电阻应变片粘贴技巧

2011-08-21董伟

山西建筑 2011年28期

董伟

1 概述

电测法是工程结构中常用的实验、测试方法之一，结合利用测得的应变值，求得应力等参数值，可对工程的安全性进行评价。通过在构件被测点处粘贴电阻应变片(以下简称应变片)，将构件被测点的应变值转换为应变片的电阻变化，再利用电阻应变仪测出应变片的电阻变化率，经应变仪并直接输出被测点的应变值，然后依据虎克定律计算出构件被测点的应力值[1］。在电测法中，主要设备是电阻应变片和电阻应变仪。

1.1 应变片

电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量的转换组件。应变电测法具有感受元件重量轻，体积小;量测系统信号传递迅速、灵敏度高、可遥感，便于与计算机连用及实现自动化等优点。其主要缺点是连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所致。

由物理学定律可知，金属丝的电阻R与其本身长度L成正比，与其横截面积A成反比，用公式表示为:

其中，R为电阻丝的电阻值，Ω;ρ为电阻率，Ω·mm;L为电阻丝的长度，mm;A为电阻丝的截面面积，mm2。

图1 金属丝应变效应

当电阻丝受到拉伸或压缩时，式(1)中的L，A，ρ将发生变化。设变形后其长度变化为ΔL，如图1所示，若此时对式(1)两端同取自然对数，即得:

对式(2)进行求导，有:

因为金属电阻线受轴向拉伸(压缩)作用时，dA/A=2dD/D=－2μ(dL/L)(μ为电阻丝材料的泊松比)，所以式(3)可写成:

其中，dL/L为应变片轴向应变ε。

由式(4)进一步可得:

令式(5)为K0，称为单丝灵敏系数，为一常数。因应变片由单丝绕成，对于应变片，可推出下式:

其中，K为应变片的灵敏系数。

式(6)表明:应变片的电阻变化率与应变呈线性关系，即电阻变化率是其应变值的K倍。当应变片粘贴在被测试构件上时，会随构件受力而产生主变形。应变片的应变即反映了构件在测试位置长度内的应变。即实现了应变片的应变—电阻变化及电量—非电量之间的转换关系[2］。

1.2 电阻应变仪

电阻应变仪的测量电路，一般采用惠斯登电桥，其作用是测得应变片的电阻变化率，进而测得构件应变。如图2所示，在四个臂上分别接入电阻 R1，R2，R3，R4，在A，C 端接入电源，B，D 端为输出端。

图2 测试电路

根据基尔霍夫定律，当桥臂上各电阻值发生变化时，惠斯登电桥输出端电压UBD与输入端电压U的关系如下:

在实际使用中，按照不同的组桥方式还可分为:

1)全桥:即四个桥臂上均接有工作片。

2)半桥:即四个桥臂上只有两个桥臂接有工作片，剩余两应变片只起连通电路作用，电阻值不发生变化(应变为0)。

3)1/4桥:四个桥臂上只有1个桥臂接有工作片，此时相邻桥臂接温度补偿片。此桥路形式在实际中应用较多[2］。

应变片的种类很多，可按其所用材料、使用的工作温度以及不同的用途分类。按敏感栅所用材料可分为金属电阻应变片(金属丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片)和半导体应变片等;按使用温度可分为低温、常温、高温等，具体可参考相关文献。

2 应变片的粘贴步骤

在电测技术中，电阻应变片的粘贴技术比较复杂，工作量大，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关键性的环节，必须予以注意。另外，应变片不能重复使用，消耗量也比较大，因此应一次成功。应变片的粘贴具体步骤如下。

2.1 选片

选择应变片的规格和形式时，应注意到构件的材料性质和构件的应力状态。因应变片测出的是平均应变，在构件应力变化范围较大时，一般选用小标距应变片;而在混凝土表面，宜选用大标距的应变片。确定应变片类型后，还要逐片进行外观检查，用肉眼或放大镜检查应变片丝栅是否平直，片内有无气泡、斑锈点等缺陷，不合格的片应剔除;然后用万用表逐片测定阻值，电阻值差应在 ±0.5 Ω 范围内[3］。

2.2 测点表面的清洁处理

为使应变片与被测构件粘贴得牢固，对测点表面要进行清洁处理。

1)钢筋表面贴片的清洁步骤如下:

a.对带肋钢筋，将测点表面用砂轮进行粗打磨(圆钢跳过此步)，打磨平面大小在满足应变片面积时，尽量要小，否则会影响钢筋有效承载面积，会使测试结果与实际出现较大偏差;

b.用锉刀进行手工细打磨;

c.用0号砂纸沿着45°角方向进行精度打磨，使测点表面平整;

d.棉签蘸丙酮擦洗表面，到棉签不黑为止;

e.用划针在贴片位置处划出应变片的坐标线。

打磨好的表面，若暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。

2)混凝土的清洁步骤:

a.测量对象为混凝土构件时，则须用喷浆方法把表面垫平(也可采用环氧树脂胶配合固化剂)，然后进行打磨清洗等工作;

b.在贴片部位，还应先涂一层隔潮层，可采用环氧树脂胶配合固化剂，应变片就贴于隔潮底层上。防潮层的厚度以一般约为0.05 mm～0.1 mm为宜，使应变片能和混凝土测点处的变形保持一致;

c.待垫平层固化后，进行其他操作，与钢筋贴片类似。

2.3 贴片

贴片一般采用502胶水，钢筋应水平放置。在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，把应变计轴线对准坐标线，上面盖一层聚乙烯塑料薄膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向轻轻滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到应变计与被测物紧密粘合为止。手指保持不动约数10 s后再放开，注意按住时不要使应变片移动，再检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则须重贴;502胶靠内聚力粘片，注意涂胶量要适中，不要太厚，过多则胶层粘结力反而降低，而且太厚影响应变片性能，过少则胶可能分布不均匀不能准确传递应变(见图3)。

图3 应变片粘贴示意图

2.4 接线

应变片和应变仪之间用导线连接。需根据环境与试验的要求选用导线。通常静应变测定用双芯多股平行线。在有强电磁干扰及动应变测量时，需用屏蔽线(如附近有信号传输塔)。焊接导线前，先用万用电表检查导线有否断路，然后在每根导线的两端贴上同样的号码标签，避免测点多时造成差错。

1)在应变片引出线下，贴上胶带纸，以免应变计引出线与被测构件(如被测构件是导电体的话)接触造成短路。

2)把导线与应变片引线焊接在一起，固定在接线端子上，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用电表在导线另一端检查是否接通。

接线端子相当于接线柱，使用时先用胶水把它粘在应变片引出线前端，然后把应变片引出线及导线焊于接线端子上，其作用有两个方面:首先，保护应变片，避免因外力扯拉外接导线使应变片导线扯断;其次，使应变片的导线和外接导线接触良好，避免点接触。

在上述工作完成后，应对其粘贴质量进行检查和校正。如通过放大镜观察应变片的粘贴位置和方位角是否准确，粘贴表面有无气泡，应变片粘贴是否牢固;用万用表测量应变片有无短路和断路现象。

2.5 防潮处理

防潮处理必须在检查应变片贴片质量合格后立即进行。为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变片进行防潮处理。当室温高于15℃和相对湿度低于60%时可采用自然干燥，时间一般为24 h～48 h。室温低于15℃和相对湿度高于60%要采用人工干燥(红外线等照射或电吹热风)，但人工干燥前要进行8 h的自然干燥，人工干燥的温度不得高于60℃。防潮处理应根据试验的要求和环境采用不同的防潮材料。常用的简易的防潮剂可用703，704硅胶和环氧树脂添加固化剂的混合剂等。

其中采用环氧树脂和固化剂的混合剂能达到一定强度，和构件达到共同变形。但是在配合环氧树脂(V1)和固化剂(V2)时要注意二者的配合比(体积比)，V1∶V2越大，混合剂的固结时间越长，V1∶V2越小，混合剂的固结时间越短，且固结后易脆，影响试验效果。因此在测试前应先试配，确定最佳配合比以免造成材料的浪费影响测试效果。环氧树脂和固化剂的混合剂主要有以下两个作用:

1)因其具有良好的隔潮性能，可起到防潮的作用;

2)对于钢筋混凝土应变片，在浇捣混凝土时骨料很可能会碰到应变片，因其具有一定强度，可以保护钢筋上的应变片不被损坏。