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1、第三章 数据采集与测量仪器,3-1量测仪表的基本概念结构试验对量测数据的精确度要求，通常是根据试验的目的和要求来确定，并根据精度要求选择量测方法和量测仪表。3-1-1测量仪表的组成及技术指标一、测量仪表的组成,3-1量测仪表的基本概念,二、量测仪表的技术指标1刻度值A分度表上每一最小刻度所代表的被测量的数值。2量程S测量上限值和下限值的代数差。3灵敏度K实际物理量的单位输出量与输入量的比值。4分辨率使仪表表示值发生变化的最小输入变化值。5滞后某一输入量从起始量程增至最大量程，再由最大量程减至最小量程，在这正反两个行程输出值之间的偏差称为滞后，常用全量程中的最大滞后值与满量程输出值之比表示。6精
2、确度精确度简称精度，它是精密度和准确度的综合反映。用测量误差的相对值来表示。7.可靠性在规定条件下，满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性。,3-1量测仪表的基本概念,3-1-2测量方法1.直接测量法和间接测量法2.偏位测定法和零位测定法,3-1量测仪表的基本概念,3-1-3仪器误差及消除方法仪器误差属于系统误差.消除系统误差的方法:事先找出仪器存在的系统误差及其变化规律，并对其建立各种修正公式，或修正曲线、编制修正表格等，需要对仪器进行定期率定。率定方法：1）利用专门的率定设备由一个标准设备产生一个已知标准量的变化，由标准量与被率定仪器的示值作比较求出被率定的刻度值。2）采用同级标准仪器作
3、比较标定3）利用标准试件此外还可在仪器内设率定装置。,3-2 应变测量,应变：单位长度范围内的伸长或缩短。设两点之间的距离（标距）为L，被测物体发生变形后，两点之间有相对位移式中： 以两点之间的距离增加为正，表示得到拉应变；以减少为负，表示得到压应变。应变一般分机械测法和电测法。,3-2 应变测量,3-2-1应变的机械测量法1. 手持应变仪（1）工作原理在标距两端粘结两个脚标（每边各一个），通过测量结构变形前后两个脚标之间距离的改变，求得标距内的平均应变。（2）操作步骤1）根据试验要求确定标距，在标距两端粘结两个脚标（每边各一个）。2）结构变形前，用手持应变仪先测读一次。3）结构变形后，用手持
4、应变仪先测读。4）变形前后的读数差即为标距两端的相对位移，由此可求得标距内的平均应变。,3-2 应变测量,2.单杠杆应变仪由刚性杆、杠杆和千分表组成。 3.位移计方法位移计测量应变的工作原理和操作步骤与手持应变仪基本相同。示意图见图3-4。测量精度高于手持应变仪。其标距可任意选择，可用百分表、千分表或其他电测位移传感器。,3-2 应变测量,3-2-2应变电测法优点： 1）灵敏度及准确度高，测量范围大。 2）应变片体积小、质量轻，可安装在形状复杂而空间甚小的区段，且不影响欲测结构的静态及动态特性。 3）对环境的适应性强 。 4）适用性好。可以进行远距离测量，有助于实现测量的自动化。缺点：连续长时
5、间测量会出现漂移；粘贴工作技术性强、工艺复杂、工作量大；不能重复使用。,3-2 应变测量,1电阻应变片的原理及构造（1）电阻应变片的原理电阻应变效应：金属丝的电阻值随其机械变形而变化。金属丝的电阻值表示如下（3-3）当金属丝受力而变形（拉伸或压缩）时，其长度、截面积及电阻率将发生变化，其变化规律可由式（3-3）两边取对数再微分得 （3-4）,3-2 应变测量,若电阻丝呈圆形，则有 （3-5）式中：材料的泊松比将式（3-5）代入式（3-4）得（3-6）即：,3-2 应变测量,令金属丝的灵敏系数 通常由试验方法测定即 （3-7）式（3-7）即为金属丝的电阻应变效应。结论：在一定范围内，应变片的电阻
6、变化率与应变成正比，这就是应变片测量应变的理论基础 。,3-2 应变测量,（2） 应变片的构造 基底及覆盖层 定位、保护作用。电阻丝栅 感应标距范围内的平均应变 。引出线 起联接导线的作用。,3-2 应变测量,（3）应变片的分类1938年，美国西蒙斯与鲁奇创制出第一片应变片，至今已有二万余种，我国于1955年北航研制出丝绕式应变片。 1）按敏感栅材料分 金属应变片 丝式 丝绕式 短接式 箔式 半导体应变片2）按敏感栅结构的形状分单轴和多轴,3-2 应变测量,电阻应变片的技术指标1）标距：敏感栅的在纵轴方向的有效长度L。选用应变片的原则因为应变片代表的是标距范围内的平均应变，对匀质材料和应力梯度
7、大的构件应选用“小”标距应变片，以满足测“点”的应变的要求，对非匀质材料应选用较大标距应变片，以测出较长范围内的平均应变，通常要求标距不小于最大骨料直径的3倍（L3dmax） 2）规格：以使用面积LB表示3）电阻值：标准阻值：R=1204）灵敏系数：抽样试验确定5）温度适应范围,3-2 应变测量,（5）应变片的粘贴技术1）选、分应变片；2）选择粘合剂；3）测点表面清理；4）应变片的粘贴与干燥；5）焊接导线；6）粘贴质量检查；7）防潮和防水处理。,3-2 应变测量,2电阻应变仪的测量电路（1）电桥基本原理惠斯登电桥是电压桥，其线路见图3-2，若R1R4均为外接应变片，输入电压E恒定，当忽略电源内
8、阻时，电桥负载上的电压当UBD=0时，电桥处于平衡状态，即电桥的输出电压为零。电桥的平衡条件：R1R3=R2R4,A,C,3-2 应变测量,令四个桥臂电阻值相等，即R1= R2= R3= R4，则对原来处于平衡状态的电桥当其桥臂电阻值变化分别为R1、R2、R3、R4时 ，忽略高阶微量得（3-8）式（3-8）的物理意义：电桥将机械变形所引起的应变片相对阻值变化转换成电压信号输出，这就是电桥的工作原理。若时（3-9）令（3-10）则式（3-8）或式（3-10）可看出：当电桥相邻两臂的电阻增量同号时其作用互相抵消，异号时互相叠加；当相对两臂电阻增量同号时其作用互相叠加，异号时其作用互相抵消。这种现象
9、称之为电桥的加减特性。,3-2 应变测量,（2）平衡电桥原理（略）（3）温度补偿技术温度效应的含义环境温度变化也会引起其阻值变化，从而使应变仪示值变化（称为视应变用t表示），这种现象称为温度效应。温度效应的来源 一是电阻丝由于热胀冷缩而产生阻值变化，二是试件材料与电阻丝栅的线膨胀系数不同电阻丝受到附加的拉压作用而产生阻值变化。温度补偿的含义 排除温度影响的措施,3-2 应变测量,温度补偿的原理温度补偿有自补偿应变片和桥路补偿法，后者用得相当普遍，桥路补偿技术的原理是电桥的加减特性。温度补偿的方法（以半桥接法为例） 分离补偿（温度补偿片法）在试件受力区布置的应变片称为工作片。选一个与试件相同且不
10、受力的试块作为补偿块，其上贴应变片称为温度补偿片，将二者接入桥臂AB、BC中，就是分离补偿。见图3-4。注意：温度补偿片的实质是只产生温度效应，而不感应荷载引起应变，如果能在试件上找到一个不受力的点贴应变片，该应变片也是补偿片，见图3-3中R5。,3-2 应变测量,3-2 应变测量,工作片R1感受的应变为1=p+t 补偿片R2感受的应变为 2=t 则仪=1-2+3-4 =（p+t）-t = p 可见温度效应被排除。,3-2 应变测量,互为补偿（工作应变片补偿法） 如图3-4，若试件在弹性范围内工作（如钢结构），若将R1和R3分别接入桥臂AB和BC，则形成工作片互为补偿。 1=p+t 3=-p+
11、t 则仪=1- =2p可见温度效应被排除，此外，精度还提高了一倍。,3-2 应变测量,温度补偿中应注意的问题a.温度补偿片与工作片同型号、同阻值、同灵敏系数；b.分离补偿时补偿块应与试件同材料、制作上同工艺、置于相同温度环境中；c.连接工作片和补偿片的导线应同材料、同规格、同长度；d.互为补偿时，两个工作片的应变之间应有明确的比例关系。（4）多点测量线路（略）3.实用电路及其应用（1）全桥接法 四个桥臂上全部外接应变片。（2）半桥接法 只在AB、BC桥臂外接应变片其余两个桥臂利用仪器内部的固定电阻。 （3）1/4电桥,3-2 应变测量,（5）桥路连接技术的应用1）轴心受拉、压 如图3-5所示轴
12、心受力构件，在试件轴心位置贴一工作片R1采用分离补偿时（在补偿块上贴补偿片R2）或采用互为补偿 （在轴向工作片处贴一横向应变片R3）则各应变片的应变成分为,A.分离补偿时应变仪输出故测点处应变 B.互为补偿时应变仪输出 故测点处应变,3-2 应变测量,3-2 应变测量,2）偏心受拉、压如图3-6，构件偏心受力时，会有附加偏心弯矩影响，采用适当的布片与接桥方法将其消除。各应变片应变成分如下：,图3-6 偏心受力测轴力布片与接桥示意图,R1R3,P,P,R3,补偿块,R2R4,R4,B,R3,R2,R4,R1,A,C,(a) 串联接半桥,B,R3,R2,R4,R1,A,C,D,(b) 接全桥,3-2 应变测量,A.分离补偿a 半桥接法可见偏心弯矩的影响被排除， 。b 全桥接法 可见偏心弯矩的影响被排除，且 。,3-2 应变测量,B.互为补偿a 半桥接法可见偏心弯矩的影响被排除，且 。,3-2 应变测量,b 全桥互为补偿可见偏心弯矩的影响被排除，且 。C拉（压）力的计算式中： E弹性模量 F面积,3-2 应变测量,3）弯矩测量 单个横向力作用如图3-7所示，悬臂梁在单个横向力P作用下，梁截面承受弯矩，各应变片的应变成分为：应变仪输出：,P,P2,R1,R2,B,R2,R1,A,C,图3-7 弯矩测量,
