应变片原理，小变形测量 http://zy.swust.net.cn/01/1/jzjg0/2/2.3/2.3.htm

从测量技术的历史发展过程和实际使用情况看，数据的量测与采集方法有

（1）用最简单的工具进行人工测量、人工记录。

（2）用仪器进行测量、人工记录

（3）用仪器进行测量、记录

（4）用自动化数据采集系统进行测量、记录、处理。

 

  用于数据采集的仪器设备种类繁多，按它们的功能和使用情况可以分为：传感器、放大器、显示器、记录器、分析仪器、数据采集器，或一个完整的数据采集系统等。

3.2应变量测

  应变的量测，通常是在预定的标准长度范围（称标距）内，量测长度变化增量的平均值  ，由  求得  ，这就是应变量测的基本原理。 应变量测方法主要有电测与机测两类。电测法以电阻应变仪量测为主。

  电阻应变仪量测应变是通过粘贴在试件测点的感受元件—电阻应变计与试件同步变形，输出电信号进行量测和处理的。

3.2.1电阻应变计

1电阻应变片的原理与构造

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。

  由     可见，应变片的电阻变化率与应变值成线性关系。

  不同用途的电阻应变片，其构造不同，但都有敏感栅，基底、覆盖层和引出线，其结构如下图

2.电阻应变片的分类及技术指标

  应变计的种类很多，按栅极分为丝式、箔式、半导体等；按基底材料分为纸基、胶基等；按使用极限温度分有低温、常温、高温等。下图为几种应变片的形式。

下图为几种丝式应变花示意图。

  应变片的主要技术性能由以下指标给出：标距，规格，电阻值，灵敏系数，温度适用范围。

3.2.2电阻应变仪的测量电路

1.电桥基本原理

  应变仪的测量电路，一般采用惠斯登电桥，见下图。

  利用桥路的不平衡输出进行 测量的电桥称为不平衡电桥，其测量方法称为偏位测定法。偏位测定法适用于动态应变测量。

2.平衡电桥原理

  现在的电阻应变仪都改用平衡电桥，即采用零位法进行测量，平衡电桥见下图。

 

检流计仅用来判别电桥 平衡与否，故可避免偏位 法测量的缺点。此法称零 位测定法，零位测定法一般用于静态电阻应变测量

3.温度补偿技术

  温度使应变片的电阻值发生变化的原因有二：一是电阻丝温度改变时，电阻将随之改变；二是试件材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，但两者又粘合在一起，这样试件温度改变时，应变片中产生了温度应变，引起一个附加电阻变化。

 

  温度补偿的方法是在电桥的BC臂上接一个与测量片R1同样阻值的应变片R2，R2为温度补偿应变片，如下页图。

某些被测结构或构件存在着应变 符号相反，比例关系已知，温度条 件又相同的二个或四个测点，可以 将这些应变计按符号的不同，分别 接在相应的邻臂上，这样在等臂的 条件下，即都是工作应变计，又互 为温度补偿，如下图所示。

4.多点测量线路

  进行实际测量时,一个测点显然是不可取的,因而要求应变仪具有多个测量桥,这样就可以进行多测点的测量工作。下图是实现多点测量的两种线路。

  电阻应变仪预调平衡的原理如下图。

3.2.3实用电路与电阻片的粘贴技术

1.实用电路及其应用

(1)全桥电路

全桥电路就是在测量桥的四个臂上全部接入工作应变片,见下图所示。

（2）半桥电路

  半路电桥由两个工作片和两个固定电阻组成，工作片接在AB和BC臂上，另半个桥上的固定电阻设在应变仪内部。

（3）1/4桥电路

  1/4桥电路常用于测量应力场里的单个应变。

2.电阻应变片粘贴技术

  应变片是应变电测技术中的感受元件，粘贴的好坏对测量质量影响很大，技术要求十分严格。

  应变电测法具有感受元件重量轻，体积小；量测系统信号传递迅速、灵敏度高；可遥测，便于与计算机联用及实现自动化等优点。其主要缺点是连续长时间测量会出现漂移，粘贴技术比较复杂，工作量大；电阻片不能重复使用，消耗量也较大。

3.2.4应变的其他量测方法与仪表

1.机测法

主要优势在于操作简单、可重复使用，但精度一般稍差。手持应变仪如下图。

2.光测法=====大变形测量，单目，双目，立体摄影，，，，

较多用于节点或构件的局部应力分析。

3.3位移与变形量测

3.3.1结构线性位移量测

  结构的位移主要是指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等参数。在结构试验中，广泛采用的有接触式位移计和差动变压器式位移计等数种。

1.接触式位移计

  接触式位移计为机械式仪表，其主要构造如下图，主要由测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件组成。

2.应变梁式位移传感器

  应变梁式位移传感器的主要 部件是一块弹性好、强度高的 铍青铜制成的悬臂弹性簧片， 簧片固定在仪器外壳上。如 右图所示。

3.滑线电阻式位移传感器

  滑线电阻式位移传感器由测杆、滑线电阻和触头等组成，构造与测量原理如右图。

  由相邻两臂电阻增量相减的输出特性得知：

4.差动变压器式位移计

  构造原理如右图。

  适用于整体结构的 侧移测量。

5.位移测量的其他方法

   用水平仪进行测量， 可做多点位移且对大位移 测量方便安全。见右图a。

  还可以采用精度为1mm的方格纸作标尺来测定， 见右图b。

3.3.2结构转动变形测量

（1）杠杆式测角器

    构造见下图，转角

（2）水准式倾角仪

    构造见下图，转角

（3）电子倾角仪

  电子倾角仪通过电阻变化来测定结构某部位的转动角度。仪器的构造原理如下图，并可以用电桥原理测量和换算倾角， 。

2.曲率测定

  构件变形后曲率的测定，可以利用位移计先测出构件表面某一点及与邻近两点之挠度差，然后计算测区内构件的曲率。

  测量曲率的装置如下图。

  当时， 则：

3.剪切变形测量

  当用右图的测量方法时，剪切变形按下式计算。

当用右图的测量方法时，剪切变形按 下式计算。

4.扭角测量

下图是利用位移计量测扭角的装置，用它可近似测定空间壳体受到扭转后单位长度的相对扭角。

3.4力的量测

  结构静载试验需要测定的力，主要是荷载与支座反力，其次有预应力施力过程中钢丝或钢绳的张力。

  量测力的仪器也可分为机械式与电测两种。由于电测仪器具有体积小、反应快、适应性强及便于自动化等优势，目前使用比较普遍。

1.荷载和反力测定

  荷载传感器可以量测荷载、反力以及 其他各种反力。根据荷载性质不同,荷 载传感器的形式有拉伸型，压缩型和通 用型三种。各种荷载传感器的外形基本 相同，其核心部件是一个厚壁筒。

2.拉力和压力测定

  测力计的基本原理是利用钢制弹簧、环箍或簧片在受力后产生后产生弹性变形，将其变形通过机械放大后，用指针度盘来表示或借助位移计来反映力的数值。

  在结构试验中，用于测量张拉钢丝或钢丝绳拉力的环箍式拉力计如下图。

3.结构内部应力测定

    埋入式应力栓                埋入式差动电阻应变计

              振动丝式应变计

3.5裂缝，应变场应变及温度测定

3.5.1裂缝检测

  目前，最常用于发现裂缝的最简便的方法是借助于放大镜用肉眼观察。

  裂缝宽度的测量常用于读数显微镜，它是由光学透镜与游标刻度等组成的 复合仪器，如右图。

  除以上方法外，对某些材料和试件的裂纹扩展情况及扩展速率，可采用裂纹扩展片等以下方法进行测量。

1）裂纹扩展片

2）脆漆涂层

3）声发射技术

4）光弹贴片

3.5.2应变场应变量测

1.应变场内任意点的应变

下图为一个带圆孔的拉伸试件。利用重叠贴片法，实际上是应用了牛顿插值公式的外推原理，如下图。

　

2.应变场的应变分布

  欲测量高应变梯度区域的应变分布规律，可以粘贴数组应变片，如下图。

3.内部温度测量

通常使用热电偶或热敏电阻，热电偶的基本原理如下图。