道路与桥梁实验教学中心

应 变 电 测 技 术

重庆交通大学道路与桥梁实验教学中心

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应变（应力）测试方法

应变测量的目的

强度是评定结构性能重要指标，目前尚无可靠方法对应力进

行直接测量，而是通过测试材料应变，根据虎克定理 (或已知的

σ-ε曲线 )换算应力

应变的定义

, 应变表示： 1×10-6， 1με=1×10-6。L

L

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主要测试方法

应变电测法：应变计和应变仪（数据采集器）

位移法

振弦式应变计

光测法

光纤、光栅传感器 混凝土结构内部钢筋应变计布置

混凝土表面应变测试 斜拉桥锚拉板应力分布测试

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应变电测法主要优点 可制成应变式测力、位移、转角、

加速度传感器，设备一机多用

分辨率高，量程大，精度高

频率范围宽，动态响应好

尺寸小，可以测试应力集中；重量

轻，不影响对象工作性能

应变计成本低，容易实施多点测量

应变电测法用于桥梁荷载试验

应变电测法缺点 一般只能测定表面应变，砼构件可测定内部应变

受温度影响大，长时间应变测量精度低

属弱电设备，容易受各类电磁干扰影响

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光测法

又称光测弹性力学法，简称光弹性法，是一种光学和力学结合进

行应力分析的实验技术，适用模型材料有环氧树脂、有机玻璃等

光测法优点

全场测量，可以了解结构受力全貌、应力集中、接触应力等

灵敏度高

直观，如显示应力云图，有利研究结构应力集中、缺陷等问题

可以进行无损检测

可以进行三维应力分析

结构应力云图

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应变机械测量法

机械式千分表测量应变原理图

应变机械测量法特点

设备成本低

操作简单

稳定性好

大标距测量，只能测试区段平均应变

分辨率较低

有一定重量和体积，不适用小型结构应力测试

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振弦式应变计

振弦式应变计法特点

长期测试稳定性好

受环境影响相对较小

广泛采用网络数据传输技术

广泛应用于桥梁、大坝等施工、营运监测

装配式振弦传感器可用于桥梁荷载试验，稳定性好

分辨率高，但量程相对较小

成本较高

振弦式应变计配套采集器

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电阻应变计应变测试原理

应变的概念

应变的定义：

应变的单位： 1×10-6， 1με=1×10-6

应变测量目的：反映结构应力 -应变关系，根据虎克定理，换算应力

目前尚缺乏直接测试应力的可行方法

L

L

应变电测设备组成

应变计、应变仪、计算计采集处理软件

电阻应变计的工作原理

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应变电测设备与信号流程

UCAM-70A-10多功能应变采集器

TDS-602多功能应变采集器

YE2539高速静态应变仪

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应变电测设备与信号流程

系统感知部分，实现输入信号到电量转换

对传感器输出进行放大等处理，便于采集

信号采集、显示、存储，类分析处理

电测传感器 利用电子、电磁学原理，将输入信号（非电量）转换为便于放

大、处理或记录的电信号（如 u、 I、 R、 L、 C、 Ф、 Q） 应变计是一种将应变转换为电阻变化的电测传感器 传感元件是类似电阻丝的导体 , 随几何尺寸变化其电阻也变化

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基于电阻应变效应

导体或半导体在机械变形时（伸长或缩短），其电阻值随变形而

“ ”发生变化，这一物理现象称为 电阻应变效应

可以用下式表示： 应变电测信号转换

• 应变计粘贴在结构表面上

• 结构变形，根据电阻应变效应，应变计电阻值发生变化

• 通过应变仪测量电桥，将电阻变化信号进行放大处理

• 应变仪显示与电阻变化成正比的应变值 电阻应变效应 的推导 K值的含义：反映应变计电阻应变效应显著程度的指标

厂方提供，也可自行标定。金属应变计K=2.0~2.5,半导体约为50

KR

R

KR

R

电阻应变计原理

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应变计组成

由敏感丝栅、基地、覆盖层、引出线组成，其中敏感丝栅为感知

器件，通常用康铜合金制成

敏感丝栅• 作 用：敏感元件，将应变转换为电阻变化• 常用材料：金属，如康铜合金，半导体温度系数大，应用不多• 工 艺：丝式盘绕（已淘汰），照相光刻（箔式，目前常用）

电阻应变计的构造

BX120-80AA应变计

丝式电阻应变计的构造

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基底

• 作用：固定敏感元件，并使敏感丝栅与构件绝缘

• 材料：胶基（强度高，散热较差），纸基（强度底，散热较好）

• 要求：一定的强度、化学性能问题、电绝缘效果好

引出线：用于焊接应变计与应变仪的连线电缆

覆盖层：固定敏感丝栅形状，防止应变计机械损伤

连接应变计的线缆

电阻应变计的构造

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电阻应变计分类

敏感丝栅的形状：丝式盘绕、短接式、箔式

敏感丝栅的材料：金属、半导体

单轴 /多轴：单轴、多轴 (应变花 )

环境适用；高温、中温、常温、低温

测试对象的不同：大标距（平均应变）、小标距（应力集中）

应变花种类 应变花砼梁端平面应变测试

大标距混凝土表面应变计

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小标距 (3mm)应变片测局部受力、应力集中

道路与桥梁实验教学中心各类电阻应变计

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电阻应变计工作特性

电阻值 灵敏系数，式中 的 K值 横向灵敏系数，一般处于 0.1%~5%之间 机械滞后 时间零点漂移和蠕变 应变极限（与量程有关） 疲劳寿命 绝缘电阻 温度特性： 最大工作电流 几何尺寸

KR

R

tKRR )(( 丝构

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电阻应变计的选用

标距：对于匀质材料，选用 3~5mm标距；对非匀质材料，选用大标

距应变片，如混凝土结构，要求满足 L≥4φ,构件较小、应力梯度大、应力集中

的采用小标距

阻值：常用为 120Ω，同一次试验的阻值要相同

灵敏系数：同一次试验的灵敏系数相同

单向应变测试选用单轴片，平面应变测试选用应变花

敏感栅材料：金属 (康铜合金 )

基底材料：有机玻璃构件采用纸基，金属结构采用胶基

其它考虑：环境条件量程、精度等级、基底材料、稳定性

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应变仪主要指标通道数量程计算功能监测功能应变仪作用 应变计专用配套仪器、信号转换放大、桥路组合、多点巡回 测量。分动态和静态应变仪两者种应变仪的组成 多点接线装置测量电桥放大线路 软件系统

电阻应变仪以及测量电路

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测量电桥

作用：将电阻变化转化为电压，便于放大和处理，根据需

要进行桥路组合

应变仪测量电桥 应变仪测点接驳装置

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测量电桥及输出特性

应变片将应变转换为电阻变化 电桥将各桥臂电阻变化转化为电压 应变仪输出与应变成正比信号

测量电桥的输出特性 相邻桥臂符号相反，输出呈相减性；相对桥臂符号相同，输出

呈相加性

电桥平衡条件 满足 R1/R4=R2/R3，即 R1*R3=R2*R4时， ΔU=0, ε=0

)(4

1)

4

4

3

3

2

2

1

1(

4

14321

KU

R

R

R

R

R

R

R

Ruu

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桥路组合方式 (以等截面矩型悬臂梁为例 ) 1/4桥接法 R1 外接应变片， R2 、 R3、 R4机内电阻

14

1

1

1

4

1 KUR

Ruu

R1 P 1/4 桥 ε 显示 = ε 实际

半桥 R1、 R2外接应变片， R3、 R4机内电阻

R1 P

R2

1/2 桥 ε 显示= 2ε 实际

)(4

121 KUu

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全桥 R1、 R2 、 R3、 R4均为外接应变片

R1 R3 P

R2 R4

全桥 ε 显示= 4ε 实际

)(4

14321 KUu

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电阻应变计和应变仪的应用技术应变片粘贴技术 粘贴工艺环节是应变测试的主要误差来源 粘贴工艺基本要求 定位准确、粘贴牢固、焊接可靠、绝缘满足要求、防潮 (水 )防损伤措施得当

粘贴方法和程序 应变片的筛选 构件表面处理 贴片 固化 导线焊接与固定 粘贴质量检查

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应变计粘贴示意图

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钢筋应变片布置 砼表面应变片布置

表面应变片防护处理

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温度补偿技术 温度补偿目的 消除温度变化对应变测试结果的影响

式中： α 丝——应变片温度系数

Δt——温度变化值

β 构——构件线膨胀系数

β 丝——构件线膨胀系数

K——应变片灵敏系数 补偿原理 用测量电桥的输出的加、减特性，抵偿温度影响 补偿方法 专用温度补偿片 工作片互补

tKRtRRRR ttt ）丝构丝 (21

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1/2桥专用温度片补偿接法图例

要达到理想补偿效果，应满足以下条件：

工作片与补偿片同规格

补偿件与被测结构同材料

补偿片和工作片的连接线缆同规格

补偿片与工作片同温度场

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应变仪主要操作内容测试线缆连接以及接桥（桥路组合）测试参数设置：灵敏系数、桥路模式、换算系数、计算功能调零（平衡）加载测试卸载测试

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应变测试的误差控制 贴片质量有保证

仪器性能良好

测试参数设置正确

回路接触电阻稳定

连接线缆布置规范

供电电压稳定、接地良好

适宜的试验环境

尽量避免或抑制外界电磁干扰

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根据应变仪测量电桥原理，任何可转换为电阻变化的传感

器均可以与应变配套测试

应变仪是桥梁结构检测最常用设备，与应变式传感器配套

进行以下参量的检测：

结构挠度、位移

结构转角

荷载

裂缝的捕捉

裂缝宽度增量

振动加速度

电阻应变计电测技术的扩展和应用

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应变式位移传感器 机电百分表 测试原理 → →结构位移 测杆使悬臂梁变形 应变片将梁的变形转换为电阻变化 → → →测量电桥转换 应变仪处理输出应变 由应变换算位移 (ε=kf ) 应用 位移、挠度测试 裂缝宽度增量测试 转角测试

机电百分表 机电百分表电测部分原理图

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滑线电阻丝位移计 滑线电阻丝位移计原理图

滑线电阻丝位移计

测试原理

应用，同机电百分表

主要指标

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应变式测力传感器

应变式测力传感器 应变式测力传感器原理图现场试验荷载测试

原理 → →荷载作用于传感器 弹性体变形 应变片应变效应

→ → →测量电桥将电阻变化转换为电压 应变仪放大输出应变 根据应变

与荷载的关系换算力值 P=σs=EεS

应用

荷载测试

加载控制

KR

R

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应变式加速度传感器

应变式加速度传感器 应变式加速度传感器构造图

原理

基于电阻应变效应和牛顿第二定律 (F=ma)

特点

低频特性好、与动态应变仪配套、灵敏度较低，不适用冲击、随机振动试验

应用

结构自振特性、行车动力响应等检测