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1、2.4静态数字电阻应变仪电阻应变仪是实验应力分析中电测法所必需的测试仪器。随着科学技术的发展，电阻应变仪已转向多点、高精度、数字化、自动化。 YJ-4501A静态数字电阻应变仪采用直流电桥、低漂移高精度放大器、大规模集成电路、A/D转换器及微计算机技术并带有RS-232接口。具有位数字显示，测量简便、精度高、准确可靠稳定性好、易于组成测试网络、便于维修等优点。本机带有12个通道，并可扩展测量通道。 一、工作原理YJ-4501A静态数字电阻应变仪的基本原理方框如图2-5所示。测量电桥模拟放大电路A/D电路转换单片计算机测量通道切换网络测量电桥n继电器键盘显示看门狗电路全桥/半桥选择RS-232功
2、率驱动电路图2-5 应变测量时，欲测试件或构件表面某点的相对变化量l/l即线位移，可使阻值为R的电阻应变片粘贴在试件或构件被测处。，当试件或构件受外力作用产生变形时，应变片将随之相应的变形，根据金属丝的应变电阻效应，应变片阻值发生变化，在一定范围内，应变片电阻的相对变化量R/R与试件或构件的相对变化量成线性关系，即 （2-1）式中，k称为应变片的灵敏系数。由于应变很小，很难直接测得。但由上式可知，只要测得R，就可以求得应变。为此，我们通常将电阻应变片（或电阻应变片和精密电阻），组成如图2-6所示的测量电桥。图中U0为供桥电压，Ui为电桥输出压，R1R4为电阻应变片（或电阻应变片和精密电阻），根
3、据电桥原理可得DBACR3I2R4R2R1I4I3I1UiU0图2-6 （2-2）若在电桥中R1=R2=R3=R4=R，则R1、R2、R3、R4均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时，电桥输出电压（忽略高次微量）为 （2-3）将式（2-1）带入式（2-3），得 （2-4）由此可得应变仪的读数为 （2-5）被测量值经测量电桥，通过模拟放大，A/D转换，由单片机实时控制，完成数据采集的计算处理，显示和传输；通过单片机还实现了半桥，全桥自动选择，测量通道切换等实时控制。二、温度补偿 贴有电阻应变片的构件总是处在某一温度场中的。当这温度场的温度发生变化时，就会造成应变片阻值相对变化；而且当应变片电
4、阻栅粘接剂的线膨胀系数与材料的线膨胀系数不同时，应变片就会产生附加应变。这种现象称为温度效应。 温度效应造成的电阻相对变化是比较大的。严重时，温度每升高1C，应变仪的指示应变可达几十微应变。显然，这不是需要测量的应变，必须消除。消除温度效应影响的措施，称为温度补偿。 温度补偿是将一片规格、材料及灵敏系数与工作应变片R1（即粘接在构件待测点上的应变片）完全相同的应变片R2（温度补偿片）粘贴在一块与被测构件材料相同达们但不受力的试样上（或直接粘贴在构件上不受力且离被测点较近的部位）。并将试样放在离被测点尽可能接近的位置（处于同一温度场）。用同一规格和长度的导线，按相同的走向接至应变仪，联成半桥电路
5、，并使工作应变片与温度补偿片处于相邻的桥臂。这这时，工作应变片的应变应包含由力产生的应变和温度产生的应变两部分，即 （2-6）而温度补偿片的应变，是由温度产生的，即 由于是半桥接线，故由式（2-4）可知，从测量桥上测得的应变值为 于是，由应变仪的指示器上读得的数值就是工作应变片所在测点处受力的作用所产生的应变，从而自动消除了温度变化对测量结果的影响。 三、操作步骤 打开应变仪背面的电源开关，上显示窗口提示符Nh-和序号，且半桥键、手动间指示灯均亮。按数字键01（或任一测量通道序号，按功能键无效），应变仪进入半桥、手动状态，左下显示窗口显示01通道（或所按的序号通道），右下显示窗口显示上次关机时
6、的灵敏系数，上显示窗口所按通道上测量电桥的初始值（或检测值）。1灵敏系数k的测定 在手动测量状态下，按K键，K键指示灯亮，灵敏系数显示窗口（右下显示窗）无显示，应变仪进入灵敏系数设定状态。通过数字键键入所需的灵敏系数值后，K键指示灯自动熄灭，灵敏系数设定完毕，返回到手动测试状态；若不需要重新设定k值，则再按K键，K键指示灯熄灭，返回到手动测量状态，灵敏系数显示窗口仍显示原来的k值。K值设定范围为1.82.5。2全桥、半桥选择 应变仪半桥键指示灯亮时，处于半桥工作状态；全桥指示灯亮时，处于全桥工作状态。根据测量要求，若需要半桥测量则按半桥键，若需全桥测量则按全桥键。3测量应变仪面板后部如图2-7
7、所示，有0112个通道的接线柱，0通道为校准通道，其余为测量通道。应变仪测量分为手动测量和自动测量。 图2-7 (1)手动测量DBACR3R4R2R1DBACR3R4R2R1图2-8（a）（b）1）半桥工作状态：应变仪手动键和半桥键的指示灯亮时，处于手动半桥工作状态。分别在各通道的A、B、C接线柱上按图2-8（a）半桥接线法接入被测电阻（即应变片），通过置零键对各测量通道置零（可反复进行），通道切换可直接用数字键键入所需通道号（0102），也可以通过上行、下行键顺序切换通道。各通道置零后，即可进行测试检测。如果用公共补偿测试方法，则按图2-9所示，各通道的A、B接线柱接工作片，补偿片接在0通道
8、的B、C接线柱上；亦可用公共补偿接线法，各通道的A接线柱接工作片，工作片公共线接在任何一同的B接线柱上（各通道B接线柱仪器内部是接通的），补偿片接在O通道的B、C接线柱上。2）全桥工作状态：应变仪手动键和全桥键的指示灯亮时，处于全桥工作状态。分别在各通道的A、B、C、D接线柱上按图2-8（b）全桥接线法接入被测电阻（即应变片），通过置零键对各测量通道置零（可反复进行），然后进行测试检测。通过切换与（a）相同。补偿片工作片C1DBR3R4R2R1A2341234图2-9R154321AB1CD补偿片R2R4R3R1（2）自动测量：自动键的指示灯亮时，应变仪处于自动测量状态，其半桥、全桥工作状态选
9、择与手动测量相同。在自动测量状态下，按置零键后，仪器按顺序自动对各通道置零；按F键后，仪器按顺序自动对各通道进行检测，并自动将检测到数据通过RS232借接口传输给计算机。 在自动测量状态下，除半桥、全桥、置零、F键能工作外，其余键均不能起作用。若要设定k或进行校准灯，需在手动状态下进行。2.5 电测法的基本原理 电测应力应变实验方法（简称电测法）就是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量的一种实验方法，它不仅用于验证材料力学的理论、测量材料的力学性能，而且作为一种重要的实验手段，为解决实际工程问题及从事研究工作提供良好的实验基础。因此掌握这种实验方法，可增强解决实际问
10、题的能力。电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴到被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转化成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出于此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应力或应变，其原理框图如图2-10所示。电测法的优点是：（1）测量灵敏度和精度高，其最小测量灵敏度为1微应变（即10-6）。在常温静态测量时，误差一般为1%3%；动态测量时，误差在3%5%范围内。（2）测量范围广。可测12104微应
11、变；力或重力的测量范围在10-2105N内。被侧物体电量欲测量被侧物体敏感元件光、电、机传感器测量仪器数据采集与处理电压电流数字量物理量力学量机械量生物参数图2-10（3）频率响应好。可以测量从静态到数105Hz的动态应变。（4）轻便灵活。适用于现场或野外等恶劣环境下进行测试。电阻应变片的最小标距仅0.2mm。（5）能在高、低温或高压等特殊环境下进行测量。（6）便于与计算机连接进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测，可广泛用于生产管理的自动化及控制。（7）可制成各种传感器，如力、位移、压力、加速度传感器等。电测法的缺点是：（1）只能测量构件表面有限点的应变，而不能测量构件内部的
12、应变。（2）只能测得电阻应变片栅长范围内的平均应变值，因此对于应力集中及应变梯度大的应力场会引起较大的误差。 一、电阻应变片的工作原理 1、电阻应变片的构造与种类 电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成，其构造如图2-11 所示。图2-11图2-12 电阻应变片有丝绕式电阻片和箔式电阻片两大类，如图2-12所示。丝绕式应变片是用直径为0.0030.01mm的铜镍合金或镍铬合金丝绕成栅状而成；箔式应变片则是采用厚度为0.0030.01mm的应变合金为敏感材料，经光刻腐蚀工艺制成敏感栅。箔式应变片制造工艺自动化，可大量生产各种规格、形状和尺寸的应变片。箔式应变片具有横向效应小、粘贴
13、牢固、散热性能好、疲劳寿命长和测量精度高等许多优点，故得到广泛的应用。2、 阻应变片的工作原理电阻应变片主要是根据金属丝电阻应变效应的物理原理工作的。当金属丝沿其轴线方向受力而产生变形时，其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。由物理学可知，金属导线的电阻为 （2-7）式中：为导线材料电阻率，为导线长度，为导线截面积。对式（2-7）等号两边取对数在微分得到 （2-8）式中，l/l为金属导线长度的相对变化，它可以用线应变表示，即 （2-9）而A/A为导线截面积的相对变化，若导线直径为D，则 （2-10）式中为导线材料泊松比，。 将式（2-9）和（2-10）代入式（2-8）即得到 （2-11）上式表明，粘贴在构件上的电阻片受力变形时，其电阻相对变化率R/R与导线的应变l/l成一次函数关系。由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，所以比例系数一般在标准应变梁上由抽样标定测得，标定梁为纯弯曲梁或等强度梁。对于电阻片来说，式（2-11）可写成
