结构静载试验-第3节应变测试技术

1、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,三、应变测试技术,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=E的关系间接测定应力，或由已知的-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,1、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L,由应变的定义式= L/L 求得 ，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L。 2、常用方法： 应变量测方法很多，主要有电测法

2、、机测法和光测法等。,怎样进行结构应变测试,（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,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。,（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。,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

3、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。,3.1 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,待测非电量电阻变化R应变值 感受应变： R 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,：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）,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

4、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。,等强度梁静态应变测试 采用等强度钢梁，钢梁的=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120变为120.12，求得应变片的实际灵敏度K。, R/R: R/R=（120.12-120）/120=0.001 :=E=Mh/2I f=ML2/3EI =3hf/2L2 =0.0005 K: K=R/R/=2.0,2、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,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

5、制成，在制造应变片时与电阻丝焊接在一起,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（-3060） 中温片（60350）、高温片（350以上） 按基底材料：胶基和纸基,用 途,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, 金属丝式应变片:丝绕式（U型）、短接式（H型） 0.015-0.05mm 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。, 箔式应变片: 制作材料： 0.0

6、02-0.005mm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, 薄膜式应变片：800-1000 材料： 厚度0.1m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,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，K100，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,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,4、 电阻应变片的技术性能 电阻应变片的主要技术指标如下； 电阻值:R； 标距:指敏感栅在纵轴方向的有效长度L； 灵

7、敏系数:K一般等于2.0，也可不等于2.0. 规格:以使用面积L*b表示 温度适用范围 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。,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

8、。 称为应变片的使用面积。,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106107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。,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120、240。一般应变仪是按120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1200.6。,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。,5、应变片的选用与应变片粘结工艺 【 应变片选用】 1

9、、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,【应变片粘结工艺】 应变片检查：外观检查、电阻值检查; 表面处理：刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干; 贴片与固化：画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶; 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; 连接导线：导线固定、导线焊接; 防潮处理：凡士林、石蜡等;,6、电阻应变片的优点与缺点,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)； 灵敏度高,普通电阻应变片的最小读数为1-5,半导体应变片的最小读数可达0.1，灵敏度高； 一般电阻应变片测量范围达20000，特制的大应变量电阻应变片可测应变达200000 测量范围广；,【 电阻应变片优点】,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； 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； 测量自动化程度高，可远距离传送电信号； 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；,电阻应变片在应用中的主要缺点是： 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； 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； 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； 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； 电阻应变片不能重复使用。,【电阻应变片缺点】,3.2 电阻应变仪测量应变,1、电阻应变仪介绍

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