沈觀林

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系，北京 100084）

0 引 言

自20世紀(jì)30年代電阻應(yīng)變計問世以來，應(yīng)變電測方法和技術(shù)作為實驗力學(xué)的重要組成部分經(jīng)歷了長期的發(fā)展，逐步廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，制成各種傳感器推廣應(yīng)用于各個領(lǐng)域。近十多年來應(yīng)變電測與傳感器技術(shù)得到很大的發(fā)展，并更廣泛應(yīng)用于各種工程和領(lǐng)域。

表1 各種新型特殊電阻應(yīng)變計主要產(chǎn)品

1 應(yīng)變電測與傳感器技術(shù)的新發(fā)展

應(yīng)變電測與傳感器技術(shù)的測量系統(tǒng)包括應(yīng)變計、傳感器和測試儀器3大部分。

1.1 新型特殊電阻應(yīng)變計

應(yīng)變計品種規(guī)格急劇增加，除常溫用普通應(yīng)變計外，出現(xiàn)多種特殊應(yīng)變計新產(chǎn)品。例如高溫600～800℃密封焊接式應(yīng)變計、高溫900℃動態(tài)應(yīng)變計、防水應(yīng)變計、大應(yīng)變應(yīng)變計、低溫-269～-196℃應(yīng)變計、復(fù)合材料專用應(yīng)變計等，表1中列出主要產(chǎn)品。

1.2 各種應(yīng)變計式傳感器

主要應(yīng)變計式傳感器品種規(guī)格增多，性能質(zhì)量提高，除各種稱重、測力、位移、壓力、加速度傳感器等外，還有超小型（直徑6.5 mm，厚度1 mm）土壓力計、傾斜計、裂縫計、沉降計等。另外有一種新型應(yīng)變傳感器，其外形和彈性元件為變截面圓環(huán)形狀，見圖1所示。圖1中兩圓孔位置安裝在被測構(gòu)件表面上，基長為7.6 cm，外面有保護(hù)套，傳感器實質(zhì)上測量基長的變化反映該基長區(qū)的平均應(yīng)變，能代替大基長的電阻應(yīng)變計，可快速安裝在鋼或混凝土表面上，并可多次重復(fù)裝卸使用，其靈敏度比應(yīng)變計高，配合應(yīng)變測試儀器使用，還可進(jìn)行無線遙測。汽車專用傳感器有車軸6分量力傳感器、車輪扭矩傳感器、方向盤扭矩傳感器和車輪定位傳感器等，這些傳感器配合專用測量分析儀使用。

圖1 應(yīng)變傳感器

1.3 新型數(shù)據(jù)采集儀器

表2 國外靜、動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（1）多功能多通道（最高可達(dá)1000通道）自動測量的數(shù)據(jù)采集儀。可測量應(yīng)變、溫度、直流電壓等多種物理量，可接多種類型傳感器并有專用軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集和處理，與微機(jī)組成自動測量分析系統(tǒng)。有的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可廣泛采集各種參數(shù)，除應(yīng)變、溫度、位移外，還有天氣、氣象等，可進(jìn)行長期監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、管理和控制等。

（2）數(shù)字動態(tài)應(yīng)變儀。接計算機(jī)有專用多功能采集分析軟件組成動態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，這樣使結(jié)構(gòu)等靜、動載試驗工作提高質(zhì)量和效率，在表2中列出國外各種新型靜、動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供選用。

下面介紹應(yīng)變電測與傳感器技術(shù)在土木工程、鐵路工程、機(jī)械工程、航空航天工程以及醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)和體育等領(lǐng)域中的應(yīng)用實例。

2 在土木工程中的應(yīng)用

2.1 秦山核電廠安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗

安全殼是核反應(yīng)堆的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是核燃料包殼、壓力殼之外最后一道安全屏障，在運(yùn)行前必須對安全殼結(jié)構(gòu)整體性能作全面檢驗。

安全殼是高65m、內(nèi)徑36m、壁厚1m、帶有密封鋼襯里的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力束1000根，試驗最大壓力299kPa，示意圖見圖2。檢測內(nèi)容有：（1）安全殼殼體變形測量40點，信號43個；（2）鋼筋應(yīng)力測量27點，信號54個；（3）混凝土應(yīng)變測量45點，信號 74 個；（4）鋼束力測量 6 點；（5）溫度測量86 點；（6）壓力測量 2 點；（7）氣象觀測 40 點；（8）裂縫測量12個區(qū)域。合計246點，信號269個，試驗采用多種應(yīng)變計、傳感器測量多種力學(xué)參數(shù)，采用數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)28個荷載過程應(yīng)力、應(yīng)變、變形、溫度、壓力測量，歷時11晝夜，最后得出安全殼結(jié)構(gòu)整體性良好的結(jié)論。

2.2 北京德勝口大橋靜載試驗

圖2 秦山核電廠安全殼示意圖

圖3 德勝口大橋測試部分示意圖

2.3 上海南浦大橋靜、動載試驗

上海南浦大橋系雙塔雙索面大跨度斜拉橋，主橋總長846m，主跨423m，全橋共180根索。主橋橫斷面設(shè)6車道，兩鋼主梁間距24.55m，兩側(cè)各設(shè)2m人行道，橋面總寬30.35m。靜載試驗測試項目有：主梁中跨跨中正變矩最不利布載時測主梁撓度，塔頂水平位移，主梁跨中斷面應(yīng)力，跨中附近8根索活載索力等。主梁跨中，輔助墩頂?shù)?個應(yīng)力測試斷面共144個測點，其中鋼梁部分現(xiàn)貼應(yīng)變計72個測點，鋼筋混凝土橋面板預(yù)埋鋼筋計72個測點，用日本靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀測量記錄。加載程序是：首先將24輛試驗車按跨中對稱加載方式布載，然后全部前移2.25m，再將24輛車按跨中偏心加載方式布載，最后將36輛車按輔助墩頂對稱方式布載。動載試驗在中跨跨中截面上布設(shè)8個測點，加載程序是：一輛滿載車以10，20，30，40km/h 速度行駛，每次記錄各點動應(yīng)變，兩輛滿載車并排同樣行駛時測量，一輛滿載車不同速度跨越障礙物后停車及行到跨中急剎車記錄動應(yīng)變曲線。圖4為上海南浦大橋照片。

2.4 寶鋼煉鋼廠主廠房吊車梁靜態(tài)應(yīng)力測試

圖4 上海南浦大橋照片

寶鋼煉鋼廠主廠房第一跨內(nèi)安裝有2臺430 t吊車，1臺175t吊車，3臺吊車配合3座煉鋼轉(zhuǎn)爐實行24h工作制，吊車梁為大型焊接工字型鋼梁，梁高3.8m，最長約30m，廠房已工作十多年。為了解吊車梁應(yīng)力分布，應(yīng)用電測方法進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力測試，應(yīng)力測點主要布置在梁圓弧端附近和跨中部位，各測點布置應(yīng)變花42個和單向應(yīng)變計20個，總計137個通道用日本數(shù)據(jù)采集儀采集應(yīng)變，吊車梁長加輪距共46m，430t吊車在吊車梁上每移動1m采集1次數(shù)據(jù)。吊車梁及其圓弧端主要測點分布示意圖見圖5。

圖5 吊車梁及其圓弧端主要測點分布示意圖（單位：mm）

3 鐵路工程中應(yīng)用

3.1 鐵路機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動應(yīng)力測試

我國鐵路機(jī)車的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在線路運(yùn)行中有時發(fā)生疲勞破壞，為此用應(yīng)變電測方法進(jìn)行實地運(yùn)行動應(yīng)力測量試驗。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車體制動臂、橫梁、側(cè)梁、縱梁等多處布置電阻應(yīng)變計70余個，應(yīng)變計接到日本TML多通道動態(tài)應(yīng)變儀及微機(jī)，在武昌-鄭州區(qū)間進(jìn)行往返線路試驗連續(xù)動應(yīng)力測試，140～180km/h不同速度級動應(yīng)力試驗，120～160km/h不同速度級制動試驗。由動應(yīng)力譜進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估，結(jié)果說明除個別測點部位外構(gòu)架滿足疲勞強(qiáng)度要求。

3.2 貨車車輪熱應(yīng)力測試

對提速貨車車輪進(jìn)行制動熱負(fù)荷下熱應(yīng)力測試，在熱負(fù)荷作用下，當(dāng)輪輞較薄時車輪受力狀態(tài)較為惡劣，可能產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。用407G閘瓦制動，以坡道制動為主，又分為連續(xù)制動和循環(huán)制動，車輪速度一般有40 km/h和60 km/h兩種，閘瓦壓力為6.2，9.8kN兩種。四方車輛研究所和清華大學(xué)等進(jìn)行了試驗。

通過分析，三次熔頂都是在大功率工況下出現(xiàn)的。水箱缺水會造成整個柴油機(jī)升溫，在大功率工況下更易在活塞頂上聚集大量的熱量，加速了柴油機(jī)拉缸、熔頂?shù)倪M(jìn)程，但第一道氣環(huán)閉口間隙值偏小是產(chǎn)生熔頂?shù)母驹颉２裼蜋C(jī)連續(xù)三次出現(xiàn)熔頂故障，必須認(rèn)真總結(jié)，為今后維修及裝配提供一些經(jīng)驗和教訓(xùn)。

連續(xù)制動各點當(dāng)量應(yīng)力變化曲線如圖6所示。測點布置參照有限元計算結(jié)果選定A、B、C 3點，每點2個應(yīng)變計（徑向和周向）和一個熱電偶，應(yīng)變計為可用于250℃的中溫應(yīng)變計。溫度和應(yīng)變由遙測應(yīng)變儀測試，用美國SCX1-1000數(shù)采系統(tǒng)采集，由軟件經(jīng)計算機(jī)實時處理。

4 機(jī)械工程中的應(yīng)用

4.1 海爾空調(diào)機(jī)管路動應(yīng)力測試

在空調(diào)機(jī)制冷過程中流動的制冷劑將會在管路上產(chǎn)生動應(yīng)力，尤其是在壓縮機(jī)啟動和停止時，引起動應(yīng)力更大。在交變應(yīng)力長期作用下，管路的應(yīng)力集中部位，特別是焊接接頭處會出現(xiàn)疲勞裂紋并發(fā)生制冷劑泄漏。為此，利用應(yīng)變電測技術(shù)-應(yīng)變計和動態(tài)應(yīng)變儀、計算機(jī)對實際空調(diào)機(jī)管路接頭進(jìn)行動應(yīng)力測試，這樣可以對疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估，提高焊接接頭質(zhì)量改進(jìn)管路設(shè)計，并優(yōu)化制冷效果。北京交通大學(xué)和三菱重工、海爾（青島）空調(diào)機(jī)公司共同進(jìn)行了動應(yīng)力測試，并開發(fā)了數(shù)字測試和分析系統(tǒng)。

圖6 連續(xù)制動各點當(dāng)量應(yīng)力變化曲線

空調(diào)管路測試部位選擇管路彎曲和焊接接頭處，采用日本小型應(yīng)變計和SDA-830數(shù)字動態(tài)應(yīng)變儀，采用日本三菱重工提供的測試方法和強(qiáng)度評估準(zhǔn)則。動應(yīng)力試驗分別測試壓縮機(jī)啟動、運(yùn)轉(zhuǎn)和停止3種工況，每工況5次共15次測試，對每工況5次動應(yīng)力統(tǒng)計應(yīng)力幅值平均值和最大值，與許用疲勞強(qiáng)度值比較，凡小于疲勞強(qiáng)度值者為合格，反之為不合格。

4.2 顯象管玻殼在高溫排氣過程中的熱應(yīng)力測試

彩電的顯象管在生產(chǎn)過程中需在300～400℃加熱時排氣，這過程在流水線上完成，其中顯象管玻殼在加熱排氣冷卻時常發(fā)生爆裂現(xiàn)象，經(jīng)有限元計算分析主要是玻殼在升溫過程中內(nèi)外壁溫差引起熱應(yīng)力較大，玻璃抗拉強(qiáng)度較低，又對裂紋很敏感而造成的。為此進(jìn)行測試，研制了專門用于玻殼的粘貼式高溫自補(bǔ)償應(yīng)變計，安裝在顯象管玻殼表面上約11個測點，同時布置熱電偶測溫度。應(yīng)變計、熱電偶用高溫電纜接導(dǎo)線至日本通用數(shù)字測量系統(tǒng)，顯象管玻殼放在單獨加熱排氣爐內(nèi)模擬生產(chǎn)中升降溫及排氣過程，測量記錄應(yīng)變及溫度數(shù)據(jù)計算熱應(yīng)力。測得熱應(yīng)力與有限元計算值相近，多次升降溫使玻殼因拉壓應(yīng)力發(fā)生疲勞破壞。試驗結(jié)果對設(shè)計玻殼和制訂排氣工藝有重要價值。

4.3 秦山二期穩(wěn)壓容器水壓試驗應(yīng)變測試

秦山核電廠二期工程第二臺穩(wěn)壓容器兩端封頭外側(cè)用國產(chǎn)應(yīng)變花等9個，一端封頭和筒體內(nèi)壁用日本W(wǎng)FRA防水應(yīng)變花6個進(jìn)行水壓試驗，應(yīng)變計共40個通道，測試儀器用日本多通道應(yīng)變儀、筆記本電腦和數(shù)據(jù)采集軟件。水壓試驗壓力p以約2～3 MPa一級加載到23.5MPa后卸載。測得應(yīng)變經(jīng)換算成主應(yīng)力，主應(yīng)力～壓力關(guān)系曲線呈線性，測試結(jié)果與理論計算值相差在4%以內(nèi)。

4.4 強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下爆炸容器動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)

爆炸容器在其內(nèi)部可進(jìn)行爆轟加載實驗和爆炸加工作業(yè)。為確保容器安全運(yùn)行，應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測關(guān)鍵部位動應(yīng)變，由于強(qiáng)電磁干擾，應(yīng)采取雙片重疊應(yīng)變計技術(shù)、密封屏蔽和隔離電源技術(shù)。動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)由DC－96A超動態(tài)應(yīng)變儀和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集儀組成。圖7示某爆炸加載時應(yīng)變波形。

圖7 某爆炸加載時動應(yīng)變波形

4.5 山西某抽水蓄能電站鋼岔管模型水壓試驗

鋼岔管主管直徑1.4m，支管直徑1m，管由水壓由鋼岔管和圍巖共同承擔(dān)。試驗在內(nèi)水壓作用下進(jìn)行各斷面內(nèi)外壁應(yīng)力應(yīng)變測量，內(nèi)外壁用TML WF防水應(yīng)變計，單向、雙向、三向防水應(yīng)變計共250多個。水壓最高為11.35 MPa，經(jīng)多次加卸壓，歷時3個多月，得到滿意的試驗結(jié)果。

5 航空航天工程中應(yīng)用

（1）高溫900℃動態(tài)應(yīng)變計應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片動應(yīng)變測量。在某機(jī)一、二級渦輪轉(zhuǎn)子葉片動測中應(yīng)用葉片溫度為800～900℃，在某機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片連續(xù)6次臺架動測，溫度超過800℃得到了應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

（3）某航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)管動應(yīng)力測試。由于發(fā)動機(jī)外部管路承擔(dān)供油使命，導(dǎo)管受激振引起動應(yīng)力與導(dǎo)管上下卡箍位置有關(guān)，用應(yīng)變計和動態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測可減小動應(yīng)力，得到最大動應(yīng)力頻率為600 Hz左右，調(diào)整卡箍位置可使動應(yīng)力較小。

（4）發(fā)動機(jī)矢量噴管主要受力件載荷測量。軸對稱矢量噴管通過噴管擴(kuò)張段偏轉(zhuǎn)改變發(fā)動機(jī)排氣方向，為此要確定矢量噴口上如三角拉桿、導(dǎo)軌等關(guān)鍵件在發(fā)動機(jī)各種工況下的工作載荷及其變化規(guī)律，采用應(yīng)變電測技術(shù)測量其工作載荷。在構(gòu)件上粘貼4個應(yīng)變計組成全橋，用電阻應(yīng)變儀測量電橋輸出，事先在試驗機(jī)上進(jìn)行標(biāo)定，然后在工況下實測構(gòu)件工作載荷，為構(gòu)件改進(jìn)減重和可靠性設(shè)計提供了依據(jù)。

（5）模擬返回艙結(jié)構(gòu)在起吊和運(yùn)輸過程中應(yīng)力測試。訓(xùn)練航天員用的復(fù)合材料及金屬制成模擬返回艙，經(jīng)有限元法設(shè)計計算制成后用應(yīng)變計及數(shù)據(jù)采集儀、動態(tài)應(yīng)變儀等分別測量在起吊和運(yùn)輸過程中結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)應(yīng)力，經(jīng)測量其應(yīng)力很小，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

（6）航天發(fā)射塔架電纜擺桿水平桿應(yīng)力測試。

1）塔架電纜擺桿水平桿靜應(yīng)力測試

應(yīng)力測點布置共36點，水平桿上部作用分布載荷30kg/m，并在桿端部加60kg載荷，測試端部變形、桁架根部和靠近根部鋼管處應(yīng)力。

2）動應(yīng)力試驗

選擇主管動態(tài)測點，水平桿上部使用30kg/m分布荷載，并在桿端部作用80kg重量沖擊（上方800mm高度自由下落）進(jìn)行動應(yīng)力測量，通過應(yīng)力頻譜分析得第一階、第二階固有頻率。

6 醫(yī)學(xué)和體育領(lǐng)域中應(yīng)用

6.1 人體骨盆應(yīng)力分布實驗

人體骨盆是由骶骨、尾骨、左右髖骨連接成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它既是重力傳遞的樞紐，又是維持身體平衡的結(jié)構(gòu)，同時起保護(hù)骨盆內(nèi)臟器作用。臨床骨盆骨折是常見的，為預(yù)防骨折需測量模擬骨盆受力狀態(tài)下骨盆骨折易發(fā)部位的表面應(yīng)力分布，確定薄弱部位。采用國人新鮮尸體骨盆，保留第五腰椎，下肢在股骨中部截開，在試樣骨盆各部位粘貼電阻應(yīng)變計如圖8所示測點分布圖，用材料試驗機(jī)加壓力P=300，600，900N，用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測量各點應(yīng)變量并換算成應(yīng)力，試驗結(jié)果得出骨盆骶骨耳狀面三角區(qū)中央主應(yīng)力最大，為薄弱部位。

6.2 鞍馬受運(yùn)動員動力作用的實時測量

在鞍馬的2個鞍環(huán)根部安裝4個三維測力傳感器，每個傳感器分別測量鞍環(huán)根部x、y、z 3個方向分力 Fx、Fy、Fz，4個傳感器共測量 12個分力。左右鞍環(huán)3個方向分力分別為2個傳感器分力之和，并可計算繞z軸的力矩。運(yùn)動員在鞍馬上作各種運(yùn)動動作時，三維測力傳感器受力由應(yīng)變放大器（動態(tài)應(yīng)變儀）轉(zhuǎn)換成電壓信號，由信號處理器進(jìn)行測量和實時處理并得出各種動力作用曲線和合力跡線等。測量分析結(jié)果可對體育訓(xùn)練作科學(xué)指導(dǎo)。

圖8 骨盆應(yīng)變計測點分布圖

7 結(jié)束語

應(yīng)變電測與傳感器技術(shù)還在化工、冶金、動力等工程中有很多應(yīng)用，在商業(yè)、計量、生產(chǎn)控制、生物力學(xué)等領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用，這種技術(shù)還會繼續(xù)發(fā)展，并在各種工程和領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

[1]GB/T 1399－1992，電阻應(yīng)變計[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[2] JJG 623－2005，電阻應(yīng)變儀[S].北京：中國計量出版社，2005.

[3] 張如一，沈觀林.應(yīng)變電測與傳感器[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[4]沈觀林.應(yīng)變電測技術(shù)新發(fā)展及其在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)等工程中的應(yīng)用[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2008，42（S2）：681-684.

[5] 沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[6] 戴福隆，沈觀林，謝惠民.實驗力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.