应变电测原理

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1、*第12章应变电测原理教学提示：电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法，简称电测法。电测法的基本原理是：将电阻应变片(简称应变片)粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，应变片随着构件一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，通过电阻应变测量仪器(简称电阻应变仪)，可测量出应变片中电阻值的变化，并换算成应变值，或输出与应变成正比的模拟电信号(电压或电流)，用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力值。其工作过程如下所示：应变—电阻变化—电压(或电流)变化—放大—记录—数据处理。电测法具有灵敏度高的特点，应

2、变片重量轻、体积小且可在高(低)温、高压等特殊环境下使用，测量过程中的输出量为电信号，便于实现自动化和数字化，并能进行远距离测量及无线遥测。教学要求：了解应变电测原理，测量中半桥、全桥的特点。对于单向应力状态(即拉压、拉弯组合)的应变测量，能熟练组成布片方案和接线方案。了解二向应力状态应变测量的计算。12.1概述对于一些典型的受力构件，人们已进行了大量的研究，并建立了相应的理论公式。但是，实际构件的形状和受力情况往往是复杂的，由力学简图计算所得的应力有时与实际应力相差较大。在有些情况下，甚至按现有的理论尚很难进行计算。解决这些问题的一个重要途径，就是进

3、行实验。通过实验对构件或其模型进行应力、应变分析的方法称为实验应力分析。实验应力分析不仅成为解决工程实际问题的有效手段，也为验证和发展理论提供了重要依据。实验应力分析的方法很多，目前在国内用得最多的是应变电测法。它是用电阻应变仪测量布置在测点处的电阻应变片中的电阻变化，以确定测点处的应变，然后运用应力、应变分析的知识，确定构件的应力情况。下面将介绍这种方法的基本原理和应用。12.2电测法的基本原理电测法是采用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，然后将此微小的变化经过备有放大系统和读数系统的应变指示器(通常称为电阻应变仪)测出。12.2.1电阻应变片电阻应

4、变片(简称为应变片或电阻片)有多种形式，常温下用的应变片有丝绕式和箔式·176·工程力学(下册)两种。丝绕式应变片是由直径为0.02～0.05mm的镍铬或镍铜(康铜)合金丝绕成栅形，牢固地粘贴在两层绝缘的薄纸或塑料薄膜(统称基底)中。两端用直径为0.1～0.2mm的铜线引出，其构造如图12.1(a)所示。箔式应变片一般用厚度为0.003～0.01mm的镍铜或镍铬等箔材经腐蚀等工序制成电阻箔栅，然后粘固于塑料基底上制成，如图12.1(b)所示。图中L为应变片的标距，视不同需要而做成不同长度。若在应力变化很剧烈的部位应用，则标距越小越好；相反的，在某些应力

5、变化不大的材质不均匀(如混凝土构件)的构件上，则宜用标距较长的应变片。除常温用的应变片外，还有高(低)温时用的高(低)温应变片。(a)(b)图12.1测量应变时，先用特种胶水将应变片粘贴在构件的欲测部位上。当该处沿应变片的纵向发生正应变ε时，应变片也随之变形，电阻栅的电阻R相应发生变化。实验表明，在一定范围内，电阻栅的电阻变化率ΔR/R与正应变ε成正比，即ΔR=⋅Kε(12-1)R式中，ε为应变片纵轴向的应变值；R是电阻栅的初始电阻值；ΔR是电阻栅电阻值的改变量；K是比例常数，称为灵敏因数，其值与电阻栅的材料和构造有关，灵敏因数越大，表示它对变形的敏感

6、性越高。R和K的值均由制造厂家标明。ΔR由式(12-1)可知，只要测得电阻的变化率，即可确定构件的应变。R在工程实际中，物体的变形往往很小，所以电阻变化率也很小，而在测量精度上要求又高，且希望读数误差要小，故需要专门的仪器进行测量，这就是前面所提及的电阻应变仪。还应指出，用应变片不能直接测量切应变。12.2.2电阻应变仪及测量原理应变仪测量所采用的基本电路是单臂电桥(惠斯登电桥)电路(见图12.2)。如图12.2所示，电桥四个桥臂的电阻分别为R1、R2、R3和R4，在A、C端接电源，B、D为输出端。设A、C间的电压为U，则流经电阻R1的电流为UI=1R

7、R+12·176·第12章应变电测原理·177·图12.2R1两端的电压降为R1UI==RUAB11RR+12同理，R4两端的电压降为R4UU=ADRR+34所以，B、D端的输出电压为RRRR−RR141324Δ=−UUU=U−U或Δ=UU(12-2)ABADRR++RR()RRRR++()12241234当输出电压ΔU=0时，即电桥平衡。于是由式(12-2)得电桥平衡条件为RR=RR(12-3)1324电桥平衡后，电阻的微小变化将使输出电压发生相应的变化。把R1+ΔR1、R2+ΔR2等代入式(12-2)则电桥的输出电压为()RRRRRRRR+Δ(

8、)+Δ−()+Δ()+Δ11332244Δ=UU()RRRRRRRR+Δ++Δ()+Δ++Δ1