道路测试技术幻灯教材

1、同济大学城市轨道与铁道工程系讲座系列 讲座铁道工程测试技术城市轨道与铁道工程系 李新国 第一节 电阻应变片测试技术一、电阻应变片二、电阻应变仪1.电阻应变片的工作原理应变片测量试件应变的原理是基于金属丝的应变效应。应变效应是金属丝的电阻随其变形而改变的一种物理特性。 AR=rL一、电阻应变片-金属的电阻率将上式两端取对数再进行微分即得：AdAldldRdR-+=rr式中： （ ； ）由此可见：将上述几个关系式代入上式得出：meeem2)21(+-=cRdReemm=-+=Kc)21()21( 金属丝电阻值的相对变化与金属丝的纵向应变之间存在一定的比例关系。它由二部分组成：第一部分与金属丝的几何

2、尺寸变化有关，第二部分除与金属丝的几何尺寸变化有关外，还与金属丝本身的特性有关。2.应变片的构造电阻应变片主要由:敏感元件基底和覆盖层引出线三部分组成。 3.应变片的规格参数几何尺寸: 长宽电阻值：120灵敏系数: K 在单向应力状态下，应变片的纵轴方向和主应力方向一致时，应变片电阻的相对变化 R/R与试件主应力方向上的应变之比。定义：测定方法： 应变片贴在梁上并予以加载，应变片电阻值变化可用仪器测量，梁的应变值可用仪器测得或用公式计算，然后算得K值。式中： 横向效应 : 可用横向效应系数来表示，应变片的横向效应系数是指：在单向应变作用下垂直于单向应变方向粘贴的应变片的指示值与平行单向应变方向

3、粘贴的应变片的指示应变之比。4. 应变片的特性横向效应系数H以百分比来表示，在专门的装置上进行标定。横向效应造成的误差 ：讨论：温度效应： 由于温度变化引起应变片的电阻变化，称为应变片温度效应。包括两个方面：tKta0RRRRRRcTD-+D=D+D=D)()()()(021bb0敏感栅材料的电阻温度系数，t温度的变化值。c试件材料的线膨胀系数；。敏感栅材料的线膨胀系数。K 应变片灵敏系数。 其他特性：机械滞后： 在加载和卸载过程中，测得的荷载与应变变关系曲线不重合的程度。蠕变 ： 在温度恒定，试件受某种恒定的机械应变的条件下，贴在试件上的应变片反映的应变值随时间而变化的现象 。应变极限 ：应

4、变极限是指应变片能够正确测量应变的最大值疲劳寿命 ：是指在恒定幅值的交变应力作用下，应变片连续工作到产 生疲劳损坏时的循环次数。一般应变片的疲劳寿命约为106次。频率响应 ：应变片反映的是应变片丝栅复盖面积下的平均应变。当应变频率变化较高时。应变片的平均应变与真实应变有较大差别，真实应变以应变片中心点应变表示。 最大工作电流值 ：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大工作电流值 。绝缘电阻：是指应变片的引出线与粘贴应变片的试件之间的电阻值。一般要求在200兆欧以上 。5.应变片的种类 丝绕式 短接式 箔式 应变花 半导体 半导体应变片栅长的选择 基底材料的选用 电阻值的选择 灵敏系数的选择 敏

5、感栅类型的选择 6. 应变片的选用7.应变片的粘贴工艺粘结剂： 当试件表面沿x方向发生变形时，应变是通过粘结层、基底以剪应力方式传递到敏感栅的。理论分析和实验表明：两端的剪应力最大，中间的剪应力为零；轴向力：两端为零逐渐增大至常数。 有良好的粘结强度和韧性，抗剪强度34MPa； 干燥时间短、干燥后绝缘电阻高；蠕变和滞后小；耐湿性好，疲劳性能好；对试件、应变片无腐蚀，对人体无毒害；固化工艺简单，涂刷性能好，使用方便；易于存放，储存期长。对粘结剂主要性能要求：介绍几种常用的常温粘结剂硝化纤维素胶（丙酮赛璐珞胶）丙酮赛璐珞胶配方 序号材 料比 例1赛璐珞丙 酮醋酸戊酯乙 醚松 香15%23%30%2

6、%2赛璐珞丙 酮68克100克3赛璐珞丙 酮香蕉水乙 醚松 香8%30%30%30%2% 采用事后固化工艺，即粘片后先自然干燥90分钟左右，再加温至6080保温7小时，而后自然冷却约4小时，使之充分稳定。如粘贴后不采用加温固化，在室温（20左右）下经24小时可自然干燥固化。它的温度使用范围为-4080。乙基纤维素胶 乙基纤维素胶的特性和硝化纤维素胶大体相同，只是干燥较快。其配方为：乙基纤维（化学纯）10克，无水乙醇20CC，甲苯（化学纯）80CC（或苯30CC）。可用于纸基应变片的制造和粘贴。使用温度为60以下。氰基丙稀酸脂胶 氰基丙稀酸脂胶是和中不含溶剂的无色透明液体。常用的有501和502

7、两种牌号。这种胶在常温下吸收空气中微量水分聚合。仅加指压一分钟左右即可固化。急用时，贴片半小时就可进行测量。但真正完全固化要24小时。对纸基片、胶基片均能较好地粘贴。 环氰树脂类胶 它以环氰树脂为主体，要加入固化剂后才能发生聚合而固化。另外，还可以加入促进剂（加速固化）、增韧剂、增塑剂等，以改进它的性能，适应不同的需要。它对各种基底的应变片和各种试件材料（金属、木材、混凝土、玻璃等）都有很好的粘结能力。它的主要优点是粘结能力强，绝缘电阻高，防潮性能好，并有耐化学药品、溶剂以及油类的特点。酚醛树脂类胶 这种结剂具有良好的耐垫、耐水、耐有机溶剂、耐老化的性能。使用温度范围大，强度高，性能稳定，能粘

8、结多种材料和胶基应变片。一般多用于传感器和中温测量。因使用时需加压加温使之固化，不便用于大试件和野外测试。常用的几种酚醛树脂类粘结剂的牌号为JSF-2和JSF-4（原称b-4）胶、“201”胶、“1720”胶、“BJI-4”胶等。应变片的粘贴工艺:选片焊接表面处理贴片检查绝缘处理介绍几种常用的的防潮剂 1、凡士林医用凡士林经加热熔化，除去水分。冷却后即可使用。2、石腊涂料配方（按重量比）（1）石腊 40% 凡士林 15% 松香 35% 机油 10%（2）石腊 40% 松 香 50% 黄油 10%将几种配料放在容器中，加热至150。C左右溶化，搅匀后冷却到60。C左右时使用。3、环氧树脂类胶环氧

9、树脂类胶既可作应变片粘结剂又可作为防潮剂，常用的配方有：配方环氧树脂E-42（6101）100克650聚酰胺树脂50-100克配方环氧树脂E-42（6101）100克甲苯酚15-20克间苯二胺8-14克配方不用加温，配方要先将环氧树脂加温至50。C左右，依次加入甲苯酚、间苯二胺，搅拌均匀后涂抹。另外，也可使用“914”胶作为防潮剂。应变仪种类 静态应变仪：用于静态的应变测量 静动态应变仪：测量应变和变化频率在200赫以下的 动应变。 动态应变仪：测量频率在2000赫（个别达10千赫）以 下的动态应变 超动态应变仪：超动态应变仪用于测量爆炸、高频冲 击等瞬态应变，测量频率可达几十千赫。 二、电阻

10、应变仪2. 应变仪的组成载波放大式应变仪: 电桥、放大器、相敏检波器、低通 滤波器、振荡器和稳压电源等部分组成 应变仪中的电桥，是由贴在试件上的应变片或由应变片与应变仪的固定电阻组成的。它的主要作用是将应变片的电阻变化按一定比便转换成电压或电流的变化，以便输至放大器放大。同时、载波放大式应变仪的电桥还起了调制器的作用。它由应变仪内的振荡器供给一个振幅稳定的正弦波电压作为桥压，其频率通常比被测信号的频率高510倍，称为载波。载波信号在电桥内被缓慢变化的被测信号（图2-1a）调制后，变成振幅随被测信号的大小而变化的调幅波（图2-1b），然后输至交流放大器放大。1.电桥 放大器的作用是将电桥输出的微

11、弱信号（电压）进行放大，以便得到足够的功率去推动指示仪表或记录器。2.放大器 它的作用是将放大后的调幅波还原成与被测信号波形相同的波形。 这是对动态应变仪而言的，它将相敏检波器输出的信号波形中的高频成分滤掉，取出所需要又放大了正确波形。3.相敏检波器4.低通滤波器其作用在于产生一种频率、振幅稳定的正弦波电压，作为电桥的供桥电压，同时供给相敏检波器作为参考电压。振荡器的频率（即载波频率）一般要求为被测信号频率的6-10倍（如YJD-1型应变仪可测应变频率为0200赫，振荡器频率为2000赫）。5.振荡器 稳压电源用来供给振荡器和放大器一个稳定的直流工作电压，该电压不随市电网络电压的波动而波动。也

12、不随负载的变化而变化。稳压电源可与其他组成部份一起装在机内（如Y6D-2、YJ-5型应变仪）；为了减少应变仪的重量，也可单独设置，成为应变仪的一个附件（如YD-15型应变仪）。6.稳压电源 下面分析电阻变化R和电桥输出电压U的关系。在ABC中，由分压公式得B点的电位UBC。2120RRRUUBC+=)(43214231RRRRRRRRUO+-=)(212433RRRRRRUUUUOBCDC+-+=-=D（1）电桥的变换原理OURRRRRRRRRRRRRRRRU)()()(4433221144223311D+D+D+D+DD+-D+D+=D)(4)(44)43R(432144332211221e

13、eee-+-=D-D+D-D=D-D+D-D=DKURRRRRRRRUURRRRRUOOO（2）电桥的加减特性（3）温度补偿原理：)(4)()()(4)(4112211112211RRURRRRRRURRRRUUOttOOD=D-D+D=D-D=De桥路补偿法：AB桥臂 ：（电阻变化率）或BC桥臂 ：或或（4）温度补偿方法：AB桥臂 ：（电阻变化率）或BC桥臂 ：或或自补偿法：补偿片与工作片应是同批产品，即参数相同；贴补偿片选用的补偿块材料应与试验构件的材料相同；处理工艺相同；（粘贴、干燥、防潮等）；连接导线相同；在同样的温度场下；补偿片数量适中。（1补10）对补偿片的要求：半桥 (四种组桥方

14、式）e 仪 =e1e 仪 =2e1e 仪 =（1+）e1e 仪 = 0（5）组桥方式：全桥 (四种组桥方式）e 仪 =4e1e 仪 =2e1e 仪 = 0e 仪 =2（1+）e1422110RRRRUUD-D=DRRURRRUUD=-D=D42022400 R1=R2=R R1=R+R=2RR1=R+R=2R如桥臂由应变片串联组成： RRRRRRRRbaba22111D+D=D+D=D 如果两片应变片变化不相同，一片为Ra，另一片为Rb R1=Ra+Rb R1=2R 由此可见： 串联组桥不能提高工作臂系数，但能起到平均作用。常用在测力传感器上。MRRpRRRR)()(111111D+D=D)(

15、)(222222MRRpRRRRD+D=D)()(4)()()()(42211222211110MMOMPMPRRRRuRRRRRRRRUUD+D=D+D-D+D=D测弯除拉（6）应用：测剪切YJR-5型静态电阻应变仪DH3818-1 10通道静态应变仪 DH3816静态应变测试系统 （7)DH3818静态应变仪 应用范围：根据测量方案完成全桥、半桥、14桥（公用补偿） 状态的静态应力应变的多点巡回检测。桥路的连接：见表一，6种组桥方式灵敏度系数的修正 ：长导线的修正： 将工作片和补偿片的一端连接成公共线后，再用三根引线至DH3818（半桥连接，1/4桥计算结果） 式中：i为测量应变量 为实际

16、应变量 R 为应变计的阻值 Rl为单根长导线的阻值 数据采集箱的面板功能: （面板图如图2） 数据采集箱的面板功能: （面板图如图2） 数据采集箱的面板功能:表一：应变计的连接（新接法）序号 用 途 现 场 实 例与 采 集 箱 的 连 接 输入参数 方式一1/4桥(多通道共用补偿片)适用于测量简单拉伸压缩或弯曲应变灵敏度系数导线电阻应变计电阻 方式二半桥（1片工作片, 1片补偿片）适用于测量简单拉伸压缩或弯曲应变,环境较恶劣灵敏度系数导线电阻应变计电阻续表一：应变计的连接（新接法）序号 用 途 现 场 实 例与 采 集 箱 的 连 接 输入参数方式三半桥（2片工作片）适用于测量简单拉伸压缩或

17、弯曲应变,环境温度变化较大灵敏度系数导线电阻应变计电阻泊松比 方式四半桥(2片工作片)适用于只测弯曲应变,消除了拉伸和压缩应变灵敏度系数导线电阻应变计电阻续表一：应变计的连接（新接法）序号 用 途 现 场 实 例与 采 集 箱 的 连 接 输入参数方式五全桥(4片工作片)适用于只测拉伸压缩的应变灵敏度系数导线电阻应变计电阻泊松比方式六全桥(4片工作片)适用于只测弯曲应变灵敏度系数导线电阻应变计电阻wtUUmsin0=直流电桥平衡条件是：R1R3=R2R4 (1).电桥的平衡交流电桥平衡条件是：Z1Z3=Z2Z4 i1cJiiiiiii11RcJRRcJRZwww+=+=3. 载波放大式应变仪中

18、的电桥(2).分布电容对交流电桥输出的影响其中：三个问题讨论：由应变片电阻变化造成输出电压：当不高，分布电容较小， ；当较高，导线长，电阻及分布电容较大， 不容忽视则将引起相对误差。当0.2%,R=120,=50kHz,则：由于电容不平衡变化造成输出电压：当电容平衡，C1C2不再变化，C=0，u2=0。当测试导线变化（扎固不牢），使C1C2变化，绝缘不 够，电容改变u2变化，干扰输出信号，出现零点漂移。 为复数虚部： 当桥路分布电容及不平衡引起应变仪产生与震荡电压成相位900差的输入，使放大器饱和或过载，因此，绝缘电阻的高低，将导致电容的不稳定变化。.零读式电桥4.应变测读方法及相应的电桥结构

19、.双桥电路零位读数法电桥ABCD称为测量桥1，AC为供桥端，供桥电压为0，桥臂R为应变片。电桥ABCD为读数桥2，AC为供桥端，供桥电压0，桥臂Rb为可变电阻。两桥的DB间短拉接。BD为电桥输出端，两个电桥的输出电压进行代数相加。测量前两电桥都平衡，即u B D=0，此时电表指针指零。当R产生R，则输出电压：此时读数桥仍为平衡状态（ BD=0 ）， 故双桥电路的输出电压BD= BD , 并使电表指针偏转， 调节读数桥上的可变电阻Rb，使读数桥失去平衡，产生输出电压：当BD和BD的大小相等方向相反时，双桥电路的输出电压：于是，电表指针重新回零，根据Rb的 改变值，求得被测应变值。R与之间的关系：

20、电表重新回零：只考虑绝对值：.电桥在测试前不平衡原因电阻应变片阻值差异；测试导线阻值差异；桥臂分布电容的存在；.电阻预调平衡装置有二种：可变电阻Ra即为应变仪面板上的电阻平衡旋钮。(a)(b)5.电阻、电容预调平衡.电容平衡装置：.电阻、电容平衡之间相互影响，预调时需反复交叉 调节，以达到平衡。(a)(b)通过调整电位器W和差动可变电容Cb实现平衡.动态电阻应变仪设标定装置的原理将已知电阻Rb并联到R1上，并联后的电阻为：.曲线图中800记录H1=20mm，测量所得的动应变h1=18mm，则可换算出动应变值为：6.动态电阻应变仪的标定装置.动态电阻应变仪设标定装置的原理显然，当K一定时，可算出

21、Rb所代表应变值，反之，要产生已知应变，则应并联一个电阻，其值为：7.电阻应变仪的性能检验.仪器稳定检验.仪器读数灵敏性检验稳定性的指标：零点漂移量检验方法：将标准电阻接入电桥，4小时，零点漂移量不超过5。细调读数盘10，指针应偏转一格以上。.细、中、粗调一致性检验要求：1000误差小于10，调盘过程中，指针平滑地偏转，不得跳跃、摇摆。.灵敏系数调节器刻度误差的检验.仪器线性的检验用已知的相对电阻变化R/R作为标准信号输出应变仪。K=R/R调节K仪，测读，计算灵敏系数正确值Ks,计算相对误差：将K仪置于2，输入一系列电阻变化R/R或，读出仪器相应读，作读R/R()曲线，鉴别是否线性。当|k|2

22、%，符合要求，超过要修正。.标定误差的检验.衰减误差的检验使用标准电阻应变模拟仪和仪器标定装置分别输入相等的应变信号，分别由记录器记录相应值A模和A标，计算标定误差：标（A标A模）/A标100% 标准应变模拟仪未经衰减的最大应变（线性范围）记录A1，模拟仪放大到与衰减档相应的n倍数应变值，记录A衰，计算误差：衰（A1A衰）/A衰100% 第三节 DH5920动态信号测试 分析系统 DH5920动态信号测试分析系统包含： 动态信号测试所需的信号调理器（应变、振动等调理器）、直流电压放大器、抗混滤波器、A/D转换器、缓冲存储器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件及控制、分析软件。系统可进行应变应力及

23、力、压力、扭距、荷重、温度、位移、速度、加速度等物理量进行动态测试和分析。DH5920动态信号测试分析系统采用电阻应变片测试时所选用的应变仪YD-21动态电阻应变仪技术指标：（1）低通滤波器：10、30、100 、300、1k、3k、10k 、PASS(Hz) 八档分档切换 （2）连续采样频率：每通道10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、 10k、20k、50 k (Hz)分档切换 （3）抗混滤波器:每通道独立的模拟滤波 + DSP数字滤波 外接适调器(选件)技术指标：（2）DH5857 电荷适调器技术指标 ： 放大器输出灵敏度：0.1、10(mV/pC) 两档分档切换

24、（1）DH3810 应变适调器技术指标： 供桥电压按2V、5V、10V 和24V分档切换 应变应力的测量 ：第四节 891型测振仪的使用方法一、功能： 891型测振仪主要用于测量地面、结构物的脉动或工程振动 二、使用方法：1.接通电源 首先正确选择交直流电源，并把891测振仪后面板的电源选择开关放置到正确位置，然后将电源插头（7芯）插入放大器电源插座上，将电源开关选择“开”，并将前面板表头功能开关依次置于“E+”，“E-”位置，通过表头检查电源电压是否正常。2.拾振器与放大器的使用 在把拾振器的拨动开关置于适当位置之后，把拾振器与被测点用粘合剂固结牢，并使水平拾振器的几何轴线大致呈水平，铅锤向

25、拾振器的几何轴线与水平面大致呈垂直，然后将拾振器的输出端与放大器的输入插座相连。将放大器前面板上标头下方转动开关置于“15V”或“1.5V”档，按下左侧的按钮开关，检查拾振器工作是否正常。如表针稍有摆动，则该测线正常。 注意：拾振器在非使用状态时，均应将输出端短路。以保护拾振器的运动部件。 桥梁振动测试时所选用的测振放大器891型测振放大器在桥梁垮中安放垂直和水平拾振器第六节 LabVIEW 操作系统介绍LabVIEW 操作系统的介绍数据采集数据回放数据处理第七节 振动加速度测试技术一、振动加速度的测试（1）拾振器的力学原理 二阶常系数非齐次线性微分方程解方程：式中： 振动体系平衡方程： 代表随时间增长而衰减的有阻尼自由振动，阻尼力愈大，幅值衰减愈快，实际存在的时间十分短促。式中第二项为： 特解 是由外界干扰迫使振动体产生的强迫振动分量，当振动中的振动自由分量消失后就进入稳定状态。式中第一项为： 通解由此可