第三章-结构试验测试技术与量测仪表.pdf

结构试验测试技术与量测仪表1概述结构试验时，所受的外部作用，如力、位移、温度等是输 入数据，而试件的反应如应力、应变、速度、加速度等是输出 数据。这些数据均需准确量测。量测方法如下：人工测量与人工记录：如用直尺测量位移、裂缝宽度。仪器测量与人工记录：如用百分表测量位移，或用应变仪 配应变计或位移计测量应变或位移。仪器测量与仪器记录：如用传感器配X-y记录仪进行测量 和记录，或用传感器、放大器和磁带记录仪进行测量和记录。数据采集测量与记录：计算机系统。2量测仪表的工作原理及分类按功能不同，量测仪表分为：传感器、放大器、显 示器、记录器、分析仪器、数据采集仪或数据采集系统。一、工作原理：传感器：感受各种物理量，并将它们转换为可直接测读的形式。有以下几种：机械式传感器：利用机械原理工作，由以下部分组成:感受机构、转换机构（转换成长度或角度）、显示装置（指针或度盘）、附属装置（外壳、防护罩等）。电测式传感器：利用材料的电学性能和电学原理，把 非电物理量转换成电量变化。由以下部分组成：感受部分、转换部分（如电阻应变计等）、传输部分（如导线等）、附 属部分等。其它传感器：红外线传感器、声波传感器等。放大器：把信号放大的装置。记录器：按一定的方式把数据 记录到某种介质（纸、磁带、光 盘等）上。如光线示波器、磁带 记录仪、磁盘驱动器等。二、量测仪表的分类：按仪器用途分：应变计、位移传感器、测力传感器、倾 角传感器、频率计、测振传感器等；按仪器与结构关系分：附着式、非附着式；接触式、非 接触式；按显示和记录方式分：直读式和自动记录式；模拟式和 数字式。三、量测仪表的技术指标量 程S：仪器可以测量的输入量的范围。刻度值：仪器的最小刻度所代表的被测量。灵敏度K：单位输入物理量引起仪器输出或显示值的变化。是描述仪器、设备、试剂或测试方法对微小外加作用显示出的 敏感程度。分辨率：仪器能测量被测物理量的最小值的能力。精度：指示值与被测值的符合程度。常用满程相对误差 表示。如精度为0.2的仪表，表示测定值的误差不超过最大量程的0.2%。是用来描述物理量的准确程度的量。滞后、零俗潟潦、满量程执潦毯、线性范围、频响擀件、四、量测仪器的选用原则(1)具有合适的量程、灵敏度和精度。(2)安装使用方便，稳定性好，抗干扰能力强。(3)不影响结构的工作：自重轻，尺寸小。(4)同一物理量测量仪器型号尽量相同，避免系统误差。(5)经济好：价廉耐用，可重复使用，安全可靠。(6)按规定存放、使用和标定。3仪表的率定在仪器行业，对仪器的校准测定称为率定。即校准、标定。即将仪器的示值和标准量进行比较的过程。率定的方法：1.用精确度等级更高的专用率定设备率 定；2.用标准仪器（精确度不比被率定设备高，但不常使 用）率定；4应变测量结构试验中常需要量测应力，但直接量测应力目前还 没有好方法，主要是通过量测应变，再换算求得应力。应变：在预定的标准长度范围内，量测长度变化增量 的平均值AL,再通过=AL/L计算求得。标距L的选择：匀质材料宜小；非匀质材料宜大。碎应 大于骨料最大粒径3倍；对砖石结构应大于4皮砖；对木结 构应大于20cli1。测量方法：常用电测法，还有机械法和光测法。、电阻应变计电阻应变片的原理:利用金属丝的电阻值叫着其机械变形而变化的物理特性。P-R=pL 夕电阻率 IA-当金属丝受力变形时，其电阻的变化率为：dR _ dp dl dAR 一公厂工因四=2v=-2该(吁泊松比)，而亚非常小，故：A I p华=(1+2v)=Ks,K-灵敏系数，单位应变引起的电阻变化率.电阻应变片的构造：主要由敏感栅、基底、覆盖层、引出电阻应变片的分类:按栅极分:丝绕式、箔式（在薄胶膜上镀合金膜，光刻而成）、半导体式等;按基底材料分：纸基（便宜、易粘贴、不防潮）、胶 基（箔式常用）；按敏感栅结构的形状分：单轴（测单轴应变）、多轴（用于应变花）。(i)(a)、(d)、(e)、(h):泊式应变计(b)丝绕式应变计(c)短接式电阻应变计(g)半导体应变计 焊接应变计电阻应变片的技术指标标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L。不是指整个 电阻片的长度，而是指电阻片当中电阻丝栅的长度。0.2mni 100mmo规格：使用面积LxB。电阻值：一般为120。作为标准。灵敏系数：K2.0,可通过分批抽样实测而得。温度使用范围：取决于粘合剂的性质。二、电阻应变仪的测量电路根据电阻变化率公式：dR/R=Ke2.0*(10-6-10-3),该电信号很微弱，直接测量困难，故采用电阻应变仪。电阻应变仪是电阻应变计的专用放大仪器。1电桥基本原理AU惠斯登电桥：如图示：根据基尔霍夫定律：=r,r3-r2r4(均+&)(4+4)当AU二0时，电桥平衡。即R1:R2=R3:R4时，电桥平衡。在应变里一般用两种特定状态达到电桥平衡，一种是 R1=R2=R3=R4,另一种是R1=R2,R3=R4O前一种四个阻值相等，称为等臂电桥。当四个桥臂阻值发生变化ARI、AR2、AR3,AR4时,经推导可得：AU=（a+凶）（尺3+“3）（:2+2）（尺4+”4）u（火+AR1+R?+A7?2）（火3+人及3+火4+Rq）AUAU（KA7?3+火31 尺 42）“（）（4+4）URR3 AA A2A7?4 A7?3 A4A7?2-（-1-（火+火2）（火3+火4）R1 火1火3 火3 火1火3右四个应变计规格相同，Ri=R2=R3=R4，K|=K2=K3K4 9则：=(1_&+23 _ 24)-不平衡电桥 由前述可见：g可由输出电压来测量，即输出电压与 四个桥臂应变的代数和呈线性关系。两个相邻桥臂上的应变是相反的，瓦、R3是正的，R2 R4是负的。四个桥臂上都接电阻片就是全桥电路，当R3、R4接固 定电阻，而非电阻应变片时，就是半桥电路，可自动 完成温度补偿，且灵敏度提高；当R2只作为温度补偿 片，而不产生应变时就是1/4桥路。不平衡电桥电路的测定方法也叫偏位测定法，有两个缺点,1,输入电压的不稳定会影响测量的准确性；2,输出电压的测定需 要有较高灵敏度的检测计。可以采用平衡电桥来测定，即采用零 位测定法。平衡电桥原理Ri为工作应变片，R2为温度补偿片，r3=r4=r*,则：构件受力前的平衡条件：RR-与凡=0 构件受力后调整滑线变阻器到D，使检流计归零，其平衡条件：区+-Ar)-R2(R4+Ar)=O2 Ar8-整理后得:KR温度补偿技术用电阻应变片测应变时，当环境温度发生变化时，由 于电阻应变片和试件的温度线膨胀系数不同，就会在应变 片中产生应变；另一方面，随着温度的变化，电阻应变片 的电阻率P也会发生变化。由于这两项原因，使电阻应变 片在没有受到力作用以前就产生了应变，从而电阻值发生 了变化，这就是电阻片的热效应。消除这种热效应的常用 方法就是温度补偿技术。温度补偿技术设温度引起的电阻增量用ARt表示，如果在电路的BC 臂上接一个与工作应变片Ri同样的应变片R2,并将它贴在同 样材料和环境温度但不受力的试件上，贝I：一 U（K+a&）UK。=-!-=-.4 R 4温度补偿应变计必须满足：1）与测量应变计规格相同；2）粘在相同的材料上；3）处在相同的温度场；4）补偿片不能受力。5）多点补偿：一个温度补偿片可供多个测量片使用。一般碎5点，钢结构 10点共用一个补偿片。设置温度补偿应变计接桥方法实测电路轴向受力（1/4桥）轴向（半桥）轴向（全桥）弯曲（半桥）弯曲（全桥）扭转（半桥）工作片互为补偿 灵敏度提高1倍。例题:某结构构件，荷载和电阻应变计布置如图所示，测量时采用全桥桥路，应变仪显示的测量应变值为280度，已知结构材料的泊松比v=0.3。(1)画出测量应变桥路图；(2)简要说明该桥路特点；(3)计算该测点的弯曲应变8W。电阻应变计粘贴技术电阻应变计粘贴技术顺序工作内容方 法要 求1应变片 检查分选外观校查借助放大镜肉眼检查应变片应无气泡、霉斑、锈点，栅极应平 直、整齐、均匀阻值枪查用万用电表检查应无短路或断路用单臂电桥测量电阻值并分组同一测区应用阻值基本一致的应变计，相差不大于0.5%2测点处理测点检查检查测点处表面状况测点应平整、无缺陷、无裂缝等打磨用1#砂布或磨光机打磨表面达，平整、无锈、无浮浆等，并不 使断面减小清洗用棉花薛丙圃或酒精等清洗棉花干擦时无污染打底用环氧树脂:邻苯二甲酸二丁品：乙二胺二8 10：100：10 15 或环氧树脂:聚酰胺=100：90110胶层厚度0.左右，硬化后用0#砂布磨平测线定位用铅笔等在测点上划出纵横中心线纵线应与应变方向一致3应变牌上欣用斜夹应研引出缘蜻毗一 层麟，熊也涂上棘，肥雕法上融上十神微驰好上的标趟 琳挤B在应研上盖一小片螭冢用手指 沿一个方毓乐挤出多余麻胶层应尽量薄，并林意应变计位置不清 动加压供刊骷贴,用手指轻压人2分的 其他则适当方法加用2小时蝮腿翻，相施蚓稣稀 动4ms自鼾1在室温15c以上海度60%以下12天源度达到熟人工酬个油阪海度大脚在自桁嘴12小 时后用人工加油红外颇照做电 吹期）加热油虾超过矶，受触的5Wft检或外观检查御瞰大鼬辘查应妍应砧泡舰率队施槌用万用电表检破计无虢和懒用朝蟠量般计螂值的雕本桐绝缘度检 查瞅嘛检颤研与研维缘度一般氮脑在50MD以上，恶劣环境或 长期量融大于500加辘人鼓仪观察零瓶移不大于2件/15州6引螃域应变计引用拆下赚梅蜂保蚓峨不宛件府虢瞅献置用蜘定斜就段楣定械保证麟在献脚掂1螭猫导解接用螭觥引出发与导嘱接惭应嘛、丰床无虚脾7防潮防护辘械条件/片检爵格徽后加肺8、脑 处理。翅剂鲫附录34麻，防护一敏腆类防 潮剂髓或加布带就防就必籁就酎应蚓牖大 5mm左右。附城能防机蠲M应变的其它测量方法机测法：常用的有电子百分表和千分表，与其它 配套设备可制成手持应变仪、位移计等。手持应变仪 常用于现场测量，且适用于持久试验，标距为50 250mm,读数的位移计可选用百分表或千分表。工作原理：在标距两端粘结两个脚标（每边各一 个），通过测量结构变形前后两个脚标之间距离的改 变，求得标距内的平均应变。光测法：多用于结构局部应力分析（云纹法、激光衍 射法、光弹法）。4位移测量仪器结构的位移主要指：挠度、侧移、转角、支座偏移等，可 分为线位移和转动变形。量测位移的仪表有机械式、电子式、光电式等。线位移的常用量测仪器有接触式位移计、差动变压器式位 移计、应变梁式位移传感器、滑线电阻式位移传感器、水准 仪、经纬仪等。转动变形的常用量测仪器有杠杆式测角器、水准式倾角仪、电子倾角仪等，也可以自行设计。接触式位移计接触式位移计根据刻度盘上最小刻度值所代表的量 分为百分表（刻度值为量程为5、10、30mm）千分表（刻度值为0.量程为1mm）和挠度计（刻度值为5%或 10%nm,量程为50、100、300mm）0用百分表测挠度的时候，在没有变形前先读表针指 示的一个读数，然后当它变形以后，即当表杆移动了再 读一次，这两个数之差，就是整个的变形。使用时将位移计固定于表架上，使测杆顶紧测点，并与侧面保持垂直。机械式百分表电子百分表位 移千 分 表经纬仪应变梁式位移传感器仪器外壳上固定一个弹簧片，并作成悬臂结构，弹簧 片根部粘贴应变片。弹簧片的自由端连接拉簧，拉簧的另 一端与测杆伸出的指针相连。当测杆跟随变形而移动时，拉簧使簧片产生挠曲，通过电阻应变仪测得的应变即可反 映与试件位移的关系。量程为30750mm,分辨率可达0.01 mm。电子百分表就是按照这样的原理制成的。1.测杆2.弹簧片滑线电阻式位移传感器仪器内部接有滑线电阻,当测杆随着结构变形产生位 移时，带动滑线触头移动，改变滑线电阻两端的电阻值,通过电阻应变仪可测得应变。图3.21滑线电阻式位移传感器(a)位移传感器；(力滑线电阻测量线路1一测杆；2-滑线电阻；3一触头；4弹簧差动变压器式位移传感器如图：有三个线圈，中间的叫初级线圈，两边的叫 次级线圈。中间的铁芯是铁磁材料。当初级线圈有电流 通过时，次级线圈内将产生感应电势。测杆带动铁芯偏 向左侧时，左侧感应电势大，右侧小；通过测量两侧电势差，就可以确定测杆的位置，即位移量。图320差动变压器式位移计的结构1一线圈绕组;2可动衔铁;3导磁外壳;4一测量杆结构转动变形测量1、转角测定杠杆式测角器：通过两个千分表分别测量各自点 的位移量，通过计算可求得转角。水准式倾角仪如图，结构变形前，通过调整微调螺丝使气泡 居中，测读数；结构变形 后，再调整螺丝，使气泡 居中，测读数。两次读数 差就是螺丝中心线处的竖 向位移h。电子倾角仪用液体摆来感受角位移，液面的倾斜将引起电极A、B之间和B、C之间的电阻发生相应改变，把电极A、B和C 接入测量电桥，就可以得到与角位移相对应的电压输出。实际上是一种传感器。2.曲率测定AB Df5力值测量仪器主要有机械式传感器和电测式传感器两类；机械式：拉力测力计、压力测力计、拉压力测力计；电测式（应变式）：压力传感器、拉压传感器（较为 常见，采用应变计量测方法，可自制）拉力环压力表压力环拉压力传感器6裂缝测量两项内容：1、开裂：裂缝发生的时刻和位置。2、度量：裂缝的宽度和长度。裂缝的判断：1.借助放大镜用肉眼观察。表面先刷白涂料2.用应变计或导电漆膜连续布置来测量开裂。当某处开 裂时，该处应变计读数突变或跨裂缝的漆膜出现火花直至烧 断。裂缝的测量裂缝宽度:读数显微镜、裂缝塞尺、裂缝标准宽度板（裂缝标尺）。读数显微镜裂缝标尺7振动测量仪器用来测量结构振动参数（位移、速度、加速度等）；基本组成：感受部分、放大部分、显示部分；感受部 分也叫拾振器。拾振器的力学原理结构震动，周围的地面也震动，测震动的仪器，本身也 是个震动系统。如图，惯性测振传感器的力学模型。当结构 振动时，仪器外壳一起振动，质量块也振动，但振动规律不 同（如振幅和相位）。通过测量质量块与壳体间的相对振动,就可以反映出振动体的振动特性。拾振器类别根据输出值与位移、速度、加速度之间的关系分为位 移计、速度计和加速度计。位移计：当振动体的自振频率比拾振器的自振频率大 很多时，拾振器输出值与结构位移成正比，主要用来测量 结构的振动位移。建筑物自振频率一般较低（3Hz）,要求位移计更 低，因此体积大，重量大。速度计：当振动体的自振频率与拾振器的自振频率大致 相等时，拾振器输出值与结构振动速度成正比，主要用来测 量结构的振动速度。失真大，可用频率范围窄，少用。加速度计：当振动体的自振频率比拾振器的自振频率小 很多时，拾振器输出值与结构振动加速度成正比，主要用来 测量结构的振动加速度。对加速度一次积分可得速度，两次积分可得位移。测振传感器将拾振器获得的位移、加速度等振动参量转换为电量,并输入放大器的装置。根据转换方式有：磁电式、压电式、电阻应变式、电容式、光电式等。常用的传感器有磁电式速度传感器和 压电式加速度传感器。磁电式速度传感器根据电磁感应原理制成，灵敏度高，性能稳定，有一 定的频率响应宽度。通过质量块在壳体内的相对振动，产生感应电动势,该感应电动势与运动速度成正比。如图摆式传感器。图324水平摆式测振传感器1 一十字簧片；2一弹簧;3固定杆;4一质量块;5线圈；6磁 钢;7外壳压电式加速度传感器利用压电晶体材料具有的压电效应制成。这种材 料具有受拉压力后材料会产生电荷，并与所受力的大 小成正比。通过测量电荷多少就可以确定惯性力的大 小，从而确定加速度的大小。用途广泛，频率范围宽，稳定性好，机械强度高,温度范围宽，灵敏度较低。7777：8数据采集与记录系统数据的记录方式：模拟式、数字式。从传感器传送到 记录器的数据一般都是模拟量。常用自动记录仪：光线示波器、磁带记录仪、磁盘驱 动器、xY记录仪。x-Y记录仪用记录笔把试验数据以x-y平面坐标系中的曲线形式 记录在纸上。属于模拟式。将试验变量1与x轴连接，并驱使记录笔沿x轴移动。试验变量2与y轴连接（也可以变为时间坐标）。记录笔移 动的大小和方向由试验变量及它们的大小控制。多用于静力测试。3033 20Kg光线示波器模拟式记录器。用于记录振动数据，将电信号转换 为光信号，记录在感光纸或胶片上，得到试验变量与时 间的关系曲线。磁带记录仪有模拟式和数字式两种；多用于测量振动参数；特点：工作频带宽、同时多通道记录、录放速度可 调、可将磁信号还原为电信号。数据采集系统数据采集系统的组成：传感器部分：包含电测传感器；数据采集部分：扫描传感器，对数据进行采集；计算机部分：控制数据采集仪，并进行数据处理。图4-23组合式数据采集系统的组成思考题：1、传感器的功能是什么？2、简述电阻应变计的工作原理。3、简述电阻应变计的主要粘贴步骤。4、何谓1/4电桥、半桥接法以及全桥接法。5、简述电阻应变计的构造组成。6、常用的位移传感器有哪些？7、裂缝测量主要有哪两项内容，常用方法是什么?8、常用的数据记录器有包括哪些？9、简述数据采集系统的硬件组成。