土木工程结构试验3章1(9)

土木工程结构试验

第3章 量测仪器与采集系统

Chapter 3 Instrumentation and Date Acquisition System

式3.2.7的意义不仅在于揭示了电阻变化率与机械应变之间确定的线性关系，更重要的是它建立了机械量与电量之间的相互转换关系。

电阻应变片主要有下列几项性能指标：

（1）标距L

电阻丝栅在纵轴方向的有效长度。

（2）电阻值R

通常，电阻应变片的电阻值为120 。当使用非120 应变计时，应按电阻应变仪的说明进行修正。

（3）灵敏系数K

电阻应变片的灵敏系数K取值范围在1.9～2.3之间，通常，K＝2.0。

其它还包括应变极限、机械滞后、疲劳寿命、零飘、蠕变、绝缘电阻、横向灵敏系数、温度特性、频响特性等性能。

应变片出厂时，应根据每批电阻应变片的电阻值、灵敏系数、机械滞后等指标对其名义值的偏差程度分成若干等级；使用时，根据试验量测的精度要求选定所需电阻应变片的等级。

电阻应变片的粘贴技术详见附录B。

3.2.3 电阻应变仪（electrical resistance strain instrument）

1．电阻应变仪的组成（components of electrical resistance strain gauge）

电阻应变仪是把电阻应变量测系统中放大与指示（记录、显示）部分组合在一起的量测仪器，主要由振荡器、量测电路、放大器、相敏检波器和电源等部分组成，把应变计输出的信号进行转换、放大、检波以及指示或记录。

2．电阻应变仪的原理（principle of electrical resistance strain gauges）

电阻应变仪的测量原理是通过惠斯登电桥（Wheatstone

bridge circuit），将微小电阻变化转变为电压或电流变化，惠

斯登电桥是由4个电阻R1、R2、R3和R4组成，如图3.2.6

所示，4个电阻构成电桥的4个桥臂。根据电工学原理，在

电桥的B、D端输出电压为UBD与电桥的A、C端的输入电

压UACB R1 A R4 R3

R2 的关系为： BDU UR1R3 R2R4AC R1 R3 R2 R4 （3.2.8）

当4个电桥的电阻满足式3.2.9时，电桥的输出电压为

零。这种状态称为平衡状态。

R1

R2 R4R3 （3.2.9）

假设初始状态为平衡状态，受力后桥臂电阻分别有微小的电阻增量 R1、 R2、 R3和 R4，这时电桥输出电压的增量 UBD为

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土木工程结构试验与检测 Testing and Inspection for Civil Engineering Structure

R3R4 R3R1R2 R1 R2 R4 UBD＝ ) ( 22RRR3R4（R R）（R R）12234 1 ） U AC （3.2.10）

3．测量电路（measurement circuit）

根据桥臂上受试验对象的应变变化而改变的电阻应变片（工作应变片）的数量，测量方式主要有：全桥电路、半桥电路和1/4桥电路。

（1）全桥电路（full bridge）

全桥电路就是在量测桥的四个桥臂上全部接入工作应变片，其中相邻臂上的工作片兼作温度补偿片，现假定选取的四个桥臂应变片的阻值都相等（全等臂电桥），即R1＝R2＝R3＝R4＝R，且每个应变片的灵敏系数K也相同，则上式变为：

UBD＝UAC4ΔR1

R1 ΔR2R2 ΔR3R3 ΔR4R4＝）KU4AC( 1 2 3 4) （3.2.11）

（2）半桥电路（half bridge）

半桥电路是由两个工作片和两个固定电阻组成，则

UBD＝UAC4 R1

R1 R2R2＝）KU4AC( 1 2) （3.2.12）

（3）1/4桥电路（quarter bridge）

1/4桥电路常用于量测应力场里的单个应变，即只有R1变化，而R2、R3和R4不变化，

则

UBD＝UAC R1R14＝KU

4AC 1 （3.2.13）

4．多点测量线路（multipoint measurement circuit）

进行实际测量时，一个测点显然是不可取的，因而要求应变仪具有多个测量桥，这样就可以进行多测点的测量工作。多点测量线路主要有工作肢转换法和中线转换法。工作肢转换法每次只切换工作片，温度补偿片为公用片；中线转换法每次同时切换工作片和补偿片，通过转换开关自动切换测点而形成测量桥。

5．温度补偿（temperature compensation）

由于环境温度变化的影响，通过应变片的感受，可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。而电阻丝通常为镍铬合金丝，温度变动1℃，将产生相当于钢材应力为14.7N/mm的示值变动，这一量不能忽视，必须设法加以消除。消除温度效应的方法称为温度补偿。温度补偿可采用温度补偿片法、工作片互补法和温度自补偿片法三种。

（1）温度补偿片法

试验时，选一个与试件材质相同的温度补偿块粘贴补偿片（应变片规格、粘贴工艺，温度环境与工作片相同），用相同的导线接在桥路工作臂的邻臂上，如图3.2.7所示。根据电桥邻臂输出相减的原理，达到温度效应所产生的应变得以消除的目的。这个粘贴在温度补偿块2