1、第三章第三章 结构应力测试结构应力测试一、结构应力测试原理及方法一、结构应力测试原理及方法应力测试原理：进行结构测点应变的测试，然后利用胡克定律，得到测点的应力测试原理：进行结构测点应变的测试，然后利用胡克定律，得到测点的 应力；应力；应力测试方法：电测法、机测法、光测法。应力测试方法：电测法、机测法、光测法。二、钢弦传感器测试结构应变二、钢弦传感器测试结构应变1、钢弦传感器结构、钢弦传感器结构按布设位置分类：内置钢弦、表面钢弦；按布设位置分类：内置钢弦、表面钢弦；按性能分类：智能钢弦、普通钢弦；按性能分类：智能钢弦、普通钢弦；表面钢弦结构：钢弦、底座、引出线；表面钢弦结构：钢弦、底座、引出线
2、；内置钢弦结构：钢弦、引出线；内置钢弦结构：钢弦、引出线；2、钢弦传感器测试应变原理、钢弦传感器测试应变原理 钢弦传感器是一种间接测量仪器，其测试原理是通过测试两端固定钢弦传感器是一种间接测量仪器，其测试原理是通过测试两端固定钢弦的频率，通过事先标定的钢弦频率与其应变的关系值得到混凝土的钢弦的频率，通过事先标定的钢弦频率与其应变的关系值得到混凝土的应变，再根据混凝土弹性模量换算出混凝土应力。钢弦式应变传感器工应变，再根据混凝土弹性模量换算出混凝土应力。钢弦式应变传感器工作原理是：在微幅振动条件下，钢弦的自振频率与钢弦应力有如下关系：作原理是：在微幅振动条件下，钢弦的自振频率与钢弦应力有如下关系
3、： 式中：式中：f钢弦的自振频率；钢弦的自振频率； L钢弦的自由长度；钢弦的自由长度； 钢弦应力；钢弦应力； 钢弦的质量密度。钢弦的质量密度。 上式可变换为：上式可变换为： =kf2 式中：式中：k常数。常数。Lf21 从上式可发现，钢弦应力与其自振频率的平方成正比，常数从上式可发现，钢弦应力与其自振频率的平方成正比，常数k可通可通过标定求得。过标定求得。 实用弦式应变传感器均经过标定得到应变一频率关系：实用弦式应变传感器均经过标定得到应变一频率关系： 式中：式中：k、A常数；常数； f0初始频率。初始频率。)(202Affk3、利用钢弦传感器进行应变测试算例、利用钢弦传感器进行应变测试算例
4、有一混凝土简支梁，跨度为有一混凝土简支梁，跨度为3米，在跨中上、下翼缘各布置一表面钢弦米，在跨中上、下翼缘各布置一表面钢弦传感器，混凝土弹性模量为传感器，混凝土弹性模量为210104 4MPaMPa，上翼缘钢弦初始读数为，上翼缘钢弦初始读数为2000HZ2000HZ、加、加载后读数为载后读数为1900HZ1900HZ，下翼缘，下翼缘钢弦初始读数为钢弦初始读数为2150HZ、加载后读数为、加载后读数为2200HZ，钢弦系数钢弦系数K为为0.0008937，试计算此时上、下翼缘混凝土应力？，试计算此时上、下翼缘混凝土应力？解：由应变增量公式解：由应变增量公式=k(f22- f12)，上、下翼缘混凝
5、土应变增量分别为：，上、下翼缘混凝土应变增量分别为：上翼缘：上翼缘：=k(f22- f12)=0.0008937(19002-20002)=-448.5 下翼缘：下翼缘：=k(f22- f12)=0.0008937(22002-21502)=154.4 根据胡克定律根据胡克定律=E，得到上下翼缘的应力：，得到上下翼缘的应力：上翼缘：上翼缘：=E= -448.510-63.5104=-15.7MPa上翼缘：上翼缘：=E= 154.410-63.5104=5.4MPa答：上、下翼缘应力增量分别为答：上、下翼缘应力增量分别为-15.7MPa、5.4MPa三、应变片测试结构应变三、应变片测试结构应变1
6、、应变片结构及分类、应变片结构及分类分类：纸基、胶基；分类：纸基、胶基；规格：规格：35mm5mm、3 33mm3mm、5 5100mm100mm、5 5150mm150mm等等；等等；结构：结构：电阻丝丝栅电阻丝丝栅 、基底、基底 、覆盖层、覆盖层 、引出线、引出线 、粘结剂、粘结剂 ；2、应变片测试结构应变原理、应变片测试结构应变原理 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随其变形而发生改变(电阻应变效应）。电阻应变效应）。 由于应变片和结构粘贴在一起，当结构伸长或缩短时，其长度也会发生
7、由于应变片和结构粘贴在一起，当结构伸长或缩短时，其长度也会发生变化，从而引起应变片电阻的变化，电阻变化会引起电路中电压变化，通变化，从而引起应变片电阻的变化，电阻变化会引起电路中电压变化，通过测试仪器，可测得此电压变化。过测试仪器，可测得此电压变化。AlR2AdAldldRdR电阻丝的横截面为圆形，式中电阻丝的横截面为圆形，式中 ,D,D为电阻丝的直径，为电阻丝的直径，由材料力学得知：轴向应变和横向应变的关系为：由材料力学得知：轴向应变和横向应变的关系为：K K0 0的物理含义：单位应变引起的相对电阻变化率。为电阻应变片的的物理含义：单位应变引起的相对电阻变化率。为电阻应变片的灵敏系数，一般在
8、灵敏系数，一般在1.7-3.61.7-3.6间。间。一定范围内，应变片的电阻变化率与应变成正比。一定范围内，应变片的电阻变化率与应变成正比。241DADDAAd2dLLDDdd2d2dLLAA0)d/d21d)21 (dKLLRR（3、电阻应变仪及测量电路、电阻应变仪及测量电路（1）、电阻应变仪）、电阻应变仪 由电阻应变片的工作原理可知：当由电阻应变片的工作原理可知：当K=2.0，被测量的机械应变为，被测量的机械应变为10-310-6时，时， 。这个信号很微弱，用量电器检测很困。这个信号很微弱，用量电器检测很困难，要借助于放大器放大，而电阻应变仪就是电阻应变片的专用放大器及难，要借助于放大器放
9、大，而电阻应变仪就是电阻应变片的专用放大器及量电器。其主要组成为：振荡器、测量电路、放大器、相敏检波器、电源量电器。其主要组成为：振荡器、测量电路、放大器、相敏检波器、电源等部分组成。应变仪的测量电路一般采用惠斯登电桥，把电阻变化转换为等部分组成。应变仪的测量电路一般采用惠斯登电桥，把电阻变化转换为电压或电流的变化，并解决了温度补偿问题。电压或电流的变化，并解决了温度补偿问题。 进行静力测试的为静态电阻应变仪，进行动力测试的为动态电阻应变进行静力测试的为静态电阻应变仪，进行动力测试的为动态电阻应变仪；仪；63102102kRR（2）、电桥原理）、电桥原理惠斯登电桥惠斯登电桥 ：R1R2R3R4
10、UUBDACBD在电阻应变仪中，主要是通过惠斯登电桥原理来量测应变所引起的电阻在电阻应变仪中，主要是通过惠斯登电桥原理来量测应变所引起的电阻变化的微小信号。该电桥以变化的微小信号。该电桥以R1、R2、R3、R4作为四个桥臂，如图所示。作为四个桥臂，如图所示。桥路中桥路中R1与与R2，R3与与R4分别串联，两组并联于分别串联，两组并联于AC两端，在两端，在AC端接有电源，端接有电源，一般应变电桥有两种方案，一种是等臂电桥，即一般应变电桥有两种方案，一种是等臂电桥，即R1=R2=R3=R4；另一种为半等臂电桥，即另一种为半等臂电桥，即R1=R2=R, R3=R4=R,且且R= R。若将若将R1、R
11、2、R3、R4看成四个应变片，组成全桥接法，根据基尔霍夫定看成四个应变片，组成全桥接法，根据基尔霍夫定律可知：律可知： BD间输出电压为间输出电压为UBD=UBC-UDC,即：即： 由惠斯登电桥原理可知，当电桥平衡（即由惠斯登电桥原理可知，当电桥平衡（即UBD=0）时，满足以下条件：）时，满足以下条件：即：即：URRRUBC212URRRUDC434URRRURRRUBD434212URRRRRRRR)(4321413204132RRRR当电桥接成当电桥接成1/4电桥时，即电桥时，即R1受到应变后，阻值有微小增量受到应变后，阻值有微小增量R1，这时电，这时电桥输出电压也有增量桥输出电压也有增量
12、UBDURRRRRRRRRUBD)()(432141132当电桥接成全电桥时，即当电桥接成全电桥时，即R1、R2、R3、R4受到应变后，阻值有微受到应变后，阻值有微小增量小增量R1、R2、R3、R4，这时电桥输出电压也有增量，这时电桥输出电压也有增量UBD：)()(44332211432132RRRRRRRRRRRRRRUUBD在全等臂电桥情况下，即在全等臂电桥情况下，即R1=R2=R3=R4=R；且应变片的灵敏系数且应变片的灵敏系数K=K1=K2=K3=K4，则有：当电桥为，则有：当电桥为1/4桥臂时，桥臂时， 141UKUBD当电桥为半桥时，当电桥为半桥时， )(4121UKUBD当电桥为
13、全桥接法时当电桥为全桥接法时 )(414321UKUBD从上边式子可以看出：电桥输出电压的增量从上边式子可以看出：电桥输出电压的增量UUBDBD与桥臂电阻变化率与桥臂电阻变化率RR 或应变或应变成正比例，输出电压与四个桥臂应变的代数和成线性关系。成正比例，输出电压与四个桥臂应变的代数和成线性关系。由此可以看出电桥的增减特性，即相邻两桥臂的应变输出符号相反，由此可以看出电桥的增减特性，即相邻两桥臂的应变输出符号相反，相对桥臂的应变输出符号相同。相对桥臂的应变输出符号相同。利用这一特性，可以提高测量的灵敏度和解决温度补偿问题。利用这一特性，可以提高测量的灵敏度和解决温度补偿问题。桥路的不平衡输出，
14、与两相对桥臂上应变之和成线性，桥路的不平衡输出，与两相对桥臂上应变之和成线性，且与两相邻桥臂上应变之差成线性，这种利用桥路的不平衡输出且与两相邻桥臂上应变之差成线性，这种利用桥路的不平衡输出进行测量的电桥称为不平衡电桥，属于偏位测量法，适用于动态应变测量。进行测量的电桥称为不平衡电桥，属于偏位测量法，适用于动态应变测量。（3）、平衡电桥）、平衡电桥R1为工作片，为工作片，R2为温度补偿片，为温度补偿片，R3和和R4由滑线电阻由滑线电阻acac代替，代替，触点触点D D平分平分acac。且使桥路。且使桥路R1=R2=R， R3= R4=R。根据惠斯登电桥，。根据惠斯登电桥，桥路处于平衡状态时有：
15、桥路处于平衡状态时有：4132RRRR 当构件受力变形后，当构件受力变形后，R R1 1有微小变量有微小变量RR1 1，此时桥路失去平衡调整，此时桥路失去平衡调整触点触点D D使桥路重新恢复平衡新平衡的条件为：使桥路重新恢复平衡新平衡的条件为：)()(32411rRRrRRR整理得整理得：RrRR 21 即：即：RKr 2由此可见，滑线电阻的变化量可用以度量工作电阻的应变量，由此可见，滑线电阻的变化量可用以度量工作电阻的应变量，此法称为零位测定法。用于静态电阻应变仪。此法称为零位测定法。用于静态电阻应变仪。R1R2R3R4r rD4、应变片温度补偿、应变片温度补偿 应变片温度效应：用电阻应变片
16、测量应变时，应变片除了能感受试件应变片温度效应：用电阻应变片测量应变时，应变片除了能感受试件受力应变外，由于环境温度变化的影响，同样也能通过应变片的感受而引受力应变外，由于环境温度变化的影响，同样也能通过应变片的感受而引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。 产生温度效应的原因：温度变化从两个方面使应变片的电阻值发生变产生温度效应的原因：温度变化从两个方面使应变片的电阻值发生变化。第一是电阻丝温度改变化。第一是电阻丝温度改变t时，其电阻将会随之改变时，其电阻将会随之改变Rt，即：，即：式中：式中：丝丝电阻丝的电阻温度系数（电
17、阻丝的电阻温度系数（1/）；）；第二是因为材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，但二者又粘在一第二是因为材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，但二者又粘在一起，当温度改变起，当温度改变t时，引起附加电阻的变化，即：时，引起附加电阻的变化，即：RtRt丝1RKtRt）丝构(221tttRRR 总的温度应变效应为两者之和。这种温度效应所产生的应变称为总的温度应变效应为两者之和。这种温度效应所产生的应变称为“视应变视应变”。根据桥路原理有：根据桥路原理有：ttBDKURRUU44当应变片的电阻丝为镍铬合金时，温度变化当应变片的电阻丝为镍铬合金时，温度变化1，将产生相当于，将产生相当于钢材应力为钢材应
18、力为14.7N/mm2的示值，这个量不能忽视，必须加以消除。的示值，这个量不能忽视，必须加以消除。而消除温度效应的方法称为温度补偿而消除温度效应的方法称为温度补偿。温度补偿的方法有两种：应变片自补偿法和桥路补偿法。较常用的是桥路温度补偿的方法有两种：应变片自补偿法和桥路补偿法。较常用的是桥路补偿法。补偿法。 桥路补偿法：利用电桥的加减特性，当电桥的两个相邻桥臂的电阻相桥路补偿法：利用电桥的加减特性，当电桥的两个相邻桥臂的电阻相同时，反映在电桥输出上起了相互抵消的作用。桥路补偿又分温度片补偿同时，反映在电桥输出上起了相互抵消的作用。桥路补偿又分温度片补偿和工作片补偿法。和工作片补偿法。 温度片补
19、偿法：在测量时，选一块与被测材料相同的材料作为温度补温度片补偿法：在测量时，选一块与被测材料相同的材料作为温度补偿块，在它上面粘贴于工作应变片同一类型、同一阻值、同一灵敏系数的偿块，在它上面粘贴于工作应变片同一类型、同一阻值、同一灵敏系数的应变片，并使它处于与工作片相同的温度梯度条件下，但不使其受力，然应变片，并使它处于与工作片相同的温度梯度条件下，但不使其受力，然后将其接在与工作片相邻的桥臂上，即可达到温度补偿的目的。后将其接在与工作片相邻的桥臂上，即可达到温度补偿的目的。 R1R2R3R4桥路温度片补偿桥路温度片补偿R1为工作片粘贴在试件上，为工作片粘贴在试件上，R2为温度补偿片粘贴在补偿
20、块上，为温度补偿片粘贴在补偿块上，R3、R4为精密无感电阻，为精密无感电阻， tRRR, 11电阻变化为2R电阻变化为电阻变化为tR,21211, 2, 114)(44KUKURRRRUUttttBD 由此可见，测量结果仅为测试对象受力后产生的应变值，由此可见，测量结果仅为测试对象受力后产生的应变值，温度变化对电桥输出没有影响，达到了温度补偿的目的温度变化对电桥输出没有影响，达到了温度补偿的目的 工作片补偿法工作片补偿法:测量时，如果在被测构件上能找到应变符号相反，比例关系已知、测量时，如果在被测构件上能找到应变符号相反，比例关系已知、温度条件相同的两个测点，在这两个测点上各粘贴一个工作应变片
21、，温度条件相同的两个测点，在这两个测点上各粘贴一个工作应变片，例如在悬臂梁同一截面上下各粘贴一片接在相邻桥臂上，在等臂条件例如在悬臂梁同一截面上下各粘贴一片接在相邻桥臂上，在等臂条件下可实现温度补偿。下可实现温度补偿。R1R2R3R45、应变片桥路联结、应变片桥路联结在荷载试验量测中，应变片与电桥的连接有半桥与全桥两种接线方法。在荷载试验量测中，应变片与电桥的连接有半桥与全桥两种接线方法。（1）半桥式接线方法）半桥式接线方法 拉伸、压缩应变测量拉伸、压缩应变测量温度片补偿法温度片补偿法 工作片互为补偿法工作片互为补偿法14KUUBD1仪114）（ KUUBD1111）（）（仪弯曲应变测量弯曲应
22、变测量 温度片补偿法温度片补偿法 工作片互为补偿法工作片互为补偿法14KUUBD11121244KUUKUUBD）（）（1仪1112）（仪(2)、全桥接法、全桥接法拉伸、压缩应变测量拉伸、压缩应变测量 12KUUBD12仪112）（ KUUBD1111112)(）（）（仪弯曲应变测量弯曲应变测量 11143211)1(44UKUKUUBD）（）（111114)(）（仪习题：习题：1、说出采用应变片测试结构应变进行温度补偿的原因及方法、说出采用应变片测试结构应变进行温度补偿的原因及方法 ；2、把课件中采用钢弦传感器计算结构应力的计算步骤、公式搞清楚；、把课件中采用钢弦传感器计算结构应力的计算步骤、公式搞清楚；3、掌握钢弦传感器测试应力的原理及方法。、掌握钢弦传感器测试应力的原理及方法。
