電阻應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用及主要誤差分析與修正

唐仕林

（國(guó)家建筑城建機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，長(zhǎng)沙 410013）

電阻應(yīng)力測(cè)試方法是一種應(yīng)用較多的電測(cè)技術(shù)，它是通過(guò)連接電橋中的測(cè)試電阻應(yīng)變片電阻值的變化，測(cè)量電橋輸出端電壓的變化，通過(guò)相應(yīng)的換算關(guān)系，最終獲得測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)力變化值。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成

電阻測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、連接導(dǎo)線(xiàn)、測(cè)試儀器和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

1.1 傳感器

電阻應(yīng)力測(cè)試中的傳感器即是電阻應(yīng)變片，它由敏感柵、引線(xiàn)、黏合劑、覆蓋層和基底組成，如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片

1.2 連接導(dǎo)線(xiàn)

連接導(dǎo)線(xiàn)用于應(yīng)變片和測(cè)試儀之間的信號(hào)傳遞。試驗(yàn)時(shí)，一端焊接在接線(xiàn)端子上與敏感柵連接，一端連接測(cè)量?jī)x對(duì)應(yīng)接線(xiàn)端。

1.3 測(cè)量?jī)x

測(cè)量?jī)x中包括測(cè)量電路和放大電路，接收來(lái)自應(yīng)變片的電阻值變化，轉(zhuǎn)換成電壓輸出，通過(guò)放大電路得到準(zhǔn)確的測(cè)量值。

1.4 數(shù)據(jù)處理軟件

電腦上安裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件（UCS-60B），電腦與測(cè)試儀連接，可設(shè)置相應(yīng)通信接口參數(shù)，測(cè)試所選用的應(yīng)變片參數(shù)及待測(cè)構(gòu)件的物理特性數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試系統(tǒng)的主要誤差因素

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能對(duì)測(cè)試過(guò)程帶來(lái)誤差，其中長(zhǎng)連接導(dǎo)線(xiàn)電阻和環(huán)境溫度變化所帶來(lái)的影響最為關(guān)鍵與普遍。對(duì)于其影響進(jìn)行評(píng)估后，在測(cè)試過(guò)程中需要進(jìn)行修正。下面對(duì)其修正過(guò)程進(jìn)行推導(dǎo)。

2.1 連接導(dǎo)線(xiàn)電阻修正

連接導(dǎo)線(xiàn)用于連接電阻應(yīng)變片和測(cè)試儀之間的電路，傳遞應(yīng)變片的電阻值變化信號(hào)。在塔式起重機(jī)應(yīng)力測(cè)試中，最長(zhǎng)的連接導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)到100m，導(dǎo)線(xiàn)本身的電阻也是不可以忽略的一部分，這部分導(dǎo)線(xiàn)電阻同樣接入橋臂中，對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響是無(wú)法忽略的。

圖2 橋式測(cè)量電路

采用圖2所示的測(cè)量電橋，E為輸入電壓，R3、R4為固定橋臂的電阻，R1為工作應(yīng)變片，R2為補(bǔ)償應(yīng)變片，Rd1，Rd2，Rd3為導(dǎo)線(xiàn)電阻值，Rt1為并聯(lián)電阻，Rt2為調(diào)零電位器電阻，U0輸出端電壓。連接導(dǎo)線(xiàn)采用三芯屏蔽導(dǎo)線(xiàn)，長(zhǎng)度保證相同，因此有Rd1=Rd2=Rd3。通過(guò)調(diào)節(jié)Rt2調(diào)零電阻，使得R3/R4=（R1+Rd1)/（R2+Rd2）=1，調(diào)零完成，此時(shí)的電橋靈敏度也是最高的。

選用和工作片R1完全相同補(bǔ)償片R2，將R2貼在工作片R1同一構(gòu)件位置上，與R1方向保持垂直，工作片R1的電阻變化值記為?R1，補(bǔ)償片R2的電阻變化值記為?R2，兩應(yīng)變片方向垂直，因此?R2=-μ?R1，μ為材料泊松比。

構(gòu)件加載前，應(yīng)變片電阻為初始值，電橋輸出端電壓為零。當(dāng)工作片R1電阻值變?yōu)镽1+?R1，補(bǔ)償片R2的電阻值為R2+?R2=R2－μ?R1，電橋輸出端U0為：

在合理測(cè)試范圍內(nèi)，應(yīng)變片電阻值的相對(duì)變化量?R1/R1與構(gòu)件應(yīng)變變化量是呈線(xiàn)性的，令?R1/R1=Kε，K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)。

從式（3）可以看出，應(yīng)變計(jì)算公式中消除了線(xiàn)性誤差，導(dǎo)線(xiàn)電阻導(dǎo)致的誤差也得以修正，使得測(cè)試精度得到提高。

2.2 溫度變化補(bǔ)償

電阻應(yīng)變片的敏感柵是細(xì)金屬絲成柵構(gòu)成，它的電阻值同樣受溫度的影響，尤其是在測(cè)試中溫度變化較大的情況下，人們不得不將溫度的影響考慮進(jìn)來(lái)。為了消除溫度變化帶來(lái)的影響，人們可利用電橋具有的加減特性來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用兩個(gè)參數(shù)一樣的電阻應(yīng)變片，放在同一溫度環(huán)境中，分別接入AB、BC橋路中，則電橋的輸出因?yàn)閮蓚€(gè)應(yīng)變片同樣的溫度變化值?Rt而得到補(bǔ)償，如圖3（a）所示。目前多采用補(bǔ)償片補(bǔ)償和工作片補(bǔ)償兩種方法。

圖3 單相拉壓貼片與組橋

2.2.1 補(bǔ)償片補(bǔ)償法

選用和工作片R1完全相同補(bǔ)償片R2，將R2貼在與測(cè)試構(gòu)件相同材料的溫度補(bǔ)償件上，R1、R2的橋接如圖3（b）所示。測(cè)試時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片在同一的溫度環(huán)境中，因溫度引起的電阻變化值一樣，?R1t=?R2t，工作片的電阻變化值則為 ?R1=?R1f+?R1t，電橋輸出 U0為：

式中，E為電橋輸入端電壓，V；U0為電橋輸出端電壓，V；?R1t、?R2t為應(yīng)變片溫度變化電阻值，Ω；?R1F為工作應(yīng)變片應(yīng)變變化電阻值，Ω；K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)。

通過(guò)以上分析可以看出，溫度變化所引起的電阻值變化?R1t在電橋中已經(jīng)消除，測(cè)試儀得到的電橋輸出電壓值只與構(gòu)件的應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變有關(guān)，溫度變化的影響得到補(bǔ)償。

2.2.2 工作片補(bǔ)償法

選用和工作片R1完全相同補(bǔ)償片R2，將R2貼在工作片R1同一構(gòu)件位置上，與R1保持垂直，如圖3（c）所示。兩應(yīng)變片方向垂直，因此ε2=με1，電橋輸出U0為：

式中，μ為材料泊松比。

因此，實(shí)際應(yīng)變值ε1與儀器測(cè)試值ε儀之間的關(guān)系公式為：

通過(guò)以上分析可以看出，由于補(bǔ)償片的引入，溫度變化引起的電阻值變化使得實(shí)際應(yīng)變值與儀器顯示值之間為常數(shù)比例關(guān)系，溫度變化的影響可以得到計(jì)算補(bǔ)償。

3 結(jié)語(yǔ)

電阻測(cè)試是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)試技術(shù)，本文介紹了電阻測(cè)試技術(shù)的技術(shù)原理和系統(tǒng)組成，以期使人有較為深刻的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，探究了測(cè)試系統(tǒng)的主要誤差因素，并對(duì)其帶來(lái)的誤差進(jìn)行分析和修正，使其更好地應(yīng)用在測(cè)試過(guò)程中，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性。

[1]張寶書(shū)，葉福添.塔式起重機(jī)的試驗(yàn)技術(shù)[J].建筑機(jī)械，1981，（2）：24-29.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T17807-1999 塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[3]林劍鋒.塔式起重機(jī)檢測(cè)中的幾個(gè)關(guān)注要點(diǎn)[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2013，（5）：10-12.