第四章结构试验测量技术

1、2022-2-21School of Urban Construction and Management 2022-2-22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。2022-2-234.1 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（构件）敏感元件（感受装置）变换器（

2、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2022-2-244.1 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

3、测定法（天平秤）2022-2-254.2 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2022-2-264.2 应变测量4.2.1 电阻应变片（Resistance Strain Gauge）工作原理电阻丝长度变化会引起阻值变化R：电阻，Wr：电阻率，WmL：电阻丝长度，mA：电阻丝截面积，m2ALRrAALAALAARLLRRRddddddd2rrrrrrAALLRRddd

4、drr2022-2-274.2 应变测量其中，设电阻丝泊松比为m，则有mrrrr)21(dddddAALLRRm2dAA其中dL/L为电阻丝长度方向上的应变值，则设 0)21(dKmrr则 0dKRRK0，称作点做应变计的单丝灵敏度系数2022-2-284.2 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，它能反映出电阻丝阻值对应变的敏感程度，故称作单丝灵敏度系数。0dKRR0)21(dKmrr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

5、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。KRRd可以用电阻应变片的灵敏度系数表示2022-2-294.2 应变测量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。2022-2-2104.2 应变测量电阻应变片的技术指标标距：敏感栅在纵轴方

6、向的有效长度L。规格：以实用面积LB表示。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。灵敏系数：电阻应变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。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。2022-2-2114.2 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

7、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。2022-2-2124.2 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。43214231344211RRRRRRRRURRRURRRUUUUDABABD输出

8、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432141 UKUBD2141 UKUBD若各应变片阻值R和变化值DR相同，那么上式统一写成 AUKUBD412022-2-2134.2 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444UKRRURRRRRUUsttsBDDDD

9、D2022-2-2144.2 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。【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2022-2-2154.2 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

10、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。电桥输出电压为MTTMBDUKUKU41412022-2-2164.2 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。MBDUKU422022-2-2174.2 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布置在受压区

11、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。MBDUKUKU4414143212022-2-2184.2 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。2022-2-2194.2 应变测量2022-2-2204.2 应变测量2022-2-2214.2 应变测量电阻应变片粘贴技术应变片是应变电测技

12、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)2.552022-2-2224.2 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。2022-2-2234.3 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主要分为机械式、电子式、光电式2022-2-2241). 接触式位移计（机械式）原理：测杆上下运动时，侧杆上的齿

13、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2022-2-2252). 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2022-2-2263).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。

14、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2022-2-2274.3 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labDDtan2022-2-2284.3 位移与变形测量4.3.3 曲率的测定u受弯构件的弯矩-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281af

15、rA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2022-2-2294.3 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，大致分为基于超声波的检测方法a)基于冲击弹性波的检测方法2022-2-2304.3 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。2022-2-2314.3 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。此方法实质是