土木工程结构试验与检测技术试验量测技术与量测仪表

1、3.2.1 量测仪表的基本组成 试件的作用与效应 适调器 （机械式等） 传感器等 指针、屏幕等 3.2 量测仪表的基本概念 （转换与）放大部分 感受部分 显示记录部分 3.2.2 量测仪表的基本量测方法量测仪表的基本量测方法 偏位测定法偏位测定法：按仪表发生的偏转或位移定出被测值。 该方法为土木工程结构试验与检测常用方法，后边 将要学习到的百分表、双杠杆应变仪、动态电阻应 变仪均属于该方法。 零位测定法：零位测定法：用已知的标准量去抵消未知量引起的 偏转。 如称重天平。该方法更为精确，若进行放大后更为 精确。 3.2.3 量测仪表的主要性能指标 量量 程程S：仪器可以测量的最大范围。 刻度值刻

2、度值：仪器的最小刻度所代表的被测量。 精确度：精确度：仪器指示值与被测值的符合程度。 在同一工作条件下，仪器多次重复测量同一数值被测 量，保持示值一致的能力。 灵敏度灵敏度K：被测单位物理量引起仪器输出或显示值的 大小。 分辨率分辨率：仪器能测量被测物理量的最小值的能力。 滞滞 后：后：在恒定的测量环境下，仪器在整个量程范围 内，从起始值到最大值再回到起始值，在这正反两个 行程输出值之间的最大偏差或该值与满量程输出之百 分比称为滞后。 稳定性：稳定性：当被测物理量不变，仪器在规定的时间内保 持示值与特性参数不变的能力。 3.2.4 量测仪表的选用原则 （1）具有合适的量程、灵敏度和精度。 （2

3、）动态试验量测仪表其动态性能指标符合要求。 （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，避免系统同一物理量测量仪器型号尽量相同，避免系统 误差。误差。 （5）考虑试验环境，价廉耐用，可重复使用，安全 可靠。 人无完人，物尽其用。 3.3 仪表的率定（标定）仪表的率定（标定） （1）目的：）目的：确定仪器设备的灵敏度和精确度，应该 在试验前或试验前后对仪器设备进行标定。 （2）标定：）标定： 单件标定：确定某一件仪器的灵敏度和精确度； 系统标定：确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精 确度。（实际试验中采用） 传感器传感器放大器放大器显示记录显示记录输入标准值输入

4、标准值 3.4 应力（应变）测量 测量方法： 1）电阻应变仪：应变计+应变仪（常用） 2）手持应变仪：校核，测点少时采用。 3）位移计方法：足尺结构试验应变测量 4）光测法（云纹法、激光衍射法、光弹法）： 测量平面应变，较多用于测量节点和局部应力。 。变形，应变定义：单位长度的 L L 其他应变测量仪器 1、手持应变仪 常用于现场测量，且 适用于持久试验，标距为 50250mm，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。 2百分表： 常用于实际结构、足尺试 件的应变测量。

5、用位移计测量一条直线上 两点之间的相对位移来表示两 点之间的平均应变，两点之间 的距离L称为标距。 3、应变传感器 1）弦式应变传感器 量测不受温度和长导线的 影响，工作稳定，但安装复杂。 =振弦式应变计振弦式应变计 使用中的振使用中的振 弦式应变计弦式应变计 = 2）砼应变计传感器 浇筑时预埋，防水 性能好，能消除弯曲影响， 适合长期监测。 3）钢筋应变传感器 采用锥螺纹方式与钢筋连结，防水性能好，适合长期 监测。 4、光测法、光测法 光测法有：云纹法、激光衍射法、光弹法等。常用于测 量平面应变，较多应用于节点或构件的局部应力分析。 电阻应变片的工作原理： 利用金属丝的电阻值随着其机械变形而

6、变化的物 理特性。 . ,)21 ( :,(22 00 起的电阻变化率 单位应变引灵敏系数 故非常小而泊松比）因 其电阻的变化率为：当金属丝受力变形时， 电阻率 KK R dR d l dl A dA A dA l dld R dR A l R 电阻应变计构造和性能 构造：基底有胶基和纸基，电阻栅有丝式、箔式和半导体 电阻应变计电阻应变计 电阻应变片的性能指标 选用原则： 1）标距L：根据测点材质和应力梯度选择。均质材料 大梯度选小标距，如钢材取5-10mm；非均质材料小 梯度选大标距，如砼选3倍骨料粒径，80-120mm。 2）阻值R：R=120(60600)。应变计阻值相差 0.5%，并结

7、合和应变仪选用。 3）灵敏系数K：K2.0(1.82.6)，同次试验宜相同 4）根据使用环境选择应变计种类：长期和短期，试验 室和现场，常温和低温或高温，常规与疲劳 ，潮湿 与干燥。（胶基和纸基） n 分分 类类 (a)、(d)、(e)、(f)、(h):箔式应变计 (b) 丝绕式应变计 (c) 短接式电阻应变计 (g) 半导体应变计 (i) 焊接应变计 3.4.5测量电路（惠斯登电桥） 电阻变化非常小(10-6级)，测 量困难，一般通过电桥把电 阻变化转化电压或电流，并 经应变仪放大来测量。 io o io U RRRRRRRR RRRRRRRR U RRRR URRRR U RRRR RRR

8、R U RRRR )( )()( 0/ )( : 1 44332211 44223311 4321 4321 4321 4231 4321 ）（） 。则：、臂电阻发生变化为： ，称为电桥平衡。若桥时，当 根据基尔霍夫定律有 均接应变计。、）全桥 A Vi Vo 1 R 2 R 3 R 4 R B C D 动完成温度补偿。特点：灵敏度提高，自 ，则：，若 ） )( 4 )( 4 )( )( )( ( 4321 2 2 3 3 4 4 1 1 43214321 31 24 3 3 31 42 1 1 4321 31 4321 24421331 ii o io io KV R R R R R R R

9、 RV V KKKKKRRRRR V RR RR R R RR RR R R RRRR RR V V RRRR RRRRRRRR V 动完成温度补偿。特点：灵敏度提高，自 接标准电阻。、 接应变计，、半桥： )( 4 )2 21 43 21 i o KV V RR RR 特点：节约应变计。 接标准电阻。、 接补偿应变计，接应变计、桥：） 1 43 21 4 4 1 3 i o KV V RR RR Vo Vi 1 R 2 R 3 R 4 R B C D Vo Vi 1 R 2 R 3 R 4 R B C D 应变测量仪器 电阻应变仪，电桥 使用中使用中= 电电 桥桥 盒盒 D Vi 1 R 2

10、 R 3 R 4 R B C 显示记录仪显示记录仪 放大器放大器 常见应力状态的测量常见应力状态的测量 轴向受力（轴向受力（1/4桥）桥） 轴向（半桥） 轴向（全桥） 弯曲（半桥） 弯曲（全桥） 弯曲（全桥） 扭转（半桥） 工作片互为补偿 灵敏度提高1倍。 拉弯组合 测量弯曲应变 半桥，消除轴力影响； 灵敏度提高1倍。 测量轴向应变 半桥，消除弯曲影响； 灵敏度不提高。 弯扭组合 测弯曲应变； 分解扭弯复合； 灵敏度提高1倍； 测扭转应变； 分解扭弯复合； 灵敏度提高1倍； 3.4.6 电阻应变计的使用技术 1）基本要求）基本要求： （1）测点基地平整、清洁、干燥。 （2）粘接剂性能良好。如5

11、02快干胶、环氧树脂。 （3）粘贴牢固，方位准确，不含气泡。 （4）粘贴前后阻值不变，绝缘电阻50M以上。 2）粘贴过程）粘贴过程 （1）测点处理：打磨、清洗、打底、划线 （2）应变粘贴：涂胶、挤压 （3）固化处理：自然干燥或人工加温（50度） （4）粘贴质量检查：外观、阻值和绝缘 （5）导线连接：固定点设置、焊线。 （6）防潮防护：石蜡、703硅橡胶、环氧树脂等。 1. 电阻应变计的粘贴技术 2. 温度补偿技术 采用1/4桥测量时需要设置温度补偿应变计，主要用 于消除温度变化引起的应变计的电阻变化。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

12、温度场； 4）补偿片不能受力。 多点补偿：一个温度补偿片可供多个测量片使用。 一般砼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 3.5 位移测量 线位移线位移：常用的位移测量仪器有机械式百分表、 电子百分表、滑阻式传感器、差动电感式传感器，水 准仪。 角位移传感器 (a) 水准管式倾角仪 (b)电阻应变式倾角传感器 3.6 其他变形量测 （C）水准式角度传感器）水准式角度传感器 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接人测量电桥，就可以得到与角位移相对应的电 压输出。 (d) 千分表测扭转角 曲率测量 千分表

13、测倾角 3.7 裂缝测量 1、开裂：开裂时间和位置。、开裂：开裂时间和位置。 1）借助放大镜用肉眼观察。表面先刷大白浆或涂料 2）用应变计或导电漆膜交替搭接布置来测量开裂。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。 3）声发射法：利用材料开裂时发射出声能的现象。将 传感器布置在试件的表面或内部，通过声波的测量 来确定开裂。 4）裂缝应变计：钢结构断裂试验 2、裂缝宽度、裂缝宽度:读数显微镜、裂缝标尺读数显微镜、裂缝标尺 读数显微镜 裂缝标尺 =裂缝宽度观裂缝宽度观 测仪测仪 裂缝宽度测试裂缝宽度测试= （数字显示）（数字显示） 3.8 力的测定 弹簧（拉力、压力环），

14、压力表，传感器（电阻、 压电）。 3.11 数据采集系统 一、一、X-Y记录仪记录仪 可直接绘出曲线，精度高，记录速度快，可用静载，也可用 于低平动载试验。 二、计算机数据采集器 1）用传感器感受各种物理量，并把它们转换成电 信号。 2）通过A/D转换，把模拟量转变成数字量。 3）数据的记录、打印输出或存人磁盘文件。 信号信号A/D计算机计算机 PCI采集卡采集卡USB 采集卡采集卡 3.11.1 数据采集系统的组成 3.11.2 数据采集系统的几种类型 3.11.1 数据采集系统的组成 3.11.2 数据采集系统的几种类型 其他应变测量仪器 1、手持应变仪 常用于现场测量，且 适用于持久试验

15、，标距为 50250mm，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。 动完成温度补偿。特点：灵敏度提高，自 接标准电阻。、 接应变计，、半桥： )( 4 )2 21 43 21 i o KV V RR RR 特点：节约应变计。 接标准电阻。、 接补偿应变计，接应变计、桥：） 1 43 21 4 4 1 3 i o KV V RR RR Vo Vi 1 R 2 R 3 R 4 R B C D Vo Vi 1 R 2 R 3 R 4 R B C D 弯曲（全桥） 千分表测倾角 3.7 裂缝测量 1、开裂：开裂时间和位置。、开裂：开裂时间和位置。 1）借助放大镜用肉眼观察。表面先刷大白浆或涂料 2）用应变计或导电漆膜交替搭接布置来测量开裂。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。 3）声发射法：利用材料开