结构静载试验应变测试技术课件

第三章结构静载试验

结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验中使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试元件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中观测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度与分布、破坏或失稳形态等。一、静载试验加载设备二、试验装置的支座设计三、应变测试技术四、静载试验用仪器仪表五、静载试验准备与实施六、结构静载试验示例第三章结构静载试验结构静载试验是最常规的1三、应变测试技术三、应变测试技术2在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同部位的应力值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立结构理论的重要依据。但是，目前直接测定构件截面的应力值还没有较好的方法，一般方法是先测定应变，而后通过σ=Eε的关系间接测定应力，或由已知的σ-ε关系曲线查得应力。应变量测在工程结构试验量测中有极其重要的地位。应变量测往往还是其他物理量量测的基础。为什么要进行结构应变测试在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同部位的应力值是评定结31、应变的测量原理：量测应变通常是在预定的标准长度范围(称“标距”)L内进行。量测长度变化增量的平均值ΔL,由应变的定义式ε=ΔL/L求得ε，这就是应变量测的基本原理。所以，应变的量测实质上是量测标距L的变化增量ΔL。2、常用方法：应变量测方法很多，主要有电测法、机测法和光测法等。怎样进行结构应变测试1、应变的测量原理：怎样进行结构应变测试4（一）机测法机测法：利用机械式仪表，测量试验构件上两点之间的相对线位移，然后在转换为应变值。实际上，只要可以测到两点之间的位移，都可以将其转换为应变。双杠杆应变仪手持式应变仪（一）机测法机测法：利用机械式仪表，测量试验构件上两点之间的5机测法优点：试验操作简单，数据可靠，不受电磁等因素干扰。机测法限制：

1.不适合应变变化较大区域内的应变测量

2.不能自动记录，测读时间较长，测点布置困难。

3.温度补偿困难。机测法优点：试验操作简单，数据可靠，不受电磁等因素干扰。6（二）电测法电测法（非电量的电测技术）在测量过程中，常将某些物理量（如长度）发生的变化，先变换为电参量的变化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法。在结构试验中，因结构受外荷载或受温度及约束等原因而产生应变，应变为机械量（即非电量），用量电器量测非电量，首先必须把非电量（应变）转换成电量的变化，然后才能用量电器量测。量测由应变引起的电量变化称为应变电测法。（二）电测法电测法（非电量的电测技术）7利用材料的电阻变化测量应变

——电阻应变电测法电测法以电阻应变仪量测为主。电测法的基本原理是；将一种特制的电阻应变片作为传感元件，牢靠地粘贴在被测试件表面，当试件由于受到外荷载的作用而发生变形时，电阻应变片也随之变形，并发生电阻的变化。在一定的工作范围内，电阻应变片的电阻变化与试件发生的应变成比例关系。根据测得的电阻变化，通过应变仪可获得试件上被测点的应变值。利用材料的电阻变化测量应变

——电阻应变电测法电测法以电阻应83.1电阻应变片的原理及构造1、电阻应变片的原理

利用电阻应变片作为传感元件，将应变片贴在被测物体上，会随被测物体的变形而拉长或收缩，从而改变电阻值，反映被测物体应变的大小。图1电阻应变计基本组成3.1电阻应变片的原理及构造图1电阻应变计基本组成9待测非电量ε电阻变化△R应变值ε①感受应变：ε△R②测量△R：应变仪将应变片的△R经惠斯顿电桥→△U或△I，放大器；输出应变值。

图2金属丝的电阻应变原理

1.受力前的金属丝2.受力后的金属丝待测非电量ε电阻变化△R应变值ε图2金属丝的10：金属丝的电阻值：金属丝的电阻率：金属丝的截面积（通常为圆断面）：金属丝的长度：金属丝的泊松比：金属丝的电阻值：金属丝的泊松比11金属丝的电阻应变原理

1.受力前的金属丝

2.受力后的金属丝（4.1）（4.2）（4.3）金属丝的电阻应变原理

12灵敏系数K：表示单位应变引起的相对电阻变化应变片灵敏系数是使用应变片的重要数据。它主要取决于敏感栅的材料、型式和几何尺寸。应变片的灵敏系数受到多种因素的影响，无法由理论求得，是由制造厂经抽样在专门的设备上进行标定，并于包装上注明。常用的应变片灵敏度系数为2—2.4。

由上式可知，只要测出敏感栅的电阻变化率即可确定构件的应变。灵敏系数K：表示单位应变引起的相对电阻变化应变片灵敏13等强度梁静态应变测试采用等强度钢梁，钢梁的μ=0.285，L=150mm,室温、单向受力状态，应变片丝栅方向与最大主应变方向一致，采用砝码在梁一端施加作用力P=0.1KN，测得挠度为1.5mm，实测量得电阻由120Ω变为120.12Ω，求得应变片的实际灵敏度K。梁高h=5mm梁长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等强度梁静态应变测试梁高h=5mm梁长L=150mmP⑴△142、电阻应变片的构造敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。基底:纸基和胶基覆盖层引出线

电阻应变片构造示意图

1.引出线2.敏感栅3.覆盖层4.基底层2、电阻应变片的构造敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝15敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。敏感栅的形状与尺寸直接影响到应变片的性能。栅长和栅宽代表应变片的标称尺寸，即规格。基底和覆盖层：它们起定位和保护电阻丝的作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。基底的尺寸通常代表应变片的外形尺寸。引出线：通过测量导线接入应变测量桥。引出线一般都采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制成，在制造应变片时与电阻丝焊接在一起敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。敏感栅的形163、电阻应变片的种类及分类按敏感栅所用材料分类：金属电阻应变片（金属丝式应变片、箔式应变片、薄膜应变片）和半导体应变片；按敏感栅结构的形状分类：单轴和多轴（应变花）按应变片的工作温度：低温片（低于-30℃）、常温片（-30～60℃）中温片（60～350℃）、高温片（350℃以上）按基底材料：胶基和纸基3、电阻应变片的种类及分类按敏感栅所用材料分类：金属电阻应变17金属电阻应变片半导体应变片丝绕式应变片短接线式应变片箔式应变片敏感栅材料用途基底材料纸基应变片胶基应变片金属基底应变片临时基底应变片敏感栅形状单轴应变花一般用途应变片特殊用途应变片应变片式传感元件分类方法类型主要特点横向效应大，K外值分散度大，价廉横向效应小，疲劳寿命底横向效应小，散热条件好，蠕变小，疲劳寿命长用于测量单向应变的应变片用于平面应力状态下测定主应变耐温，耐热及耐久性能差高温应变片类型之一，用焊接方式安装于构件上高温应变片类型之一以有机会胶膜作基底，耐热，耐湿，耐久性较纸基好指用于应变测量的各种常规应变片如半导体应变片、防水应变片、埋式应变片、双层应变片等如裂纹扩展片、疲劳寿命片、测温片、测压片等各种类型的应变片及其特点金属电阻应变片半导体应变片丝绕式应变片短接线式应变片箔式18

①金属丝式应变片:丝绕式（U型）、短接式（H型）Φ0.015-0.05mm金属丝制作，散热效果差，许用电流低。圆角线栅，横向效应大；直角线栅，制作复杂。①金属丝式应变片:丝绕式（U型）、短接式（H19

②箔式应变片:

制作材料：0.002-0.005mm厚的康铜或其它合金制作工艺：光刻技术和腐蚀工艺。优点：横向效应小，能较好地反应构件表面的变形，易于在弯曲表面上粘贴，散热好于丝式，蠕变小，疲劳寿命长，允许通过的电流大，测量灵敏度较高。用途：较多的用于传感器制作②箔式应变片:20③薄膜式应变片：800-1000℃

材料：厚度≤0.1μm的金属薄膜，工艺：真空电镀和沉积等工艺，将金属材料在绝缘基底上制成一定形状的薄膜而形成敏感栅。特点：耐高温性好，工作温度可达800-1000℃，用于高温等特殊条件③薄膜式应变片：800-1000℃21④半导体式应变片（压阻效应）:

材料：半导体材料，根据压阻效应制成。优点：灵敏系数高，K>100，频率响应好，可制作成小型和超小型应变片。缺点：温度系数大，热稳性能差；大应变时，非线形较大，多用于测量500以下的小应变。1、基底；2、硅条；3、内引线；4，焊接电极；5、引出线④半导体式应变片（压阻效应）:1、基底；2、硅条；3、内引线22几种电阻应变片

1，2，3，7，9.箔式电阻应变片4.半导体应变片

5.丝绕式电阻应变片6.短接式电阻应变片8.焊接电阻应变片几种电阻应变片

1，2，3，7，9.箔式电阻应变片4.半导234、电阻应变片的技术性能电阻应变片的主要技术指标如下；⑴电阻值:R；⑵标距:指敏感栅在纵轴方向的有效长度L；⑶灵敏系数:K一般等于2.0，也可不等于2.0.⑷规格:以使用面积L*b表示⑸温度适用范围⑹其他性能指标：机械滞后、蠕变、疲劳寿命、零点漂移、横向灵敏系数、绝缘电阻等。根据电阻应变片的性能指标，电阻应变片被分为A、B、C、D等级。A级为最高级，常用于制作应变式传感器，结构试验中，可选用C级或B级应变片。其相应的性能指标见教材附录1。4、电阻应变片的技术性能24

2、应变片的电阻值应力片的电阻值，是应变片在没有粘贴，未受力时，在室温下所测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值最常用的有120，350，并有60，200，500，1000系列。

3、机械滞后量（Zf）在恒定温度下，对贴有应变片的试件进行加卸载试验，对各应力水平应变片加卸载时所指示的应变量的最大差值作为该批应变片的机械滞后量Zf。

4、零点漂移(P)和蠕变()

在温度恒定，被测试不受力的情况下，试件上应变片的指示应变随时间的变化称为零点漂移(简称零漂)。如果温度恒定，应变片承受有恒定的机械应变时时，指示应变随时间的化则称为蠕变。

1、应变片的尺寸顺着应变片轴向敏感栅两端转弯处内侧之间的距离称为栅长(或叫标距)，以表示。敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以S表示。称为应变片的使用面积。2、应变片的电阻值3、机械滞后量25

5、应变极限在室温条件下，对贴有应变片的试件加载，使试件的应变逐渐增大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变即为应变片的应变极限，用j表示。

6、绝缘电阻(Rm)

绝缘电阻Rm是指敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。

7、疲劳寿命(N)

疲劳寿命N是指贴有应变片的试件在恒定幅值的交变应力作用下，应变片连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数，通常可达106～107次。

8、最大工作电流最大工作电流是允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流，通常为几十毫安。5、应变极限6、绝缘电阻(Rm26应变片电阻值：指应变片在未安装、不受外力、室温条件下的电阻值。单片阻值：单个应变片的标定电阻值。标准名义阻值：人为规定的生产标准，为一定值，如120Ω、240Ω。一般应变仪是按120Ω应变片要求设计的。平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如120±0.5%或120±0.6Ω。应变片电阻值：指应变片在未安装、不受外力、室温条件下的电阻值27应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积S=L*b。

L-栅长标距

b-栅宽注意：尽量选用L大、b小的应变片。应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积S=L*b。28

5、应变片的选用与应变片粘结工艺【应变片选用】1、工作环境：温度保证、地下工程中防潮特性好

2、被测物材料性质:

弹模高,基长小;

粗晶粒岩石混凝土，选用基长长

3、按被测试件受力状态和应变性质：应变花变化大选用基长小，变化小选用基长

4、按测量精度：标距、电阻值、灵敏度5、应变片的选用与应变片粘结工艺29【应变片粘结工艺】①应变片检查：外观检查、电阻值检查;②表面处理：刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干;③贴片与固化：画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶;④粘贴质量检查：外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查;⑤连接导线：导线固定、导线焊接;⑥防潮处理：凡士林、石蜡等;【应变片粘结工艺】306、电阻应变片的优点与缺点①在一定工作范围内，电阻变化率与应变成线性关系(严格说是非线性很小)；②灵敏度高,普通电阻应变片的最小读数为1-5με,半导体应变片的最小读数可达0.1με，灵敏度高；③一般电阻应变片测量范围达±20000με，特制的大应变量电阻应变片可测应变达200000με测量范围广；

【电阻应变片优点】6、电阻应变片的优点与缺点①在一定工作范围内，电阻变化率与应31④尺寸小、重量轻，把电阻应变片贴在结构表而后对试件的工作状态和应力分布影响极微；⑤频率响应好，普通应变片的频响时间约为10-7S，半导体应变片可达10-11S，从而可以不考虑应变传递时的相位差，能够适应数万赫兹的动应变测量；⑥测量自动化程度高，可远距离传送电信号；⑦对环境的适应性强，若对电阻应变片采取特殊措施，可用于高温、低温、水下压、强磁场和腐蚀等环境；④尺寸小、重量轻，把电阻应变片贴在结构表而后对试件的工作状态32电阻应变片在应用中的主要缺点是：①因为电阻应变片是选点布置的，故测量结果仅给出测点贴片方向的应变，难以得到应变和应力场的全貌；②通常电阻应变片只适于结构表面应力的测量，并且测量值只是电阻应变片基长内的平均应变值；③连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所造成；④另外应变片必须牢固地粘贴在试件表面，才能保证正确地传递试件的变形，粘贴工作技术性强，粘贴工艺复杂，工作量大；⑤电阻应变片不能重复使用。【电阻应变片缺点】电阻应变片在应用中的主要缺点是：【电阻应变片缺点】333.2电阻应变仪测量应变

1、电阻应变仪介绍试验构件的应变值一般均很小，当材料处于弹性阶段时应变约为10-6—10-2，故应变片的电阻变化率很小,需用专门仪器进行测量,测量应变片的电阻变化率并能自动转化为应变的仪器称为电阻应变仪。

电阻应变仪按频率响应范围可分为:静态电阻应变仪;静动态电阻应变仪;动态电阻应变仪;超动态电阻应变仪;其中静态电阻应变仪和动态电阻应变仪应用较多。3.2电阻应变仪测量应变1、电阻应变仪介绍34静态电阻应变仪用电学方法测量不随时间变化或变化极为缓慢的静态应变。它由测量电桥、放大器、显示仪表和读数机构等组成。贴在被测构件上的电阻应变计接于测量电桥上。构件受载变形时，测量电桥有电压输出，经放大器放大后由显示仪表指示出相应的应变值。静态电阻应变仪每次只能测出一个点的应变。进行多点测量时可配以预调平衡箱。所有测点的应变计均预先接在平衡箱各点上，然后靠开关逐点转换接入应变仪。静态电阻应变仪用电学方法测量不随时间变35应变仪采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位计式，应用最多的是交流电桥式电路并带有载波放大器的形式。采用交流电桥电路的应变仪由电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器和电源部分组成。

应变仪采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位36①电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号,以便放大器放大。通常电桥由正弦振荡器供电,其频率为500赫～50千赫,较低频率的被测应变信号对较高的频率的电桥电压进行调幅，输出一个窄频带的调幅波信号。①电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号,以便放大器放37②放大器：对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功率去推动指示器和记录器。为提高放大器的稳定性，一般采用交流载波放大器，直流放大器仅用于超动态应变仪。

③相敏检波器：将放大后的调幅波还原为被测应变信号波形，同时反映被测应变信号的方向，通常采用环形相敏检波器。

②放大器：对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功38④滤波器：滤除相敏检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想的输出波形。⑤振荡器：产生一个稳定的振荡电压，作为电桥供电电压和相敏检波器的参考电压。电学应变仪灵敏度高、稳定性好。它所配用的应变计体积小，微型箔式应变计能测量工程上被看作一个“点”的小范围应变。

④滤波器：滤除相敏检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想39结构静载试验应变测试技术课件402、电阻应变仪工作原理电阻应变仪的基本测量电路为惠斯登电桥,如下图所示。当满足或电桥平衡，Uout=0。2、电阻应变仪工作原理当满足或电桥平衡，Uout=0。41实验时通常将粘贴在构件上的四个相同规格的应变片作为桥臂上的四个电阻，如下图所示。当试件受力时，上述应变片感受到的应变分别为ε1，ε2，ε3和ε4，相应的电阻改变量分别为△R1，△R2，△R3和△R4，代入得电桥的输出电压力：应变仪的输出结果（应变读数）为：

这种接线法称为全桥接线法

实验时通常将粘贴在构件上的四个相同规格的应变片作为桥臂上的四42这个关系可用“邻臂相减，对臂相加”概括。这叫做电桥的加减特性。有时只在电桥的AB和BC端接应变片，而在AD和DC端接应变仪内部的两个阻值相等的标准电阻，见下图。因R内不受构件变形的影响，则

这种接线法称为半桥接线法

这个关系可用“邻臂相减，对臂相加”概括。这叫做电桥的加减特43相邻桥臂:应变极性一致时，输出电压为两者之差；若极性不一致时，输出电压为两者之和。相对桥臂:则与上述规律相反.此特性称为电桥的加减特性(或和差特性).利用该特性:可提高电桥的灵敏度;对温度影响予以补偿.它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。用电桥测量电阻变化有偏位法和零位法两种测量方法。

偏位法时，是在表的刻度盘上刻出R，或直接刻出应变值(根据R/R=k)，由指针偏转直接指示应变值，或者送到记录器直接记录。

相邻桥臂:应变极性一致时，输出电压为两者之差；44

零位测量法如右图所示，电桥原始平衡后，如R1变成R1+R，则电桥失去平衡，电表指针偏转，此时人为调节可变电阻r，改变D点电位，使之与B点电位相同，电桥重新平衡，电表又重新指零，这时可在可变电阻器刻度盘上直接读出应变值，便可测出R1变化R时所对应的应变值。零位测量法与电源电压无关，电源电压变化不影响测量结果，故测量精度较高，但测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静态测试。偏位法输出受电源电压的影响，用于动态测试。零位测量法如右图所示，电桥原始平衡后，如R1变成R453、布片和接桥方法

应变片在应变仪的测量电桥中有各种接法。在实际测量中，常利用电桥基本特性并采用不同的接线方法，来达到以下目的：a、实现温度补偿；b、从复杂的变形中测出所需要的应变分量；c、扩大应变仪的读数，以减少误差，提高测量灵敏度。3、布片和接桥方法应变片在应变仪的测量电桥中461）全桥接线法测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变片，称为全桥接线法（或全桥线路）。对于等臂电桥，此时应变仪的读数应变由公式即可得出：

εd=ε1-ε2+ε3-ε4

实际测量时，可有以下两种情况：a、全桥测量：电桥的四个桥臂上都接工作应变片。b、相对两臂测量：电桥相对两臂接工作应变片，另相对两臂接温度补偿应变片。1）全桥接线法472）半桥接线法若在测量电桥的桥臂AB和BC上接电阻应变片，而另外两臂AD和CD接电阻应变仪的内部固定电阻R，则称为半桥接线法。由于桥臂AD和CD接固定电阻，不感受应变，因此对于等臂电桥，按公式可得到应变仪的读数为：εd=ε1-ε2

实际测量时，可有以下两种情况：a、半桥双臂测量：电桥的两桥臂AB和BC上均接工作应变片。b、半桥单臂测量：电桥的两桥臂AB和BC上，任意桥臂接工作应变片，而另一桥臂接温度补偿应变片。2）半桥接线法48（1）粘贴在被测构件测点上的应变片，如果周围环境变化时，应变片栅丝的电阻应变值也将随着温度改变而变化；（2）同时，又因为栅丝材料和被测构件材料的膨胀系数不同，应变片被迫拉长或缩短，使栅丝电阻值也发生变化，（3）这种由于温度改变引起的虚假应变，并不是由于载荷作用而引起的，如果只想测定构件承受在载荷作用下的变形，就应该设法消除它。（4）消除的办法就是温度补偿。4、温度补偿方法（1）粘贴在被测构件测点上的应变片，如果周围环境变化时，应变49在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。这种方法简单、经济、补偿效果好。这是利用电桥特性来进行温度补偿的。桥路补偿法可以分为以下两种：1）补偿块补偿法2）工作片补偿法在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。这种方法简单501）补偿块补偿法其材料应与被测构件相同，但不受外力，并将它置与构件被测点附近，使补偿片与工作片处于同一温度场中。1）补偿块补偿法512）工作片补偿法这种方法不需要补偿块和补偿片，而是在同一被测试件上粘贴几个工作应变片，将它们接入电桥中。当试件受力且测点环境温度变化时，每个应变片的应变中都包含外力和温度变化引起的应变，根据电桥基本特性，在应变仪的读数应变中即可消除温度变化所引起的虚假应变，而得到所需测量的应变。因此工作应变片既参加工作，又起到了温度补偿的作用。2）工作片补偿法52（1）同一桥路具有相同的温度效应，即（2）外补桥路补偿片的荷载效应为零，即（1）同一桥路具有相同的温度效应，即534、应变应力的测量

根据被测对象的应力状态，选择测点和布置应变片和合理接桥是实测时应首先解决的问题。布片和接桥的一般原则为：（1）首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应变最大、最能反映其力学规律的点贴片；（2）利用结构的对称性布点，利用应变电桥的加减特性，合理选择贴片位置、方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、提高灵敏度、降低非线性误差和消除其它影响因素的目的。（3）当测量荷载时，应尽量避开应力－应变的非线性区贴片；（4）在应力已知的部位安排测点，以使测量时进行监视和检查试验结果的可靠性。

4、应变应力的测量根据被测对象的应力状态，选54结构静载试验应变测试技术课件55结构静载试验应变测试技术课件56结构静载试验应变测试技术课件57结构静载试验应变测试技术课件58结构静载试验应变测试技术课件59结构静载试验应变测试技术课件60图4.5半桥外补一片多补工作原理桥路示意图5、一片多补技术的工作原理图4.5半桥外补一片多补工作原理桥路示意图5、一片多补61半桥桥路全桥桥路6.应变仪半桥与全桥切换技术的工作原理半桥桥路62注意：长导线电阻对应变测量的影响当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低１%以上，要按下式进行修正。注意：长导线电阻对应变测量的影响当导线长度大于10m时63结构静载试验应变测试技术课件64§2.6静态应变测量利用应变片测出的是构件上某一点处沿某一方向的线应变，必须经过应变—应力换算才能得到主应力。不同的应力状态有不同的关系式。一、应变—应力换算关系（一）已知主应力方向的单向应力状态构件在外力作用下，若被测点位单向应力状态，则主应力方向已知，只有主应力值是一个未知量。此时可沿主应力的方向贴一个应变片，测得应变后，由单向应力胡克定律：E：被测构件材料的弹性模量。§2.6静态应变测量利用应变片测出的是构件上某一点处沿65（二）已知主应力方向的二向应力状态以受内压作用的薄壁容器为例，如果测点的应力状态是已知主应力方向的二向应力状态，有主应力值两个未知量，此时可沿主应力方向各贴一个应变片，与补偿片组成两个单臂半桥，分别测出两个主应变和，再由广义胡克定律求得主应力：：被测构件材料的泊松比（二）已知主应力方向的二向应力状态以受内压作用的薄壁容器为例66（三）未知主应力方向的二向应力状态对于薄壁筒受压力加扭转作用表面任一点应力状态如何呢？这种复杂受力状态，被测点两个主应力值未知，主应力方向也是未知的，即存在三个未知量。从数学角度：需沿三个方向线应变，根据测得应变值换算成主应力值。（三）未知主应力方向的二向应力状态对于薄壁筒受压力加扭转作用671、平面应变状态分析设从x，y方向取出被测点单元体，讨论应变发生在同一平面（xy平面）内的平面应变状态。该单元体的应变可用线应变和来表示。研究中规定：1）伸长的线应变为正；2）使直角（如xoy角）增大的剪应变为正；3）角逆时针为正；4）新坐标系中沿x方向的线应变用表示，剪应变用表示。1、平面应变状态分析设从x，y方向取出被测点单元体，讨论应变68（1）确定和设图中单元体的和均为正量，坐标系xoy逆时针旋转角后，得到新坐标系。讨论沿方向的线应变。由于是小变形，分别讨论和各自对方向微分线段长度变化的影响，再叠加起来。（1）确定和设图中单元体的和均69得的伸长量为：沿方向的线应变为：把关系式代入上式（a）得的伸长量为：沿方向的线应变为：把关系式70用类似方法求得角的剪应变：是指直角的角度改变量，若假设方向微分线段的角度改变为若假设方向微分线段的角度改变为则直角的角度改变量为：用类似方法求得角的剪应变：是指直角71由和引起方向微分线段的角度改变分别为：叠加以上结果，和使直角增大，而使直角减小，故沿方向微分线段的角度改变为：由和引起方向微分线段72以代替上式中的，便可得沿方向微分线段的角度改变为：得剪应变为（b）以代替上式中的，便可得沿73（2）确定主应变及其方向将（a）式对取导数可得：若时，恰好则说明方向线应变必有最大值或最小值。将代入，则有有两个值（2）确定主应变及其方向将（a）式对取导数可得：若74它们是两个相互垂直的方向，一个方向上有最大线应变，一个方向上有最小线应变，线应变取得极值的方向上，剪应变为零。线应变的极值就是主应变。当它们是两个相互垂直的方向，一个方向上有最大线应变，一个方向上752、应变—应力换算只要测出，应变片测的是线应变，而无法测剪应变，只能在三个任意方向粘贴三个应变片，分别测出。2、应变—应力换算只要测出76为简化计算，取，测出应变相应为：为简化计算，取77二、静态多点应变测量在静态多点应变测量中，经常遇到多点测量，专门设计了与应变仪配套使用的预动平衡箱，使用时将一批测点预先接入平衡箱，并对每个通道预调平衡，然后通过转换开关将各测点逐次接入应变仪，实现静态多点测量。测量电路的连接：二、静态多点应变测量在静态多点应变测量中，经常遇到多点测量，78静态多点测量中常采用半桥公共接线法进行单臂测量。n个工作片互相靠近，处于相同温度环境中，则可用一个公共温度补偿片进行补偿。将n个工作应变片的一根引出线连在一起，称为公共线，接B（B内部相连）；工作片另一引出线分别接预调箱接线柱的上；补偿片两根引出线分别接预调箱接线柱B、C，将短接起来。静态多点测量中常采用半桥公共接线法进行单臂测量。n个工作片互79例：用应变片测量梁弯曲时沿横截面高度应变分布规律的半桥公共接线图。通常一个公共补偿片可以补偿6~8个工作应变片。例：用应变片测量梁弯曲时沿横截面高度应变分布规律的半桥公共接80三、测量结果的修正计算（一）应变片阻值不同的修正国产应变仪：四个桥臂为120使用时应变片阻值不等于120需要修正。修正：根据应变电阻值，接线法查曲线，确定修正系数三、测量结果的修正计算（一）应变片阻值不同的修正国产应变仪：81（二）应变片灵敏系数不同的修正若一台应变仪上接有n种不同灵敏系数的应变片，可在测量时调应变仪灵敏系数，测量之后对读数应变进行修正。（三）应变片的横向效应修正定义：（二）应变片灵敏系数不同的修正若一台应变仪上接有n种不同灵敏82标定时：1）单向应力状态；2）应变片轴线沿单向应力的方向；3）标定梁为钢梁。标定灵敏系数表达式：当使用条件与标定条件不符，则，需要修正。标定时：1）单向应力状态；2）应变片轴线沿单向应力的方向；3831、单向应力状态下的应变、应力修正公式沿x向贴片，实际灵敏系数为：使用时，若按从仪器上读出，则有，读数应变与实际应变关系式1、单向应力状态下的应变、应力修正公式沿x向贴片，实际灵敏系84由胡克定律：其中：沿y向贴片，实际灵敏系数为：由胡克定律：其中：沿y向贴片，实际灵敏系数为：85表现泊松比表现泊松比862、平面应力状态下的应变、应变修正公式在平面应力状态下，主应力方向已知，可沿主应力方向贴片（x、y方向），应变片的实际灵敏系数：（1）分别得两个读数应变和，读数应变与实际应变的关系为：其中：（2）2、平面应力状态下的应变、应变修正公式在平面应力状态下，主应87（1）（2）两式联立解出应变修正公式：由广义胡克定律得：（1）（2）两式联立解出应变修正公式：由广义胡克定律得：88将表现弹性模量和表现泊松比分别代和，则上式有：对于主应力方向未知的二向应力状态，将用代替，用代替，则有：将表现弹性模量891.简述电阻应变片的测试原理。

2、简述电阻应变计（片）的主要粘贴步骤。3、何谓半桥接法及全桥接法。4、简述电阻应变计的构造组成。5.说明金属电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？6.说明电阻应变式力学量传感器的基本原理？【思考题】1.简述电阻应变片的测试原理。【思考题】907.下列哪个不是电阻应变计主要技术指标(

)。A.频率响应

B.

电阻值

C.

标距

D.

灵敏度系数8.电阻应变计中金属丝的灵敏系数，表示单位应变引起应变计的相对电阻变化。灵敏系数____，单位应变引起的电阻变化也___。9.贴电阻片处的应变为1500με，电阻片的灵敏系数K＝2．0，在这个电阻片上应产生的电阻变化率应是下列哪一个？()A．0．2％B．0．4％C．0．1％D．0．3％7.下列哪个不是电阻应变计主要技术指标(

)。9110.当惠斯顿电桥桥臂上的电阻全部是应变片,且应变片的灵敏系数全部相等,此时称之为半桥测量。（ ）11.电阻应变片的灵敏度系数K

指的是()。A.应变片电阻值的大小B.单位应变引起的应变片相对电阻值变化

C.应变片金属丝的截面积的相对变化

D.应变片金属丝电阻值的相对变化12。电阻应变片在工作时下列哪种参数不发生变化()

A.电阻B.金属丝长度

C.金属丝截面积D.金属丝重量10.当惠斯顿电桥桥臂上的电阻全部是应变片,且应变片的灵敏系92第三章结构静载试验

结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验中使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试元件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中观测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度与分布、破坏或失稳形态等。一、静载试验加载设备二、试验装置的支座设计三、应变测试技术四、静载试验用仪器仪表五、静载试验准备与实施六、结构静载试验示例第三章结构静载试验结构静载试验是最常规的93三、应变测试技术三、应变测试技术94在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同部位的应力值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立结构理论的重要依据。但是，目前直接测定构件截面的应力值还没有较好的方法，一般方法是先测定应变，而后通过σ=Eε的关系间接测定应力，或由已知的σ-ε关系曲线查得应力。应变量测在工程结构试验量测中有极其重要的地位。应变量测往往还是其他物理量量测的基础。为什么要进行结构应变测试在外力作用下，工程结构内部产生应力，不同部位的应力值是评定结951、应变的测量原理：量测应变通常是在预定的标准长度范围(称“标距”)L内进行。量测长度变化增量的平均值ΔL,由应变的定义式ε=ΔL/L求得ε，这就是应变量测的基本原理。所以，应变的量测实质上是量测标距L的变化增量ΔL。2、常用方法：应变量测方法很多，主要有电测法、机测法和光测法等。怎样进行结构应变测试1、应变的测量原理：怎样进行结构应变测试96（一）机测法机测法：利用机械式仪表，测量试验构件上两点之间的相对线位移，然后在转换为应变值。实际上，只要可以测到两点之间的位移，都可以将其转换为应变。双杠杆应变仪手持式应变仪（一）机测法机测法：利用机械式仪表，测量试验构件上两点之间的97机测法优点：试验操作简单，数据可靠，不受电磁等因素干扰。机测法限制：

1.不适合应变变化较大区域内的应变测量

2.不能自动记录，测读时间较长，测点布置困难。

3.温度补偿困难。机测法优点：试验操作简单，数据可靠，不受电磁等因素干扰。98（二）电测法电测法（非电量的电测技术）在测量过程中，常将某些物理量（如长度）发生的变化，先变换为电参量的变化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法。在结构试验中，因结构受外荷载或受温度及约束等原因而产生应变，应变为机械量（即非电量），用量电器量测非电量，首先必须把非电量（应变）转换成电量的变化，然后才能用量电器量测。量测由应变引起的电量变化称为应变电测法。（二）电测法电测法（非电量的电测技术）99利用材料的电阻变化测量应变

——电阻应变电测法电测法以电阻应变仪量测为主。电测法的基本原理是；将一种特制的电阻应变片作为传感元件，牢靠地粘贴在被测试件表面，当试件由于受到外荷载的作用而发生变形时，电阻应变片也随之变形，并发生电阻的变化。在一定的工作范围内，电阻应变片的电阻变化与试件发生的应变成比例关系。根据测得的电阻变化，通过应变仪可获得试件上被测点的应变值。利用材料的电阻变化测量应变

——电阻应变电测法电测法以电阻应1003.1电阻应变片的原理及构造1、电阻应变片的原理

利用电阻应变片作为传感元件，将应变片贴在被测物体上，会随被测物体的变形而拉长或收缩，从而改变电阻值，反映被测物体应变的大小。图1电阻应变计基本组成3.1电阻应变片的原理及构造图1电阻应变计基本组成101待测非电量ε电阻变化△R应变值ε①感受应变：ε△R②测量△R：应变仪将应变片的△R经惠斯顿电桥→△U或△I，放大器；输出应变值。

图2金属丝的电阻应变原理

1.受力前的金属丝2.受力后的金属丝待测非电量ε电阻变化△R应变值ε图2金属丝的102：金属丝的电阻值：金属丝的电阻率：金属丝的截面积（通常为圆断面）：金属丝的长度：金属丝的泊松比：金属丝的电阻值：金属丝的泊松比103金属丝的电阻应变原理

1.受力前的金属丝

2.受力后的金属丝（4.1）（4.2）（4.3）金属丝的电阻应变原理

104灵敏系数K：表示单位应变引起的相对电阻变化应变片灵敏系数是使用应变片的重要数据。它主要取决于敏感栅的材料、型式和几何尺寸。应变片的灵敏系数受到多种因素的影响，无法由理论求得，是由制造厂经抽样在专门的设备上进行标定，并于包装上注明。常用的应变片灵敏度系数为2—2.4。

由上式可知，只要测出敏感栅的电阻变化率即可确定构件的应变。灵敏系数K：表示单位应变引起的相对电阻变化应变片灵敏105等强度梁静态应变测试采用等强度钢梁，钢梁的μ=0.285，L=150mm,室温、单向受力状态，应变片丝栅方向与最大主应变方向一致，采用砝码在梁一端施加作用力P=0.1KN，测得挠度为1.5mm，实测量得电阻由120Ω变为120.12Ω，求得应变片的实际灵敏度K。梁高h=5mm梁长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等强度梁静态应变测试梁高h=5mm梁长L=150mmP⑴△1062、电阻应变片的构造敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。基底:纸基和胶基覆盖层引出线

电阻应变片构造示意图

1.引出线2.敏感栅3.覆盖层4.基底层2、电阻应变片的构造敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝107敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。敏感栅的形状与尺寸直接影响到应变片的性能。栅长和栅宽代表应变片的标称尺寸，即规格。基底和覆盖层：它们起定位和保护电阻丝的作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。基底的尺寸通常代表应变片的外形尺寸。引出线：通过测量导线接入应变测量桥。引出线一般都采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制成，在制造应变片时与电阻丝焊接在一起敏感栅：用金属材料或半导体材料制成的单丝或栅状丝。敏感栅的形1083、电阻应变片的种类及分类按敏感栅所用材料分类：金属电阻应变片（金属丝式应变片、箔式应变片、薄膜应变片）和半导体应变片；按敏感栅结构的形状分类：单轴和多轴（应变花）按应变片的工作温度：低温片（低于-30℃）、常温片（-30～60℃）中温片（60～350℃）、高温片（350℃以上）按基底材料：胶基和纸基3、电阻应变片的种类及分类按敏感栅所用材料分类：金属电阻应变109金属电阻应变片半导体应变片丝绕式应变片短接线式应变片箔式应变片敏感栅材料用途基底材料纸基应变片胶基应变片金属基底应变片临时基底应变片敏感栅形状单轴应变花一般用途应变片特殊用途应变片应变片式传感元件分类方法类型主要特点横向效应大，K外值分散度大，价廉横向效应小，疲劳寿命底横向效应小，散热条件好，蠕变小，疲劳寿命长用于测量单向应变的应变片用于平面应力状态下测定主应变耐温，耐热及耐久性能差高温应变片类型之一，用焊接方式安装于构件上高温应变片类型之一以有机会胶膜作基底，耐热，耐湿，耐久性较纸基好指用于应变测量的各种常规应变片如半导体应变片、防水应变片、埋式应变片、双层应变片等如裂纹扩展片、疲劳寿命片、测温片、测压片等各种类型的应变片及其特点金属电阻应变片半导体应变片丝绕式应变片短接线式应变片箔式110

①金属丝式应变片:丝绕式（U型）、短接式（H型）Φ0.015-0.05mm金属丝制作，散热效果差，许用电流低。圆角线栅，横向效应大；直角线栅，制作复杂。①金属丝式应变片:丝绕式（U型）、短接式（H111

②箔式应变片:

制作材料：0.002-0.005mm厚的康铜或其它合金制作工艺：光刻技术和腐蚀工艺。优点：横向效应小，能较好地反应构件表面的变形，易于在弯曲表面上粘贴，散热好于丝式，蠕变小，疲劳寿命长，允许通过的电流大，测量灵敏度较高。用途：较多的用于传感器制作②箔式应变片:112③薄膜式应变片：800-1000℃

材料：厚度≤0.1μm的金属薄膜，工艺：真空电镀和沉积等工艺，将金属材料在绝缘基底上制成一定形状的薄膜而形成敏感栅。特点：耐高温性好，工作温度可达800-1000℃，用于高温等特殊条件③薄膜式应变片：800-1000℃113④半导体式应变片（压阻效应）:

材料：半导体材料，根据压阻效应制成。优点：灵敏系数高，K>100，频率响应好，可制作成小型和超小型应变片。缺点：温度系数大，热稳性能差；大应变时，非线形较大，多用于测量500以下的小应变。1、基底；2、硅条；3、内引线；4，焊接电极；5、引出线④半导体式应变片（压阻效应）:1、基底；2、硅条；3、内引线114几种电阻应变片

1，2，3，7，9.箔式电阻应变片4.半导体应变片

5.丝绕式电阻应变片6.短接式电阻应变片8.焊接电阻应变片几种电阻应变片

1，2，3，7，9.箔式电阻应变片4.半导1154、电阻应变片的技术性能电阻应变片的主要技术指标如下；⑴电阻值:R；⑵标距:指敏感栅在纵轴方向的有效长度L；⑶灵敏系数:K一般等于2.0，也可不等于2.0.⑷规格:以使用面积L*b表示⑸温度适用范围⑹其他性能指标：机械滞后、蠕变、疲劳寿命、零点漂移、横向灵敏系数、绝缘电阻等。根据电阻应变片的性能指标，电阻应变片被分为A、B、C、D等级。A级为最高级，常用于制作应变式传感器，结构试验中，可选用C级或B级应变片。其相应的性能指标见教材附录1。4、电阻应变片的技术性能116

2、应变片的电阻值应力片的电阻值，是应变片在没有粘贴，未受力时，在室温下所测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值最常用的有120，350，并有60，200，500，1000系列。

3、机械滞后量（Zf）在恒定温度下，对贴有应变片的试件进行加卸载试验，对各应力水平应变片加卸载时所指示的应变量的最大差值作为该批应变片的机械滞后量Zf。

4、零点漂移(P)和蠕变()

在温度恒定，被测试不受力的情况下，试件上应变片的指示应变随时间的变化称为零点漂移(简称零漂)。如果温度恒定，应变片承受有恒定的机械应变时时，指示应变随时间的化则称为蠕变。

1、应变片的尺寸顺着应变片轴向敏感栅两端转弯处内侧之间的距离称为栅长(或叫标距)，以表示。敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以S表示。称为应变片的使用面积。2、应变片的电阻值3、机械滞后量117

5、应变极限在室温条件下，对贴有应变片的试件加载，使试件的应变逐渐增大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变即为应变片的应变极限，用j表示。

6、绝缘电阻(Rm)

绝缘电阻Rm是指敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。

7、疲劳寿命(N)

疲劳寿命N是指贴有应变片的试件在恒定幅值的交变应力作用下，应变片连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数，通常可达106～107次。

8、最大工作电流最大工作电流是允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流，通常为几十毫安。5、应变极限6、绝缘电阻(Rm118应变片电阻值：指应变片在未安装、不受外力、室温条件下的电阻值。单片阻值：单个应变片的标定电阻值。标准名义阻值：人为规定的生产标准，为一定值，如120Ω、240Ω。一般应变仪是按120Ω应变片要求设计的。平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差。如120±0.5%或120±0.6Ω。应变片电阻值：指应变片在未安装、不受外力、室温条件下的电阻值119应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积S=L*b。

L-栅长标距

b-栅宽注意：尽量选用L大、b小的应变片。应变片的敏感栅工作面积：应变片敏感栅长宽之积S=L*b。120

5、应变片的选用与应变片粘结工艺【应变片选用】1、工作环境：温度保证、地下工程中防潮特性好

2、被测物材料性质:

弹模高,基长小;

粗晶粒岩石混凝土，选用基长长

3、按被测试件受力状态和应变性质：应变花变化大选用基长小，变化小选用基长

4、按测量精度：标距、电阻值、灵敏度5、应变片的选用与应变片粘结工艺121【应变片粘结工艺】①应变片检查：外观检查、电阻值检查;②表面处理：刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干;③贴片与固化：画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶;④粘贴质量检查：外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查;⑤连接导线：导线固定、导线焊接;⑥防潮处理：凡士林、石蜡等;【应变片粘结工艺】1226、电阻应变片的优点与缺点①在一定工作范围内，电阻变化率与应变成线性关系(严格说是非线性很小)；②灵敏度高,普通电阻应变片的最小读数为1-5με,半导体应变片的最小读数可达0.1με，灵敏度高；③一般电阻应变片测量范围达±20000με，特制的大应变量电阻应变片可测应变达200000με测量范围广；

【电阻应变片优点】6、电阻应变片的优点与缺点①在一定工作范围内，电阻变化率与应123④尺寸小、重量轻，把电阻应变片贴在结构表而后对试件的工作状态和应力分布影响极微；⑤频率响应好，普通应变片的频响时间约为10-7S，半导体应变片可达10-11S，从而可以不考虑应变传递时的相位差，能够适应数万赫兹的动应变测量；⑥测量自动化程度高，可远距离传送电信号；⑦对环境的适应性强，若对电阻应变片采取特殊措施，可用于高温、低温、水下压、强磁场和腐蚀等环境；④尺寸小、重量轻，把电阻应变片贴在结构表而后对试件的工作状态124电阻应变片在应用中的主要缺点是：①因为电阻应变片是选点布置的，故测量结果仅给出测点贴片方向的应变，难以得到应变和应力场的全貌；②通常电阻应变片只适于结构表面应力的测量，并且测量值只是电阻应变片基长内的平均应变值；③连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所造成；④另外应变片必须牢固地粘贴在试件表面，才能保证正确地传递试件的变形，粘贴工作技术性强，粘贴工艺复杂，工作量大；⑤电阻应变片不能重复使用。【电阻应变片缺点】电阻应变片在应用中的主要缺点是：【电阻应变片缺点】1253.2电阻应变仪测量应变

1、电阻应变仪介绍试验构件的应变值一般均很小，当材料处于弹性阶段时应变约为10-6—10-2，故应变片的电阻变化率很小,需用专门仪器进行测量,测量应变片的电阻变化率并能自动转化为应变的仪器称为电阻应变仪。

电阻应变仪按频率响应范围可分为:静态电阻应变仪;静动态电阻应变仪;动态电阻应变仪;超动态电阻应变仪;其中静态电阻应变仪和动态电阻应变仪应用较多。3.2电阻应变仪测量应变1、电阻应变仪介绍126静态电阻应变仪用电学方法测量不随时间变化或变化极为缓慢的静态应变。它由测量电桥、放大器、显示仪表和读数机构等组成。贴在被测构件上的电阻应变计接于测量电桥上。构件受载变形时，测量电桥有电压输出，经放大器放大后由显示仪表指示出相应的应变值。静态电阻应变仪每次只能测出一个点的应变。进行多点测量时可配以预调平衡箱。所有测点的应变计均预先接在平衡箱各点上，然后靠开关逐点转换接入应变仪。静态电阻应变仪用电学方法测量不随时间变127应变仪采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位计式，应用最多的是交流电桥式电路并带有载波放大器的形式。采用交流电桥电路的应变仪由电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器和电源部分组成。

应变仪采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位128①电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号,以便放大器放大。通常电桥由正弦振荡器供电,其频率为500赫～50千赫,较低频率的被测应变信号对较高的频率的电桥电压进行调幅，输出一个窄频带的调幅波信号。①电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号,以便放大器放129②放大器：对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功率去推动指示器和记录器。为提高放大器的稳定性，一般采用交流载波放大器，直流放大器仅用于超动态应变仪。

③相敏检波器：将放大后的调幅波还原为被测应变信号波形，同时反映被测应变信号的方向，通常采用环形相敏检波器。

②放大器：对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功130④滤波器：滤除相敏检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想的输出波形。⑤振荡器：产生一个稳定的振荡电压，作为电桥供电电压和相敏检波器的参考电压。电学应变仪灵敏度高、稳定性好。它所配用的应变计体积小，微型箔式应变计能测量工程上被看作一个“点”的小范围应变。

④滤波器：滤除相敏检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想131结构静载试验应变测试技术课件1322、电阻应变仪工作原理电阻应变仪的基本测量电路为惠斯登电桥,如下图所示。当满足或电桥平衡，Uout=0。2、电阻应变仪工作原理当满足或电桥平衡，Uout=0。133实验时通常将粘贴在构件上的四个相同规格的应变片作为桥臂上的四个电阻，如下图所示。当试件受力时，上述应变片感受到的应变分别为ε1，ε2，ε3和ε4，相应的电阻改变量分别为△R1，△R2，△R3和△R4，代入得电桥的输出电压力：应变仪的输出结果（应变读数）为：

这种接线法称为全桥接线法

实验时通常将粘贴在构件上的四个相同规格的应变片作为桥臂上的四134这个关系可用“邻臂相减，对臂相加”概括。这叫做电桥的加减特性。有时只在电桥的AB和BC端接应变片，而在AD和DC端接应变仪内部的两个阻值相等的标准电阻，见下图。因R内不受构件变形的影响，则

这种接线法称为半桥接线法

这个关系可用“邻臂相减，对臂相加”概括。这叫做电桥的加减特135相邻桥臂:应变极性一致时，输出电压为两者之差；若极性不一致时，输出电压为两者之和。相对桥臂:则与上述规律相反.此特性称为电桥的加减特性(或和差特性).利用该特性:可提高电桥的灵敏度;对温度影响予以补偿.它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。用电桥测量电阻变化有偏位法和零位法两种测量方法。

偏位法时，是在表的刻度盘上刻出R，或直接刻出应变值(根据R/R=k)，由指针偏转直接指示应变值，或者送到记录器直接记录。

相邻桥臂:应变极性一致时，输出电压为两者之差；136

零位测量法如右图所示，电桥原始平衡后，如R1变成R1+R，则电桥失去平衡，电表指针偏转，此时人为调节可变电阻r，改变D点电位，使之与B点电位相同，电桥重新平衡，电表又重新指零，这时可在可变电阻器刻度盘上直接读出应变值，便可测出R1变化R时所对应的应变值。零位测量法与电源电压无关，电源电压变化不影响测量结果，故测量精度较高，但测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静态测试。偏位法输出受电源电压的影响，用于动态测试。零位测量法如右图所示，电桥原始平衡后，如R1变成R1373、布片和接桥方法

应变片在应变仪的测量电桥中有各种接法。在实际测量中，常利用电桥基本特性并采用不同的接线方法，来达到以下目的：a、实现温度补偿；b、从复杂的变形中测出所需要的应变分量；c、扩大应变仪的读数，以减少误差，提高测量灵敏度。3、布片和接桥方法应变片在应变仪的测量电桥中1381）全桥接线法测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变片，称为全桥接线法（或全桥线路）。对于等臂电桥，此时应变仪的读数应变由公式即可得出：

εd=ε1-ε2+ε3-ε4

实际测量时，可有以下两种情况：a、全桥测量：电桥的四个桥臂上都接工作应变片。b、相对两臂测量：电桥相对两臂接工作应变片，另相对两臂接温度补偿应变片。1）全桥接线法1392）半桥接线法若在测量电桥的桥臂AB和BC上接电阻应变片，而另外两臂AD和CD接电阻应变仪的内部固定电阻R，则称为半桥接线法。由于桥臂AD和CD接固定电阻，不感受应变，因此对于等臂电桥，按公式可得到应变仪的读数为：εd=ε1-ε2

实际测量时，可有以下两种情况：a、半桥双臂测量：电桥的两桥臂AB和BC上均接工作应变片。b、半桥单臂测量：电桥的两桥臂AB和BC上，任意桥臂接工作应变片，而另一桥臂接温度补偿应变片。2）半桥接线法140（1）粘贴在被测构件测点上的应变片，如果周围环境变化时，应变片栅丝的电阻应变值也将随着温度改变而变化；（2）同时，又因为栅丝材料和被测构件材料的膨胀系数不同，应变片被迫拉长或缩短，使栅丝电阻值也发生变化，（3）这种由于温度改变引起的虚假应变，并不是由于载荷作用而引起的，如果只想测定构件承受在载荷作用下的变形，就应该设法消除它。（4）消除的办法就是温度补偿。4、温度补偿方法（1）粘贴在被测构件测点上的应变片，如果周围环境变化时，应变141在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。这种方法简单、经济、补偿效果好。这是利用电桥特性来进行温度补偿的。桥路补偿法可以分为以下两种：1）补偿块补偿法2）工作片补偿法在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。这种方法简单1421）补偿块补偿法其材料应与被测构件相同，但不受外力，并将它置与构件被测点附近，使补偿片与工作片处于同一温度场中。1）补偿块补偿法1432）工作片补偿法这种方法不需要补偿块和补偿片，而是在同一被测试件上粘贴几个工作应变片，将它们接入电桥中。当试件受力且测点环境温度变化时，每个应变片的应变中都包含外力和温度变化引起的应变，根据电桥基本特性，在应变仪的读数应变中即可消除温度变化所引起的虚假应变，而得到所需测量的应变。因此工作应变片既参加工作，又起到了温度补偿的作用。2）工作片补偿法144（1）同一桥路具有相同的温度效应，即（2）外补桥路补偿片的荷载效应为零，即（1）同一桥路具有相同的温度效应，即1454、应变应力的测量

根据被测对象的应力状态，选择测点和布置应变片和合理接桥是实测时应首先解决的问题。布片和接桥的一般原则为：（1）首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应变最大、最能反映其力学规律的点贴片；（2）利用结构的对称性布点，利用应变电桥的加减特性，合理选择贴片位置、方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、提高灵敏度、降低非线性误差和消除其它影响因素的目的。（3）当测量荷载时，应尽量避开应力－应变的非线性区贴片；（4）在应力已知的部位安排测点，以使测量时进行监视和检查试验结果的可靠性。

4、应变应力的测量根据被测对象的应力状态，选146结构静载试验应变测试技术课件147结构静载试验应变测试技术课件148结构静载试验应变测试技术课件149结构静载试验应变测试技术课件150结构静载试验应变测试技术课件151结构静载试验应变测试技术课件152图4.5半桥外补一片多补工作原理桥路示意图5、一片多补技术的工作原理图4.5半桥外补一片多补工作原理桥路示意图5、一片多补153半桥桥路全桥桥路6.应变仪半桥与全桥切换技术的工作原理半桥桥路154注意：长导线电阻对应变测量的影响当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低１%以上，要按下式进行修正。注意：长导线电阻对应变测量的影响当导线长度大于10m时155结构静载试验应变测试技术课件156§2.6静态应变测量利用应变片测出的是构件上某一点处沿某一方向的线应变，必须经过应变—应力换算才能得到主应力。不同的应力状态有不同的关系式。一、应变—应力换算关系（一）已知主应力方向的单向应力状态构件在外力作用下，若被测点位单向应力状态，则主应力方向已知，只有主应力值是一个未知量。此时可沿主应力的方向贴一个应变片，测得应变后，由单向应力胡克定律：E：被测构件材料的弹性模量。§2.6静态应变测量利用应变片测出的是构件上某一点处沿157（二）已知主应力方向的二向应力状态以受内压作用的薄壁容器为例，如果测点的应力状态是已知主应力方向的二向应力状态，有主应力值两个未知量，此时可沿主应力方向各贴一个应变片，与补偿片组成两个单臂半桥，分别测出两个主应变和，再由广义胡克定律求得主应力：