《实验应力分析》电测法教学省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,实,验,应 力 分 析,年,10,月,第1页,绪 论,伴随科学技术发展，需对,复杂载荷,作用下,复杂结构,进行,应力、应变,分析，以处理工程强度问题。有两种不一样分析方法,:,理论分析法：,建立力学模型，并进行,(,近似,),数值计算，如有限单元法。,试验分析法：,利用模型或实体进行试验研究。,这两种方法是处理工程强度问题两种不一样路径，二者相辅相成、相互促进。,第2页,绪 论,试验应力分析,试验应力分析任务,试验应力分析特点,试验应力分析不足,试验应力分析方法,第3页,试验应力分析：,所谓实验应力分析（或者叫试验力学）是指用各种不一样试验方法和伎俩测定受力构件应力、应变一门学科。,实验应力分析任务：,1,、在设计过程中，测定模型中应力和变形，依据测定结果选择最合理构件尺寸和结构形式。,2,、在现有设备上或工程结构上测量真实应力状态，找出最大应力位置及数据，评定设备或结构安全可靠性。,第4页,3,、对破坏或失效构件进行分析，提出改进办法，预防再次出现破坏或失效现象。,4,、测定构件在工作过程中所受载荷大小和方向，或测定影响载荷情况各种运动参数,(,如位移、加速度等,),。,5,、对理论分析方法进行校核，验证理论分析正确性，并为理论分折提供条件。,试验应力分析主要任务：,第5页,实验应力分析特点,a,、方便，经济，实用；,b,、在边界条件不确定，甚至材料性能未知,情况下，也可进行应力和应变分析；,c,、不受结构形状等各种条件限制。,试验应力分析局限性：,a,、所得结果包含理想化和近似化原因。,b,、因为测试技术限制，在一些特定条,件下，还不能进行试验，且测量精度,也有待提升。,第6页,试验应力分析方法,：,1.电阻应变计测量法（应变电测法）：,用电阻应变计测定构件表面应变，再依据应变-应力关系确定构件表面应力状态一个试验应力分析方法,。,2.,各种光测法,光弹性法、全息激光法、散斑干涉法、云纹法、云纹干涉法、焦散线法、动光弹法、光塑性法等。,第7页,电阻应变计测量法,第一章 电测法概述,第二章 电阻应变片,第三章 测量电桥特征及应用,第四章 电阻应变仪与统计仪,第五章 静态应变测量,第六章 动态应变测量,第8页,第一章 电测法概述,电测法介绍,电测法特点,电测法不足,电测法应用,第9页,第一章 电测法概述,一、电测法,介绍,电测法,：,将,力学量（应变、位移、速度）等非电量转换成电量来进行测量一个试验方法。,电测法,是,试验应力分析中使用最广泛和适应性最强方法之一。该方法是利用,电阻应变计,(简称,应变片,）作为敏感元件,，,将应变量转换成电量,，用,电阻,应变仪,作为测量仪器，,经过测量能够得到受力构件上,应变一个试验方法。,第10页,二、电测法特点：,测量灵敏度、精度高，最小应变读数可达,10,-6,，静态应变测量精度可达,1%,2%,。,应变片尺寸小，重量轻，粘贴方便，对试件工作状态和应力分布影响很小。,频率响应快，机械滞后小，能够测量静态应变到,5*,10,5,Hz,动载和冲击载荷动态应变。,第11页,二、电测法特点,可在恶劣环境下测量结构应变。如在高温、低温、深水结构、强磁场及核辐射等条件下进行测量。,可对运动状态下结构进行实测。如可对高速旋转飞轮和轴、行驶中汽车、拖拉机等进行实测。,输出为电信号，自动化程度高，可实现遥控测量,。,第12页,三、电测法不足：,1,一枚应变片只能测量一个“点”，不易得到构件全域性应变分布。,2,应变片普通只能测构件表面应变对结构内部三维应变测量极难进行，（安装内埋式应变计）。,3,应变片所测出应变只能代表栅长范围内平均应变，对应力梯度很大构件表面或应力集中情况，应选栅长很小应变计，不然测量误差较大。,第13页,四、电测法应用,1,、航空航天工程,美国,Boeing767,飞机静力结构试验采取了,2204,个单个应变片，,1162,个应变花，应变测量仪器约,4100,个通道，采取,120,个液压加载器，试验费用约,4100,万美元。,第14页,四、电测法应用,2,、水利工程,日本真名川混凝土水坝，在建造时为施工和完成后维修监测，埋设了温度计,187,个，应变计,43,个及应力计、钢筋计、裂缝计等共,600,多个测量元件。采取数据采集仪。施工中测量各处温度，施工后测量坝体应力，蓄水时监测各种应力、应变和温度等。,第15页,四、电测法应用,3,、桥梁工程,上海南浦大桥系双塔双索面大跨度斜拉桥，静载试验测试时在主梁跨中、辅助墩顶等,2,个测试断面上共有,144,个测点，其中钢梁部分现贴应变片,72,个，混凝土桥面板预埋钢筋应力计,72,个。采取静态数据采集仪测量统计。,第16页,四、电测法应用,4,、交通工程,小桥车耐冲撞性试验，为测量车体前后方向加速度，在前座、后座底板上安装加速度传感器，在前座假人头部、腹部安装加速度传感器，在前座假人肩部、腰部安装荷载传感器等。由动态应变仪放大并统计，经过遥测仪进行测量。,第17页,第二章 电阻应变片,2-1,应变片工作原理,2-2,应变片分类与选取,2-3,应变片工作特征,2-4,应变片粘结剂选取和粘贴工艺,2-5,应变片标定,第18页,2-1,应变片工作原理,一、应变片结构,最常应用应变片是丝绕式电阻片和金属箔式电阻片。,丝绕式电阻片,普通采取,0.0120.05mm,直径镍铬或铜镍,(,康铜,),合金丝绕成,栅,状，其结构如图,2-l,所表示。由五部分组成。,1,、敏感栅,2,、基底,3,、引线,4,、覆盖层,5,、粘结剂,图,2-1,应变片结构,第19页,1,、敏感栅,2,、基底,3,、引线,4,、覆盖层5,、粘结剂,图,2-2,金属箔式应变片,一、应变片结构,金属箔式电阻片,是用厚度,0.0010.01 mm,金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。它几何形状和尺寸非常精密。参见图,2-2,，也由五部分组成。,第20页,二、电阻丝应变效应,金属导体电阻随其变形,(,伸长或缩短,),而发生改变这种物理现象叫,金属导线应变效应,。,已知导线电阻表示式为,(2-1),其中，,R,是导线电阻,(),，,是导线电阻率,(mm,2,/m),，,l,是导线长度,(m),，,A,是导线横截面积,(m,2,),。,考虑导线电阻率,为常量时，导体伸长后引发电阻改变为,(2-2),第21页,将,(2-2),式除以,(2-1),式可得,(2-3),圆截面导线变形后直径,D,变为,其中，,是泊桑比，,dl,/,l,是应变。截面面积变比为,(2-4),将,(2-4),式代入,(2-3),式得到,令,K,S,为电阻丝灵敏系数,，上式变为,(2-5),第22页,可见电阻改变率,d,R/R,与应变量成正比，百分比常数,K,S,为,(2-6),实测值,K,S,与,(2-6),式不符，其原因是,在应变过程中也是变量。考虑,为变量时，则有,(2-7),即是,(2-8),式,(2-8),表明，电阻丝灵敏系数,K,S,受到两个原因影响：,1.,电阻丝材料本身机械性能，即式中,(1,十,2,),项。2.,电阻丝受力后材料单位应变系数变比率，为 。,第23页,三、应变片灵敏系数,K,依据测量仪器要求，电阻丝必须含有定量初始电阻,(,普通,120),；单线长度为,3080mm,，所以，必须把它制成栅状，以测量反应构件“点”应变。,定义：,当将应变片安装在处于单向应力状态试件表面，应变片轴线与应力方向平行时，应变片电阻值相对改变与沿其轴向应变之比值，即,K=(R/R)/,x,。,应变片灵敏系数主要取决于敏感栅材料灵敏系数，但二者又不相等：因为横栅存在，使敏感栅灵敏系数小于丝材灵敏系数；试件变形是经过基底和粘结剂传递给敏感栅，又使应变片灵敏系数小于敏感栅灵敏系数。,应变片灵敏系数是受各种原因影响综合性指标，不能经过理论计算得到，而是在专门设备上进行标定试验来确定。惯用应变片灵敏系数为,2.0,2.4,。,第24页,当横向应变为零时，可得轴向灵敏系数：,当轴向应变为零时，可得横向灵敏系数：,横向效应系数,H,定义：,横向灵敏系数与轴向灵敏系数比值,。可采取等强度梁来测定应变片,横向效应系数,。,四、应变片横向效应系数,应变片横向效应：因为敏感栅感受横向应变而使应变片灵敏系数降低现象。,应变片电阻改变率是感受纵向应变 和横向应变 共同引发,:,第25页,2-2,应变片分类与选取,一、应变片分类,应变片类型很多，可依据不一样用途和特点来分类，现只介绍几个常用应变片：,1,丝绕式圆角栅应变片,这种应变片敏感栅用绕丝机织成，基底多用纸，价格廉价。其缺点是端部有半圆形弧段，造成横向效应，测量精度不高，耐湿和耐高温性能也不好。,2,箔式应变片,这种应变片用厚度金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。其横向部分能够做成宽栅条，横,向效应很小；散热性能好，允许较大电流经过；疲劳寿命长。其缺点是工艺较复杂，制造难度大。,第26页,(a),两片直角,(b),三片直角,(c),三片等角,(d),四片直角,(e),四片等角,(T-),图,2-3,常见应变花,3,应变花,为了测量平面应力场中某测点主应力大小和方向，经常需要测量该点上两个或三个方向上应变，这就需要在一个基底上粘贴,24,个电阻丝栅，它们方向事先已安置妥当，称为应变花。惯用应变花有两片直角、三片直角、三片等角、四片直角、四片等角,(T-),等形式。参见图,2-3,。,第27页,二、电阻应变片选取,1,应变片基底材料选择,构件工作温度是选取应变片基底材料主要依据，现将几个基底材料工作温度列表以下：,基底材料,工作温度,纸 基,-5080,酚醛树脂,-50180,环氧树脂,-5080,聚酰亚胺,-150250,金属片,400,表,2-1,基底材料工作温度范围,第28页,2.,应变片敏感栅结构形状和尺寸选择,结构形状：,当构件处于单向应力状态或主应力方向已知平面应力状态时，可采取单轴,(,单个敏感栅,),应变片。当构件表面处于主应力方向未知二向应力状态，则需选取三栅或三栅以上应变花。,特殊形状应变片适合用于特殊用途。如,45,多栅多轴应变片用于测试拉应变和剪应变；平行轴多栅电阻片测应力梯度等。,结构尺寸：,由于电阻片测量是栅长内构件应变平均值，选择栅长尺寸时，应考虑应力变比梯度，当构件应力改变梯度大时选择栅长小应变片在应力集中部位，栅长越小越好。,从构件材料均匀性来考虑，如混凝土、铸铁，应选择栅长较大电阻片，对于混凝土构件，应变片栅长应为混凝土最大骨料,45,倍。,第29页,3,依据工作环境条件考虑,在潮湿环境中，考虑使用防潮性能好胶膜基底电阻片，而且涂上防潮剂以免潮气侵入应变片内。,在强磁场条件下电阻片因磁场影响产生伸长或缩短，在交变磁场内将产生干扰信号，所以应使用防磁电阻片。,测量混凝土结构内部应变和应力时，选取温度自赔偿箔式应变片，或选取混凝土埋入式应变片。,4,应变片电阻值选择,应变片电阻值有,60,，,120,，,200,，,350,等，普通选取标称值,120,电阻片。因为应变测量仪器桥臂电阻大都是按照,120,设计。,第30页,5.,应变片灵敏系数选择,在静载荷作用下测量时，应变片可选取任意值灵敏系数，因为仪器上设有灵敏系数调整旋纽，测量值能够无须修正。,在动态应变测量时，因为动态应变仪是按照灵敏系数等于,2,设计，所以选取,K,2,应变片，假如应变片灵敏系数与仪器灵敏系数不一致时，测量结果需要修正。,6.,应变片精度等级选择,应变片精度普通分为三级：普通级、精密级和高精密级。选取等级可依据测试目标和要求决定。普通级可用于教学试验；高精密级可用于高精度传感器和精密测试。,第31页,2-3,应变片工作特征,应变片性能好坏直接影响应变测量准确度，所以，应对应变片性能需要提出一定要求。,一、机械滞后,当对贴有应变片试件进行重复加、卸载试验时，其特征曲线不完全重合这种现象称为应变片,机械滞后,。见图,2-4,。机械滞后值,k,可用加载、卸载循环过程中，加载曲线与卸载曲线最大差值,max,表示。,图,2-4,机械滞后,机械滞后产生原因很多，主要是应变片特征差，粘结剂固化处理不妥，胶层过厚，局部脱胶等。在使用应变片测量前，最好,予先加载数次，以减小滞后影响。,第32页,二、,蠕变和零点漂移,蠕变,是当试件在某恒定应变下及某不变温度下，应变片指示应变随时间而改变特征,。,零点漂移,是在试件不受力情况，在某恒定温度下应变片指示应变值随时间而改变特性。,产生零漂原因是温度效应、粘接剂固化不充分、制造和粘贴应变片过程中造成初应力、敏感栅材料逐步氧化、仪器零漂等所造成。,三、应变极限,在室温条件下，使试件应变逐步加大，当应变片指示应变与试件实际应变相对误差到达,10,时，此时试件应变为该应变片,应变极限。,决定应变极限主要原因：粘结剂和基底材料传递应变性能；引线与敏感栅焊点布置形式；应变计安装质量。,第33页,四、绝缘电阻,(R,m,),绝缘电阻是应变片引出线与安装应变片构件之间电阻值。,绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。在普通环境下，短期测量通常要求绝缘电阻在,50200M,。用测量电压低于,100V,高阻表测量绝缘电阻。,五、疲劳寿命,应变片在恒定幅值交变应力作用下连续工作，直至使应变片产生疲劳破坏,循环次数,，称为应变片,疲劳寿命,。,疲劳损坏：敏感栅或引线发生断路；应变计输出幅值改变,10%,；应变计输出波形出现穗状尖峰。,为提升应变片寿命,，常选取胶基箔式应变片，同时需尤其注意引线与敏感栅之间连接方式和焊点质量。,第34页,2-4,应变片粘结剂选取和粘贴工艺,一、应变片粘结剂选取,测试前，将应变片用粘结剂牢靠地粘贴在被测试件表面上，试件受力时，粘结剂应及时地把试件全部变形传递给敏感栅。应变片能否真实地反应试件应变，粘结剂作用是十分主要。粘结剂还影响应变片工作特征，如蠕变、滞后、零漂、灵敏系数等。所以，必须正确地选择粘结剂。,粘结剂应满足以下主要要求：,1.,固化后有较高剪切强度，最好到达,1014MPa,以上。,2.,基底、粘结剂固化后线膨胀系数相近。,3.,粘结工艺简单易行，固化后有较高绝缘度。,4.,粘结剂固化后有足够韧性，能够承受冲击或动载荷。,5.,对各种试件材料含有良好粘结力，且固化内应力小。,第35页二、贴片工艺,贴片是测量准备工作中关键一环，只有使胶层均匀，位置准确，无气泡，才能确保敏感栅如实地再现构件变形。,贴片工艺以下；,1.,检验、挑选应变片,用放大镜检验应变片质量，剔除那些敏感栅有形状缺点，片内有气泡、霉斑、锈点应变片。用万用表测量电阻，同一组应变片阻值差小于,0.1,。,2.,试件表面清理,用砂布去除试件表面油漆、锈斑和氧化层等覆盖层。再用汽油或丙酮除去表面油污。最终，用中粒度砂布与应变片粘贴方向成,45,交叉打出一些条纹，能够增强胶附着力。,第36页,3.,贴片,a.,在被测试件测点上画上十字线，并标出贴片方向。,b.,用脱脂棉蘸酒精消除试件表面灰尘和油污，注意不可用手摸或用嘴吹。,c.,涂上胶水，用应变片后面将胶水在试件表面上涂匀。然后用镊子拨动应变片，调整应变片位置和角度。在上面垫一层聚乙烯薄膜，用手指轻轻滚压挤出多出胶水和气泡，并按压一分钟。,d.,使用红外线灯烘烤，能够加速胶水固化，温度保持在,60,以内，几小时后即可测量。,e.,用,1525w,电烙铁将导线与引出线焊接起来，编上号而且用胶布固定，预防不小心拉断接头。,f,.,防护：应变片接好导线后，应马上涂上防护层，预防大气中水分浸入，预防酸、碱、油等介质浸入。其方法是在应变片上涂一层中性凡士林，或用,914,环氧树脂作防护层。,第37页,1.,选点。采取手持砂轮工具除去构件表面油污、漆、锈斑等,第38页,2.,打磨。用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力,第39页,3.,清洗。用浸有酒精（或丙酮）纱布片或脱脂棉球擦洗,第40页,4.,贴片。在应变片表面和处理过粘贴表面上，各涂一层均匀粘贴胶,第41页,5.,排气。用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手指揉和滚压，排出下面气泡,第42页,6.,分开导线。把应变片导线用手轻轻分开，以免和应,变片脱离,第43页,7.,测量电阻。从分开导线处用万用表测量应变片电阻，,预防导线折断和坏应变片,第44页,8.,焊接。把引线和导线用点焊方式焊接，要小心导线折断。,第45页,9.,固定。焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，预防,引线和应变片脱离第46页,2-5,应变片标定,一、应变片灵敏系数标定,标定应变片灵敏系数可采取等截面纯弯梁、等强度悬臂梁和拉压试件三种方式。以纯弯曲梁为例说明标定方法。,1,、标定装置和原理：,由材料力学可知，梁上下表面应变值与中点挠度关系：,第47页,在梁上放置三点挠度仪，测得相对挠度,f,，则应变计算公式为：,第48页,2,、标定方法：,从一批应变片中抽,5%,作为样片（不少于,6,片），粘在标定梁上，加载使梁表面产生一个已知轴向应变,。,用高精度电阻应变仪,(,经校准,),测得各个样片应变读数。,设应变片灵敏系数为,K,，应变仪灵系数为,K,0,，应变仪读数为,d,则有,标定时，对每个应变片加、卸载,3,次，取应变仪读数三次平均值作为试验值。,该批应变片灵敏系数标定值为,第49页,2,、标定方法：,灵敏系数分散度，可用标准差,或相对误差,C,来表示。,应变片灵敏系数可表示为：,注意：,应变片灵敏系数标定时，要满足下述,3,个条件。,标定梁处于单向应力状态；,应变片纵向与标定梁应力方向平行；,标定梁材料泊松比为,=0.285,。,第50页,二、应变片横向效应系数标定,1,、标定装置,第51页,2,、标定方法,将同一批次中几个应变片沿,X,轴方向安装在试件工作表面，另几个应变片沿,Y,轴方向安装在试件工作表面。,对试件加载，使其工作表面沿,X,轴应变为,x,沿,Y,轴应变为零。,用高精度电阻应变仪,(,经校准,),测得沿,X,轴应变片应变读数为,xd,测得沿,Y,轴应变片应变读数为,yd,。,设应变片轴向灵敏系数为,K,x,，横向灵敏系数为,K,y,，应变仪灵系数为,K,0,，则有,第52页,2,、标定方法,应变片横向效应系数为,将应变片横向效应系数取平均值，即得该批应变片,横向效系数,第53页,第三章 测量电桥特征及应用,使用应变片测量应变时，必须用适当方法检测其阻值微小改变。应变片感受机械应变量普通为,10,-6,10,-2,，电阻改变率也在,10,-6,10,-12,数量级之间。这么小电阻改变用普通电阻仪极难测量出，需要采取测量电路将微电阻改变率转换成电压或电流改变，才能用仪表统计或显示出来。最理想测量电路是惠斯登电桥。,测量电路要满足以下两个方面要求：,l,、足够灵敏度,2,、足够准确度,第54页,3-1,直流电桥基本原理,一、电桥平衡条件,电阻应变仪中电桥线路如图所示。它以应变片或电阻元件作为桥臂，,A,、,C,为电源端,(,电桥输入端,),，,B,、,D,为测量端,(,电桥输出端,),。可取,R,1,为应变片，也可取,R,1,、,R,2,为应变片或,R,1,R,4,均为应变片等形式。,由电工学计算可知，图中电桥输出电压为,若电桥四桥臂电阻满足条件,R,2,R,4,=R,1,R,3,(3-1),则电桥输出电压为零。电桥这种状态称为电桥平衡。,第55页,二、测量电桥输出电压,设初始平衡电桥各桥臂对应电阻增量为,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,，则电桥输出电压为,在电阻应变仪设计中，普通各桥臂初始,电阻值相等（等臂电桥）。且,R/R,均很小，,忽略高阶微量，经整理可得：,若应变计灵敏系数为,K,则,R/R=K,第56页,二、测量电桥输出电压,上式是直流电桥转换原理基本关系式。它表明：,1,）在一定应变范围内，电桥输出电压,U,0,与应变片感受应变,成线性关系。,2,）各个桥臂上应变片应变,对输出电压影响是线性叠加，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同。,3,）此式线性关系确定被测应变值，存在一定误差。,（误差分析自学）,第57页,三、测量电桥基本特征,上表明了电桥基本特征：,1,）两相邻桥臂上应变片应变相减。即应变同号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之差；应变异号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之和。,2,）两相对桥臂上应变片应变相加。即应变同号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之和；应变异号时，输出应变为两相邻桥臂上应变之差。,应变仪输出应变就是读数应变，所以合理、巧妙地利用电桥特征，能够增大读数应变，而且可测出复杂受力杆件中内力分量。,第58页,3-2,温度改变效应赔偿,一、温度改变效应产生,测量构件应变并不是瞬时完成，往往需要几个小时有时甚至需要几天。因为环境温度不停地改变，而应变片对温度影响又十分敏感，粘贴在构件上应变片因为温度改变而引发电阻改变，其数量级有时可与应变引发电阻改变相当，这一现象就称为,温度改变效应,。,二、温度对应变片电阻影响,因为温度改变而引发应变片电阻改变主要有以下两个方面：,1,、温度改变时敏感栅材料电阻率改变,因为应变片敏感栅同其它金属材料一样，其电阻率会随温度改变而发生改变，从而造成了应变片电阻值改变。若用,第59页,(,单位为,1/),表示温度每改变,1,时电阻相对改变量，称为电阻温度系数，则当温度改变,t,时，一个原始阻值为,R,应变所产生电阻增量为,R,=Rt,2,、应变片线膨胀系数与被测材料线膨胀系数不一样引发电阻改变,温度改变时，应变片和被测物件均将产生线膨胀，其大小可用下式计算,LLt,式中,为构件或丝栅材料线膨胀系数，,L,为构件或丝栅材料原始长度。,设有一段长度为,L,电阻丝，其材料线膨胀系数为,丝,，,第60页,将其粘贴在线膨胀系数为,构,构件上，当温度改变,t,时，假如二者膨胀均不受限制，则阻丝和构件伸长将分别为,阻丝,L,丝,=L,丝,t,构件,L,构,=L,构,t,因为普通来说，,丝,构,，所以,L,丝,L,构,。这么构件将强迫阻丝与它一起变形。如,L,构,L,丝,，将使电阻丝受拉，反之受压。其变形量为,L,=,L,构,-,L,丝,=L(,构,-,丝,)t,既然阻丝发生了变形，则其电阻就会发生对应改变，依据,R/R=K,，电阻丝阻值增量为,R,=,K,S,R,L,/L=,K,S,R(,构,-,丝,)t,式中,K,S,为电阻丝灵敏系数。,第61页,综合两方面原因，因温度效应而引发应变片电阻改变率应为,R,t,/R=(R,+R,)/R=+,K,S,(,构,-,丝,)t,(3-4),另外，应变片,敏感栅,(,常为康铜,),和引线,(,常为铜,),之间焊接点,，实际上是一个热电偶。温度改变时，接点处会产生复杂热电势，从而影响电桥输出电压。,还有，温度改变时，对胶层性质也有影响，普通是当温度升高时，会使胶层变软，应变传递能力会随之下降，从而使灵敏系数降低。不过这些影响牵涉原因比较复杂，极难从理论上加以分析，普通可用试验去测定，在此不作深入讨论。,第62页三、温度效应赔偿,从以上分析能够看出，温度改变将引发应变片阻值改变，此时如将其接入测量电路，就会使得输出电压发生改变，从而在应变仪上产生指示应变，造成虚假应变。虚假应变严重时，每升温,1,，可达几十微应变，严重地干扰了测量结果，使得测出应变值存在很大误差。所以，必须设法将其消除，,消除温度效应影响办法，叫做温度赔偿,。,温度赔偿方法有很各种，可大致作以下分类,赔偿片法,电路赔偿法 电阻元件法,热敏元件法,温度赔偿方法 热电偶法,自赔偿法,对敏感栅热处理法,双金属线栅法,温度修正法,第63页,通常采取以下两种方法进行温度赔偿：,1,、赔偿片法,在常温应变测量中，大多采取电路赔偿法中赔偿片法，这种方法是利用应变电桥特征，而实现温度赔偿。其详细操作步骤以下：,A),取两片电阻值、灵敏系数、电阻温度系数相同应变片，一片贴在受力构件上，将伴随被测构件受力一起变形，称为工作片,R,1,；另一片并不受力，仅受温度效应影响，称为赔偿片,R,2,。,B),将赔偿片粘贴在与被测构件相同材料一块不受载荷试件,(,称为赔偿块,),上，并将其置于与被测构件相同温度场中。,(,也可将赔偿片,R,2,粘贴在被测构件上不发生变形部位处。,),C),将工作片与赔偿片接在电桥相邻两个桥臂上，如图,3-4,所表示。,第64页,图,3-4,这么，当,R,1,随被测构件受力一起,变形且温度同时发生改变时，,R,1,电,阻总增量为,R,1,=R,+,R,t1,式中,R,为应变引发阻值增量，,R,t1,为温度引发阻值增量。而相邻桥臂上赔偿片,R,2,电阻增量却只有,R,2,=R,t2,因为工作片和赔偿片温度一直相同，,而且它们阻值、电阻温度系数、线,膨胀系数、灵敏系数也都完全相同，,因而由式,(3-4),可知,R,t1,=,R,t2,最终输出电压为,U=E(R1/R1-R2/R2)/4=ER/4R,这么，测量结果只反应,R,，从而消除了温度影响，到达了温度赔偿目标。,第65页,2,、自赔偿法,在温度梯度太大，无法消除工作片与赔偿片之间温差情况下，就不宜采取赔偿片法进行温度赔偿，而要改用其它方法，,如自赔偿法,。,这种方法经过对应变片敏感栅在材料和制造工艺上采取各种办法，将,K,S,、,、,构,、,丝,几个系数相互配合，使应变片在一定温度范围内时,R,t,=+,K,S,(,构,-,丝,)Rt=0,这么就自动消除了温度效应影响，实现了温度补偿。,这种方法惯用于中、高温下应变测量。,第66页,3-3,应变片在电桥中接法和在构件上布置,一、,应变片在电桥中接法,应变测量电桥有四个桥臂，这四个桥臂能够每个都接应变片，也能够两个臂接应变片，两个臂接固定电阻。前者称为全桥接法，后者称为半桥接法。,1,、半桥单片接线法,电桥四个桥臂中，,R,1,为贴于构件上应变片，与构件一起变形（工作片），,R,2,为温度赔偿片，,R,3,、,R,4,为仪器内部精密电阻,。,第67页,2,、半桥双片接线法,电桥四个桥臂中，,R,1,、,R,2,为贴于构件上应变片与构件一起变形（工作片），,R,3,、,R,4,为仪器内部精密电阻,。,这种接法中,R,1,和,R,2,互,为温度赔偿片,.,3,、全桥接线法,电桥四个桥臂中，,R1,、,R2,、,R3,、,R4,都为贴于构件上应变片与构件一起变形（工作片）,。,这种接法中,R1,和,R2,互为温度赔偿片，,R3,和,R4,互为温度赔偿片,.,第68页,4,、串联接线法,在应变测量中，可将应变片串联起来接入测量桥臂。若在电桥,AB,臂上，串联两个工作片,R,1,和,R,2,，,R补,1,、,R,补,2,为温度赔偿片，,R,3,、,R,4,为仪器内部精密电阻,。,这种接法为半桥串联接法,.,则有：,由此可知：,串联接线后，桥臂应变为各个应变片应变值算术平均值。,若各个应变片应变相同，则有,即,桥臂应变等于串联单个应变片应变值。,若,AB,臂上串联了,n,个阻值为,R,应变片，情况会怎么样呢？,串联后桥臂电阻增大，在限流下，提升供桥,电压，对应使读数应变增大。,第69页,5,、并联接线法,如图所表示，将,n,个应变片并联起来接入测量桥臂,AB,上，其总电阻,R,为,对上式微分，有,若各应变片阻值都为,R,0,，有,故有,第70页,5,、并联接线法,由此可知：,1,）并联接线后，桥臂应变为各个应变片应变值算术平均值。,2,）,若各个应变片应变相同，则有,仪,=,，即,桥臂应变等于并联单个应变片应变值。,3,）,并联后桥臂电阻减小，在电流不超出最大工作电流条件下，电桥输出电流可对应地提升,n,倍。,应变片在电桥中接法不一样，所得读数应变也不一样，,依据实际情况，灵活应用。普通标准是在满足要求下，接线方式尽可能简单而且能够得到较高读数应变为宜。,第71页,二、应变片在构件上布置,在应变测量时，假如能够,合理地选择贴片位置、方位,以及将应变片,合理地接入电桥,，则不但能够方便实现温度赔偿，从比较复杂组合变形中测出所需要应变成份，而且还可以扩大应变读数，提升测量灵敏度为此，必须对受力构件作深入分析，了解测点处应变正负符号以及相关各测点之间应变值百分比关系；还要充分地利用电桥特征。,应变片布置和接桥方法：,1,、单向拉伸应变测量,如图单向受拉构件，取三个等电阻应变片,R1,、,R2,、,R3,，其灵敏系数相等。将,R1,、,R3,分别作工作片，,R2,作温度赔偿片。贴片时将,R1,栅线方向与轴线方向一致，可测纵向线应变，将,R3,栅线方向与试件轴线垂直，用于测横向应变。,第72页,半桥单片测量时,，将,R,1,接入,AB,之间，将,R,2,接入,BC,之间,(,见图,3-5(c),，能够测出纵向应变,1,。,图,3-5,单向受拉构件图,半桥双片测量时,，若将,R,1,接入,AB,之间，将,R,3,接入,BC,之间,(,见图,3-5(d),，一样能够测出纵向应变,1,。,这种布片和接线，用工作片作温度赔偿，使读数应变增大，提升测量灵敏度。,第73页,2,、圆轴扭转切应力测量,欲求如图,3-6,所表示圆轴扭转切应力。,由材料力学可知，实心圆抽扭转时，沿表面与轴线成,45,角螺旋线上，产生最大拉、压应力，,1,一,2,(,对应,1,一,2,),，而且其数值与横截面上最大剪应力,max,相等。接成半桥进行测量：,图,3-6,扭转切应力示意图,依据广义胡克定律：,由此可得扭转切应力：,第74页,3,、弯曲应变测量,测定如图所表示弯曲应变。令,M,分别代表弯矩,M,产生表面应变，,R,1,、,R,2,为应变片，且,R,1,R,2,，分别贴在构件上、下表面上。,若接成半桥双臂进行测量，则有,若接成半桥单臂进行测量，则有,第75页,4,、拉弯组合变形应变测量,（,1,）半桥测弯曲应变,M,如图所表示贴片方式，令,P,、,M,分别代表拉力,P,和弯矩,M,产生表面应变，,R,1,、,R,2,为应变片，分别贴在构件上、下表面上。若用半桥双片测量，则有,由上式可知，拉伸引发应变不会在结果中出现，只有弯矩产生应变，但应变读数是真实应变两倍,。,第76页,4,、,拉弯组合变形应变测量,（,2,）半桥测拉伸应变,P,如图所表示贴片方式，令,P,、,M,分别代表拉力,P,和弯矩,M,产生表面应变，,R,1,、,R”,1,为分别贴在构件上、下表面上应变片。若用串联半桥双臂测量，则有,由上式可知，这种贴片和接桥方式，弯矩引起应变不会在结果中出现，只有轴力产生应变。,第77页,4,、,拉弯组合变形应变测量,（,3,）全桥测量拉伸应变,P,若如图所表示贴片方式，,R,1,、,R,3,为纵向应变片，,R,2,、,R,4,为横向应变片,分别贴在构件上、下表面上。令,P,、,M,分别代表拉力,P,和弯矩,M,产生表面应变。采取全桥接法测量，则有,由上式可知，弯曲引起应变不会在结果中出现，只有拉伸产生应变。但应变读数是真实应变,2,（,1+,）倍,。,如何全桥测量弯曲产生应变？,第78页,5,、拉弯扭组合变形时扭转切应力测量,按如图所表示贴片和接桥方式，若以,P,、,M,和,T,分别代表轴力、弯矩和扭矩在,45,方向引发应变，则有,如何全桥测量弯曲应变和拉伸应变呢？,第79页,第四章 电阻应变仪与记录仪,不论是一个简单测量系统，还是一个高度自动化快速测量系统，都由三个基本部分组成。,感受部分直接与被测对象接触，把非电量物理参数转化成电量，并传输给放大部分；放大部分则把感受部分传来十分微弱电信号进行放大以推进显示统计仪器工作，,显示统计部分是,把被测信号统计下来。,在应力,-,应变测量中，感受部分常是电阻应变片组成半桥或全桥测量电路。放大部分常用电阻应变仪。所以电阻应变仪是完成应变量转换与放大，并将应变值指示出来或传输给显示统计仪器一个专门电子仪器。,感受部分,放大部分,显示统计部分,第80页,电阻应变仪若按照其放大器工作原理可分为两类：一个是直流放大式应变仪，另一个是交流载波放大式应变仪。,直流放大式应变仪,是直流供电，采取差分放大器或调制型直流放大器。这种应变仪工作频率高，不受分布电容影响，操作起来比较简单，不过零漂较难控制，设计制造较复杂。,交流载波放大式应变仪,是由几千赫正弦交流电源供电，采取窄频带交流放大器。这种应变仪稳定性好，结构较简单，对元件要求比较低，不过测试频率不太高，受分布电容影响较大。,若依据被测对象应变改变规律即按照频率响应范围来分，应变仪又可分为,静态电阻应变仪,、,动态电阻应变仪,和,静动态电阻应变仪,三大类。,4-1,电阻应变仪分类,第81页,一、静态电阻应变仪,静态电阻应变仪适合用于测量不随时间改变或随时间改变迟缓应变量。,早期静态应变仪大多采取,交流供电、载波放大、双电桥零读法,方式工作：即当应变电桥有输出电压时经放大器，检流计将有指示，然后调整读数电桥，使指示归零，即可由读数机构读出对应应变量。,这种测量方法不受桥源电压波动以及放大器增益变动影响，对放大器要求也较低。,此类应变仪每次只能和应变片组成一个应变电桥，即只能测量一个点应变。,若进行多点测量时，应配置预调平衡箱，测量时把全部测点应变片均接入预调平衡箱，并在测量前对每个电桥进行预调平衡。测量时，经过预调平衡箱切换开关，依次测量多点应变，实现多点测量。,第82页,二、动态电阻应变仪,动态电阻应变仪适合于测量随时间改变应变量。测量动态应变基本原理是经过电桥电压输出、载波放大、相敏检波等方法，把应变片感受到应变量转化为电量输出。,与静态应变仪比较不同是：,1,因为动态应变仪是测量随时间变比应变量，所以必须把应变改变过程统计下来，这必定要求动态电阻应变仪与显示统计仪器配套使用。,2,因为动态电阻应变仪后续仪器是统计仪器，所以，动态电阻应变仪采,用偏位法测量方式,，即应变仪将应变电桥输出电压放大后直接送到统计器去。,所测信号经应变仪放大接入显示统计仪器才能得到测量值。一台动态电阻应变仪有多路放大线路。当进行多点测量时，每一测点接一路放大线路,(,测量通道,),同时进行测量。一台仪器测量通道不够时，几台仪器能够并用。,第83页,三、静动态电阻应变仪。,它既含有测量静应变读数装置，又可向统计仪器输出动态应变信号,(100200Hz,动态应变,),，含有一定通用性。因为它以测量静态应变为主，所以仪器设计成单通道。成套静动态电阻应变仪，由应变仪、电源箱、预调平衡箱、切换器、数字电压表和数字统计器所组成。,除了静态、动态和静动态应变仪以外，还有适用与测量冲击、爆炸等工作频率达数百千赫瞬态应变,超动态电阻应变仪,(,这种应变仪采取,直流电桥和直流放大测量方式,，并与高速同时摄影仪配套使用,),以及用于测量旋转构件应变遥测应变仪和用来进行大型多测点结构静力试验,数字式多点应变巡回检测系统,等。,第84页,电阻应变仪按其工作原理可分为直流放大式应变仪和交流载波放大式应变仪。,一、直流放大式电阻应变仪工作原理,直流放大式电阻应变仪供桥电压为直流电压。它能够用电池电源，也能够用高稳定度电子直流稳压电源。普通采取差动式直流放大器。电桥输出电压经放大器放大后，能够用精度较高电表直接读出应变值。,图,4-1,给出了偏位法读数直流放大式电阻应变仪工作原理图。其中，,R,t1,，,R,t2,为,预调平衡电阻,。直流稳压电源供电压给放大器。电桥电阻发生改变后，电桥输出电压经直流放大器放大，经过读数电表或直流数字电压表直接读出应变值。在,数字式应变仪、超动态电阻应变仪,中普通采取这种工作原理。,4-2,电阻应变仪工作原理,第85页,图,4-1,直流放大式电阻应变仪工作原理图,第86页,二、交流载波放大式电阻应变仪工作原理,载波放大式电阻应变仪工作原理框图如图,4-2,所表示。应变仪中振荡器产生正弦波交流电压，分别供给测量电桥或读数电桥作电源，同时供给相敏检波器作参考电压。当测量电桥上工作应变片感受到应变时，则测量电桥输出和应变成正比调幅载波电压或电流，经放大器放大后送入相敏检波器，检波后得到幅值与应变成百分比电压或电流。,进行静态应变