在补偿试件，另外在补偿试件上粘贴补偿片上粘贴补偿片R R2 2和和R R3 3，全桥接线，则，全桥接线，则1 1（P PM M）t t；2 23 3t t4 4（P PM M）t t所以应变仪读数所以应变仪读数则材料的拉伸泊松比则材料的拉伸泊松比2022-3-4px24321向向向yx测试轴心抗压荷载测试轴心抗压荷载P

18、 P0 0，并评定并评定 调平三次以规定加荷速度均匀加压至调平三次以规定加荷速度均匀加压至0.4P0.4PC C（混凝土为（混凝土为1/3P1/3PC C），使试体两测变形相近。），使试体两测变形相近。3.3.在在0.3MPa(0.3MPa(混凝土为混凝土为0.5MPa)0.5MPa)时读应变值时读应变值0 0(01010202) () (取取左右两面平均值左右两面平均值) )，加荷至，加荷至0.4P0.4P0 0，读应变，读应变P P(P1P1P2)P2) ，再卸荷到再卸荷到0.5MPa,0.5MPa,再再f f反复三到四次，直至最后，前后两反复三到四次，直至最后，前后两次次0 0、P P相

19、差不超过相差不超过20 20 4.4.计算，取最后一次读数计算，取最后一次读数0 0，P P（1010-6-6）5.5.测定三个试体的弹模测定三个试体的弹模, ,最后取三次试验的平均值最后取三次试验的平均值. . 2022-3-41212/)(APPE使用百分表或者千分表使用百分表或者千分表如混凝土弹性模量的测试中使用蝶式引伸仪：如混凝土弹性模量的测试中使用蝶式引伸仪：所使用测量固定架的的标距有所使用测量固定架的的标距有100mm100mm，150mm150mm，测量精度一般为测量精度一般为0.01mm0.01mm或者或者0.001mm0.001mm。使用电脑自动采集系统使用电脑自动采集系统仍

20、然需要依靠应变片、光纤等仍然需要依靠应变片、光纤等2022-3-4TDS-303用于与应变片、直流电压、热电偶和铂电阻温用于与应变片、直流电压、热电偶和铂电阻温度计等装置配合，自动扫描的数据采集仪度计等装置配合，自动扫描的数据采集仪同时测量最多同时测量最多30个，如与外部扫描箱配合，个，如与外部扫描箱配合，测量点数甚至可增加至测量点数甚至可增加至1000个个2022-3-42022-3-42022-3-42022-3-4用扫描箱中的固定电阻和工作应变计用扫描箱中的固定电阻和工作应变计作为桥臂共同组成桥路。作为桥臂共同组成桥路。如导线太细太长，电阻增大，初始不如导线太细太长，电阻增大，初始不易平

21、衡、电阻变化和温度变化产生的易平衡、电阻变化和温度变化产生的应变量大。应变量大。B、C短接短接2022-3-4可补偿可补偿2线法中导线的温度影响（导线电线法中导线的温度影响（导线电阻进入桥臂），但不能进行应变计的阻进入桥臂），但不能进行应变计的温度补偿温度补偿2022-3-42022-3-42022-3-42022-3-4比较比较2应变计法与应变计法与4应变计法由于导线电阻应变计法由于导线电阻引起的灵敏度降低比例引起的灵敏度降低比例2022-3-4真值：某一时刻、某一位置或某一状态下被测真值：某一时刻、某一位置或某一状态下被测物理量的真正大小。物理量的真正大小。误差限误差限：在真实值与测量值之

22、间，总是存在：在真实值与测量值之间，总是存在误差，被测物体的真实值与测量的近似值之间误差，被测物体的真实值与测量的近似值之间的最大差值的绝对值。数学公式表示的最大差值的绝对值。数学公式表示 保留的小数位数越多，并不意味着数字就越精确，保留的小数位数越多，并不意味着数字就越精确，而决定于而决定于，越小，则数据越精确。越小，则数据越精确。例：最小刻度为例：最小刻度为1mm1mm的直尺测量一长度为的直尺测量一长度为x x* *的物体，的物体，所以所以x x* *x x的误差限为的误差限为0.5mm0.5mm，如果我们测得一物，如果我们测得一物体的长度为体的长度为x x50mm50mm，则该物体的真实

23、值，则该物体的真实值x x* *应该在应该在50500.5mm0.5mm范围之内。范围之内。 2022-3-4xx如果近似值如果近似值x x的误差限是其某一位上的半的误差限是其某一位上的半个单位，即个单位，即0.50.51010n n，且该位直到，且该位直到x x的第的第一位非零数字一共有一位非零数字一共有n n位，则称近似值位，则称近似值x x具具有有n n位有效数字。位有效数字。x x用科学计数法表示用科学计数法表示x x(a(a1 1* *1010-1-1+ +a an n* *1010-n-n) )* *1010m m则则如：如：=3.141592654=3.141592654的近似值

24、取的近似值取x x3.143.14有三位有效数字，取有三位有效数字，取x x3.14163.1416有有5 5位有效数位有效数字，取字，取x x3.14153.1415则为则为4 4为有效数字。为有效数字。2022-3-4nmxx1021* 对近似数，有效位数确定后，保留的有效数字最末一位数对近似数，有效位数确定后，保留的有效数字最末一位数字应按下面的修约规则：字应按下面的修约规则：1.1. 若舍去部分的数值，大于保留部分的末位的半个单若舍去部分的数值，大于保留部分的末位的半个单位，即位，即0.50.5，则末位加，则末位加1 1；2. 2. 若舍去部分的数值，小于保留部分的末位的半个单若舍去部

25、分的数值，小于保留部分的末位的半个单位，即位，即0.50.5，则末位不变；，则末位不变；3. 3. 若舍去部分的数值，等于保留部分的末位的半个单若舍去部分的数值，等于保留部分的末位的半个单位，即位，即0.50.5，则末位凑成偶数。即当末位为偶数时则末位，则末位凑成偶数。即当末位为偶数时则末位不变，为奇数时则末位加不变，为奇数时则末位加1 1。由于数字舍入引起的误差成为舍入误差，按上述规则由于数字舍入引起的误差成为舍入误差，按上述规则进行数字舍入，其舍入误差皆不可能超过保留数字最末进行数字舍入，其舍入误差皆不可能超过保留数字最末位的半个单位。必须指出，这种舍入规则，不是以往简位的半个单位。必须指出，这种舍入规则，不是以往简单的四舍五入，从而时舍入误差成为随机误差。在大量单的四舍五入，从而时舍入误差成为随机误差。在大量运算时，其舍入误差的均值趋于零。运算时，其舍入误差的均值趋于零。 2022-3-4 修约规则的简单概括：修约规则的简单概括：四舍六入五单双，五后非零应进一，五后为零视四舍六入五单双，五后非零应进一，五后为零视单双，单进双不进。单双，单进双不进。 将下面的各个数据保留将下面的各个数据保留4 4位有效数字。位有效数字。原来的数据原来的数据3.14159