土木工程测试技术应变片测量技术.docx

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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。

一、电阻应变片的发展史

1.外国的电阻应变片发展史

电阻应变计的工作原理是基于金属或合金材料受到应变作用时，其电阻将会发生相应的变化，这种所谓电阻—应变效应是由开尔文于1856年发现的，受载的铜丝和铁丝在拉伸时其电阻值增加，进一步观察发现，在同样应变作用下，铁丝的电阻增加比铜丝大。

后来开尔文应用惠斯顿电桥测量电阻变化。

这一系列实验中，确定了三个重要事实，即：

（1）丝材的电阻变化是应变的函数；

（2）不同的材料具有不同的灵敏度；（3）惠斯顿电桥可用来精确测量电阻变化，这一理论为电阻应变计的诞生、发展奠定了基础。

最早的粘贴式电阻应变计是由布鲁克于1935年发明的，他以碳膜为电阻体，把它用胶粘剂直接粘贴到被测试件表面进行应变测量，这种应变计曾做过几千次飞机螺旋桨应力测量，并成功地处理了螺旋桨迎角引起失败的主要原因。

但是，由于碳膜电阻温度系数大、滞后和重复性差等原因，被后来的粘贴式金属电阻应变计取代。

1938年美国人西蒙斯利用金属电阻丝制成了现在形式的粘贴式电阻应变计。

当时用于棒的冲击试验。

与此同时，麻省理工学院的鲁奇指出了同样形式的粘贴式应变计，用于地震对结构影响的研究。

后来美国鲍尔温公司取得该项目专利权，产品以西蒙斯和鲁奇姓名的字头命名为SR-4。

初期的电阻应变计是一种纸基丝式应变计，简称丝式片。

1954年美国人史密斯发现了硅等半导体材料的压阻效应，尔后贝尔电话实验室的麦逊等于1957年制成压阻半导体应变计，1960年作为商品销售。

由于半导体应变计的灵敏系数是金属应变计的25~100倍，因而被用于测量微小应变和制作高灵敏度传感器。

为了改善体型半导体应变计电阻温度系数大的缺点，人们利用半导体集成电路的平面工艺，开发了扩散型半导体应变计，大大改善和降低了半导体应变计的温度特性。

1953年英国的杰克逊发明了以环氧为基地，采用印刷电路技术生产的箔式应变计，从而使应变计技术进入了一个新的时代。

电阻应变计先在美国商品化,后来逐渐扩展到英国、瑞典、瑞士、法国、前西德、前苏联等国。

日本共和无线研究所（共和电业公司前身）于1950年试制成功电阻应变计和放大器,1951年开始商品化。

2.中国的电阻应变片发展史

我国电阻应变计的研究、生产始于五十年代中期,是由前苏联和美国传入的,首先开始研制、生产的是机械科学研究院和北京航空学院（现北京航空航天大学）。

北航在五十年代末以“祖国牌”命名的电阻应变计、胶水、静态应变仪实现市场化,六十年代初研制成箔式应变计,体型半导体应变计也开始供应市场,并且开始形成专业生产厂。

从1965年至1985年期间是各种应变计技术工作最为活跃的时期,在此期间开展了温度自补偿康铜箔材的研制,并对各种高温用应变电阻、电阻合金进行了深入研究,开发了铂钨合金及铁铬铝合金族,高温应变计技术处于世界先进水平。

在此期间开发的低温自补偿应变计,开拓了低温领域的应变测量技术,与此同时,为配合国内称重技术的发展,研究各种高精度称重传感器用应变计,并从美国、日等国引进了四条箔式应变计的生产线,使我国传感器用应变计达到一个新的水平。

七十年代中期,我国研制成功溅射薄膜应变计,由此制成的薄膜压力传感器直接用于飞机的压力测量。

八十年代末,厚膜应变计的研制取得较大成果,并有厚膜传感器供应市场。

半导体应变计也随着国外技术的进步,在扩散硅、薄膜等应变计及传感器方面却取得突破性的进展,使我国的应变计、传感器技术趋于成熟。

二、电阻应变片的工作原理

1.电阻应变片的工作原理

电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。

其工作过程为被测物理量→弹性元件→弹性元件变形→敏感元件阻值变化→测量电路→电量输出。

应变片的工作原理分为以下几个过程：

1.应变效应（电阻—应变特性），电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为

，当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ，故引起电阻值相对变化量为

。

由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：

。

可得

。

2.电阻丝的灵敏系数，

。

灵敏度系数受两个因素影响：

①受力后材料几何尺寸的变化，即（1+2μ）；②受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。

大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即KS为常数。

定义K=（dR/R）/ε为应变片的灵敏系数。

它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化（dR/R）与其单向应力引起的试件表面轴向应变（ε）之比。

3.电阻应变片的基本原理，当测得应变片电阻值变化量ΔR时，便可得到被测对象的应变值。

根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε。

2.电阻应变片的横向效应

应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由n条长度为L1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成。

若该应变片承受轴向应力而产生应变

时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从+

到-μ

之间变化的应变，圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。

所以，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而敏感栅的灵敏系数K,较电阻丝的灵敏系数

小，这种现象称为应变片的横向效应。

横向效应的缺点是使灵敏系数变小以及使电阻与应变的关系存在非线性变化。

所以必须采用制造厂提供的灵敏度系数值，仅当使用条件与标定相同时才准确。

当应变片用于二向应变场时，沿栅宽方向可能导致明显的读数误差，以致欲得到任何给定方向的应变，都须互相垂直地安装两片，得到两个应变片的读数，进行修正计算才行，所以增加了测量的复杂性。

所以减小横向效应的影响是一个不得不考虑的方面。

如何减小横向效应的影响:

（1）减少弯角

横向长度，如右图。

当横向弯角长度减少时，

相应的横向的电阻丝的电阻就减少，对总的

电阻的变化就影响变小，这样就减小了横向效应的影响。

（2）加粗横向弯角宽度，如右图。

当横向弯角的宽度加宽

时，根据电阻的公式

，增大S，横向电

阻就相应的减少，也能减少横向效应的影响。

（3）弯角采用良导体材料。

三、电阻应变片的粘贴

1.表面处理

（1）先用锉刀、砂布等工具将试件待贴位置进行打磨，仔细地除去锈斑、氧化皮、污垢等覆盖层，到表面平整有光泽。

最后再用砂布轻轻磨成与应变片粘贴方向成

的一些条纹。

（2）在布片位置用直尺、钢针画出应变片定位线。

（3）用脱酯棉球蘸丙酮清洗待贴表面以除去油脂、灰尘等。

表面清洗应至棉球没有污迹为止。

2.应变片准备

（1）检查应变片的外观，剔除那些敏感栅有形状缺陷，片内夹有气泡、锈点等应变片。

（2）用万用表测量各应变片的电阻值。

3.贴片

（1）一手捏住应变片引出线，一手拿502粘合剂小瓶，将瓶口向下在应变片基底底面涂抹一层（一滴即可）粘合剂，涂粘合剂后立即将应变片底面向下平放在试件贴片部位上，并使应变片底基准线与试件上的定位线对齐，将一小片玻璃纸盖在应变片上，用手指按压挤出多余粘合剂，手指保持不动约一分钟再放开，轻轻掀开玻璃纸膜，检查有无气泡、翘曲、脱胶现象。

（2）再将玻璃纸盖在应变片上，一手指按压在应变片引出线端上，另一手指捏住引出线轻轻提起使之与试件脱离。

（3）用万用表检查应变片两引线间电阻是否良好，如属焊点与引出线脱开可补焊。

4.接线

（1）在应变片引出线下方的试件上粘贴胶带纸使引线与试件绝缘。

（2）将浮铜板制成的接线端子用胶水粘在各应变片引出线的前方。

在接线端子上上好焊锡，用镊子轻轻将应变片引出线与接线端子靠近，再用电烙铁把引出线焊在端子上，焊接要迅速，时间不能过长，焊点要求光滑，不能虚焊，多余的引出线可剪断。

5.检查、防护

（1）胶层固化后，用万用表测量，应变片阻值应无明显变化。

（2）用兆欧表检查各应变片（一根引线）与试件之间的绝缘电阻，一般测量电阻应大于100MΩ。

（3）如需要防潮，可用烙铁融化石蜡覆盖应变片区域即可，还可在石蜡层上用绝缘带缠起来，以防测量中机械损坏。

四、电阻应变测量技术的应用

电阻应变测量法是结构实验中非常重要的实验内容，通过测试结

构有关部位的应变，就可以了解其在荷载作用下的应力分布情况、内力情况，从而了解结构的性能和承载力等，为建立结构理论提供重要的依据。

应变片的测量用途非常广泛，我们可以根据测试要求，将一个弹性元件上粘贴电阻应变片，组成桥路，制作出各种所需要的应变式传感器。

在工程结构静载检测中，对于单点或多点加载无施加力的大小显示时，就需要荷载传感器来感受并反映受力信息，那我们就可以采用应变式力传感器来实现加载。

另外，对钢筋混凝土结构的应变监测也普遍采用电阻应变片。

在施工过程中，将粘贴于结构表面或受力筋上的应变片经特殊防护处理后，埋置于混凝土内，可以对受力结构进行实时监测。

电阻应变片在结构工程中发挥着重大的作用。

应变片具有使用方便、操作简单、相对稳定、灵敏度高、结构受力后出现的微小变形能够直接被反映出来、测量结果可靠等优点被广泛使用。

但在长期的使用中，我们也发现了一些问题，例如，因场地的狭小使我们必须采用长导线，而长导线必然会增大电桥桥臂的初始电阻。

另外若测试在雨季时进行，那么处于潮湿环境中的应变片如何做好防水、防潮处理等都是关键的问题，这些因素都会直接影响到测试的结果。

如何更好地解决这些问题，更完善电阻应变片的使用，是目前需要解决的问题。

应变测量技术以其自身特性而被广泛应用于多个领域。

五、电阻应变测量技术的现状及展望

美国于1970~1980年间,在NASA空间开发的高峰期、伴随国内原子能、汽车、航空及其它重工业等产业部门的技术改造,开发了各种电阻应变计,如美国维谢公司生产的电阻应变计品种规格达4万种以上。

日本的每家应变计生产厂也都有上千个以上品种规格。

据报导,日本在1988年电阻应变计的生产量为400一450万片。

其中,常温环境应力一应变测量用的普通应变计占65%~75%,其它如高温、大应变测量等特殊应变计和传感器用应变计占25%~35%。

我国的电阻应变计技术,自八十年代中期引进国外生产技术以来,应变计的产品质量和数量都有很大提高,据推测1997年,电阻应变计的年产量在550~600万片左右,其中传感器用片（特别是称重传感器用片）约占65%一75%,一般应力分析用片占25%一31%,而特殊用应变计不足1%。

（一）普通应变计朝向高精度、使用方便快捷省力方向发展。

随着电阻应变计本身及外国设备的电子技术的快速发展,对于一般的应力测量,用户只要稍加技术培训,就可以获得数据,自补偿应变计和三线式引线的普及取得了良好的效果。

从用户的角度来看,电阻应变计是应力测量的有效手段,这种看法至今没有改变。

但是象过去在机械或结构物上盲目粘贴大量应变计的情况减少了。

原因之一是由于有限元法、边界元法等计算方法的进步,即使是相当复杂的应力状态,当给出相应的边界条件时,就可以进行正确的应力计算,这要求应变计必须具有更高的性能。

另外,应变计测量的简便、快捷及省力化问题,也引起人们关注。

随着应变测量仪器的自动化程度越来越高,对应变测量的省力化的要求也越强烈。

目前应变计的粘贴、连线等环节依然需要花费大量的

劳力和时间。

最近对带引出导线和防水型应变计的需求量急剧增加,在日本几乎占一般应力测量的80%,这是用户对省力化要求的反应。

作为现场使用的胶粘剂,使用简便的氰基丙烯酸酷系瞬间粘合剂的广泛应用,大大缩短了测量的准备时间,但该胶的耐用期一般为六个月。

（二）传感器用应变计要求多功能、高稳定性

电阻应变计是一种把应变信号直接转换成电信号的敏感元件,因而适用于制作各种传感器,电阻应变计式传感器主要用于测力或称重、压力、加速度、位移、扭矩等。

过去电阻应变计式传感器主要用

于试验研究工作,而现在,称重传感器和压力传感器往往用于工业检测以及生产线的称重计量和控制。

而且在医学和生物工程等方面的使用也有所增加。

通常要求传感器具有电信号输出稳定、响应速度快以

及体积小、重量轻等,而电阻应变计式传感器都能满足这样的条件。

传感器用应变计,除了要求具有良好的温度自补偿以外,往往还要求具有蠕变、滞后、弹性模量自补偿等多种功能,在使用温度范围内具有较高的长期稳定性。

随着传感器用应变计用量不断增加,特别是对于称重传感器生产厂,基于质量和价格的原因,很多传感器厂本身也生产电阻应变计,目前这种趋势正在日益增加。

（三）特殊环境用应变计的多样化及稳定性的提高

特殊环境一般是指高温、低温、核辐射、强磁场等条件。

目前高温下的应变测量,对于粘贴式高温应变计,350℃以下温度范围的测量技术比较成熟。

而焊接式高温应变计静态应变测量范围为500~600℃喷涂式高温应变计的动态温度范围为800~1000℃。

除了热输出外,提高在高温下的稳定性仍然是高温应变计研究工作的重要课题。

空间技术及原子能反应堆的发展,对高温应变计将起一定的促进作用。

而原子能部门的研究对象,由高速增殖堆转向核裂变堆,高能超导线圈的开发,对高磁场、超低温（-269℃）下应变测量的需求以及各种尖端技术的发展,必将刺激电阻应变计技术的发展。

结论：

随着电子计算机技术及有限元数值计算方法的发展,特别是光纤传感器的发展,人们产生了一种认为电阻应变计技术已趋老化的误解,但应该指出的是电阻应变计具有许多特点：

（1）应变输出线性好,精度高。

（2）具有长期的稳定性,耐久性好。

（3）价格低廉。

（4）体积小,质量轻,使用方便。

（5）适用温范围宽,可以在特殊环境下使用。

（6）不仅能测量静态,而且对动态和冲击都有优良的响应性。

这些特点是目前其它任何一种敏感元件所不能相比的,因此电阻应变计无论是在科研生产中还是在工业控制中仍具有广阔的应用前景。

致谢：

实践是检验真理的唯一标准。

因此理论必须与实践相结合，这样才能学的深，学有所用！

*老师的土木工程测试技术课给我增长了土木工程测试技术的理论知识，而自己导师的项目又给了我实践的机会，在此，对二位老师表示深深的感谢。