土木工程测试3电阻应变测量技术
电阻应变测量原理及方法
目录电阻应变测量原理及方法 (2)1. 概述 (2)2. 电阻应变片的工作原理、构造和分类 (2)2.1 电阻应变片的工作原理 (2)2.2 电阻应变片的构造 (4)2.3 电阻应变片的分类 (4)3. 电阻应变片的工作特性及标定 (6)3.1 电阻应变片的工作特性 (6)3.2 电阻应变片工作特性的标定 (10)4. 电阻应变片的选择、安装和防护 (12)4.1 电阻应变片的选择 (12)4.2 电阻应变片的安装 (13)4.3 电阻应变片的防护 (14)5. 电阻应变片的测量电路 (14)5.1 直流电桥 (15)5.2 电桥的平衡 (17)5.3 测量电桥的基本特性 (18)5.4 测量电桥的连接与测量灵敏度 (19)6. 电阻应变仪 (24)6.1 静态电阻应变仪 (24)6.2 测量通道的切换 (26)6.3 公共补偿接线方法 (27)7. 应变-应力换算关系 (28)7.1 单向应力状态 (28)7.2 已知主应力方向的二向应力状态 (29)7.3 未知主应力方向的二向应力状态 (29)8. 测量电桥的应用 (31)8.1 拉压应变的测定 (31)8.2 弯曲应变的测定 (34)8.3 弯曲切应力的测定 (35)8.4 扭转切应力的测定 (36)8.5 内力分量的测定 (37)电阻应变测量原理及方法1. 概述电阻应变测量方法是实验应力分析方法中应用最为广泛的一种方法。
该方法是用应变敏感元件——电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变—应力关系得到构件表面的应力状态，从而对构件进行应力分析。
电阻应变片（简称应变片）测量应变的大致过程如下：将应变片粘贴或安装在被测构件表面，然后接入测量电路（电桥或电位计式线路），随着构件受力变形，应变片的敏感栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由指示仪表或记录仪器指示或记录。
土木工程试验中电阻应变片的工作原理
土木工程试验中电阻应变片的工作原理土木工程试验中电阻应变片是一种常用的测量技术，用于测量物体的应变，从而评估物体的强度和稳定性。
本文将分步骤阐述电阻应变片的工作原理。
1. 电阻应变片的基本原理电阻应变片是一种具有高灵敏度的应变测量传感器。
它的工作原理是基于电阻材料在受到应变时电阻值的变化。
电阻应变片最常用的材料是金属，如钨、铂、镍铬合金等。
当应变产生时，电阻片内部的电阻值发生变化，这种变化可以通过电路测量到。
2. 电阻应变片的制作和安装电阻应变片的制作一般采用微机电系统或薄膜技术，将金属薄膜贴在载体上，形成电阻应变片。
为了提高其灵敏度和精度，一般要求电阻片的基底和载体材料要有相同的热膨胀系数。
在土木工程试验中，电阻应变片通常需要粘贴在被测物体表面，固定在应力集中区域。
应变测量传感器的轴向方向一般选择与最大主应力方向相一致，便于精确测量最大主应力的值。
3. 电阻应变片的信号放大和灵敏度校准电阻应变片测量的电阻值变化非常小，需要通过信号放大器来放大测量信号。
信号放大器可以将信号的幅值扩大数百倍，从而提高测量的精度和可靠性。
电阻应变片的灵敏度一般在设计时可以预先调整。
在现场应用时，可以通过灵敏度校准来进一步提高测量的准确度。
灵敏度校准需要在使用额定输入电压的情况下进行，将应变片拉伸到一定程度，然后根据变化的电阻值计算其灵敏度。
4. 电阻应变片的应用范围电阻应变片在土木工程试验中应用广泛，特别是在建筑结构实验中。
应变测量传感器可以被用来衡量结构体的变形、应变和应力，帮助工程师优化结构设计并确保其强度和稳定性。
另外，电阻应变片还可以用于桥梁试验、隧道监测和地基沉降测量等领域。
这些应用领域需要高度精确的应变测量，电阻应变片的高灵敏度和可靠性使其成为首选测量工具。
总之，电阻应变片是一种精确的应变测量传感器，广泛应用于土木工程试验中。
其工作原理基于电阻材料的应变响应，需要用信号放大器才能测量到信号。
电阻应变片可应用于建筑结构实验、桥梁试验、隧道监测等领域，提供精确测量结果。
电阻应变计测量技术
电阻应变计测量技术09工设苏聪（0901********）实验应力分析，是用实验分析方法确定构件在受力情况下的应力状态的学科。
它既可用于研究固体力学的基本规律，为发展新理论提供依据，又是提高工程设计质量，进行失效分析的重要手段，已有多种实验方法。
其中，又以电阻应变计测量技术最为普遍。
电阻应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电阻变化的变换器，一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层构成。
将它安装在构件表面。
构件受载荷作用后，表面产生微小变形，敏感栅随之变形，致使应变计产生电阻变化，其变化率和应变计所在处构件的应变成正比。
测出电阻变化，即可按公式算出该处构件表面的应变，并算出相应的应力。
依敏感栅材料不同，电阻应变计分金属电阻应变计和半导体应变计两大类。
另外还有薄膜应变计、压电场效应应变计和各种不同用途的应变计，如温度自补偿应变计、大应变计、应力计、测量残余应力的应变化等。
电阻应变计测量技术的优点是：①测量精度和灵敏度高；②频率响应好，可测量从静态到数十万赫的动态应变;③测量数值范围广;④易于实现测量的数字化、自动化和无线电遥测；⑤可在高温、低温、高压液下、高速旋转、强磁场和核辐射等环境进行测量；⑥可制成各种传感器，测量力、压力、位移、加速度等物理量，在工业过程和科学实验中用作控制或监视的敏感元件。
电阻应变计的主要缺点是：①一个应变计只能测定构件表面一点在某个方向的应变；②只能测得栅长范围内的平均应变。
测量原理电阻应变测量系统由电阻应变计、电阻应变仪和记录器三部分组成，其工作过程如下：电阻应变计可按下式将构件的应变转换为单位电阻变化：，式中为初始电阻；为该电阻的变化；为轴线方向的应变；为灵敏系数。
电阻应变仪采用电桥或电位差计的测量线路，将电阻应变计的电阻变化转换为电压（或电流）的变化，并经放大后输出。
一般应变测量技术应变测量技术可分为静态应变测量和动态应变测量两类：静态应变测量工作过程如下：应用电阻应变计测量常温下的静态应变时，可达到较高的灵敏度和精度,其最小应变读数为1微应变，一般精度为1%～2%,应变测量范围从1微应变到2万微应变,特殊的大应变电阻应变计可测到结果为20％的应变值。
电阻应变测量原理
电阻应变测量原理
电阻应变测量原理是通过利用电阻在载荷作用下产生的变化来测量物体的应变。
其原理基于电阻材料在受到应力引起形变后，电阻值会发生相应的变化。
具体而言，电阻应变测量原理可以分为配电式和全桥式测量两种。
配电式电阻应变测量原理基于电阻应变材料的电阻值与其长度成正比的关系。
当应变材料受到外力作用而产生应变时，其长度会发生变化。
由于电阻材料的电阻与其长度成正比，因此材料的电阻值也会发生改变。
通过测量电阻的变化，就可以推断出物体所受到的应变。
全桥式电阻应变测量原理则是通过构建一个电桥电路来测量电阻的变化。
这类电桥电路通常由四个电阻构成，其中一个电阻是电阻应变材料。
当应变材料受到外力作用产生应变时，其电阻值发生变化，破坏了电桥平衡条件。
通过调节其他电阻的阻值，使得电桥重新平衡，通过测量调节电阻的变化，就能得到物体所受到的应变。
总的来说，电阻应变测量原理是利用电阻材料在受到应力引起形变后，其电阻值会发生变化的特性来测量物体的应变。
无论是配电式还是全桥式，都是基于电阻的变化来推断出物体所受到的应变。
电阻应变测试技术在土木工程中的应用
电阻应变测试技术在土木工程中的应用
电阻应变测试技术是一种非常重要的土木工程测试技术，它可以用来测量材料的应变和应力，从而评估材料的强度和稳定性。
在土木工程中，电阻应变测试技术被广泛应用于各种结构的设计和评估中，包括桥梁、隧道、建筑物、水坝等。
电阻应变测试技术的原理是利用电阻应变计来测量材料的应变。
电阻应变计是一种敏感的电阻器，它可以测量材料的微小变形，从而计算出材料的应变。
在测试过程中，电阻应变计被粘贴在材料表面，当材料受到应力时，电阻应变计的电阻值会发生变化，从而可以计算出材料的应变。
电阻应变测试技术的优点是非常显著的。
首先，它可以测量材料的应变，从而评估材料的强度和稳定性。
其次，它可以在实验室和现场进行测试，非常方便。
最后，它可以测量各种材料的应变，包括金属、混凝土、木材等。
在土木工程中，电阻应变测试技术被广泛应用于各种结构的设计和评估中。
例如，在桥梁设计中，电阻应变测试技术可以用来测量桥梁的应变，从而评估桥梁的强度和稳定性。
在隧道设计中，电阻应变测试技术可以用来测量隧道的应变，从而评估隧道的强度和稳定性。
在建
筑物设计中，电阻应变测试技术可以用来测量建筑物的应变，从而评
估建筑物的强度和稳定性。
在水坝设计中，电阻应变测试技术可以用
来测量水坝的应变，从而评估水坝的强度和稳定性。
总之，电阻应变测试技术是一种非常重要的土木工程测试技术，它可
以用来测量材料的应变和应力，从而评估材料的强度和稳定性。
在土
木工程中，电阻应变测试技术被广泛应用于各种结构的设计和评估中，包括桥梁、隧道、建筑物、水坝等。
土木工程测试技术-应变片测量技术
土木工程测试技术—电阻应变片测量技术摘要：当今，在工程结构试验中，电阻应变片测量技术仍是应用最广泛和最有效的应力测量技术，并且在现今的工程结构健康监测方面也发挥着积极的作用。
由电阻应变片制成的各种电阻应变式传感器，在各个工程行业中也发挥着极其重要的作用。
本文简单的介绍下电阻应变片测量技术的发展史及其在目前建筑等行业中的应用。
关键词：电阻应变片传感器横向效应应变片的灵敏度系数电阻应变片是电阻应变测量的传感元件。
用电阻应变片进行测量时，一般将应变片粘贴于构件表面，当构件受力变形时，应变片亦随之变形，变化的结果将导致应变片的电阻变化。
测量出这种变化，并转换成相应的应变，即实现非电量的电测。
电阻应变片具有结构简单、性能稳定可靠、灵敏度高、频率范围广的特点。
此外，将电阻应变片粘贴到各种弹性元件上还可以制成能测量位移、力、力矩、扭矩和加速度的传感器，因而，电阻应变片是使用最为广泛的应变测量器件。
电阻式传感器的电阻变化量 R通常很小,所以转换的信号是微弱的,需要经过调理放大后驱动显示。
电阻应变片国内习惯称为电阻应变计，简称应变计或应变片，它是在第二次世界大战结束的前后出现的，已经有六七十年的历史了。
作为一个敏感元件，其测量方法的技术已经十分成熟了。
现今，随着应用光纤传感器等其他测量技术的发展，有些人认为应用电阻应变计的电测技术已趋于老化。
这是一种误解，电阻应变计使用于空间（高真空、深低温）、海水中（高压、流水中）、土中等广泛的计测范围。
适用结构对象有航空、航天器、原子能反应堆、发动机、汽车、机车车辆和轨道、架线；船舶。
桥梁、道路、大坝以及各种建筑物、机场、港湾设施等；适用的材料，由开始时的钢铁和铝等各种金属材料，到木材、塑料、玻璃、土石类、复合材料，并且，它不仅适用于室内实验、模型实验，还可以在现场对实际结构或部件进行测量。
这些特点是任何一种传感元件或传感器所不能比拟的。
另外它在今后对结构和设备的安全监护方面也有广泛的应用前景。
电阻应变测试技术
电阻应变测试技术在土木工程中的应用现状我国现在进行世界上规模最大的基本建设。
这样优越的条件以为世人所关注，电阻应变测试技术也越来越多的应用到公路、桥梁等土木工程中。
一、应用现状尽管材料力学、结构力学和弹性理论在解决工程结构的应力分析方面已经相当地成熟，而且由于结构的矩阵分析方法和有限元的研究和应用，把解决工程问题的范围又向前大大地推进了一步使得很多过去用传统的分析方法不容易解决和不能解决的问题都可以比较满意的获得解答，但是应该承认还有不少实际问题暂时还处于不能求解的状况。
不论是用传统的方法或者是用现代的数值方法，对于那些复杂的工程结构所求得的解都需要通过实验的检验才能做出最后的结论。
此外，由于结构的工作条件（如外载、环境等）以及结构本身的性状一般都带有随机性，因而需要通过实验的手段获得大量的、长期的统计资料，方能作为分析的依据。
早期的电测方法主要用于测量常温下物体的表面应变，但近些年来在高温和低温、动态应变和各种动力学参数、各种性质的介质环境、极大的加速度、高压力、强辐射以及遥感测试技术等方面都得到了很好的应用。
在实验应力分析科学的领域内还有不少其它的新技术。
不同的方法可能在不同的条件下显示出其优越性，但是在土木工程中用途最广泛和适应能力最强的还是电测法。
应变测试是桥梁、建筑工程等结构试验的一项重要内容。
当前，尽管已有各种预埋式混泥土应变传感器应用于混凝土内部的应变测试，以提高测试的可靠性，但由于现场测试条件的限制，目前的结构试验如大型建筑、桥梁等结构在荷载作用下的现场应变测定以及室内的模型试验仍大量采用表面应变测试。
一般常用的表面应变测试手段可分为机测和电测两类，机测主要用于千分表、手持式应变仪等，电测则大量采用电阻应变片等，由于机测灵敏度低，一般作辅助手段，应变片的灵敏度则高出千分表数倍，常用做主要手段。
电测法所使用的仪器和设备主要有三部分，即电阻片、电阻应变仪和指示记录仪器。
电测法就是用牢固的粘贴在分析对象上的电阻片将被测量的应变转换成电学量，经过电阻应变仪的放大后再将电信号书给指示记录仪器，完成对应变的指示或记录。
电阻应变测量及方法
Kx、K y
分别为应变片轴向和横向灵敏系数。 (R R) y (R R) x Kx Ky
x
y
横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数H。
Kx H 100% Ky
（四）热输出（ t）
将应变片安装在自由膨胀的构件上，无外力作用，当 环境温度变化时，则输出一定的指示应变，称为热输 出，用 t 表示。 产生原因： （1）由于温度变化，敏感栅材料的电阻率发生变 化（温度效应）； （2）敏感栅材料与被测构件材料之间的线膨胀系 数不同。
五、电阻应变片的分类 电阻应变片按敏感栅材料不同可分为金属电阻应变片 和半导体应变片。本课仅介绍金属电阻应变片。
（一）丝绕式应变片
敏感栅是用直径为0.01~0.05毫 米的铜镍合金或镍铬绕制而成。 缺点：其横向效应大，测量精度较差，应变片性能分 散。 优点：基底、盖层均为纸做成，价格便宜，易安装。
敏感栅型式 用于测量单向应变。 单轴应变片—敏感栅只有一根轴线。 应变花： 双轴—二轴 90 三轴—三轴 45
用于测量平面应力状态。
六、电阻应变片的常规使用技术 （一）电阻应变片的选择 1、测试环境：温度、湿度、磁场 2、应变性质 静态应变—选择H小的应变片 动态应变—选择疲劳寿命好的应变片。 3、应变梯度 应变场均匀—对应变片栅长没要求，可 选栅长大的应变片，容易贴。 应变梯度变化大—选栅长小的应变片。 4、测试精度
式中： 为导线材料泊松比。
dR d (1 2 ) R
二、电阻应变片的构造 电阻应变片由敏感栅、引线、基底、盖层、粘结剂组 成。其构造如图所示：
敏感栅：用合金丝或合金箔制成的栅。 作用：将 R R 栅长L：指两端圆弧内侧或两端横栅内侧之间的 距离，一般为0.2~100mm。
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10课件
10
§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（1）灵敏系数 灵敏系数：单向受力状态下，敏感栅纵向中心线与应力方向平 行时，应变片电阻值的相对变化与沿其纵向的应变之比值
R
k
R
X
电阻丝端头横向变形，电阻应变片的实际灵敏度K≤K0。实际工作中 一般采用标定的方法确定应变片的灵敏度。
11课件
' X
R R
K
KX K
X HY X 1 H
X HY 1 H
(4)
相对误差为
H
' X
X
X
X
1
H H
Y
X
X
H
1 H
Y X
(5)
13课件
13
§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
b
（3）应变片的规格——几何参数
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
理论推导分析
大应变时dρ/ρ/ε，通常不是常数； 但对于康铜等少数几种电阻丝而言， dρ/ρ/ε基本为定值,因此它们可 用于大应变（≥8000~10000με）的量测，可以满足一般工程中应变测试 的要求。 半导体的dρ/ρ/ε通常>100
实际情形
电阻丝端头横向变形 基底传递变形的影响 电阻应变片的实际灵敏度K≤KS。实际工作中一般采用标定的方法确 定应变片的灵敏度。
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性 （5）机械滞后 机械滞后：恒温时，在加、卸载过程中对同一机械应变分别测得的 指示应变间的最大差值。
产生原因:金属丝、粘贴计、基底等的残余变形，在测试时尚未完 全释放。
消除方法：采用优质片，正确选择粘合剂及粘贴工艺。如用于制造 传感器，标定前应作循环加载以消除滞后影响。
向应变方向的同批应变片的指示的应变之比值（用百分数表
示）。
H
'y 'x
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12
§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（2）横向效应的影响 不考虑H
R R
KXX
(1)
考虑H：
R R
KX
( X
HY )
(2)
实测的灵敏度K
K
R R
X
KX
X H X
X
KX
1
H
(3)
设此时测点的真实应变为εx 、εy，实测应变为ε’x 、，由式2、3得。
1课件
1
§3-0 概述
基本原理
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。 待测非电量ε电阻变化△R应变值 ε
①感受应变：ε △R ②测量△R：应变仪
将应变片的△ R → △ U或△ I ，惠斯顿电桥 放大器 输出应变值
L
注意：尽量选用L大、 b小的应变片。
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正视图
电阻丝
引线 接线端子
14
§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性 （4）应变片电阻值 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120Ω、 240Ω。一般应变仪是按120Ω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120±0.6Ω。
电阻 丝
覆盖 层
基底
引线
接线端子
侧视图
6
§3-1 电阻应变片
3 分类
(1)金属类 ①金属丝式应变片。 丝绕式、短接式 Φ0.01-0.03mm ，响应时间为10-7s， 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。
7课件
7
§3-1 电阻应变片
3 分类
(1)金属类 ②箔式应变片 3- 10μm厚的康铜或其它合金膜，光刻印刷。 照相腐蚀成形法，集成电路制造技术。目前主要使用的一种传感器。 横向效应小，散热好于丝式。 ③薄膜式应变片：800℃ 厚度≤0.1μm的金属薄膜，真空电镀制造，用于高温等特殊条件
2课件
2
§3-1 电阻应变片
1 工作原理
电阻应变效应 以丝式应变片为例
dA 2 dr Ar
R L
A
dR R
dL L
dA A
d
dr dL
r
L
dR R
(1 2 )
d
d m dV
V
dV (1 2)
V
dR / R [1 2 m(1 2 )] K0
3课件
3
§3-1 电阻应变片
（1）电阻丝：敏感材料，关键性 部分。
要求：电阻率大，应变电阻系 数大，温度电阻系数小，压延 性好。
材料：铜镍、镍铬、铁铬铝等 高阻合金。
（2）基底与覆盖层：
作用：定位，传力，保护
要求：绝缘，强度大，易粘贴， 蠕变小，滞后小，防潮，热稳 定，温度应变小。
材料：纸基、胶基、纸浸胶基
正视图
（3） 引线与接线端子：Φ0.150.18的镀锡（铱、银）软铜线。 6课件
R R
K
L L
K x
K R / R
x
4课件
4
§3-1 电阻应变片
例题：等强度梁静态应变测试
采用等强度钢梁，钢梁的μ=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120Ω变为120.12Ω，求 得应变片的实际灵敏度K。
⑴ △R/R: –△R/R=（120.12-120）/120=0.001
⑵ε:
梁高 h=5mm
P
– σ=E ε=Mh/2I
(1)
– f=-ML2/3EI
(2)
梁长 L=150mm
–(1) /(2):ε=-3hf/2L2 =0.0005
⑶K:
–K= △R/R/ ε=2
5课件
5
§3-1 电阻应变片
2 构造
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§3-1 电阻应变片
4 应变片的参数和工作特性
（2）横向效应 由于横向应变使得应变片的总电阻变化量减小的现象，降低灵 敏度，称横向效应。横向效应用横向效应系数描述H。 横向应变
y x
H通过实际测定，一般较小，只有高精度测量才考虑修正。
在同一单向应变中，垂直与单向应变粘贴的应变片与平行与单
8课件
8
§3-1 电阻应变片
3 分类
（2）半导体式应变片（压阻效应） 半导体材料，根据压阻效应制成。 灵敏系数高，K>100，可直接用万用表测 出现于50年代中期 应变响应时间仅有10-11s 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。
9课件
9
§3-1 电阻应变片
3 分类
（3）应变花 应变花：在一个基底上有几个按一定角度排列的敏感栅的应变片。 测量主应力方向未知条件下平面应力状态。 自补偿应变片：用于高低温和温差大的条件