第三章 结构试验测试技术与量测仪表

1、3 结构试验测试技术与量测仪表 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： 人工人工测量与人工记录测量与人工记录：如用直尺测量位移、裂缝宽度。 仪器仪器测量与人工记录：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。 仪器仪器测量与仪器记录测量与仪器记录：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。 数据采集数据采集测量与记录：测量与记录：计算机系统。3.1 概述3.2量测仪表的工作原理及分类 传感器传感器：感受各种物理

2、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）。 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。 一一、工作原理：、工作原理： 电测式传感器电测式传感器：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。 其它其它传感器传感器：红外线传感器、声波传感器等。 放大器放大器：把信号放大的装置。 记录器记录

3、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。试件的作用与效应适调器(转换与放大）传感器显示与记录器二、量测仪表的分类： 按按仪器用途分：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； 按按仪器与结构关系分仪器与结构关系分：附着式、非附着式；接触式、非接触式； 按按显示和记录方式分显示和记录方式分：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 量量 程程S S：仪器可以测量的输入量的范围。 刻度刻度值：值：仪器的最小刻度所代表的被测量。 灵敏度灵敏度K K：单位输入物理量引起仪器输出或显示值的变

4、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。 分辨率分辨率：仪器能测量被测物理量的最小值的能力。 精精 度：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、零位温漂、满量程热漂移、线性范围、频响特性、滞后、零位温漂、满量程热漂移、线性范围、频响特性、相移特性等。相移特性等。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、（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。3.3 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；3.用标准试件进行率定。 应该率定的设备：1.新生产的或出场的设备，在正式使用前；2.正在使用的设备应定期率定或在重要的实验开始前进行率定。3.4 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。 应变应变：在预定的标准长度范围内，量测长度变化

6、增量的平均值L，再通过=L/L计算求得。 标标距距L L的选择的选择：匀质材料宜小；非匀质材料宜大。砼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20cm。 测量方法测量方法：常用电测法，还有机械法和光测法。一、电阻应变计 电阻应变片的原理：电阻应变片的原理： 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 (:,(22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 电阻应变片的构造电阻应变片的构造：主要由敏感栅、基底、覆盖层、引出线组成。电阻应变片的分类： 按按

7、栅极分栅极分：丝绕式、箔式（在薄胶膜上镀合金膜，光刻而成）、半导体式等； 按按基底材料分基底材料分：纸基（便宜、易粘贴、不防潮）、胶基（箔式常用）； 按按敏感栅结构的形状分敏感栅结构的形状分：单轴（测单轴应变）、多轴（用于应变花）。(a)、(d)、(e)、(f)、(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 (i) 焊接应变计电阻应变片的技术指标 标标距：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。0.2mm 100mm。 规格规格：使用面积LxB。 电电阻值：阻值：一般为120作为标准。 灵敏灵敏系数：系

8、数：K2.0，可通过分批抽样实测而得。 温度温度使用范围：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=K2.0*(10-610-3)，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 惠惠斯登电桥斯登电桥：如图示： 根据基尔霍夫定律：iooioVRRRRRRRRRRRRRRRRVRRRRVRRRRVRRRRRRRRVRRRR)()()(0)(:1443322114422331143214231432142314321）（）。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

9、变计。、）全桥UU 当U=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电桥平衡，一种是R1=R2=R3=R4，另一种是R1=R2，R3=R4。前一种四个阻值相等，称为等臂电桥等臂电桥。 当四个桥臂阻值发生变化R1、R2、R3、R4时，经推导可得：UUUUUU 若四个应变计规格相同，R1=R2=R3=R4，K1=K2=K3=K4，则： -不平衡电桥不平衡电桥动完成温度补偿。特点：灵敏度提高，自，则：，若）)(4)(4)()()(43212233441143214321312433314211432131432124421331iioioioKVRR

10、RRRRRRVVKKKKKRRRRRVRRRRRRRRRRRRRRRRRRVVRRRRRRRRRRRRViooioVRRRRRRRRRRRRRRRRVRRRRVRRRRVRRRRRRRRVRRRR)()()(0)(:1443322114422331143214231432142314321）（）。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。、）全桥动完成温度补偿。特点：灵敏度提高，自，则：，若）)(4)(4)()()(43212233441143214321312433314211432131432124421331iioioioKVRRRRRRRRVVKK

11、KKKRRRRRVRRRRRRRRRRRRRRRRRRVVRRRRRRRRRRRRV1234()4UKU 由前述可见：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，R1、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1/41/4桥路桥路。 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

12、采用平衡电桥来测定，即采用零位测定法。 平衡电桥原理平衡电桥原理 R1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： 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： 整理后得：13240R RR R11324()()()0RRRrR Rr2rKR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

13、就是温度补偿技术温度补偿技术。温度补偿技术设温度引起的电阻增量用Rt表示，如果在电路的BC臂上接一个与工作应变片R1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，则：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。一般砼5点，钢结构10点共用一个补偿片。11()44ttRRRUUKUR设置温度补偿应变计接桥方法实测电路 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）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

14、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，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w。电阻应变计粘贴技术电阻应变计粘贴技术 应变的其它测量方法 机机测法：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50250mm，读数的位移计可选用百分表或千分表。 工作工作原理：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。 光光测法：测法：多用于结构局

15、部应力分析（云纹法、激光衍射法、光弹法）。3.4 位移测量仪器 结构结构的位移的位移主要指：挠度、侧移、转角、支座偏移等，可分为线位移和转动变形。 量量测位移的仪表测位移的仪表有机械式、电子式、光电式等。 线线位移的位移的常用量常用量测仪器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。 转动转动变形的常用量测仪器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1%mm，量程为5、10、30mm）、千分表(刻度值为0.1%mm，量程为

16、1mm)和挠度计(刻度值为5%或10%mm，量程为50、100、300mm)。 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经纬仪位移计 千分表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30150mm，分辨率可达0.01mm。

17、 电子百分表就是按照这样的原理制成的。1.测杆2.弹簧片3.仪器外壳6.表盘7.应变片8.引线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。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。结构转动变形测量 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。1、转角测定水准式倾角

18、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。hL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ABDf3.5 力值测量仪器 主要有机械式传感器和电测式传感器两类； 机械式机械式：拉力测力计、压力测力计、拉压力测力计； 电测电测式（应变式）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）拉力环压力环压力表拉压力传感器3.6 裂

19、缝测量 两两项内容：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。 裂缝裂缝的判断：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。 3.声发射法：利用材料开裂时发出声能的现象。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：钢结构断裂试验裂缝的测量 裂缝宽度裂缝宽度: :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3.7 振动测量仪器 用来测量结构振动参数（位移、速度、加速度等）； 基本基本组成：组成：感受部

20、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（13Hz），要求位移计更低，因此体积大，重量大。 速度计速度计：当振动体

21、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：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