岩土工程测试技术讲义.doc

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1、测试技术讲义课程名称 测试技术 总学时数 32 学 时 使用班级 采矿131、2、3班 任课学期 2015/2016学年第一学期 任课教师 赵亚军 编制时间 2015年8月31日 第1章 测试技术基本知识（第1次课）一、什么是测试技术，什么是岩土工程测试技术？测试技术是一门利用仪器、设备对任何量进行某种意义的测量的系统的技术科学。岩土工程测试技术是借助专用的仪器设备，获得岩土工程中客观存在的，与安全生产有关的各种物理量与各种因素，为岩土工程的研究与施工提供可靠的数据。二、测试技术在生产与科研中的重要性主要表现在以下三个方面：1. 有效地维护安全生产：露天矿（边坡维护，位移检测）地下矿（新奥法支

2、护，地压管理）水电工程（大坝与地基监测，地应力测量）2.可大量提高生产效益，减小材料消耗：矿山爆破：减少震害，提高爆破效果。矿柱支护：满足应力要求的最小支护截石矿柱与最经济的支护材料在水电工程中：能满足应力要求的最小结构尺寸3.在岩土工程中，其设计、研究的原始数据。如强度、变形参数等。都是通过测试技术获得的。三、测试技术的主要任务与方法（一）任务1.获得原始参数，如岩石的弹性模量，泊松比等，可以通过现场或实验室条件获得。2.测量岩体的变形，确定岩移变化规律，评价岩石稳定性同时根据变形规律采取一定维护措施。3.测量地应力场与变化规律：目的是根据应力场来选择工程位置。在恶劣环境下要采取相应防护措施

3、。4.测量围岩与支架的受力状态，据此判断支架的安全程度，进行稳定性分析。5.测量岩石在爆破作用下，各种动力学与运动学参数，以提高爆破效果。6.对测量信息与实验数据进行分析处理，以获得准确的测量结果以与寻找客观规律。（二）主要方法1.机械法：所用测量仪器、设备是简单的机械结构。2.声测法：利用声波在岩石中的传播规律（如振幅，声速等）确定岩石的各种特征，是地球物理探测法的一种。3.光测发：以光学原理为基础，对岩体的应力变形等进行测量。也称光弹性测量法。4.电测法：也叫非电量的电测法，是一种利用传感器将被测物理量转换成电量。传递到电子仪器进行显示，记录或处理数据。这是我们这门课的主题。四、电测系统的

4、一般结构测试系统：能完成某种意义测量的仪器、设备的总称。一般可以分为三部分：1.信息的输入，转换：称为传感器（也称变换器，变送器，探头等）2.信息的调节：放大或衰减，调制，解调，检波，A/D变换等：显示或记录。五、测试技术的发展方向，计算机分析处理数据。2.仪器设备的小型化，多功能，高性能，微功耗。3.注意发展敏感元件，使传感器的性能不断提高。第2章 传感器（第2次课）“传感器”就是传递感受信息的器件，更确切地说，它是一种能将被测信息转换为便于传递、变换、处理与保存的信号，且不受观察者直接影响的测量装置。1）定义：能把被测物理量或化学量转变成为电量的一种器件或元件叫传感器。2）组成：敏感元件、

5、转换元件、附件、引线、辅助电路。 传感器的分类与性能要求从测量对象中直接取出所需信号的装置称为传感器，它的作用是把被测物理量转换为与其相应的容易量测、传输与处理的电信号。对于大多数岩体与土体来讲，是属于非电量电测技术。非电量电测法的实质，是将被测的非电量通过传感器转换成电量，然后用电技术进行测量。传感器是测量工作的基本工具。传感器的作用与人的眼、耳、鼻等器官相似，它可以把被测对象如压力、位移、速度等的变化转换为电测信号，传递到测量电路，经过放大或衰减等变换，传输到记录或显示装置中供测量者观察与使用。在各种不同的测试系统中，依据不同的具体情况，传感器可以是专用的装置，也可以不是专用装置，而且只将

6、转换元件直接布置在被测物的本体上。专用的传感器一般主要由转换元件，弹性元件与附件（如外壳、补偿元件、连接头等）组成。传感器的分类传感器的种类繁多，原理各异，分类方法也是多种多样。若按传感器的用途来分，则有温度传感器、测力传感器、位移传感器、光电传感器等；若按传感器的能量关系，则可归纳为参数式与发电式两种类型。1）按用途分类温度传感器：有铂电阻温度传感器、热电阻温度传感器、半导体温度传感器、热电偶温度传感器、温度式风速传感器等。测力传感器：重量、拉（压）力、力矩、应力。这类传感器除敏感元件以外，应有弹性元件（转换元件）。典型的有应变式压力传感器。位移传感器：长度、厚度、应变、质点振动位移等。 典

7、型的有差动变压器式位移计。速度传感器：质点振速、流量、流速、转速等。 典型的有转子流量计，磁电式速度计等。加速传感器：振动、冲击、质量等。典型的有压电式加速度计，应变式加速度计等。2）按能量关系分类（1）参数式电阻式传感器。其工作原理是在被测量的作用下，电阻器有用部分的尺寸（金属丝的长度或截面）发生变化，因而电阻也相应有了变化。它适应于测量尺寸、移动距离、水位高低、应力应变等。电容式传感器。其工作原理是在被测量的作用下，电容器的有效极板覆盖面积、两极板间的间隔或极板间介质有改变，因而引起电容的改变，其应用范围也与电感式相似。其工作原理是在被测量的作用下，电感器（如有铁芯的电感器）中某些部分的尺

8、寸与相对位置有改变，因而引起其绕组的电感有改变。它适用于测量力、压力、直线位移等。（2）电能式磁电式。这类传感器所依据的是电磁感应原理。在被测量的作用下，传感器中某些部分相对运动，运动的速度取决于被测量的大小。若其中一个部分具有磁性，则由于相对运动而引起的感应电动势将与被测量有相应的关系。它多用于测量周期性机械运动的速度（线位移与角位移）与频率。压电式。其原理是利用某些晶体所具有的压电效应。即当压电晶体上受到压力作用时，晶体两面之间将出现电位差。它适用于测量压力与机械振动等。光电式。因所用的是有封锁层的光电池，在光的照射下，它的电动势与光的照度有相应关系。其用途是测量光的照度、温度等。热电式。

9、把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶。其原理是热电效应。所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T与T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由热电效应产生的电动势包括接触电动势与温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体的材料特性与接触点的温度。温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两

10、端便形成温差电动势。3）传感器的命名传感器的名称是通用的，在购买、选择与使用传感器时，只有知道了名称，才能知道选择什么样的测试系统，知道了名称，也就知道了传感器的结构原理。一般是将按能量关系（按转换性能）分类与用途分类的传感器名称结合起来，作为传感器的全称。如磁电式速度计、压电式加速度计。传感器的特性（1）输入量的形式。主要是指输入量的物理本质。当测量方案已定时，输入量的形式就已经决定了。（2）输入量的有效范围。其下限主要是取决于传感器本身的灵敏度、误差与干扰信号。因为当输入量的数值与以上各量具有相同数量级时，传感器便无法正常工作。其上限主要是防止产生信号失真或引起元件损坏。（3）对被测量的影

11、响。理想的传感器应对被测量没有影响，这在理论上是不可能的。实际上，这个影响是可以忽略不计或被限定。影响的大小可用由被测量提供用于驱动传感器的力（能或功率）来表示。（1）转换函数。无论多么复杂的传感器，都是由测量元件与一些中间元件所组成。任何一种元件的特性都可以用典型环节特性来描述。在稳定状态下，传感器的输出量y的变化与引起此变化的输入量（被测信号）x的变化之比称为传感器的灵敏度，可用下式表示 （2-1）式中：s为传感器的灵敏度，也称为元件传递系数。一般把传感器的输入量x与输出量y之间的关系称为转换函数，而转换函数通常是线性关系，故（2）传感器的误差。当传感器的工作不是严格符合转换函数关系时，则

12、实际输出量有误差：误差主要由传感器的零点误差、灵敏度误差、非线性与滞后误差等。此外，还有动态误差。（3）传感器的抗干扰能力。抗环境干扰能力是非常重要的，若传感器受到外界干扰（如温度、压力、加速度、磁场、电场、电源电压的变化等），则传感器不能按严格的转换函数关系工作，并产生误差。（1）输出量的形式。由非电量转换为电量时，其电量的输出形式可以是电流、电压、阻抗或这些量的时间函数。（2）输出量的有效范围。其下限受到灵敏度、误差、干扰等因素限制，其上限由传感器输入量的最大值决定。（3）输出阻抗。输出阻抗决定了在一定量的输入信号作用下，传感器所能提供出的能量，如果传感器的输出阻抗低于下一级的输入阻抗，则

13、传感器的输出具有恒压源的特性；如果输出阻抗高于下一级的输入阻抗，则输出具有恒流源特性。当输出阻抗等于下一级输入阻抗（即阻抗匹配）时，则传感器具有最大的输出功率。对传感器的要求传感器的设计与制造是根据被测物的不同而异，但也有共同之处，为保证对岩体或土体的测试的准确性，通常对传感器有如下要求：（1）转换线性好。输入、输出信号间应有一定的函数关系（经常是单值直线的），即在限定的量程内，弹性元件的变形与被测参数成线性关系。（2）灵敏度高。要求传感器反应最小非电量的能力要高。（3） 稳定可靠。要求传感器在指定的条件下，在较长的时间内正常地工作。（4）准确度要高。要求传感器所测得的值既准确又要精度高，也就

14、是要求测定值与真实值的偏差尽可能小，而且，在重复测定时，测定值的一致程度要好。（5）动态特性要好。这是对用于动态测试的传感器的特殊要求，传感器的自振频率与被测信号频率之比要符合一定要求，以减少由振幅与相位的畸变所造成的误差；同时要求时间常数为最小。（6）防水性能好。如果防水性能不好，则对测试结果影响很大，特别是对岩体或土体测量时。（7）传感器要有足够的强度与刚度，其弹性滞后与弹性后效要尽可能小。此外，还要求传感器结构简单，经久耐用，价格低廉，维修方便，具有一定的抗震性能与对测量环境有较强的适应性，还不应有损于周围材料的寿命与操作人员的身体健康等。2.2 传感器的结构原理（第3次课）一、电阻应变

15、式传感器（详细内容以后章节专门介绍）1.应变式压力盒。2.钢环应变计。二、压电式传感器1.压电效应：当压电材料（如sio2,酒石酸钾钠钛酸钡等）受力发生变形时，材料的两端有电荷积累的现象。原理：（画图说明）：特点:测量频率范围0106Hz；可测冲击；输出信号强，体积小，质轻。用途：测质点振动加速度，也可通过积分放大器测质点振速与位移。三、电感式传感器四、电容式传感器1.原理：改变极板的负极或改变极板间距离与介质的介电常数。2特点：灵敏度高，结构简单，负载作用小，动特性好，但电缆电容影响大，需专用仪器。3.用途：测量位移、角度、压力、振动参数。五、磁电式传感器。1.结构：线圈 永久磁铁 铁芯 弹

16、性模片质量块2.特点：灵敏度高，输出大，可与多种仪器配合。3.用途：用来测量运动体的速度，振动参数等六、钢弦式压力盒也叫压力盒。以后专门介绍。1. 结构：承压膜，钢弦，线圈，铁芯，钢弦支柱等2. 特点：灵敏度高，稳定性好，结构简单，但测量仪器为专用仪器。3. 用途：测地压等2.3 传感器的标定（实验内容）一、定义与意义：1. 定义:用试验的方法确定传感器性能参数的过程。称为传感器的标定。也叫校准或率定.2. 标定的意义 是取得准确测量数据与减少误差的依据. 刚制成的传感器由于材料的性能与几何尺寸的差异，不可能与设计指标完全相同。要知道其真实指标必须进行标定 传感器在使用过程中，由于环境的变化，

17、老化，无意损失等因素.使传感器原来的性能发生变化.要想知道传感器在测量时的实际性能，必须进行标定.二、传感器标定的内容不同用途的传感器标定的内容不同.1. 测力传感器的标定内容：静态标定：作出加卸载曲线，确定灵敏度与非线性.动态标定：通过对标定时记录曲线的处理，确定动态灵敏度，频率特性与阻尼特性.2. 测震传感器的标定内容： 灵敏度 幅频特性 相频特性 谐振频率 阻尼系数 电阻抗三、传感器的静态标定方法（实验）第3章 记录装置（recording device第4次课）3.1 记录装置基本知识一、基本概念1. 记录装置： 将测量结果以人们便于观察的形式显示或记录下来的设备，叫记录装置。2. 显

18、示器：又叫指示器.将测量信号用指针.数字或图示曲线的形式反映出来，使人们便于观察结果的装置叫显示器3. 记录仪：将测量信号能够记录下来，或暂时保存下来，再用某种方式记录的设备，叫记录仪。二、记录装置的分类与特点1显示器的分类： 各种指针式仪表：可直观动态区间.精度低.一般极性不能反接. 数字表：直接显示数字与极性。精度高.极性可反。屏幕显示器：可直接显示图形，文字等.较大。 电子示波器：直接显示电信号的变化过程与特征，测量频率可做得很高，但误差较大，价格贵，体积大。2记录仪的类型（1）模拟记录仪：将输入信。 光线示波器：测量频率高。010000HZ误差较大，体积大，笨重，用来测量动态量。 函数

19、记录仪：精度高，测量频率低02HZ 体积较大，用来测量静态量。如：应力应变曲线。 模拟磁带机：精度高，测量频率高020KH 但需回放，不直观。 记忆示波器：测量频率高0100MHZ，直观，记录时间达7天。精度较低，体积较大。 （2）数字记录仪：将测量信号以某种代码记录下来。一般都能与计算机配合使用。 数字打印机：记录速度低，精度高，可配计算机。数字磁带机：精度高，但不能直接观察，价格高。 穿孔机： 记录速度低，存储量小，不直观。 瞬态记录仪：精度高，测量频率高，由计算机或单片机控制，能自动处理数据，实现自动化，但价格高。3.2 光线示波器（第5次课）一、光线示波器的工作原理 光线示波器的基本原

20、理是：当输入电信号加在电磁线圈上时，线圈受磁场力的作用而摆动，经光学系统与机械系统的配合，变成按输入信号变化的光点的移动，光点又照到记录纸上感光，当记录纸按一定速度移动时，便得到记录轨迹。二、光线示波器的组成1、振子系统：包括振动子，磁系统与恒温装置。2、光学系统：光源设备与光学透镜，亮度控制，记录光路，时标光路，分格光路。3、机械系统：带有电磁离合器的变速箱，电动机，定长机构，记录纸推动装置，曲线分辨装置等。4、时标系统：振荡器，脉冲电源，频闪灯等。5、电源与辅助装置：电气部分的供电电源，通风系统，防震器，外壳等。三、振子系统1振子的分类与工作原理.（1）动圈式振子：活动部分由镜片，张丝与线

21、圈组成。 特点：体积小，本身不带磁铁，可将数十个振子共用磁极，工作频率较高。 （2）动磁式振子：由电磁铁，镜片，张丝，磁铁组成。 特点：抗震性能好，无需外加磁极，总体积小，灵敏度高，但工作频率低。2动圈式振子的工作特性 （1）振子的灵敏度单位电流所产生光点的偏移量，叫振子的直流电流灵敏度。用表示，其中：Y光点偏移量，即记录幅值，单位是mm I输入电流，单位是mA B磁极的磁场强度 n振子线圈匝数 S振子线圈面积光电到记录纸间的距离G扭转刚度系数。 振子的灵敏度与线圈的匝数，磁极的磁铁强度，线圈的面积与光臂长成正比，与张丝的扭转刚度成反比。(2)振子的阻尼对振子运动状态起约束作用的是振子的阻尼。

22、如果振子没有阻尼，当测量一个方波信号时，它将在新的平衡位置，以自振频率不停的摆动，反之，如果振动的阻尼很大，信号上升的速率将变得迟缓，不能再观测出方波特征，而产生失真。振子的阻尼用阻尼系数表示。当时，称为最佳阻尼状态。在实验室条件下，可对振子的阻尼系数进行测量或检验： 超量比 阻尼系数 （3）振子的幅频特性当光线示波器输入幅值一定的电信号时，振子记录光点的幅值随输入信号的频率变化而变化的特性，叫振子的幅频特性。振子的幅频特性用幅频特性曲线表示，主要表达在以下两个方面：1不同的阻尼的振子其幅频特性曲线不同。当记录直流信号时能真实再现幅值，当测量频率不为零时，记录幅值均发生畸变。2阻尼最佳时，即

23、时，如果记录频率不大于振子自振频率的45%.幅频特性曲线接近平直，这时，记录幅值误差较小，随差记录频率的升高，记录幅值将下降。四光线示波器的使用要点1操作开机后按启辉按钮，待10分钟左右，超高压水很灯亮度稳定，方可开始记录。如果在使用过程中突然断电，或短时间停电，要经15分钟左右的冷却时间，才能再开机，否则，高压水银灯容易发生爆炸或损坏。2振子的选择1）系列的振子；SC20型光线示波器，选FC11系列的振子。2）自振频率的选择：根据工作频率：f工大于等于F给定（表33）3）灵敏度的选择：当振子型号确定后，表中si有两个即LB=n与LB=100cm。一般选LB=n时的灵敏度。3阻抗匹配当振子内阻

24、大于放大器输出阻抗时，在振子上并联一电阻。使振子的时效阻抗与放大器输出阻抗相等。这时应考虑并联后电阻的分流作用。当振子的内阻小于放大器的输出阻抗时，在振子上串联一电阻。使二者串联阻值与放大器的输出相等。4记录纸速度：V=fs=STf记录最大频率S要记录的最小周期的距离T记录最小周期3.3 瞬态记录仪瞬态记录仪是近年来发展的一种新型的动态参数测量与记录设备。实质上它隶属于数字化测量仪器。由于半导体技术与电子技术的发展，高速模数变换（A/D变换）器与半导体存储器的出现，为瞬态记录仪的诞生创造了物质条件。3.3.1瞬态记录仪的原理与组成瞬态记录仪实质上是将一个电压模拟信号经过快速采样与比较变成一个数

25、字化的信息，然后将所得到的信息储存在存储器中，这些信息资料可以以数字的形式记录下来，也可以直接输入电子计算机进行运算与处理，在需要观察这个模拟输入信号时，可以通过数模变换器（D/A变换器）将存储的数字信息转变为模拟信号，直接输入到一个模拟量记录或显示设备中，将该信号显示或记录。在数模变化过程中，可以用不同的速度回放再现，因而可以达到频率变换的目的。对于一个单次的瞬变过程，在重放时可以周期性的再现，因而在示波器上可以获得一个稳定的波形，以利于观察与拍摄记录。因此，瞬态记录仪对于研究与观测某些快速变化的单次过程或者研究某些过渡过程的细节是十分有用的工具，它在爆炸冲击波测量系统中也有着广泛的应用前景

26、。此外由于它将一个模拟量经过A/D变换转变为数字化的信息，因此它可以很方便地与数据处理中心或微处理机联接，以利于实现数据处理的自动化。瞬态记录仪主要由A/D变换器，时钟发生器与控制电路，存储器以与D/A变换器四个部分组成。图3-28所示是一个典型的瞬态记录仪的结构方框图。输入的电压模拟信号经过衰减器与放大器，使之达到A/D变换器的最佳工作电平，由于A/D变换器只工作在正向范围内，经过极性变换电路（在某些瞬态记录仪中采用零位偏移电路）后再加至A/D变换器，通过A/D变换器以一定的速率采样并进行比较后，模拟量转变为数字信息。A/D变换器的数字输出由控制电路发出的指令脉冲控制，每次一位地存入数字存储

27、单元中，直至存储器容量满员为止。所存储的数字信息可以直接打印，也可输入电子计算机进行处理。图3-28 典型的瞬态记录仪结构方框图1衰减器与放大器；2极性变换电路；3A/D变换器；4存储器；5D/A变换器；6零位偏移电路；7显示设备；8时基；9脉冲（时钟）发生器；10分频器；11控制电路3.3.2瞬态记录仪的主要技术性能指标从上面的分析可以看到，瞬态记录仪的品质主要决定于A/D变换器与存储器，对A/D变换器性能的主要要求是：转换速度快；分辨率高，即数字化输出的位数多；可靠性高。对存储器的主要要求是：存储速度快；存储容量大；体积小；功耗小。瞬态记录仪的主要性能指标：1）采样时间：它通常以采样频率，

28、或每个字码的采样时间指标给出。2）存储容量。3）数字输出位数：通常用二位进制位数给出，如8bits，10bits。这个指标实际上表达了A/D变换的精度。在一些仪器的技术文件中还同时给出了模拟输出的分辨率（或精度），它们以满量程值的百分数给出。4）记录时间：每个字码的记录时间变化范围。5）输入量程。6）模拟输出电压。7）频率响应。它主要决定于前置放大器的频率响应。8）输入阻抗。9）其它指标：如触发方式、尺寸、重量、电源等。第4章 电阻应变测试技术（第6次课）4.1 概述电阻应变测试技术的基本原理用电阻应变片贴在被测体表面，作为传感元件，将测点的应变转换成电阻的变化，再通过电桥电路将电阻的变化转化

29、成电压或者电流的变化，最后将变化的电信号放大，以应变的标度表示出来（画图）。特点与适用范围1）特点分辨率高。最小可达10-8尺寸小、重量轻、负载作用小，可测较大应力梯度的局部应变频响好 测量频率f105Hz+误差小 0.5%工作稳定 可在高温、高压、强磁场、核辐射、超低温条件下测量。测量范围大。一般12105用途广。 除测应变外，还可测力，扭矩，压强，振动加速度。通用性好。可与多种设备配合，有较大的选择余地。使用方便。方法易掌握，便于普与。2）适用范围只能测表面的应变；若测应力分布，工作量较大。42 电阻应变片类型与结构1）丝栅式应变：圆角线栅式：的合金细丝制成。价廉，精度低，横向效应大。 直

30、角线栅式：的合金细丝制成。价廉，精度较低，横向效应小。2）箔10.01的金属镀膜经光刻腐蚀而成，基底材料为胶基，其特点是精度高，承受电流大，但价格高。3）半导体应变片：用半导体材料，经真空蒸镀制成。其特点是灵敏系数特别大，可达175，但温度效应大。电阻应变片的工作原理根据电阻定律： 两边取自然对数：lnR=ln+lnl-lns均为变量，两边微分：。其中：s= r，ds= rdr 又。将式子变成输出量与输入量的关系： 由实验可知：在一定范围内是常数。设=k。则=k或=k说明输出电阻的变化与输入应变成正比。这里k是应变片的灵敏系数。一般为2左右。半导体应变片的k值可达175。电阻应变片的工作特性1

31、）灵敏系数k是反映电阻变化与被测应变间关系的重要参数。影响k的因素很复杂。目前不能用理论精确计算。但能在实际生活中抽样试验。一般抽样比例为1%。然后用弹簧钢的强度梁上试验求得。2）横向效应C=3）应变极限：在一定温度下，指示应变与实际应变相差10%时的应变值。4）温度效应：丝栅电阻率的变化，引起电阻的变化。丝栅贴在被测材料上，材料的膨胀系数不同。5）动态响应时间： 测量动应变时：f=。 测量冲击信号时：上升时间tk=4. 3 电阻应变仪分类与发展1）分类（1）静态电阻应变仪：用来测量缓慢变化的静应变或与应变式传感器配合。测力，力矩，重量等。其本身只有一个通道，配合多点转换箱可进行多点测量。如Y

32、J-5型（2）静动态电阻应变仪：主要用于测量200Hz以下的动应变或静态量的测量。如YJD-1，YJD-7型。（3）动态电阻应变仪：用于10kHz以下的动态测量，一般可做成多通边。如YD-15，Y6D-3型号（4）超动态应变仪：用于0200kHz的应变测量。如爆炸应力波，冲击波等。如Y6C-9型2）发展将应变仪与数字技术为一体，向着小型化，多点化，数字化，高精度，自动化，智能化方向发展。电阻应变仪的结构原理1）静态电阻应变仪：测量电桥，读数电桥，振荡器，交流放大器 相敏检波器，指示电表，稳压电源。（框图说明）2）动态电阻应变仪：测量电桥，标定电桥，振荡器，交流放大器，相敏检波器，滤波器，输出接

33、口， 稳压电源，（框图）电阻应变仪的基本测量电路电桥1）电桥的分类：按供桥电源:交流电桥，直流电桥按电桥的工作方式：平衡电桥（零读）；不平衡（直读电桥）按电桥的输出信号：电压桥：所接放大器的输入阻抗无穷大。功率桥：与放大器的输人阻抗相等。按电桥的桥臂电阻：全等臂电桥：R1=R2=R3=R4. 半等臂电桥：立式桥（R对称电源），卧式桥（R对称输出）。按电桥桥臂工作情况：单臂电桥;双臂电桥；四臂电桥。2）电桥的转换原理先以最简单的直流电桥的单臂电压桥为例：由电工原理可知：UBD=UAB-UAD=I1R1-I2R4 (4.1)当电桥处于平衡状态，即UBD=0 即R1R3-R2R4=0或R1R3=R2

34、R4.当应变片R1产生应变时，R1=R1+R,设电桥为全等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，由上式：由于分母中的R项与4R相比较小，对分母的影响小，可以略去。因此得：,结合应变片的转换公式 为常数可以看出，电桥的输出电压与输入应变成线性关系，可用输出电压的大小来表示应变的大小。3）多臂电桥的转换原理与特性在电桥桥臂上有两只以上的应变片工作，称多臂电桥。设四只应变片的电阻为R1 R2 R3 R4 对应有R1 R2 R3 R4 ,由（4.1）式，将各R值代入： 略去分母中的R高次项，因R值相等，则： (4.2)从(4.2)式可以看出，多臂电桥有如下特性：单臂工作电桥是全等臂电桥 R2 R3 R

35、4 为零时的特例。两相邻桥臂工作时，若相邻桥臂阻值的增量R符号相同，那么输出减小或为0，反之输出增大。两相对桥臂工作时，若电阻的增量R符号相同，输出增大，反之输出减小或为0。电桥的输出电压与供桥电压成正比，在电阻增量符号相同的情况下，电桥的输出越大，电桥的灵敏度越高，即电桥的灵敏度与供桥电压成正比。4.4 应变测量中应掌握的几个问题（第9次课）应变片的选用与粘贴1）应变片的主要参数（1）几何参数：标距与丝栅宽度制造厂常标为18），圆角线栅标距从圆角顶部算起，箔式片从横向粗线内缘算起。（2）电阻值：应变片的电阻值系指未粘贴、未受力的条件下，在室温测量的电阻值。目前电阻值已渐趋于标准化，绝大部分的

36、应变片阻值为60欧、120欧、350欧、600欧、1000欧，其中以120欧的用得最多（约占90%）。（3）灵敏系数：这是应变片的重要参数，在直接测量试件的应力、应变时，都是根据灵敏系数进行测量与换算的。它直接影响测量精度。（4）允许电流：它是根据应变片规格与环境与散热条件来决定的。在实测中，不得超过应变片的允许工作电流，一般箔式应变片散热好，可稍大些，为20毫安30毫安，在动态测试时，可达100毫安。2）应变片的选用选用应变片时应考虑如下几个基本问题：（1）对几何参数的选择。由于应变片的输出是表示沿其长度的平均应变，所以在应变梯度大时，应使用小标距的，而当采用混凝土、岩石、铸铁、铸铝与铸钢等

37、材料时，由于材料不均匀，应选标距较大的应变片以反映客观应变。（2）对电阻值的选择。市场上120欧的应变片占90%以上，测试中若无特殊要求时，应尽量选用阻值为120欧的应变片。动态测量时，应选用阻值较大的，以提高测量电路的输入电压（但要注意必要的修正）。在作静态多点测量时，接于同一台应变仪上的各阻值，一般要限制在分散度不超过0.5欧以内。（3）对灵敏度的选择。由于动态应变仪多按K=2设计，且无灵敏度系数调节，故宜用K=2的应变片为便，否则要进行修正。但在静态测试时，则不在此限，因为K越大，输出的信号也将越大对减少测量误差有利。（4）对基底材料的选择。在常温与一般场合下，可用纸基，但温度较高，湿度

38、较大，并需长期工作，要求稳定性较高时，应选用胶基。3）电阻应变片的粘贴应变片在应变测量中是关键性元件，而测试工作的成败，往往直接与应变片的粘贴有关，因为应变测量时，应变片要正确无误地将试件的应变传递到线栅上去时是要靠粘合剂传递的，粘合剂总会在不同程度上影响着应变片的工作特性（如灵敏系数、蠕变、滞后、零漂、非线性等）。所以我们对粘合剂的选择与粘贴工艺应予以足够的重视。（1）粘合剂的种类与性能粘合剂可分为天然的与合成的两大类。合成的又分为有机与无机两类。天然粘合剂在应变片粘贴上极少使用。无机粘合剂用于高温度应变片的粘贴，也并不普遍，用得最多的是有机粘合剂。按有机粘合剂的性质，可分为热塑性树脂粘合剂

39、（如硝化纤维素与乙基纤维素粘合剂、氰基丙烯酸酯粘合剂等）、热固性树脂粘合剂（如酚醛粘合剂、环氧粘合剂、聚酯粘合剂等）、合成橡胶粘合剂与混合型粘合剂。选用粘合剂时，要根据应变片的工作条件，工作温度，潮湿程度，有无化学腐蚀，稳定性要求，加温加压固化的可能性，粘贴时间的长短要求等因素来考虑，并要注意粘合剂的种类是否与应变片基底材料相适应。（2）应变片的粘贴工艺应变片的粘贴工艺包括试件表面清理，应变片的粘贴、固化、安装连接线、质量检查与保护层的敷设等过程。试件的表面清理：为了使应变片能粘贴牢固，表面清理工作是十分重要的。清理时要将试件表面粘贴应变片处的漆层、油污、锈层等清理干净，使试件该处的表面光洁度

40、达5左右，对于光滑的表面，要用细纱布打出与应变片轴线成45的交叉纹路，一般应画出定向标志以便于粘贴。粘贴前，还需对该处表面用沾有甲苯，四氯化碳或丙酮脱脂棉球擦拭，进行最后清洗直至棉球上看不出污迹为止。应变片的粘贴：粘贴的方法视所用的粘合剂与应变片的基底种类不同而异，且熟练的操作者有自己的经验与习惯，无须强行统一，下面所介绍的方法仅供参考。对纸基应变片，传统的粘合剂是硝化纤维素胶，其粘贴过程如下：在清理过程的表面上涂上一层厚约的胶（并不要求很均匀）并立即将应变片不加压地放上，可轻拿着引出线将应变片移动与转动，以达到正确的位置。操作时，手指要用丙酮洗净，当应变片放在正确的位置上后，用一小片滤纸擦除

41、，此后另换一张大小适当的薄滤纸，用手按紧应变片的引出线区，用右手食指沿应变片的纵向挤压，把应变片多余的胶连同气泡挤出形成薄薄的胶层，当确认粘贴正确后，可用手指或适当重块（压力不要超过1公斤/厘米），加压几分钟即可。应注意的是，粘贴后，引出线不应与试件表面接触，以免短路，影响实测。对胶基应变片，通常使用环氧粘合剂，聚酯粘合剂等，其粘贴过程如下：在应变片粘贴面与试件表面各涂上一层薄胶，并风干约五分钟（可用手指触试试件上非粘贴处的胶层来判断干燥情况，如能留下指痕而胶液又并不粘附于指上时，即可进行粘贴），然后将应变片放在试件上并找正位置，用前述方法，用手指挤压并加压即可。粘合层的固化：固化的过程，是溶

42、剂挥发或单体聚合过程，有些粘合剂需要加热固化，可用恒温箱加热炉进行加热。试件较大时，可用红外线照射加热，试件表面的温度，可用温度计测量（如热电偶式温度计）或用已知熔点的物质放在表面上（如石蜡为4070），亦可用水滴在表面上看蒸发的剧烈程度来大致判断。对大的试件（如机构架，岩体等）在粘片数目较多时，可用硝化纤维素胶固化加热之用。固化规范在表4-5中已有叙述，但要注意的是表中所列为最低限度的固化条件，如测量要求较高时，则要进行较仔细的固化过程。粘贴质量的检验：当应变片粘贴在试件上后，在进行固化之前，应对粘贴质量进行初步检查。首先用万用表测量线栅的电阻，看有无断路现象（因为粘贴过程中、线栅有被弄断的

43、可能）其次检查引出线与试件间的电阻，看有无短路现象（因为基底有可能破损而使线栅或引出线的根部与试件表面接触），如都没有问题，则可进行固化，但固化还要进行粘合层绝缘电阻的测量，因为绝缘电阻的高低，是应变片的粘贴质量与固化是否完善的一个重要指标，绝缘电阻小时，应变片的零漂、蠕变、滞后都较严重，使测量误差大。对一般的测量，绝缘电阻达50兆欧100兆欧即可。要求高时（长时间稳定性的精密测量）须达到10000兆欧，要求低的20兆欧亦可，但要注意的是，测量绝缘电阻时，其测量电压应在100伏以下，否则将粘贴层击穿。除测量绝缘电阻外，还要检验粘合层中是否存在气泡，办法是将应变片接到静态应变仪上，用手指或软橡皮

44、轻触或轻击应变片的敏感栅部分，如粘合层中有气泡存在时，应变片的指示表的指针会有较大的偏转。对于较重要的应变片可用1040倍显微镜在强光下对其表面进行观察，遇有检验不合格的应取下另贴新片，粘贴后长时间未用的应变片，使用前仍应重新检验。连接线的安装：为了与测量仪器连接，应变片的引线常用锡焊与连接线相接。一般使用多股铜线，高温情况下用镍铬合金导线，连接线较长或外界有磁场等干扰时，往往使用多芯屏蔽线以防止干扰，锡焊时应准确、迅速，因时间过长会产生氧化物降低焊点质量，且因热传导使线栅温度上升，可能使基底与粘合层破坏。同时要严格防止虚焊，另外，为防止工作过程中因扯动连线而将应变片拉坏，连接线在焊接前要用捆

45、扎、粘合等方法。应变片的保护：应变片的保护主要是防潮处理。因为侵入水分后会降低绝缘电阻，也降低粘合层的粘合强度，使之不能有效地传递应变，当粘合层中有水分时，会产生电解现象，使线栅受到腐蚀而影响测量的精度，所以通常都要采取防潮措施，防潮剂的种类较多，可根据使用环境与测试要求选用。一般有如下几种：中性凡士林，石蜡涂料，环氧树脂防潮剂，914环氧树脂粘合剂，液体合成橡胶硅树脂等。现场测试中的准备工作因为现场的生产条件比较复杂，在实验中无法完全模拟，且在实验室中很容易解决的技术问题，在现场往往无法解决。此外，由于实验条件，现场环境以与时间等的限制，测点数量不能过多，多次重复实验也要受到限制，或者根本不

46、能实现，因而一旦有某一环节考虑不周或技术条件没有达到，都有可能使测试不能达到预期的目的，因此，要使测试工作顺利进行，事先必须有周密的测试计划，充分的技术准备、器材准备以与科学的组织分工与必要的人员训练。由于现场的复杂情况各异，测量技术本身也在不断发展，所以很难作出全面的介绍，下面就几个共同的问题作一般简介。1）制定测试计划（或测试大纲）首先要详细了解测试的要求与目的，明确测试任务，还要深入地了解现场工作状况，收集查阅有关技术资料，摸清工作条件。据此确定要有什么样的技术条件才能进行测试，针对这些工作条件，需要在实验室里做哪些技术准备工作，应配备什么仪器等。经过这些调查研究之后，作出测试计划。计划一般包括下列内容：测试目的与任务；要求测试的工况；测试方式与测点选择；仪器、材料的