铁路工程试验检测之电测法及其应用

应变测量的意义及方法

了解构件内部应力分布情况，特别是结构危险截面的应力分布及最大应力值。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。直接测定应力比较困难，目前还没有较好的方法，一般方法是先测定应变ε，而后通过应力应变的关系间接测定应力或由已知的关系曲线查得应力。一般是用应变计测出试件在一定长度范围内的长度变化，再计算出应变值。测出的应变值实际上是标距L内的平均应变，因此注意的选择，特别是对结构应力梯度较大或应力集中的测点，应尽量小。应变测量的方法主要有：01应变机测法02应变电测法03应变光测法应变机测法01手持应变仪：接触式千分表应变仪02单杠杆应变仪：杠焊式应变仪03双杠杆引伸仪机测法的原理是利用机械式仪表，测量结构上两点之间的相对线位移，然后再根据转换为应变值。实际上，利用位移传感器测量两点之间的位移，均可将其转换为应变。与电测法相比，机测法具有试验操作简单、数据可靠、不受电磁干扰等优点。但也存在下列不足，从而限制了机测法的应用：01不能实现温度补偿；02不能自动记录，容易发生错误；03不适合大规模的试验，测点较多时，测点布置困难，劳动强度大；04不适合应变变化较大区域的应变测量。应变电测法在量测过程中，常某些物理量发生的变化，先变换为电量的变化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法或非电量的电测技术。应变电测法的概念例如电阻应变片测量电路指示器或记录仪放大电路应变电测法的优点01灵敏度和准确度高，测量范围大ε=10-6~10-2ε;02对环境适应性好，可在高温、高压及水中进行;03适用性好。它可以测量多种物理参数，例如测量静态应变、动态应变、还可通过各种传感器来测量位移、速度、加速度、振幅以及压力等力学参数;应变电测法的优点04变换元件体积小、质量轻，可安装在形状复杂而空间甚小的区段内，且不影响欲测结构的静态及动态特性;05采用应变电测法可以进行远距离测量，有助于实现测量的自动化，因此在试验应力分析、断裂力学及宇航工程等都有广泛用途。应变电测法的缺点01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；02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，这种粘贴工作技术性强，粘贴工艺复杂，工作量大；03电阻应变片不能重复使用；04易受电磁干扰。应变片的工作原理

电阻应变片工作原理电阻应变片的工作原理是基于电阻丝具有应变效应，即电阻丝的电阻值随其变形而发生改变。当电阻丝受机械变形而伸长或缩短时，相应的电阻变化为：则有其中，根据定义因为电阻丝纵向伸长时，横向缩短故：故：其中称为电阻丝的灵敏系数，它是由电阻丝的材料系数和泊松比确定的。温度补偿的意义

温度效应的概念用电阻应变片测量应变时，应变片除了能感受试件疑难应变外，由于环境温度变化的影响，同样也能通过应变片的感受而引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。产生温度效应的原因温度变化从两个方面使应变片的电阻值发生变化。第一是电阻丝温度改变Δt℃时，其电阻将会随之改变ΔRt，即：式中：α丝——电阻丝的电阻温度系数（1/℃）；第二是因为材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，但二者又粘在一起，当温度改变Δt℃时，引起附加电阻的变化，即：总的温度应变效应为两者之和。这种温度效应所产生的应变称为“视应变”。根据桥路原理有：应变片的电阻丝为镍铬合金时，温度变化1℃，应变计将产生约70με的热输出，相当于钢材应力约为14.7MPa的示值，这个量不能忽视，必须加以消除。而消除温度效应的方法称为温度补偿。温度补偿的方法温度补偿的方法有两种应变片自补偿法和桥路补偿法。四分之一桥中常用的桥路补偿法中的温度片补偿方法。温度片补偿法在测量时，选一块与被测材料相同的材料作为温度补偿块，在它上面粘贴于工作应变片同一类型、同一阻值、同一灵敏系数的应变片，并使它处于与工作片相同的温度梯度条件下，但不使其受力，然后将其接在与工作片相邻的桥臂上，即可达到温度补偿的目的。如图：温度片补偿

R1为工作片粘贴在试件上，R2为温度补偿片粘贴在补偿块上，R3、R4为精密无感电阻，R1电阻变化，R2电阻变化为。由此可见，测量结果仅为测试对象受力后产生的应变值，温度变化对电桥输出没有影响，达到了温度补偿的目的。惠斯通电桥原理

由电阻应变片的工作原理可知：当K=2.0，被测量的机械应变为10-6ε=1με时，ΔR/R=Kε，ΔR=K·ε·R=2×10-6×120=0.00024Ω=0.24mΩ，目前还没有如此高分辨率和精度的电阻测量仪器，直接测电阻是不行的，只有通过其他方式才能测量。一般采用两种量测电路。一种是电位计式电路，一种是桥式电路，常用惠斯通电桥。在电阻应变仪中，主要是通过惠斯登电桥原理来量测应变所引起的电阻变化的微小信号。该电桥以R1、R2、R3、R4作为四个桥臂，如图所示：桥路中R1与R2，R3与R4分别串联，两组并联于AC两端，在AC端接有电源，另一对角BD上接有电流计G。一般应变电桥有两种方案，一种是等臂电桥，即R1=R2=R3=R4；另一种为半等臂电桥，即R1=R2=R′,R3=R4=R″。若将R1、R2、R3、R4看成四个应变片，组成全桥接法，根据基尔霍夫定律可知：BD间输出电压为UBD=UBC-UDC,即：由惠斯登电桥原理可知，当电桥平衡（即ΔUBD=0）时，满足以下条件：即：，或即R1受到应变后，阻值有微小增量ΔR1，这时电桥输出电压也有增量ΔUBD即R1受到应变后，阻值有微小增量ΔR1，这时电桥输出电压也有增量ΔUBD两线、三线制四分之一桥

两线制四分之一桥两线制四分之一桥01二线制的优点接线简单，只适用一般功率小的一次传感器，如：压变、差压变、温变、电容式液位计、射频导纳、电磁流量计、涡街流量计等。02二线制的缺点1.传感器本身用电由二线制中得到，是必影响其带载能力；2.仪表通常采用24VDC标准供电电压，所以供电功率有一定限制；3.当导线过长时，导线电阻产生干扰。三线制四分之一桥半桥式接线法半桥拉伸、压缩应变测量半桥拉伸、压缩应变测量全桥式接线法全桥拉伸、压缩应变测量全桥拉伸、压缩应变测量半桥弯曲应变测量将应变片R1、R2分别接入相邻桥臂时，即可以测得，由材料力学知识可得：

E、G——试件材料的弹性模量和剪切弹性模量。A、W——分别为试件的截面积和抗弯弹性模量。半桥剪切应变测量将