应变测试方法.docx
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应变测试方法
应变测试方法
电阻应变测试
1.电阻应变测量技术是用电阻应变片测量构件的外表应变，再根
据应力一应变关系确定构件外表应力状态的一种实验应力分析方法。
用电阻应变片测量应变的过程：
2.分类：
（1）静态测量：
对永远恒定的载荷或短时间稳定的载荷的测量。
（2）动态测量：
对载荷在2〜1200HZ范围内变化的测量。
3.电阻应变测量方法的优点
（1）测量灵敏度和精度高。
其最小应变读数为1^£（微应变，
1卩£=10-6£）在常温测量时精度可达1〜2%
（2）测量范围广。
可测1卩£〜20000卩£。
（3）频率响应好。
可以测量从静态到数十万赫的动态应变。
（4）应变片尺寸小，重量轻。
最小的应变片栅长可短到
毫米，安装方便，不会影响构件的应力状态。
（5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。
（6）可在各种复杂环境下测量。
如高、低温、高速旋转、强磁
场等环境测量。
4.电阻应变测量方法的缺点
（1）只能测量构件的外表应变，而不能测构件的内部应变。
（2）—个应变片只能测构件外表一个点沿某个方向的应变，而
不能进行全域性测量。
电阻应变片
1.电阻应变片的工作原理
由物理学可知：
金属导线的电阻率为
‘L
R=—
A
当金属导线沿其轴线方向受力变形时（伸长或缩短），电阻值会随之发生变化（增大或减小），这种现象就称为电阻应变效应。
将上式取对数并微分，得：
dLdA
dR
LA
（12）
2.
电阻应变片的构造
如下图
Jex引箜
3.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。
其中金属电阻应变片分为：
（1）丝绕式应变片:
敏感栅是用直径为〜
毫米的铜镍合金或镍铬绕制而成。
优点：
基底、盖层均为纸做成，价格廉价，易安装。
缺点：
其横向效应大，测量精度较差，应变片性能分
（2）短接式应变片:
将金属丝平行排成栅状，JxEEj
端部用粗丝焊接而成。
!
优点：
横向效应小，制造时敏感栅形状易保证，测量精度高。
缺点：
焊点多，疲劳寿命较低。
⑶箔式应变片:
敏感栅采用的是毫米的铜镍合金
或镍铬合金的金属箔，采用刻图制板、光刻及腐蚀等工艺制作。
优点：
1制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形
状，以适应不同的测量要求；
2敏感栅截面为薄而宽的矩形，其外表积即粘合面积大，传递试
件应变性能好；
3横向效应好，可忽略；
4散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号;
5蠕变、机械滞后较好，疲劳寿命高。
（4）薄膜应变片：
薄膜应变片是薄膜技术开展的产物，其厚度在
0.1mm以下。
它采用真空蒸发法，将电阻材料蒸镀在基地上制成敏感栅而形成应变片。
这种应变片灵敏系数高，易于规模生产，是一种很有前途的新型应变片。
4.电阻应变片的主要性能
（1）应变片电阻（R）:
指应变片在未经安装、不受力的情况下，于室温时测定的电阻值。
常用的应变电阻值R二1201
（2）灵敏系数（K）:
在单向应力作用下，应变片的电阻相对变化
与试件外表沿应变片轴线方向的应变之比值，称为应变片的
注意：
K值是应变片的主要参数，它取决于敏感栅的材料、型式、几何尺寸、基底、粘结剂等多种因素。
通常由制造厂在专用设备上标定给出K值。
常用的〜24
⑶横向效应系数（H）:
应变片的敏感栅除有纵栅外，还有圆弧或直线形的横栅。
横栅主要对垂直于应变片轴线方向的横向应变敏感，因而应变片指示应变中包含有横向应变的影响，这就是应变
片的横向效应。
将应变片置于平面应变场中，沿应变片轴线方向的应变为，
（4）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，那么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。
设温度变化为△T,且应变片的灵敏系数K随温度变化可略去，
那么应变片的热输出为
（5）稳定性:
它是反映应变片长期静态工作能力的重要性能，常用
电阻漂移值和蠕变大小来表示。
（1）应变片的电阻值漂移:
指在工作温度恒定，安装在未受外力作用的构件上，其应变片电阻值随时间的变化。
产生漂移原因：
由于敏感栅、基底、粘结剂等材料在应变片的
制造或安装过程中，内部形成的应力缓慢释放所致。
（2）应变片的蠕变:
指在工作温度恒定，安装在承受外力，但变形恒定的构件上的应变片电阻值随时间的变化。
产生原因：
粘结剂与基底在传递应变时出现滑动所致。
（6）
机械滞后（Zj）:
在恒定温度下，对安装有应变片的试件加载一卸载。
以试件的机械应变£j为横坐标，应变片的指示应变£i为
纵坐标绘成曲线，加载与卸载曲线不重合，后。
机械滞后量：
以加载曲线与卸载曲线中两个指示应变的最大差值Z来表示。
产生原因：
敏感栅、基底和粘结剂在承受机械应变后产生剩余变形所致。
消除：
在正式测试前，反复加一卸载n次。
（7）应变极限（£lim）：
在恒定温度下，对安装有应变片的试件逐渐
加载，直至应变片的指示应变与试件的机械应变的相对误差到达
10%此时，机械应变即作为该应变片的应变极限。
—般情况下，£lim>800卩£
（8）绝缘电阻（Rm）：
应变片的绝缘电阻时指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
一般情况下,Rm>500MQ.
为使Rm提高，可选用绝缘性能好的粘结剂和基底材料。
（9）疲劳寿命（N）:
在幅值恒定的交变应力作用下，应变片连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。
疲劳损坏：
（1）敏感栅或引线发生断路；
（2）应变片输出幅值变化到达10%
（3）应变片输出波形上出现尖峰。
5.电阻应变片的常规使用技术
（1）电阻应变片的选择
1、测试环境：
温度、湿度、磁场
2、应变性质:
静态应变一选择H小的应变片
动态应变一选择疲劳寿命好的应变片。
3、应变梯度:
应变场均匀一对应变片栅长没要求，可
选栅长大的应变片，容易贴。
应变梯度变化大一选栅长小的应变片。
4、测试精度:
（2）应变片的粘贴
1、检查和分选应变片；
2、粘贴外表的准备；
3、贴片；
4、固化；
5、测量导线的焊接与固定；
6、检查。
光纤Bragg光栅测试法（简称光纤法）
1.光纤Bragg光栅传感器（简称光纤光栅传感器）测试原
理
裸光纤光栅传感器是一种未经封装的传感元件，它以裸光纤
为载体，通常由纤芯和外面的保护层组成。
其中纤芯的直
径仅为0.125mm，光线在其内部进行全反射传播。
当芯层
折射率受到周期性调制后，即成为Bragg光栅。
/入射］
AoTO
於m刁心性欄再S卩f芯g
紫外丸千
图2光纤Bnigg光栅测量原理图
Bragg光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心
波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此中心波长称之为Bragg波长入B。
入B=2neffA
式中，neff为光纤光栅的有效折射率；A为光栅周期。
如果拉伸或压缩光纤，neff和A都会发生变化，Bragg波长就会发生变化。
通过光纤光栅解调仪监测光栅反射光的波长，并通过相应的程序
对测试数据进行计算、分析和处理，就能获得光纤光栅传感器
处的应变值。
2.光纤光栅测试方法特点
光纤光栅测试方法是近20年来快速开展起来一种应力应变测量方法，由于非常容易构建分布式传感网络，目前广泛应用于建筑、桥梁、船舶和化工等领域。
该方法属于光学测试技术范畴，在应用上有独特的技术优势。
〔1〕光纤光栅传感器以光纤作为信号载体，传感器体积小、重
量轻，容易满足被测结构件对狭小空间的安装需求；另一方面，
在使用传感器密集的地方，例如一架飞行器，它所需要使用的
传感器超过100个，从尺寸和重量上进行比拟，几乎没有其他传感器可以与光纤光栅传感器进行媲美。
〔2〕属于光学测量方法，抗电磁干扰，适合用于长距离信号传
输。
〔3〕光学信号入射和反射线的输入输出回路仅为一根直径0.25mm的光纤，能够极大地简化测试系统结构。
〔4〕理论上，一根光纤上可以连续制作几十个传感器〔被测对
象变形越小，可以连续制作的传感器也越多〕，便于构成分布式
传感系统。
光弹性法
光弹性法是利用光学原理进行应力应变测量中具有代表性的方
法之一，而其他方法，如激光全息干预法、散斑干预法和云纹
干预法等由于视场测量范围较小，一般在1卩m到1mm之间，常用于实验室而很难满足工程现场的测量需求。
1.光弹性法测量原理
光弹性法是利用材料的双折射效应进行应力应变测试，如环氧树脂之类的各向同性的非晶体材料，在自然状态下不会产生双折射
现象，但当其受到载荷作用而产生应力时，就会如晶体一样表
现出光学各向异性，产生双折射现象，而卸载后，材料又恢复光学各向同性。
这就是所谓的暂时双折射效应。
用具有双折射效应的透明塑料，如最常用的环氧树脂材料，按
一定比例制成结构件模型或者在结构件外表直接采用光贴片处理后，将被测对象置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上便产生干预条纹。
被测对象受力越大，出现的干预条纹越多，
越密集。
通过直接观测结构上的条纹，可以对结构的应力应变进行定性分析。
光弹性法非常直观，并且能够进行3D全场测量。
如果将传统的光弹性法与计算机图像处理技术相结合，即可对零件的全场
应变和应力状态进行定量分析，称为数字光弹性法。
2.光测法特点
光弹性方法是国防、航空航天领域中不可或缺的一种测试手段。
与电测方法相比有许多优点：
（1）属于非接触测量方法，具有电测方法不能到达的全场测量优
势，既可以测量外表应力，也可测量内部应力。
（2）该方法直观，能够清晰地反映应力集中现象，不仅很容易找
到应力集中的部位，而且可以确定应力集中系数。
但是，光弹性方法也存在一些缺乏之处。
（1）工艺比拟复杂，测量周期比拟长；
（2）通常需要使用环氧树脂材料在被测结构外表进行平面和曲面
贴片处理；对于一些大型构件，需要按比例制作3D光弹性模型，
制作工艺相对复杂；
（3）需要将被测对象置于偏振光环境中，光学系统相对复杂。
双目立体视觉测量方法
1.测量原理
双目立体视觉测量方法是适用于物体的形貌与变形的非接触全
场测量方法。
它是在2D计算机图像处理技术的根底上开展起来的立体视觉测试技术。
系统包括两台高分辨率的高速摄像机、一个照明装置、一台计算机及一组图像分析软件，系统结构如图
所示。
测量时，被测对象受力引起被测外表图案发生畸变，该变化分别被两台摄像机记录下来。
两台摄像机同步采集测量视场范围内的特征点图像信息，并通过计算机图像处理方法对两幅图像中同一特征点进行匹配计算，获得该点在三维空间的坐标值。
不管
是在静态还是动态环境中，由于被测构件的变形，被测特征点的空间坐标会发生变化。
通过计算被测构件上假设干个特征点的三
维坐标值及其变化量，即可得到被测结构的三维变形量、三维应
变/应力及动态条件下的振动参数等信息。
2.双目立体视觉测试技术特点
双目立体视觉是20世纪80年代逐渐开展起来的几何量测量技术，与计算机图像处理技术有着密切的相关性。
在大型物体的形貌测量、逆向工程和车辆测距领域有着比拟成熟的应用。
基
于双目立体视觉原理，该方法同样能够应用于3D应力应变测
量领域，具有如下的优点。
（1）量程大，系统可以获得亚像素级的成像精度，因而可以测量小至0.01%的微小应变，大至数倍100%的大应变；
（2）属于光学非接触测量，系统结构简单，具有可移动性；
（3）可以测量空间3D区域的力学特性，不受测点分布和数量
的限制；
（4）可以通过调整摄像机视场范围的大小改变系统测量精度和
双目立体视觉三维应变测量技术的缺点：
（1）系统测试精度与摄像机的性能及双目立体视觉的标定技术、
计算机图像处理技术密切相关；
（2）系统只能对摄像机视场范围内的结构特性进行测量。
对于
同一个测试系统，视场范围越小，测量分辨率就越高，测量精度也越高；否那么反之。
静态测量
动态测量
优点
缺点
精度
量程
应变片电测法
2%FS
1~2X104g£
超动态应变仪
>200kHz
技术成熟，应用
广泛
多点测量时，线束较多，安装复杂
光纤光栅法
0.1%FS
5000ge
超高速光纤光
栅解调器>100
kHz
易于构建分布
式测量系统
具有温度耦合效应
光弹性法
传统光弹性法一般用于定性分
析
取决于数字光弹性系统中的记录设备
直观，全场测量
制模工艺复杂
双目立体视觉法
0.01%FS
数倍100%应变
取决于高速相
机性能参数
非接触，测量系统具有可移动
性
只能以摄像机视场范围内的区域作为被测区域
引伸计
引伸计是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器，通
常由传感器、放大器和记录器三局部组成。
传感器直接和被测构件接触。
构件上被测的两点之间的距离为标距I,标距的变化
△I为线变形。
当被测构件变形时，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息,通过放大器将传感器输出的微小信号进行放大，记录器〔或读数器〕将放大后的信号直接显示或自动记录下来。
一般记录的是引伸计标距范围内线形的改变量。
1.接触式引伸计的原理及特点
对于机械式引伸计，变形量首先由机械结构采集，然后通过各类机械原理对其进行放大，最后直观将变形量显示出来。
这类引伸计包括表式和杠杆式等。
以表式引伸计为例，它通过千分表顶杆接收变形量，变形通过顶杆传至表内的齿轮系统进行放大，最后由表盘上的指针显示出示数。
不同机械式引伸计间的根本区别在于变形放大采用的机械原理不同。
电子式引伸计是机械技术与传感器技术的结合。
这类引伸计前端
同样采用机械结构采集试样变形，后端将变形量传递至各类电气原件组成的传感器,传感器将变形量转化为电信号，处理器对电信号进行滤波、模数转换、放大等处理，最终将变形值显示出来。
这类引伸计根据内部所用传感器原理不同可分电阻式、电容式、电感式等。
特点分析
接触式引伸计以其简单的原理结构，相对低廉的价格与成熟的技术得到了广泛的应用。
但是，随着现代科技对材料物理特性要求的提高和试验环境的多样化，这类传统引伸计已暴露出许多问题:
（1）量程与标距可调性差，一支引伸计只能适用于较小
范围甚至某一特定标距，量程相对固定；
（2）试样断裂时需要摘除，无法直接测量断后伸长率等；
（3）引伸计与被测物连接不牢固，存在滑脱现象；
（4）难以适应特殊试验环境，如测量环境箱内试样变形等。
2.非接触式引伸计的原理及特点
近年来，随着光电器件和图像处理技术的不断开展，非接触式变形测量方法日趋成熟，本文以视频引伸计为代表进行说明。
视频引伸计的结构及工作原理
视频引伸计的核心部件为CCD摄像机。
整个测量系统主要包括光源、CCD探测器、图像采集卡，计算机软件处理局部。
视频引伸计工作过程如下:
首先在试样上根据标距标记测量上下限。
然后用外部光源照亮被测试件，被测试件上的标记成像到CCD上。
当试件变形时，上下标记相对位置发生变化，CCD的成像也相应发生变化，通过图像采集卡将不同时刻采集到的数字图像存储到计算机中，利用图像处理技术比照前后图像中标记的位置变化便可计算出试件的变形大小。
特点分析
视频引伸计作为非接触式引伸计的典型代表，相对于接触式引伸
计有很多优点:
（1）量程和标距不再受到严格限制；
（2）消除了试样与引伸计连接相对滑动而造成的测量误差；
（3）防止了摘除引伸计带来的麻烦；
（4）可测量有透明介质的环境箱中试样的变形。
但在局部环境下
不适合使用视频引伸计
一方面，CCD采集到的图像要经过基
于亚像素级的算法处理
故外界光源产生的噪声对图像处理有
很大影响；另一方面，
在大标距变形测量中,受到CCD摄像机
有效距离和范围的影响
难以使用这类视频引伸计。
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