電阻應(yīng)變片粘貼技巧

董 偉

1 概述

電測(cè)法是工程結(jié)構(gòu)中常用的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試方法之一，結(jié)合利用測(cè)得的應(yīng)變值，求得應(yīng)力等參數(shù)值，可對(duì)工程的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)在構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)處粘貼電阻應(yīng)變片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變片)，將構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片的電阻變化，再利用電阻應(yīng)變儀測(cè)出應(yīng)變片的電阻變化率，經(jīng)應(yīng)變儀并直接輸出被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，然后依據(jù)虎克定律計(jì)算出構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值[1］。在電測(cè)法中，主要設(shè)備是電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀。

1.1 應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是將應(yīng)變變化量轉(zhuǎn)變成電阻變化量的轉(zhuǎn)換組件。應(yīng)變電測(cè)法具有感受元件重量輕，體積小;量測(cè)系統(tǒng)信號(hào)傳遞迅速、靈敏度高、可遙感，便于與計(jì)算機(jī)連用及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)出現(xiàn)漂移，原因在于粘合劑的不穩(wěn)定性和對(duì)周?chē)h(huán)境的敏感性所致。

由物理學(xué)定律可知，金屬絲的電阻R與其本身長(zhǎng)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(zhǎng)度，mm;A為電阻絲的截面面積，mm2。

圖1 金屬絲應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)電阻絲受到拉伸或壓縮時(shí)，式(1)中的L，A，ρ將發(fā)生變化。設(shè)變形后其長(zhǎng)度變化為ΔL，如圖1所示，若此時(shí)對(duì)式(1)兩端同取自然對(duì)數(shù)，即得:

對(duì)式(2)進(jìn)行求導(dǎo)，有:

因?yàn)榻饘匐娮杈€受軸向拉伸(壓縮)作用時(shí)，dA/A=2dD/D=－2μ(dL/L)(μ為電阻絲材料的泊松比)，所以式(3)可寫(xiě)成:

其中，dL/L為應(yīng)變片軸向應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

由式(4)進(jìn)一步可得:

令式(5)為K0，稱(chēng)為單絲靈敏系數(shù)，為一常數(shù)。因應(yīng)變片由單絲繞成，對(duì)于應(yīng)變片，可推出下式:

其中，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

式(6)表明:應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變呈線性關(guān)系，即電阻變化率是其應(yīng)變值的K倍。當(dāng)應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試構(gòu)件上時(shí)，會(huì)隨構(gòu)件受力而產(chǎn)生主變形。應(yīng)變片的應(yīng)變即反映了構(gòu)件在測(cè)試位置長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變。即實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變片的應(yīng)變—電阻變化及電量—非電量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[2］。

1.2 電阻應(yīng)變儀

電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電路，一般采用惠斯登電橋，其作用是測(cè)得應(yīng)變片的電阻變化率，進(jìn)而測(cè)得構(gòu)件應(yīng)變。如圖2所示，在四個(gè)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(cè)試電路

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

在實(shí)際使用中，按照不同的組橋方式還可分為:

1)全橋:即四個(gè)橋臂上均接有工作片。

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

3)1/4橋:四個(gè)橋臂上只有1個(gè)橋臂接有工作片，此時(shí)相鄰橋臂接溫度補(bǔ)償片。此橋路形式在實(shí)際中應(yīng)用較多[2］。

應(yīng)變片的種類(lèi)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(lèi)。按敏感柵所用材料可分為金屬電阻應(yīng)變片(金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片)和半導(dǎo)體應(yīng)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(guān)文獻(xiàn)。

2 應(yīng)變片的粘貼步驟

在電測(cè)技術(shù)中，電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)比較復(fù)雜，工作量大，應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)測(cè)量的可靠性影響很大，是一個(gè)非常關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)，必須予以注意。另外，應(yīng)變片不能重復(fù)使用，消耗量也比較大，因此應(yīng)一次成功。應(yīng)變片的粘貼具體步驟如下。

2.1 選片

選擇應(yīng)變片的規(guī)格和形式時(shí)，應(yīng)注意到構(gòu)件的材料性質(zhì)和構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。因應(yīng)變片測(cè)出的是平均應(yīng)變，在構(gòu)件應(yīng)力變化范圍較大時(shí)，一般選用小標(biāo)距應(yīng)變片;而在混凝土表面，宜選用大標(biāo)距的應(yīng)變片。確定應(yīng)變片類(lèi)型后，還要逐片進(jìn)行外觀檢查，用肉眼或放大鏡檢查應(yīng)變片絲柵是否平直，片內(nèi)有無(wú)氣泡、斑銹點(diǎn)等缺陷，不合格的片應(yīng)剔除;然后用萬(wàn)用表逐片測(cè)定阻值，電阻值差應(yīng)在 ±0.5 Ω 范圍內(nèi)[3］。

2.2 測(cè)點(diǎn)表面的清潔處理

為使應(yīng)變片與被測(cè)構(gòu)件粘貼得牢固，對(duì)測(cè)點(diǎn)表面要進(jìn)行清潔處理。

1)鋼筋表面貼片的清潔步驟如下:

a.對(duì)帶肋鋼筋，將測(cè)點(diǎn)表面用砂輪進(jìn)行粗打磨(圓鋼跳過(guò)此步)，打磨平面大小在滿足應(yīng)變片面積時(shí)，盡量要小，否則會(huì)影響鋼筋有效承載面積，會(huì)使測(cè)試結(jié)果與實(shí)際出現(xiàn)較大偏差;

b.用銼刀進(jìn)行手工細(xì)打磨;

c.用0號(hào)砂紙沿著45°角方向進(jìn)行精度打磨，使測(cè)點(diǎn)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(yīng)變片的坐標(biāo)線。

打磨好的表面，若暫時(shí)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(cè)量對(duì)象為混凝土構(gòu)件時(shí)，則須用噴漿方法把表面墊平(也可采用環(huán)氧樹(shù)脂膠配合固化劑)，然后進(jìn)行打磨清洗等工作;

b.在貼片部位，還應(yīng)先涂一層隔潮層，可采用環(huán)氧樹(shù)脂膠配合固化劑，應(yīng)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(yīng)變片能和混凝土測(cè)點(diǎn)處的變形保持一致;

c.待墊平層固化后，進(jìn)行其他操作，與鋼筋貼片類(lèi)似。

2.3 貼片

貼片一般采用502膠水，鋼筋應(yīng)水平放置。在測(cè)點(diǎn)位置和應(yīng)變片的底基面上，涂上薄薄一層膠水，一手捏住應(yīng)變片引出線，把應(yīng)變計(jì)軸線對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)線，上面蓋一層聚乙烯塑料薄膜作為隔層，用手指在應(yīng)變計(jì)的長(zhǎng)度方向輕輕滾壓，擠出片下氣泡和多余的膠水，直到應(yīng)變計(jì)與被測(cè)物緊密粘合為止。手指保持不動(dòng)約數(shù)10 s后再放開(kāi)，注意按住時(shí)不要使應(yīng)變片移動(dòng)，再檢查有無(wú)氣泡、翹曲、脫膠等現(xiàn)象，否則須重貼;502膠靠?jī)?nèi)聚力粘片，注意涂膠量要適中，不要太厚，過(guò)多則膠層粘結(jié)力反而降低，而且太厚影響應(yīng)變片性能，過(guò)少則膠可能分布不均勻不能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變(見(jiàn)圖3)。

圖3 應(yīng)變片粘貼示意圖

2.4 接線

應(yīng)變片和應(yīng)變儀之間用導(dǎo)線連接。需根據(jù)環(huán)境與試驗(yàn)的要求選用導(dǎo)線。通常靜應(yīng)變測(cè)定用雙芯多股平行線。在有強(qiáng)電磁干擾及動(dòng)應(yīng)變測(cè)量時(shí)，需用屏蔽線(如附近有信號(hào)傳輸塔)。焊接導(dǎo)線前，先用萬(wàn)用電表檢查導(dǎo)線有否斷路，然后在每根導(dǎo)線的兩端貼上同樣的號(hào)碼標(biāo)簽，避免測(cè)點(diǎn)多時(shí)造成差錯(cuò)。

1)在應(yīng)變片引出線下，貼上膠帶紙，以免應(yīng)變計(jì)引出線與被測(cè)構(gòu)件(如被測(cè)構(gòu)件是導(dǎo)電體的話)接觸造成短路。

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

接線端子相當(dāng)于接線柱，使用時(shí)先用膠水把它粘在應(yīng)變片引出線前端，然后把應(yīng)變片引出線及導(dǎo)線焊于接線端子上，其作用有兩個(gè)方面:首先，保護(hù)應(yīng)變片，避免因外力扯拉外接導(dǎo)線使應(yīng)變片導(dǎo)線扯斷;其次，使應(yīng)變片的導(dǎo)線和外接導(dǎo)線接觸良好，避免點(diǎn)接觸。

在上述工作完成后，應(yīng)對(duì)其粘貼質(zhì)量進(jìn)行檢查和校正。如通過(guò)放大鏡觀察應(yīng)變片的粘貼位置和方位角是否準(zhǔn)確，粘貼表面有無(wú)氣泡，應(yīng)變片粘貼是否牢固;用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片有無(wú)短路和斷路現(xiàn)象。

2.5 防潮處理

防潮處理必須在檢查應(yīng)變片貼片質(zhì)量合格后立即進(jìn)行。為避免膠層吸收空氣中的水分而降低絕緣電阻值，應(yīng)在應(yīng)變片接好線并且絕緣電阻達(dá)到要求后，立即對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行防潮處理。當(dāng)室溫高于15℃和相對(duì)濕度低于60%時(shí)可采用自然干燥，時(shí)間一般為24 h～48 h。室溫低于15℃和相對(duì)濕度高于60%要采用人工干燥(紅外線等照射或電吹熱風(fēng))，但人工干燥前要進(jìn)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(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的要求和環(huán)境采用不同的防潮材料。常用的簡(jiǎn)易的防潮劑可用703，704硅膠和環(huán)氧樹(shù)脂添加固化劑的混合劑等。

其中采用環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的混合劑能達(dá)到一定強(qiáng)度，和構(gòu)件達(dá)到共同變形。但是在配合環(huán)氧樹(shù)脂(V1)和固化劑(V2)時(shí)要注意二者的配合比(體積比)，V1∶V2越大，混合劑的固結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，V1∶V2越小，混合劑的固結(jié)時(shí)間越短，且固結(jié)后易脆，影響試驗(yàn)效果。因此在測(cè)試前應(yīng)先試配，確定最佳配合比以免造成材料的浪費(fèi)影響測(cè)試效果。環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的混合劑主要有以下兩個(gè)作用:

1)因其具有良好的隔潮性能，可起到防潮的作用;

2)對(duì)于鋼筋混凝土應(yīng)變片，在澆搗混凝土?xí)r骨料很可能會(huì)碰到應(yīng)變片，因其具有一定強(qiáng)度，可以保護(hù)鋼筋上的應(yīng)變片不被損壞。

3 結(jié)語(yǔ)

在工程結(jié)構(gòu)測(cè)試中，應(yīng)變片的粘貼是電測(cè)法中核心的一步，粘貼的質(zhì)量直接關(guān)系到測(cè)試的精度，因此在應(yīng)變片的粘貼過(guò)程中要注意的問(wèn)題如下:

1)嚴(yán)格控制每一操作環(huán)節(jié)的質(zhì)量，以減少人為因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2)做好測(cè)點(diǎn)表面的平整度、清洗、膠層厚度等控制，以免影響應(yīng)變片與構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)的共同變形;鋼筋表面貼片空間在滿足應(yīng)變片或布線所需空間基礎(chǔ)上，避免過(guò)大，保證測(cè)試精度。

3)若用環(huán)氧樹(shù)脂打底或作為防潮劑，把握好環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的配合比(V1∶V2)，若過(guò)大，混合劑固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng);過(guò)小，混合劑固結(jié)快，且固結(jié)后易脆，易與粘結(jié)界面分離。

[1]汪大鵬，劉 美.電測(cè)力實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片的粘貼技巧[J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(3):64-65.

[2]馬永欣，鄧山鎖.結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

[3]李忠獻(xiàn).工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)理論與技術(shù)[M］.天津:天津大學(xué)出版社，2004.