两种应力应变检测方法的探究

‘壹’ 地应力测试的三种方法

地应力测试的三种方法：应力解除法、应力恢复法和水压致裂法3种。

地应力测量方法是测量地应力的方法包括：构造地质研究;地震、火山调查;瓦斯突出及岩爆调查;采坑、井巷、钻孔等变形情况调查;应力矿物、岩组方面的测试与研究;地形变测量;地球物理测量(地震法、超声波法、形变电阻法、放射法);钻孔测量(应力解除法、钻孔崩落椭圆形法;钻孔扰动应力测量);弧石测量等。

它是地质力学研究的重要内容之一,通过测量发现,最大主应力的方向几乎都是接近水平的。

‘贰’ 应力与应变怎么求

应变=应力/弹性模。

根据轴力图，得到响应轴处受力大小。这个轴力除以该处轴截面积，即是应力大小。应力大小是判断材料是否塑形变形的依据。目前多数都会依赖软件进行计算机分析。

①应力是单位面积上的作用力；

②应力不仅与岩石内部的受力情况有关，还与切面方向n的选择有关。设O点在给定的直角坐标系中坐标为（x1，x2，x3），用σij（i＝1，2，3）表示法线为i方向切面上j方向的应力，我们将得到九个量。

应力状态

和应变状态应变圆，也称应变莫尔圆，是分析应变状态的图解法，其原理与应力圆类似，但应变圆的纵坐标为负剪应变的一半，横坐标为线应变。在已知一点处的线应变、与剪应变时，即可作出应变圆，从而求得该点处主应变与的大小及其方向。在实验分析的测试中常用各种形状的应变花测量（见材料力学实验）一点处三个方向的应变。

以上内容参考：网络-应力状态和应变状态

‘叁’ 如何使用传感器测应力应变

最简单的应变传感器就是电阻应变片，直接贴装在被测物体表面就可以，应力的话是通过标定转换应变来的。应变测量的方法很多，光纤，振弦等都可以的。
应力应变就是应力与应变的统称。应力定义为"单位面积上所承受的附加内力"。物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。
传感器测量原理是光学三角法：
半导体激光器被镜片聚焦到被测物体。反射光被镜片收集，投射到CMOS阵列上；信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物体的距离。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：
一、传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
二、化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
现在越来越受到工业控制青睐的激光传感器发展迅猛，激光传感器不仅应用广泛，更主要的是利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。
ZLDS10X系列品牌激光位移传感器具有数字化集成一体化结构，0.01%高分辨率，0.1%高线性度，9.4KHz高响应、IP67防护等级和可同步等高性能。工作温度范围宽，特别适用于工业环境高精度应用。

‘肆’ 应力的测试方法 测应力的作用

解决应力的困扰，也讲究“望闻问切”，首先明确应力的来源：焊接还是铸造还是其他；再者应力带来了什么问题，变形还是开裂；工件在服役中所处的工况是怎样的；工件的应力应该控制在什么水平下才是合适的；最后，经过一定的措施之后，应力是否得到消减又要怎么评价？这诸多问题，需要专业提供应力解决方案的企业来进行处理才能保证应力的分析及处理效果。华云应力测试仪有无损及微损两种应力检测方式：无损检测主要是SCM21应力检测仪，它通过测定的磁导率来计算残余应力的大小和方向，特别适合不允许做破坏性检测的产品使用；微损检测方式主要是指盲孔法应力检测设备，是一种便携式、应力检测精度高、效率高的仪器。

‘伍’ 应力应变测试常用的方法有哪些

盲孔法、磁测法，动态应力应变检测仪。
盲孔法是目前应用较为御档广范的一种高精度的应力检测方法，比如华云HK21A和HK21B,无论是实验室中使镇梁乱用，还是现场施工，盲孔法都能准确测量应力的大小，从而推进实验进程或者进行工艺改进。该方法为有损检测。
无损检测可采用磁测法。适用于对应力值检测比较严苛，精密工件或高价值工件不允许做破坏性检测的情况。比如科研、军工渣薯航天等行业。

‘陆’ 其他地应力测量方法

（1）扁千斤顶法

扁千斤顶又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周边焊接在一起而成，在周边处有一个油压出口和一个出气阀，见图1-15。

图1-15 扁千斤顶应力测量示意图

扁千斤顶的测量原理基于岩石为完全线弹性的假设。具体做法是：在待测区安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之间的距离，再挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，其形状参数与扁千斤顶一致，同时记录下由于扁槽开挖造成的应力释放而引起的测量柱间距离的变化，而后将扁千斤顶完全塞入槽内，再用电动或手动液压泵向其加压，由于压力的增加，两测量柱的距离亦增加。当两测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中压力，该压力称为“平衡压力”，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向，即平行于二测量柱连线方向的应力。由此可以看出，扁千斤顶法测量地应力是一维的，而且应用范围也受到限制，现已被淘汰。

（2）刚性包体应力计法

此法是20世纪50年代继扁千斤顶法之后应用较为广泛的一种岩体应力测量方法。

理论分析表明，在一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系。假设在岩体中的x方向有一个应力变化σ_x，那么在刚性包体中的x方向会产生应力σ′_x，并且有下式存在：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：E、E′——分别为岩体和刚性包体的弹性模量；μ、μ′——分别为岩体和刚性包体的泊松比。

从（1-26）式可以看出，当E′/E＞5时，σ′_x/σ_x值将趋向于一个常数1.5，即当刚性包体的弹性模量超过岩体的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应力变化将在包体中相同方位引起1.5倍的应力。因此，只要测量出刚性包体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。根据刚性包体中压力测试原理的不同，刚性包体应力计可分为（表1⁃1）：

表1-1 刚性包体应力计表

由于刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而此法通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力，而且除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故已淘汰。

在钻孔孔壁应变测量法所采用的应变计目前有两种：①一般的钻孔三向应变计，它是把测量元件电阻丝应变片直接贴在钻孔岩壁上，这种应变计测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，因而测量成功率低。②我国学者刘允芳等人研制的利用环氧树脂技术制成的空心包体式钻孔三向应变计测量的成功率较高，已被广泛使用。

（3）应力解除法

图1-16 应力解除法测量地应力示意图

此法是最早被采用的实地地应力测量方法。尽管在技术细节上有很多变化，但基本原理是一致的，即先钻一大孔，孔径一般为130mm，沿大孔轴线在孔底钻一个小孔，孔径一般为36mm，把应变测量装置下入小孔中，再把塞有应变测量装置的大孔孔底套出（图1-16），卸掉孔心的围限压力，测量卸载过程中孔心应变，就可以计算出三向主应力值和主应力方向。

实际中，由于技术细节的不同，还有很多应力解除法，上面的是套孔应力解除法，对应的还有局部应力解除法，包括切槽解除法、钻孔全息干涉测量法、平行钻孔法、中心钻孔法、钻孔延伸法等。

（4）松弛应变测量法

微分应变曲线分析法

此法是由斯特里克兰（F.G.Strickland）、雷恩（N.K.Ren）和J.C.罗吉尔斯等人在20世纪80年代初首先提出。该法基于这样的假设：即一个从地下取出的岩心，由于解除了应力，将会随着岩石的膨胀而出现微裂隙，裂隙的分布和原岩应力的方向有关，裂隙的数量和强度与原岩应力大小成正比。在试验中可作出微分应变曲线图（图1-17）。

在对加压试验中描绘出的12条应力-应变曲线进行微分分析，由于每一曲线均包含两个（或两个以上）线性段，两个线性段的斜率明显不同，两个线性段之间有一个过渡段，由此可获得在单位压力下的裂隙闭合应变率，即ε′，如图1-17。由12个方向的裂隙闭合应变率可求得三个主裂隙应变的方向，它们对应着三个主应力的方向。主应力的大小可由瞬时关闭压力值来确定。

图1-17 微分应变曲线分析图

（据蔡美峰等，1995）

非弹性应变恢复法

此法的原理早在1969年即由沃伊特（B.Voight）提出，后来图菲尔（L.W.Tueful）等人作了重大发展。

非弹性应变恢复法在某种程度上是应力解除法的延伸。沃伊特等人认为由应力解除引起的岩心的变形由两部分组成：一是弹性部分，它是在应力解除的瞬间完成的；二是非弹性部分，它要经过一个相当长的时间才能完成。非弹性恢复应变与总的恢复应变成正比，主非弹性恢复应变的方向与原岩主应力方向一致。同时，如果岩石是均质和线粘性的，且其泊松比已知，并不随时间而变化，而且自重是一个主应力，那么由测得的主非弹性恢复应变的大小即可计算出原岩应力的大小。

‘柒’ 应力，应变怎么测试

主要的测试方法有电测法、光纤光栅法、振弦式应变测量等 。
一般是指在建构筑物施工过程中，如钢结构安装、卸载、改造、加固，混凝土浇筑等过程，采用监测仪器对受力结构的应力变化进行监测的技术手段，在监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。
★静态应力应变测试目的
a) 获得结构或构件的应力应变分布规律及应力集
中状况；
b) 检验结构或构件的强度储备；
c) 验证结构或构件设计的合理性。
★动态应力应变测试目的
a) 确定动态应变随时间变化的规律，并对其进行
频谱分析，根据统计特性研究结构或构件强度、
刚度；
b) 验证结构或构件设计的合理性。
根据以往经验来分析我们目前应力测试涉及到以下领域：
1、宝钢150m3N2球罐 水压试验应力测试。
2、挖掘机重要构件的应力测试。
3、屋面板加载状态下的应力测试。
4、紧密计量泵合拢时的受力测试。
5、某重工业厂房顶升纠偏过程中的安全监测。

‘捌’ 实验应力分析的实验方法

实验应力分析方法目前已有电学的、光学的、声学的以及其他方法。 有电阻、电容、电感等多种方法，而以电阻应变计测量技术应用较为普遍，效果较好。
①电阻应变计法
电阻应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电阻变化的变换器，一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层构成。将它安装在构件表面。构件受载荷作用后，表面产生微小变形，敏感栅随之变形，致使应变计产生电阻变化，其变化率和应变计所在处构件的应变成正比 。测出电阻变化，即可按公式算出该处构件表面的应变，并算出相应的应力。依敏感栅材料不同，电阻应变计分金属电阻应变计和半导体应变计两大类。另外还有薄膜应变计、压电场效应应变计和各种不同用途的应变计，如温度自补偿应变计、大应变计、应力计、测量残余应力的应变化等。
②电容应变计法
电容应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电容变化的变换器。试件变形时，两电容极片间距随之变动，引起电容变化。测出电容变化率，按公式可算出试件的应变 。电容 应 变计有弓形 、平板式和杆式等类型，多用于发电厂的管道、设备或核能设备的长期高温应变测量，监视裂纹的形成和发展，以及对航空航天构件材料进行高温性能测试等。 此法发展较快，方式较多，逐渐形成光测力学。经典的光弹性实验技术已从二维、三维模型实验（如光弹性法、光弹性应力冻结法）发展成为能用于工业现场测量的光弹性贴片法，用来解决扭转和轴对称问题的光弹性散光法，研究应力波传播和热应力的动态光弹性法和热光弹性法，进行弹-塑性应力分析的光塑性法 ， 以及研究复合材料力学的正交异性光弹性法 。除了上述 经典方法外 ，还有云纹法、云纹干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、全息光弹性法、焦散线法等。此外还有80年代发展起来的光纤传感技术和数字图像处理技术等。
①光弹性法
运用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。某些各向同性透明的非晶体高分子材料受载荷作用时，呈现光学各向异性，使一束垂直入射偏振光沿材料中的两主应力方向分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束平面偏振光；卸载后，又恢复光学各向同性。这就是所谓的暂时双折射效应。用具有这种效应的透明塑料按一定比例制成零构件模型，置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上便产生干涉条纹。通过计算，就能确定模型受载时各部位的应力大小和方向。此法对应力集中区和三维内部应力问题的求解特别有效。
②云纹法
通过测定云纹并对其进行分析以确定试件的位移场或应变场的一种实验分析法。其原理是，当栅板和栅片重叠时，因栅片牢固地粘贴在试件表面而随之变形，遂使栅板和栅片上的栅线因几何干涉而产生条纹即云纹。可通过云纹测定物体表面的等高线，以及板壳的挠度分布等。
③云纹干涉法
几何云纹法与光学干涉法相结合的一种实验分析法。将高密度衍射光栅精确复制在物体表面，并用激光束照射该光栅，便可通过光栅衍射波干涉形成的条纹图，获得物体表面的变形信息 。此法灵敏 度高 ，条纹对比度好；能进行全场分析，实时观测，量程几乎不受限制。
④全息干涉法
利用全息照相获得物体变形前后的光波波阵面相互干涉所形成的干涉条纹图进行物体变形分析的一种方法。全息照相是一种不用透镜而能记录和再现被摄物体的三维图像的照相方法。它能把来自物体的光波波阵面的振幅和相位信息以干涉条纹形式记录下来，又能在需要时再现出来，以观察到物体的三维图像。全息干涉法的主要内容是研究条纹图的形成、条纹的定位以及对条纹图的解释。对于具有漫反射表面的不透明物体，条纹图表示物体沿观察方向的等位移线；对于透明的光弹性模型（如有机玻璃），则表示模型中主应力之和等于常数的等和线。常用的全息干涉法有双曝光法、即时法和均时法。
⑤散斑干涉法
精确检测物体表面各点位移的光学测试法。激光照射在漫反射物体表面时，由反射光波干涉形成的散斑随物体变形或位移而变化。采用适当装置，通过双曝光法把变形前后的散斑记录在一张全息底片上，经显影定影后便可获得存储物体表面各点位移信息的散斑图。用激光照射散斑图，就显出散斑干涉条纹。在进行光学傅里叶变换信息处理后，便可分析出位移信息。
⑥焦散线法
利用焦散线测量应变（或应力）奇异场力学参数的一种光学实验法。当一束光垂直照射在一块受载的带有边缘裂纹透明薄板试件的局部高应变场区域时，由于域内各处厚度的变化十分悬殊，使透过的光线发生强烈偏折和汇聚，在试件与像屏间的空间形成一个明亮的曲面，称为焦散面。若用一个半透明屏幕切割此焦散面，就可看到一条明亮的曲线，即焦散线。通过光学和力学分析，可将焦散线的几何参数与奇异场的力学参数间的关系建立起来，从而通过测量焦散线的几何形状，可求出有关的力学量。
⑦光纤传感技术
用光纤作“传”和“感”的元件，当光通过光纤时，光的某一特性（如光强、相位、波长、偏振等）受到被测物理量的影响而发生变化，利用这一变化即可测得诸如声压、电场、磁场、位移、加速度、应变、温度等。光纤传感器的独特优点是：光纤是一种绝缘介质，不受电磁干扰，能耐高温高压，能在腐蚀和易燃、易爆等恶劣环境下工作；光纤灵敏度高，能探射极弱的信号和微小的信号变化；可做成便于应用的任何形状；光纤作为传输介质，损耗低 ，可作远距离遥测和遥控；能构成对各种物理量（如声、电 、磁、温度、转动等）微扰敏感的器件。因此，光纤传感器在传感器领域内占有重要地位。
⑧数字图像处理技术
利用电子计算机对图像信息进行采集、处理和分析的图像信息处理技术。在实验力学领域内，主要用来分析处理光测力学中光弹性法、云纹干涉法、全息干涉法、散斑干涉法等的光学干涉条纹信息，获取全面而有效的实验数据，实现光测力学的图像信息采集自动化和数据分析程序化。 有声弹性法、声发射技术和声全息法等。
①声弹性法
利用超声剪切波的双折射效应测量应力的一种方法。超声波在有应力的介质中传播时，其剪切波沿两主应力方向发生偏振，两偏振波以不同速度传播。实验和理论分析得到应力-光学定律 ： 沿主应力方向的两个超声剪切波的速度差与两主应力差成正比。该比例系数称声弹性系数，与材料的弹性常数有关。用此法可测量非透明材料的内部应力，并可测量焊接件的残余应力。
②声发射技术
构件在受力过程中产生变形或裂纹时 ，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射；利用接收的声发射信号，对构件进行动态无损检测的技术称为声发射技术。此技术可用来检测裂纹和研究腐蚀断裂过程，以及监视构件的疲劳裂纹扩展等；还可用来评价构件的完整性，判断结构的危险程度。
③声全息法
20世纪60年代发展起来的成像技术。其原理和全息照相相同，即利用波的干涉原理记录物波的振幅和相位，并利用衍射原理再现物体的像。它的不同处是用超声波代替光波。此法的成像分辨率高，用于无损检验，可显示试件内部缺陷的形状和大小。 常见的有脆性涂层法、X射线应力测定法、比拟法等。
①脆性涂层法
把特殊的涂料喷涂在工程构件表面，以确定主应力方向和估计主应力大小的一种全场实验方法。涂料喷涂到构件表面后，经过处理，就在构件表面结成脆性层。当此构件由于加载而产生的应变在某点达到一定的临界值时，该点涂层就出现一条与主应力方向垂直的裂纹。连接同一载荷下所有裂纹的端点，其连线上各点是有相等的应力值，称为等应力线。通过逐级加载，可得几乎遍布整个涂层表面的裂纹图和对应于不同载荷的等应力线，从而可直接观察到构件表面各处主应力大小和方向的分布状况。此法主要用来测出最大应力区和主应力方向，作为电阻应变计测量技术的辅助方法。
②X射线应力测定法
利用X射线穿透金属晶格时发生衍射的原理，测量衍射角的变化并通过布拉格公式确定晶格的变化，从而算出金属构件表面应力的一种实验方法。此法可无损地测量构件中的应力或残余应力，特别适于测量薄层和裂纹尖端的应力分布，是检验产品质量，研究材料强度，选用较佳工艺的一种重要手段。
③比拟法
根据两种物理现象之间的比拟关系，通过一种物理现象的观测试验，研究另一种物理现象的方法。如果两种物理现象中存在以形式相同的 数 学方程 描 述的物理量，它们之间便存在比拟关系，就可用一种较易测试的物理现象模拟另一种难以测试的物理现象，从而使试验工作大为简化。在实验应力分析领域中，常用的有薄膜比拟、电比拟、电阻网络比拟、沙堆比拟。