董 偉

1 概述

電測法是工程結構中常用的實驗、測試方法之一，結合利用測得的應變值，求得應力等參數值，可對工程的安全性進行評價。通過在構件被測點處粘貼電阻應變片(以下簡稱應變片)，將構件被測點的應變值轉換為應變片的電阻變化，再利用電阻應變儀測出應變片的電阻變化率，經應變儀并直接輸出被測點的應變值，然后依據虎克定律計算出構件被測點的應力值[1］。在電測法中，主要設備是電阻應變片和電阻應變儀。

1.1 應變片

電阻應變片是將應變變化量轉變成電阻變化量的轉換組件。應變電測法具有感受元件重量輕，體積小;量測系統信號傳遞迅速、靈敏度高、可遙感，便于與計算機連用及實現自動化等優(yōu)點。其主要缺點是連續(xù)長時間測量會出現漂移，原因在于粘合劑的不穩(wěn)定性和對周圍環(huán)境的敏感性所致。

由物理學定律可知，金屬絲的電阻R與其本身長度L成正比，與其橫截面積A成反比，用公式表示為:

其中，R為電阻絲的電阻值，Ω;ρ為電阻率，Ω·mm;L為電阻絲的長度，mm;A為電阻絲的截面面積，mm2。

圖1 金屬絲應變效應

當電阻絲受到拉伸或壓縮時，式(1)中的L，A，ρ將發(fā)生變化。設變形后其長度變化為ΔL，如圖1所示，若此時對式(1)兩端同取自然對數，即得:

對式(2)進行求導，有:

因為金屬電阻線受軸向拉伸(壓縮)作用時，dA/A=2dD/D=－2μ(dL/L)(μ為電阻絲材料的泊松比)，所以式(3)可寫成:

其中，dL/L為應變片軸向應變ε。

由式(4)進一步可得:

令式(5)為K0，稱為單絲靈敏系數，為一常數。因應變片由單絲繞成，對于應變片，可推出下式:

其中，K為應變片的靈敏系數。

式(6)表明:應變片的電阻變化率與應變呈線性關系，即電阻變化率是其應變值的K倍。當應變片粘貼在被測試構件上時，會隨構件受力而產生主變形。應變片的應變即反映了構件在測試位置長度內的應變。即實現了應變片的應變—電阻變化及電量—非電量之間的轉換關系[2］。

1.2 電阻應變儀

電阻應變儀的測量電路，一般采用惠斯登電橋，其作用是測得應變片的電阻變化率，進而測得構件應變。如圖2所示，在四個臂上分別接入電阻 R1，R2，R3，R4，在A，C 端接入電源，B，D 端為輸出端。

圖2 測試電路

根據基爾霍夫定律，當橋臂上各電阻值發(fā)生變化時，惠斯登電橋輸出端電壓UBD與輸入端電壓U的關系如下:

在實際使用中，按照不同的組橋方式還可分為:

1)全橋:即四個橋臂上均接有工作片。

2)半橋:即四個橋臂上只有兩個橋臂接有工作片，剩余兩應變片只起連通電路作用，電阻值不發(fā)生變化(應變?yōu)?)。

3)1/4橋:四個橋臂上只有1個橋臂接有工作片，此時相鄰橋臂接溫度補償片。此橋路形式在實際中應用較多[2］。

應變片的種類很多，可按其所用材料、使用的工作溫度以及不同的用途分類。按敏感柵所用材料可分為金屬電阻應變片(金屬絲式應變片、箔式應變片和薄膜應變片)和半導體應變片等;按使用溫度可分為低溫、常溫、高溫等，具體可參考相關文獻。

2 應變片的粘貼步驟

在電測技術中，電阻應變片的粘貼技術比較復雜，工作量大，應變片粘貼質量的優(yōu)劣對測量的可靠性影響很大，是一個非常關鍵性的環(huán)節(jié)，必須予以注意。另外，應變片不能重復使用，消耗量也比較大，因此應一次成功。應變片的粘貼具體步驟如下。

2.1 選片

選擇應變片的規(guī)格和形式時，應注意到構件的材料性質和構件的應力狀態(tài)。因應變片測出的是平均應變，在構件應力變化范圍較大時，一般選用小標距應變片;而在混凝土表面，宜選用大標距的應變片。確定應變片類型后，還要逐片進行外觀檢查，用肉眼或放大鏡檢查應變片絲柵是否平直，片內有無氣泡、斑銹點等缺陷，不合格的片應剔除;然后用萬用表逐片測定阻值，電阻值差應在 ±0.5 Ω 范圍內[3］。

2.2 測點表面的清潔處理

為使應變片與被測構件粘貼得牢固，對測點表面要進行清潔處理。

1)鋼筋表面貼片的清潔步驟如下:

a.對帶肋鋼筋，將測點表面用砂輪進行粗打磨(圓鋼跳過此步)，打磨平面大小在滿足應變片面積時，盡量要小，否則會影響鋼筋有效承載面積，會使測試結果與實際出現較大偏差;

b.用銼刀進行手工細打磨;

c.用0號砂紙沿著45°角方向進行精度打磨，使測點表面平整;

d.棉簽蘸丙酮擦洗表面，到棉簽不黑為止;

e.用劃針在貼片位置處劃出應變片的坐標線。

打磨好的表面，若暫時不貼片，可涂以凡士林等防止氧化。

2)混凝土的清潔步驟:

a.測量對象為混凝土構件時，則須用噴漿方法把表面墊平(也可采用環(huán)氧樹脂膠配合固化劑)，然后進行打磨清洗等工作;

b.在貼片部位，還應先涂一層隔潮層，可采用環(huán)氧樹脂膠配合固化劑，應變片就貼于隔潮底層上。防潮層的厚度以一般約為0.05 mm～0.1 mm為宜，使應變片能和混凝土測點處的變形保持一致;

c.待墊平層固化后，進行其他操作，與鋼筋貼片類似。

2.3 貼片

貼片一般采用502膠水，鋼筋應水平放置。在測點位置和應變片的底基面上，涂上薄薄一層膠水，一手捏住應變片引出線，把應變計軸線對準坐標線，上面蓋一層聚乙烯塑料薄膜作為隔層，用手指在應變計的長度方向輕輕滾壓，擠出片下氣泡和多余的膠水，直到應變計與被測物緊密粘合為止。手指保持不動約數10 s后再放開，注意按住時不要使應變片移動，再檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現象，否則須重貼;502膠靠內聚力粘片，注意涂膠量要適中，不要太厚，過多則膠層粘結力反而降低，而且太厚影響應變片性能，過少則膠可能分布不均勻不能準確傳遞應變(見圖3)。

圖3 應變片粘貼示意圖

2.4 接線

應變片和應變儀之間用導線連接。需根據環(huán)境與試驗的要求選用導線。通常靜應變測定用雙芯多股平行線。在有強電磁干擾及動應變測量時，需用屏蔽線(如附近有信號傳輸塔)。焊接導線前，先用萬用電表檢查導線有否斷路，然后在每根導線的兩端貼上同樣的號碼標簽，避免測點多時造成差錯。

1)在應變片引出線下，貼上膠帶紙，以免應變計引出線與被測構件(如被測構件是導電體的話)接觸造成短路。

2)把導線與應變片引線焊接在一起，固定在接線端子上，焊接時注意防止假焊。焊完后用萬用電表在導線另一端檢查是否接通。

接線端子相當于接線柱，使用時先用膠水把它粘在應變片引出線前端，然后把應變片引出線及導線焊于接線端子上，其作用有兩個方面:首先，保護應變片，避免因外力扯拉外接導線使應變片導線扯斷;其次，使應變片的導線和外接導線接觸良好，避免點接觸。

在上述工作完成后，應對其粘貼質量進行檢查和校正。如通過放大鏡觀察應變片的粘貼位置和方位角是否準確，粘貼表面有無氣泡，應變片粘貼是否牢固;用萬用表測量應變片有無短路和斷路現象。

2.5 防潮處理

防潮處理必須在檢查應變片貼片質量合格后立即進行。為避免膠層吸收空氣中的水分而降低絕緣電阻值，應在應變片接好線并且絕緣電阻達到要求后，立即對應變片進行防潮處理。當室溫高于15℃和相對濕度低于60%時可采用自然干燥，時間一般為24 h～48 h。室溫低于15℃和相對濕度高于60%要采用人工干燥(紅外線等照射或電吹熱風)，但人工干燥前要進行8 h的自然干燥，人工干燥的溫度不得高于60℃。防潮處理應根據試驗的要求和環(huán)境采用不同的防潮材料。常用的簡易的防潮劑可用703，704硅膠和環(huán)氧樹脂添加固化劑的混合劑等。

其中采用環(huán)氧樹脂和固化劑的混合劑能達到一定強度，和構件達到共同變形。但是在配合環(huán)氧樹脂(V1)和固化劑(V2)時要注意二者的配合比(體積比)，V1∶V2越大，混合劑的固結時間越長，V1∶V2越小，混合劑的固結時間越短，且固結后易脆，影響試驗效果。因此在測試前應先試配，確定最佳配合比以免造成材料的浪費影響測試效果。環(huán)氧樹脂和固化劑的混合劑主要有以下兩個作用:

1)因其具有良好的隔潮性能，可起到防潮的作用;

2)對于鋼筋混凝土應變片，在澆搗混凝土時骨料很可能會碰到應變片，因其具有一定強度，可以保護鋼筋上的應變片不被損壞。

3 結語

在工程結構測試中，應變片的粘貼是電測法中核心的一步，粘貼的質量直接關系到測試的精度，因此在應變片的粘貼過程中要注意的問題如下:

1)嚴格控制每一操作環(huán)節(jié)的質量，以減少人為因素對測試結果的影響。

2)做好測點表面的平整度、清洗、膠層厚度等控制，以免影響應變片與構件被測點的共同變形;鋼筋表面貼片空間在滿足應變片或布線所需空間基礎上，避免過大，保證測試精度。

3)若用環(huán)氧樹脂打底或作為防潮劑，把握好環(huán)氧樹脂與固化劑的配合比(V1∶V2)，若過大，混合劑固結時間較長;過小，混合劑固結快，且固結后易脆，易與粘結界面分離。

[1]汪大鵬，劉 美.電測力實驗中應變片的粘貼技巧[J］.湖南工程學院學報，2003(3):64-65.

[2]馬永欣，鄧山鎖.結構試驗[M］.北京:科學出版社，2001.

[3]李忠獻.工程結構試驗理論與技術[M］.天津:天津大學出版社，2004.