应变电测法及其在容器测试中的应用

应变电测法及其在容器测试中的应用

刘海霞王旭元

刘海霞王旭元（内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特010010）

摘要：本文基于电测法温度补偿测量的原理,利用电测应变测试设备,以某容器为测量对象，进行测点布置，并加载测试，对测试结果进行分析，应用表明，应变电测法测试结果对该容器结构设计具有重要的指导意义。

关键词：容器；电测法；应变

中图分类号：TH7文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）08-0047-02

引言

应力应变电测技术是应力应变分析方法中应用最广泛和适用性最强的方法之一。电阻应变测量依据电阻丝的电阻率随电阻丝的变形而变化的关系，把力学参数转换成与之成比例的电学参数，通过测量电学参数并依照一定的比例关系将其转换成应变值。电阻应变计具有测量准确度和灵敏度高，测量范围广，能连续测量和记录，能实现远距离测量；此外，还能方便地用于控制系统中，使生产过程自动化。因此，电测法得到了迅速的发展和广泛的应用[1]。本文基于电测法温度补偿测量的基本原理，采用应变测试设备，以某容器为测试对象，分析电测法结果对容器设计的指导作用。

1应变电测法原理

1.1电桥原理应变电测法在测试中依靠组建桥式测量电路来完成测试工作。桥式测量电路有四个桥臂R1；R2；R3；R4分别接在A，B，C，D之间，如图1所示。电桥的对角点AC接电源E。另一对角点BD为电桥的输出端，其输出电压为UDB。可以证明输出电压

.（1）

若电桥的四个桥臂分别接入四枚粘贴在构件上的电阻片。当构件变形时，其应变片电阻值的变化分别为：R1+ΔR1；R2+ΔR2；R3+ΔR3；R4+ΔR4，此时，电桥的输出电压即为：

.（2）

由式（1）和（2）可以解出电桥电压的变化量ΔU。当ΔR/R《1，ΔU可以简化为：

.（3）

式中a=R2/R1，b=R3/R4。当R1=R2=R3=R4时，（3）式又可进一步简化成：.（4）

（1）式表明，电桥输出电压的变化量ΔU与四个桥臂的电阻变化率成线性关系。当四枚电阻片的灵敏系数K相等时，（4）式可以写成:（5）

（5）式中，ε1、ε2、ε3、ε4分别代表电阻片R1，R2，R3，R4感受的应变值。

1.2温度补偿温度变化时，金属丝的电阻值也随着产生变化，称之为（ΔR/R）T。该电阻变化是由两部分引起的，一是电阻丝的电阻温度系数引起的，另一部分是由于金属丝与构件的材料膨胀系数不同而引起的。温度引起的电阻变化为：

（5）

式中αr为金属丝（箔）材料的电阻温度系数；β1为金属丝（箔）材料的热膨胀系数；β为构件材料的热膨胀系数。

测量应变要克服温度对电阻变化的影响，就要使系数α+Kβ2-β1等于零。可通过温度补偿片来消除这一影响。将电阻片贴在与构件材质相同但不参与变形的一块材料上，并与构件处于相同的温度条件下，将补偿片正确地连接在桥路中，例如采用对臂测量，一般AB，CD两个对臂接工作片，另两个对臂BC，DA接温度补偿片。这时四个桥臂的电阻都处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。其计算如（5）式所示。

2容器应变电测应用实例

2.1测试项目某容器在工作中需要承载压力为1Mpa的内压载荷，在研制阶段，对试验容器进行水压试验，结构如图2所示，测定容器在1Mpa内压下的应变分布，为设计改进提供指导试验数据。

2.2测点布置采用电测法对容器相应部位进行应变测试，水压试验压强为1MPa，测点见图2。分别在容器的桶段和前后封头设置测点共计42个。

2.3加载与测试设备加载与测试设备主要包括：移动式水泵；数据采集计算机；液压连接管路和测试导线；电阻应变计：型号为BF120-5CA，阻值为120±0.2Ω，灵敏度系数为224±1%；温度补偿试件：与试验容器材料相同的同批取样试件；电阻应变仪：东华DH3816系统。

测试步骤如图3所示，应变测试采用对臂测量接桥方式，并考虑温度补偿。采用压力量程为5Mpa的移动式水泵，水泵压力出水口通过管路与容器后封头堵盖连接部位相连。在容器对应部位粘贴应变计，并将其通过测试导线连接在电阻应变仪对应编号的接线柱上，将温度补偿试件连接在电阻应变仪温度补偿接线柱上。启动连接应变仪的计算机应变采集软件，准备试验。一切准备好后，启动水泵，开始对容器加载，并注意观察压力表的读数，当压力接近1Mpa时，进行稳压，并在计算机上采集应变数据，连续采集5次，以平均值作为最后测试结果。

2.4测试结果分析

测试中发现封头部位的应变较大，前后封头随测点位置的应变变化曲线如图4所示。前封头部位在测点27的应变最大，数值6200με，后封头最大值出现在测点31，数值为7200με及封头与堵盖连接部位。以试验结果为指导，在设计改进中对相应部位进行结构补强。结构改进测试后，应变得到明显改善，测点27附近应变降为5300με，测点31应变降为5800με，符合设计指标的要求。

3结束语

以应变电测基本原理为基础，在某容器结构设计中，测试水压载荷下的应变，并考虑采用温度补偿测试法，获取容器承载作用时主要部位外表面的应变分布状况，可为结构改进提供可靠的试验依据。

参考文献：

[1]徐晗,陈灼民,武松涛.电阻应变测量方法浅析[J].测控技术,2002,24-26.

[2]殷有泉.应变电测与传感技术[M].中国计量出版社，1993.

[3]陈建俊，刘福华等.大型氨合成塔高压壳体水压试验应力测试及结果分析[J].压力容器，2001，（9）：131-135.

[4]白忠喜等.静态电阻应变测量的虚拟仪器系统[J].吉林化工学院学报，1999，（3）：68-71.