第3章 试验量测技术与量测仪表

1、3 试验量测技术与量测仪表3.1 概述结构试验的目的：定性结构试验的目的：定性定量；定量；定量数据的准确获取定量数据的准确获取取决于量测仪表和取决于量测仪表和量测技术的先进性；量测技术的先进性；试验量测技术包括：量测方法，仪器，误差分试验量测技术包括：量测方法，仪器，误差分析。析。土木工程专业主要量测内容：外部作用和作用土木工程专业主要量测内容：外部作用和作用下的结构反应。下的结构反应。数据测量方法数据测量方法 人工测量与人工记录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：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

2、录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：数据采集测量与记录：计算机系统。3.2.1 量测仪表的基本组成试件的作用与效应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 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

3、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 S：仪器可以测量的最大范围。刻度值刻度值：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 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

4、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）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。 3.3 3.3 仪表的率定（标定）仪表的率定（标定）（1 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 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

5、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LL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

6、。2百分表： 常用于实际结构、足尺试件的应变测量。 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）钢筋应变传感器 采用锥螺纹方式与钢筋连结，防水性能好，适合长期采用锥螺纹方式与钢筋连结，防水性能好，适合长期监测。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。常用于测光测法有：云纹法、激光衍

7、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。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变化的物理特性。.,)21 (:,(2200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KKRdRdldlAdAAdAldldRdRAlR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，

8、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。iooioURRRRRRR

9、RRRRRRRRRURRRRURRRRURRRRRRRRURRRR)()()(0/)(:1443322114422331143214321432142314321）（）。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AViVo1R2R3R4RBCD动完成温度补偿。特点：灵敏度提高，自，则：，若）)(4)(4)()()(43212233441143214321312433314211432131432124421331iioioioKVRRRRRRRRVVKKKKKRRRRRVRRRRRRRRRRRRRRRRRRVVRRRRRRRRRRRRV动完成温度补

10、偿。特点：灵敏度提高，自接标准电阻。、接应变计，、半桥：)(4)2214321ioKVVRRRR特点：节约应变计。接标准电阻。、接补偿应变计，接应变计、桥：）143214413ioKVVRRRRVoVi1R2R3R4RBCDVoVi1R2R3R4RBCD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DVi1R2R3R4RBC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（1/41/4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

11、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 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502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 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

12、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 C）水准式角度传感器）水准

13、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测倾角3.7 裂缝测量1 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 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），压力表，传感器（电阻、压电）。3.11 数据采集系统一、一、X-YX-Y记录仪记录