土木工程材料原理与方法3-电测法

2023/2/11土木工程材料原理与方法(设计)东南大学材料学院庞超明Email:pangchao@办公电话：52090638手机容回顾试验条件的影响试验机变形仪（简介）电测法简介电阻应变片2023/2/1试验条件的影响温度：部分材料影响不大，常温15～25℃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。2023/2/1材料试验机三个系统：加荷载系统、测力系统与试件装置系统的构造原理。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。二、试验机的检定精度等级有0.5,1,2,3四个。相应示值误差为±0.5%、±1%、±2%、±3%2023/2/1变形测量仪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式引伸仪2023/2/1电测法简介电阻应变测试：凭借粘贴在试件上的应变片将力学量等转化成电阻，并利用专门仪器转变为电压、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。优点：

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，不能进行全范围的测量。只能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；2023/2/1仪器组成2023/2/1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电阻应变片原理：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；灵敏系数大K；机械滞后；温度效应2023/2/1温度效应——遗留问题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：①电阻丝的阻值变化α丝电阻丝材料的电阻温度系数②敏感栅和被测试体材料的膨胀系数不同产生的附加应变。

ε附=β试Δt－β丝Δt2023/2/1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。

2023/2/1例Δt＝1℃，K=2.2，α丝＝120×10-6，β丝＝14×10-6，β砼＝10×10-6，则εt＝εt1＋εt2＝120×10-6/2.2＋（10-14）×10-6＝50.5×10-6ε对混凝土而言，弹性模量最小为3.5×104MPa，则σ＝Eε＝3.5×104×50.5×10-6＝1.77MPa。2023/2/1主要内容电测法电阻应变仪简介测量桥路：全桥和半桥温度补偿测量电桥的应用2023/2/1电阻应变仪电阻应变仪：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合电桥对信号作放大处理。电阻应变仪的种类：静态：可进行多点静态应变测量。静动态：测量静态或f<200Hz单点动态应变测量。动态：f在5000Hz以下的动态应变，可同时测量数个动态应变信号。超动态：用于测量工作频率达几千赫的动态应变，多在爆炸、高速冲击等瞬时应变测量中应用。2023/2/1静态应变仪2023/2/1静态应变仪指示电表振荡器交流放大器相敏检波器电桥测量试件变形时应变片产生的阻值变化，并以电压信号输出输出一个和测量电桥的输出电压信号大小相等、相位相反的电压信号。为电桥和相敏检波器提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。滤波器动态测量中滤掉高频成分，波形平滑。相敏检波器作用：分辨应变大小和正负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；检波就是将调幅波还原为放大了的信号电压；2023/2/1测量桥路—直流惠司登电桥电阻R1、R2、R3和R4组成闭合回路ABCD，AC间供给电压U，BD为电压输出端。对ABC回路对ABC回路∴当R1R4=R2R3UBD＝0电桥平衡。2023/2/1ACDBUR1R3R4R2UBD半桥接线R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻，且R3＝R4＝R，其中R1为受力片，R2为温度补偿片，当试件受力变形时，R1变化ΔR1，则当电阻R1=R2=R3=R4=R时，由于ΔR1＜＜4R，所以分母中可忽略ΔR1，则又，所以2023/2/1全桥接线R1、R2、R3、R4均为应变片，试件受力时，R1、R2、R3、R4阻值分别变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，则当R1=R2=R3=R4=R时，分母中忽略ΔR的乘积

ΔR1＋ΔR2＜＜2R，ΔR3＋ΔR4＜＜2R，分母略去ΔR及其乘积，得∴2023/2/1结论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，稳定性难以保证，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。2023/2/1三、电桥的温度变化温度补偿：为消除由于温度变化为而带来的虚假应变而采取的措施。两种方法应变片自补偿，指在制造工艺上，使K、α丝、β丝、β试几个系数还可搭配，使之在一定温度范围内ΔRt＝0。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桥接方法来消除温度的影响2023/2/1补偿片补偿法2023/2/1ACDBUR1R3R4R2UBD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由受力引起变化ΔR1和温度变化ΔRt

即为R1+ΔR1+ΔR1t而补偿片R2变化为R2＋ΔR2t,

因为R1=R2，ΔR1t＝ΔR2t＝ΔRt工作片补偿法2023/2/1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。工作片补偿法为纵横贴，横向/纵向应变=μ，即ε2/ε1=-μ即在测完以后读后除以1+μ，即为

直接测得应变ε1

2023/2/1测量电桥的应用测试材料的弹性模量和泊松比拉伸：两侧面粘贴工作片R1和R4，在补偿试件上粘贴补偿片R2和R3，全桥接线，若以εP，εM分别代表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ε1，ε2,ε3,ε4,则ε1＝εP－εM＋εt；ε2＝ε3＝εt；ε4＝εP＋εM＋εt2023/2/1R1R4FF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x方向粘贴工作片R1和R4，另外在补偿试件上粘贴补偿片R2和R3，全桥接线，则ε1＝－μ（εP－εM）＋εt；ε2＝ε3＝εtε4＝－μ（εP＋εM）＋εt所以应变仪读数则材料的拉伸泊松比2023/2/1砂浆或混凝土

抗压弹性模量的测试测试轴心抗压荷载P0，并评定调平三次以规定加荷速度均匀加压至0.4PC（混凝土为1/3PC），使试体两测变形相近。3.在0.3MPa(混凝土为0.5MPa)时读应变值ε0(ε01ε02)(取左右两面平均值)，加荷至0.4P0，读应变εP(εP1εP2)

，再卸荷到0.5MPa,再f反复三到四次，直至最后，前后两次ε0、εP相差不超过20με4.计算，取最后一次读数ε0，εP（10-6ε）5.测定三个试体的弹模,最后取三次试验的平均值.

2023/2/1变形测试方法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：所使用测量固定架的的标距有100mm，150mm，测量精度一般为0.01mm或者0.001mm。使用电脑自动采集系统仍然需要依靠应变片、光纤等2023/2/1数据自动采集系统TDS-303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同时测量最多30个，如与外部扫描箱配合，测量点数甚至可增加至1000个2023/2/1系统模块2023/2/1内部扫描箱2023/2/12023/2/11应变计2线法(1/4桥)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。如导线太细太长，电阻增大，初始不易平衡、电阻变化和温度变化产生的应变量大。B、C短接2023/2/11应变计3线法(1/4桥)可补偿2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温度补偿2023/2/12应变计法(1/2桥)2023/2/12应变计公用补偿法(1/2桥)2023/2/14应变计法2023/2/1作业比较2应变计法与4应变计法由于导线电阻引起的灵敏度降低比例2023/2/1误差理论真值：某一时刻、某一位置或某一状态下被测物理量的真正大小。误差限ε：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，而决定于ε，ε越小，则数据越精确。例：最小刻度为1mm的直尺测量一长度为x*的物体，所以x*－x的误差限为0.5mm，如果我们测得一物体的长度为x＝50mm，则该物体的真实值x*应该在50±0.5mm范围之内。2023/2/1有效数字如果近似值x的误差限是其某一位上的半个单位，即<0.5×10－n，且该位直到x的第一位非零数字一共有n位，则称近似值x具有n位有效数字。x用科学计数法表示x＝±(a1*10-1+…an*10-n)*10m则如：π=3.141592654……的近似值取x＝3.14有三位有效数字，取x＝3.1416有5位有效数字，取x＝3.1415则为4为有效数字。2023/2/1数字修约对近似数，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：1.

若舍去部分的数值，大于保留部分的末位的半个单位，即0.5，则末位加1；2.若舍去部分的数值，小于保留部分的末位的半个单位，即0.5，则末位不变；3.若舍去部分的数值，等于保留部分的末位的半个单位，即0.5，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1。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。在大量运算时，其舍入误差的均值趋于零。2023/2/1例修约规则的简单概括：