第四章结构试验测量技术

1、2021-7-251School of Urban Construction and Management 2021-7-252 本章重点 u 土木工程试验中的测量系统的基本测试单元组成。 u 电阻应变片的原理，构造，技术指标。 u 电桥原理，桥接方式，实用桥路。 u 应变片的粘贴技术。 u 应对常见的位移、力、转角、曲率、裂缝等测量方法、测量 装置有所了解。 2021-7-253 4.1 概述 结构试验测量技术 （Measuring Technique of Structural Testing） u指通过一定得测量仪器或手段，直接或间接地取得结构性能变化的定量 数据 测量系统测试单元 结构

2、（构件） 敏感元件 （感受装置） 变换器（传感器） 控制装置 指示记录系统 从被测物体接受能量，输出一定测量数值 将被测参数变换为电量并传送到控制装置进行处理 对变换器的输出信号进行测量计算，并在显示器上显示出来 显示记录所测数据 2021-7-254 4.1 概述 结构试验的主要测量参数 u外力（支座反力、外荷载） u内力（钢筋的应力、混凝土的拉、压力） u变形（挠度、转角、曲率） u裂缝等 测量方法 u直接测量法 用一个事先按标准量分度的测量仪表对某一被测量进行直接测定，从而得出该量的数值。 是工程结构试验中应用最广泛的一种方法 u间接测量法 不直接测量待测量，而是对于待求量有确切函数关系

3、的其他物理量进行测量，然后通过函 数关系求得待求量 u偏位测定法（接触式位移计） u零位测定法（天平秤） 2021-7-255 4.2 应变测量 应变测量（Measurement of Strain） u结构试验中的基本测量内容，在结构试验量检测内容中具有极其重要的 地位，往往是其它物理量测量的基础 应变测量的方法 u机测法：简单易行，适用于现场作业或精度要求不高的场合 u电测法：手续较多，适用范围广，精度较高 2021-7-256 4.2 应变测量 4.2.1 电阻应变片（Resistance Strain Gauge） 1.工作原理 电阻丝长度变化会引起阻值变化 R：电阻，W r：电阻率，

4、Wm L：电阻丝长度，m A：电阻丝截面积，m2 A L Rr A A L AA L A A R L L RR Rddddddd 2 r r r rr r A A L L R Rdddd r r 2021-7-257 4.2 应变测量 其中，设电阻丝泊松比为m，则有 m r r r r )21( ddddd A A L L R R m2 d A A 其中dL/L为电阻丝长度方向上的应变值，则 设 0 )21( d Km r r 则 0 d K R R K0，称作点做应变计的单丝灵敏度系数 2021-7-258 4.2 应变测量 K0的物理意义表示单位应变所引起电阻丝阻值的改变量，它能反映出电阻

5、丝阻值对应变的敏感 程度，故称作单丝灵敏度系数。 0 d K R R 0 )21( d Km r r 可知， K0由两部分组成，(1+2m)反映了电阻丝材料的几何特性对灵敏度的影响，对于常见金属 丝而言，该值约为1.6；(dr/r)/则表示了电阻率随应变的改变量，对于绝大多数材料而言该值 约为0.4。故电阻丝的单丝灵敏度系数K0为常数. 注意：金属单丝灵敏系数K0与应变片灵敏系数K略有不同，K由实验求得，K K0。 K R R d 可以用电阻应变片的灵敏度系数表示 2021-7-259 4.2 应变测量 2.电阻应变片的基本构造 敏感栅：将应变变换成电阻变化量的敏感部分。用高电阻率的电阻丝制成

6、的栅状体。敏感栅的 形状与尺寸（栅长L，栅宽B）直接影响应变片的性能。 基底和覆盖层：起定位和保护电阻丝作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。基底的尺寸代表 应变片的外形尺寸。 粘结剂：将敏感栅固定在基底上。 引出线：将电阻应变片通过它焊接于应变测量电桥。 2021-7-2510 4.2 应变测量 3.电阻应变片的技术指标 (1) 标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L。 (2) 规格：以实用面积LB表示。 (3) 电阻值：与电阻应变片配套使用的电阻应变仪中的测量线路，其电阻均以120W作为标准设 计，因此应变片的阻值大部分为120W左右，否则应加以调整或对结果进行修正。 (4) 灵敏系数：电阻应变

7、片的灵敏系数出厂前经抽样试验确定，使用时应把应变仪上的灵敏系数 调节器调整至应变片的灵敏系数值。 (5) 温度适用范围：主要取决于胶合剂的性质，可溶性胶合剂的工作温度约为-20+60；经 化学作用而固化的胶合剂，其工作温度约为-60+200。 2021-7-2511 4.2 应变测量 4.2.2 电阻应变仪（Resistance Strain Apparatus） 电阻应变片可以把试件的应变信号转换成电阻的变化，但由于土木工程中的试件应 变往往较小，因此，电阻的变化值也将非常微小。 例如HRB335钢筋的屈服强度fy=310N/mm2，弹性模量E=2.0 105N/mm2，因 此钢筋屈服时候应

8、变为1550m，如果使用的应变计电阻值为120W，对应电阻值变化 量是DR=0.372W。必须要专门仪器才能对信号进行测量和鉴别，这种专门仪器成为 电阻应变仪。 2021-7-2512 4.2 应变测量 电桥基本原理 应变仪的测量电路一般采用惠斯登电桥。四个臂上分别接入电阻R1，R2，R3，R4，在 A、C 端接入电源，B、D 端为输出端。 4321 4231 34 4 21 1 RRRR RRRR U RR R U RR R UUUU DABABD 输出电压与输入电压的关系 1/4电桥：AB桥路作为工作片接在被测试件上 半桥：R1，R2为工作片，输出电压 全桥：接4个应变片，输出电压 432

9、1 4 1 UKUBD 21 4 1 UKUBD 若各应变片阻值R和变化值DR相同，那么上式统一写成 AUKUBD 4 1 2021-7-2513 4.2 应变测量 温度补偿 在电桥BC臂上接一个与工作片R1阻值相同的应变片R2=R1=R（温度补偿片），并将 R2贴在一个与试件材料相同、置于试件附近的位置。因为R1、R2具有同样的温度变化 条件，但R2不受外力作用，因此DR2=DRt（温度产生的阻值变化），对于DR1有 DR1=DRs+DRt。则 444 UK R RU R R R RRU U stts BD D D DD 2021-7-2514 4.2 应变测量 【例】以矩形截面简支梁的跨中

10、受拉边缘的应变测量为例，说明1/4桥、半桥和全桥 的桥路特点。 【提示】 1/4桥：工作片R1的应变包括由弯矩M和温度T引起的应变两部分，即1=M+t。为 消除温度影响，应在简支梁附近放置一个与梁同材料的试块，并粘贴温度补偿片R2 （应与R1规格相同）。由于R2不受力，只是温度T而产生应变，故2=t。 1/4桥 半桥 全桥 2021-7-2515 4.2 应变测量 【例】以矩形截面简支梁的跨中受拉边缘的应变测量为例，说明1/4桥、半桥和全桥 的桥路特点。 【解】 (1) 1/4桥：工作片R1的应变包括由弯矩M和温度T引起的应变两部分，即1=M+t。 为消除温度影响，应在简支梁附近放置一个与梁同

11、材料的试块，并粘贴温度补偿片R2 （应与R1规格相同）。由于R2不受力，只是温度T而产生应变，故2=t。电桥输出电 压为 MTTMBD UKUKU 4 1 4 1 2021-7-2516 4.2 应变测量 (2) 半桥：将工作片R1布置在受拉区边缘，将工作片R2布置在受压区边缘，接桥方 法同1/4桥路，则R1，R2可互为温度补偿；并由于矩形截面有水瓶对称轴，两个应变 大小相等、符号相反，故输出电压为 桥臂放大系数为2，即将受拉区边缘的拉应变放大了2倍。 MBD UKU 4 2 2021-7-2517 4.2 应变测量 (2) 全桥：将工作片R2，R4布置在受拉区边缘，将工作片R1、R3布置在受

12、压区边 缘，则有e1=e4=-e2=-e3，则有 桥臂放大系数为4，从应变仪得到的应变读数为单贴一片时的4倍，说明灵敏度提高了 4倍。 MBD UKUKU4 4 1 4 1 4321 2021-7-2518 4.2 应变测量 实用桥路 1/4电桥：只有一个工作片，对输出电压没有放大作用 半桥：电压输出比1/4桥提高一倍切2个工作片可互作温度补偿 全桥：输出电压可比半桥进一步提高 接桥方法的原则： 在满足特殊要求的条件下，选择测量电桥输出电压较高、桥壁系数大，能实现温度互补且便于 分析的接桥方法。 2021-7-2519 4.2 应变测量 2021-7-2520 4.2 应变测量 2021-7-

13、2521 4.2 应变测量 电阻应变片粘贴技术 应变片是应变电测技术中的感受元件，粘贴质量的好坏对测量结果影响甚大，结束要求十分严 格。 砂布:0#对应P120；1#对应P100 表面粗糙度： 5=应Ra(mm)2.55 2021-7-2522 4.2 应变测量 电阻应变片粘贴技术 应变片是应变电测技术中的感受元件，粘贴质量的好坏对测量结果影响甚大，结束要求十分严 格。 2021-7-2523 4.3 位移与变形测量 4.3.1 位移的测量 u位移是工程结构承受荷载作用后的最直观反应，是反映结构整体工作情 况的最主要参数 u结构的位移主要指试件的挠度、侧移、转角、支座偏移等参数 u主要分为机械

14、式、电子式、光电式 2021-7-2524 1). 接触式位移计（机械式） 原理：测杆上下运动时，侧杆上的齿条就带动齿轮，使指针按一定比例关系转动，从而表示出 侧杆相对于表壳的唯一值。 千分表百分表挠度计 4.3 位移与变形测量 2021-7-2525 2). 滑线电阻式位移计（电子式） 原理：利用应变片的电桥进行测量。其输出电压与应变成正比，即与位移也成正比。 量程：10200mm 精度：高于百分表23倍 滑线电阻式位移计 4.3 位移与变形测量 2021-7-2526 3).激光位移传感器（光电式） 原理：利用激光三角反射法进行测量。 激光三角反射法：激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被

15、测物体表面，经物体反射的激光 通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以 在不同的 角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就 能计算出传感器和被测物体之间的距离。 精度：微米级（mm， 1 mm =10-6m ） 激光位移传感器 4.3 位移与变形测量 2021-7-2527 4.3 位移与变形测量 4.3.2 转角的测量 u利用两个百分表即可测出构件的转角 原理：结构变形后测得A、B亮点位移Da、Db。则该截面转角位 l abDD tan 2021-7-2528 4.3 位移与变形测量 4.3.3 曲率的测定 u受

16、弯构件的弯矩-曲率（M-f）关系是反映构件变形性能的主要指标。当 构件表面变形符合二次抛物线时，可以根据曲率的数学定义，利用构件 表面两点的挠度差，近似计算测试区内构件的曲率 2 81 a f r A为固定刀口、B为可移动刀口、D为百分表安装点，选定标距AB并使其距离不因构件变形而改 变，则 2021-7-2529 4.3 位移与变形测量 4.3.4 裂缝的检测 裂缝检测：缝检测的目的是查明裂缝的分布特征、宽度、深度及发展情况， 为裂缝的分析和后续处理提供依据。 1). 裂缝分布特征 裂缝检测应测定结构裂缝的分布位置和裂缝走向。如裂缝仍在发展，则每次裂缝分布特征描 述应标明检测时间，便于分析裂

17、缝变化趋势。 2). 裂缝的宽度 测量裂缝宽度常用工具是裂缝比对卡和读数显微镜。 3). 裂缝的深度 裂缝深度无损检测技术，大致分为 a)基于超声波的检测方法 b) 基于冲击弹性波的检测方法 2021-7-2530 4.3 位移与变形测量 裂缝深度的测试方法和原理 (1). 相位反转法 原理：当激发的弹性波信号在混凝土内传播，穿过裂缝时，在裂缝端点处产生衍射，其衍射角 与裂缝深度具有一定得几何关系。相位反转发是根据衍射角与裂缝深度的几何关系，来对裂缝 深度进行快速测试的。 2021-7-2531 4.3 位移与变形测量 裂缝深度的测试方法和原理 (2). 传播时间差法 原理：弹性波遇到裂缝时，波被直接隔断，并在裂缝端部衍射通过。此方