第4章 结构试验测试技术

1、试件的外部作用：力、位移、温度、振动试件的外部作用：力、位移、温度、振动（输入数据）（输入数据）;试件的反应：应力、应变、位移、裂缝、转角、速度、加速度试件的反应：应力、应变、位移、裂缝、转角、速度、加速度（输出数据）（输出数据）;试验测试技术就是用各种方法，对这些数据进行测量和记录。试验测试技术就是用各种方法，对这些数据进行测量和记录。系统信号输入信号输出数据采集数据采集结构测试过程1.1.按功能和使用情况分：按功能和使用情况分：传感器：传感器：放大器放大器：显示、记录器显示、记录器：分析仪器分析仪器：数据采集仪数据采集仪：自动采集记录；：自动采集记录；数据采集系统：数据采集系统：可以实现以

2、上各功能的设备仪表综合系统；可以实现以上各功能的设备仪表综合系统；2.2.按仪器仪表的工作原理分：按仪器仪表的工作原理分：机械式仪器；机械式仪器；电测仪器；电测仪器；光学测量仪器；光学测量仪器；复合式仪器；复合式仪器；伺服式仪器：带有控制功能仪器伺服式仪器：带有控制功能仪器 3.按按仪器仪表用途分：仪器仪表用途分：测力传感器；测力传感器；位移传感器；位移传感器；应变计；应变计；倾角传感器；倾角传感器；频率计；频率计；测振传感器。测振传感器。 4.按功能种类：按功能种类： 单件式和集成式；单件式和集成式；5.5.按仪器仪表与结构的关系分：按仪器仪表与结构的关系分： 附着式与手持式；附着式与手持式

3、； 接触式与非接触式；接触式与非接触式； 绝对式与相对式。绝对式与相对式。6.6.按仪器仪表显示与记录的方式分：按仪器仪表显示与记录的方式分：直读式与自动记录式；直读式与自动记录式；模拟式和数字式模拟式和数字式。1.刻度值刻度值：仪器的最小分度值，是指示或显示装置所能指示的：仪器的最小分度值，是指示或显示装置所能指示的最小测量值，即每一最小刻度所表示的测量数值。最小测量值，即每一最小刻度所表示的测量数值。2.量程量程：仪器仪表可以测量的最大范围。：仪器仪表可以测量的最大范围。20%80%3.灵敏度灵敏度：被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示值的大：被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示值的大

4、小，即仪器仪表对被测物理量变化的反应能力或反应速度。小，即仪器仪表对被测物理量变化的反应能力或反应速度。4.精确度精确度：仪表指示值与被测真值的符合程度。：仪表指示值与被测真值的符合程度。精确度高的仪表意味着随机误差和系统误差都很小。常以最大量程时的相精确度高的仪表意味着随机误差和系统误差都很小。常以最大量程时的相对误差来表示精度，并以此来确定仪器的精度等级。例如，一台精度为对误差来表示精度，并以此来确定仪器的精度等级。例如，一台精度为0.20.2级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量程的级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量程的0.20.2 。 1.1.测量仪器不应该影响结构的工作；要求

5、仪器自重轻、尺寸小，测量仪器不应该影响结构的工作；要求仪器自重轻、尺寸小，尤其是对模型结构试验，还要考虑仪器的附加质量和仪器对结构尤其是对模型结构试验，还要考虑仪器的附加质量和仪器对结构的作用力。的作用力。2.2.测量仪器具有合适的灵敏度、量程和精度。测量仪器具有合适的灵敏度、量程和精度。3.3.安装使用方便，稳定性和重复性好。安装使用方便，稳定性和重复性好。4.4.价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。5.5.在达到上述要求条件下，尽量要求多功能，多用途，以适应多在达到上述要求条件下，尽量要求多功能，多用途，以适应多方面的需要。方面的需要。 应变

6、测量应变测量应变量测一般是用应变计测出试件在一定长度范围应变量测一般是用应变计测出试件在一定长度范围 （称为标（称为标距）内的长度变化距）内的长度变化 ，再计算出应变值，再计算出应变值 。测出的应变。测出的应变值实际是标距范围内的平均应变。因此，对于应力梯度较大的结值实际是标距范围内的平均应变。因此，对于应力梯度较大的结构或混凝土等非匀质材料，都应注意应变计标距的选择。构或混凝土等非匀质材料，都应注意应变计标距的选择。llll /混凝土结构，应变计的标距应大于混凝土结构，应变计的标距应大于23倍最大骨料粒径；倍最大骨料粒径；砖石结构，应变计的标距应大于砖石结构，应变计的标距应大于4皮砖；皮砖；

7、木结构试验时，一般要求应变计标距不小于木结构试验时，一般要求应变计标距不小于20cm；钢材等匀质材料，应变计标距可取小一些。钢材等匀质材料，应变计标距可取小一些。 （3）频率响应好。可测量静态到数十万赫的动态应变。）频率响应好。可测量静态到数十万赫的动态应变。（4）应变片尺寸小，重量轻。（5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。（6）可在各种复杂环境下测量。（1）测量灵敏度和精度高。其最小应变读数为 （微应变， ）在常温测量时精度可达 。11 2%611 10 （2）测量范围广。可测 。1 20000 电阻应变片的工作原理是利用金属导体的电阻应变片

8、的工作原理是利用金属导体的“应变应变电阻效应电阻效应”，即金属丝的电阻值随其机械变形而变化，即金属丝的电阻值随其机械变形而变化的物理特性（图的物理特性（图4-1）。）。根据欧姆定律：根据欧姆定律：ALR 当金属丝受力而变形时，其长当金属丝受力而变形时，其长度、截面面积和电阻率都将发生度、截面面积和电阻率都将发生变化，微分得到：变化，微分得到：1.电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理dAdDdL22()2ADL LdLKs：表示单位应变引起的相对电阻变化，称金属丝灵表示单位应变引起的相对电阻变化，称金属丝灵敏系数。敏系数。越大，单位应变引起的电阻变化也越大。越大，单位应变引起的电阻变化也越大

9、。常数常数线性线性问题转化为测量金属丝的电阻的变化问题转化为测量金属丝的电阻的变化测量结构构件的内力测量结构构件的内力各截面应力分布各截面应力分布各截面应变分布各截面应变分布本本构构关关系系根据假定由表及里根据假定由表及里可以测量的表面纤维的变形可以测量的表面纤维的变形测点位置应变片与纤维协同变形测点位置应变片与纤维协同变形 由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，再有由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，再有受到弯头横向变形、胶层、基底等传递变形的影受到弯头横向变形、胶层、基底等传递变形的影响，所以应变片灵敏度系数响，所以应变片灵敏度系数K ，一般在标准应变，一般在标准应变梁上由抽样标定测出，标定梁为

10、纯弯梁或等强度梁上由抽样标定测出，标定梁为纯弯梁或等强度钢梁。钢梁。 此式用于应变片粘贴后的情形2.电阻应变片的构造电阻应变片的构造电阻栅 引出线 栅长 栅宽 主要技术指标主要技术指标 1.1.电阻值（电阻值（）：）：120120、3503502.2.规格：规格：影响测试性能影响测试性能。3.3.灵敏系数灵敏系数K K：应变片的灵敏系数与应变仪的灵敏系应变片的灵敏系数与应变仪的灵敏系数设置相协调。数设置相协调。bl3.3.电阻应变片的种类电阻应变片的种类1.1.按敏感栅的种类划分按敏感栅的种类划分 ：有箔式、丝绕式、半导体等；：有箔式、丝绕式、半导体等； 2.2.按基底材料划分：有纸基、胶基等

11、；按基底材料划分：有纸基、胶基等； 3.3.按使用极限温度划分按使用极限温度划分：有低温、常温、高温等有低温、常温、高温等；4.4.按敏感栅形状分：单轴与多轴。按敏感栅形状分：单轴与多轴。丝栅式应变片丝栅式应变片标距：标距：0.2mm 200mm短接式应变片短接式应变片箔式应变片箔式应变片m80m3的金属箔片的金属箔片光刻腐蚀工艺光刻腐蚀工艺4.4.电阻应变片的粘贴方法电阻应变片的粘贴方法1.检查和分选应变片；2.粘贴表面测点准备；3.贴片；4.固化；5.粘贴质量检查；7.防潮处理。6.导线连接。5.5.电阻应变仪工作原理电阻应变仪工作原理电阻应变片一同与被测结构变形时，采用一定的仪器电阻应变

12、片一同与被测结构变形时，采用一定的仪器将电阻变化信号捕捉、转化为将电阻变化信号捕捉、转化为电压或电流的变化信号电压或电流的变化信号, ,并放大输出，推算结构的应变，其中能将电阻变化信并放大输出，推算结构的应变，其中能将电阻变化信号转为电压或电流变化信号的仪器称为号转为电压或电流变化信号的仪器称为电阻电阻应变仪应变仪 。应变片应变仪电阻变化转化为易测的电压变化机械变形转化为电阻变化 电阻电阻应变仪采用的测量电路是应变仪采用的测量电路是惠斯登电桥（以下惠斯登电桥（以下简称桥路）简称桥路），能够把电阻变化信号转换为电压或电流能够把电阻变化信号转换为电压或电流的变化信号，并使信号得以放大；桥路还可以解

13、决测的变化信号，并使信号得以放大；桥路还可以解决测量值的温度补偿问题。所以，桥路是试验工作中比较量值的温度补偿问题。所以，桥路是试验工作中比较理想的测试形式。理想的测试形式。 432142310RRRRRRRRVVi基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：假定，桥路四臂所接的电阻应变片的电阻阻值全部发生变化假定，桥路四臂所接的电阻应变片的电阻阻值全部发生变化, ,其其值分别为值分别为 ，则桥路输出电压增量为：，则桥路输出电压增量为：4321,RRRRiVRRRRRRRRRRRRV44332211221210)(444321443322110KVRRRRRRRRVVii微分并略去微分并略去高阶小量高阶小量如

14、选择为同规格应变片，阻值相同，灵敏度系数相同，则有输出电压变化与与四输出电压变化与与四个桥臂应变（阻值变个桥臂应变（阻值变化率）的代数和成线化率）的代数和成线性关系。性关系。432104irKVV采用如下表示电阻应变片的桥路的度数值，则：采用如下表示电阻应变片的桥路的度数值，则：桥路特点：桥路特点：邻臂电阻阻值变化的符号相反，成相邻臂电阻阻值变化的符号相反，成相减输出；对臂符号相同，成相加输出。所以桥路减输出；对臂符号相同，成相加输出。所以桥路中电阻阻值变化的组合不同，其构成桥路读数值中电阻阻值变化的组合不同，其构成桥路读数值的特点就不同，可构成不同类别的桥路。的特点就不同，可构成不同类别的桥

15、路。6.6.桥路组成类别桥路组成类别a.等臂桥路：指四个桥臂电阻值相等等臂桥路：指四个桥臂电阻值相等的电桥桥路。电桥平衡，输出电压为的电桥桥路。电桥平衡，输出电压为零零。不能测应变，可以测电阻阻值不能测应变，可以测电阻阻值b.四分之一桥路：桥臂中，当且仅当有四分之一桥路：桥臂中，当且仅当有一肢桥臂的电阻是外接的电阻应变片，一肢桥臂的电阻是外接的电阻应变片，其阻值发生相应变化，而其余桥臂采其阻值发生相应变化，而其余桥臂采用无感电阻的桥路称用无感电阻的桥路称1/4桥路桥路。不能实现不能实现温度补偿温度补偿四分之一桥路等臂桥路工作片c.半桥桥路。在四肢桥臂中，有两肢相邻半桥桥路。在四肢桥臂中，有两肢

16、相邻桥臂的电阻是外接电阻应变片，其电阻阻桥臂的电阻是外接电阻应变片，其电阻阻值发生相应变化，而另外两肢相邻桥臂的值发生相应变化，而另外两肢相邻桥臂的电阻是无感电阻的桥路称半桥桥路。电阻是无感电阻的桥路称半桥桥路。能实能实现温度补偿现温度补偿d.全桥桥路。在四肢桥臂中，桥臂电阻全桥桥路。在四肢桥臂中，桥臂电阻全部（且必须全部）是外接电阻应变片全部（且必须全部）是外接电阻应变片的桥路称为全桥桥路。全桥桥路中没有的桥路称为全桥桥路。全桥桥路中没有无感电阻。无感电阻。能实现温度补偿，采用全桥桥路测量的能实现温度补偿，采用全桥桥路测量的读数值精度高，数据可靠。所以在各类传感器中多采读数值精度高，数据可靠

17、。所以在各类传感器中多采用全桥测量桥路。用全桥测量桥路。 全桥桥路半桥桥路工作片工作片7.温度补偿技术温度补偿技术 由于温度引起的应变片由于温度引起的应变片附加变形附加变形：1.试件与应变片受温度影响而产生的变形试件与应变片受温度影响而产生的变形 ；2.试件材料与应变片的温度线膨胀系数不同而产生的变形试件材料与应变片的温度线膨胀系数不同而产生的变形 。非受力变形，非受力变形，应消除应消除温度引起的附加变形的消除：温度引起的附加变形的消除： 根据桥路的的特性，相邻桥臂相减输出，当两根据桥路的的特性，相邻桥臂相减输出，当两个规格相同的应变片粘界在同样材料的表面，感受同个规格相同的应变片粘界在同样材

18、料的表面，感受同样的温度，在桥路中相邻连接时，温度引起的应变将样的温度，在桥路中相邻连接时，温度引起的应变将自动消除，我们称温度补偿。自动消除，我们称温度补偿。因桥路的连接特点（相邻因桥路的连接特点（相邻桥臂相减输出）桥臂相减输出） ，从而消，从而消除温度产生的附加变形除温度产生的附加变形温度补偿的要求：温度补偿的要求：（1 1）同一批应变片，规格相同）同一批应变片，规格相同标距相同，且标距相同，且K K1 1=K=K2 2 ；（2 2）电阻值之差小于）电阻值之差小于0.5 0.5 ，避免有初读数；避免有初读数；（3 3）粘贴在同一种材料和同一）粘贴在同一种材料和同一温度场中。温度场中。温度补

19、偿应变片法桥路连接示意补偿桥路分类：补偿桥路分类： 依据温度补偿片是否受力，补偿桥路可以分为：依据温度补偿片是否受力，补偿桥路可以分为：（1）外补桥路，即补偿片不受力，称为温度补偿片；）外补桥路，即补偿片不受力，称为温度补偿片；（2）互补桥路，即补偿片受力，亦为工作片。）互补桥路，即补偿片受力，亦为工作片。半桥外部桥路工作片温度补偿片半桥外部桥路工作片工作片半桥互补桥路举例111p222pppppror2122112122)(00pp21)4 , 3 , 2 , 1( iiipipppppr14433221143214)()()()(pp21pp43全桥互补桥路举例8.8.一片多补技术的工作原

20、理一片多补技术的工作原理 1.位移方法测量应变位移方法测量应变 应变的定义是单位长度上的变形（拉伸、压缩和应变的定义是单位长度上的变形（拉伸、压缩和剪切），在结构试验中，可以用两点之间的相对位移来剪切），在结构试验中，可以用两点之间的相对位移来近似地表示两点之间的平均应变。设两点之间的距离为近似地表示两点之间的平均应变。设两点之间的距离为L L（称为标距），被测物体产生变形后，两点之间有相（称为标距），被测物体产生变形后，两点之间有相对位移，则在标距内的平均应变为：对位移，则在标距内的平均应变为： ll或ll lim 手持应变仪手持应变仪百分表测量百分表测量图3.2.1 手持式应变仪图3.2.

21、2 自制应变测量装置1-千分表 2-脚座 3-刚性杆2.频率法频率法 钢弦式钢筋应变计是将一根金属丝(弦)两端固定然后张拉，金属丝内部将产生一定的张力，此时金属丝的固有振动频率与其内部张力就具有一定的定量关系。通过测量钢丝弦固有频率的变化，就可以测出外界应变的变化，振弦式应变传感器就是根据这一原理制作而成的。 3.光测法光测法五、光纤光栅应变计五、光纤光栅应变计 4-3 4-3 应变测应变测量 分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。 应变测量原理是基于Brillouin散射的分

22、布式温度和应变传感系统，它可以同时测量温度和应变。 机械式荷载传感器 电阻应变式荷载传感器 机械式位移计机械式位移计(百分表)（千分表）（挠度计）电阻应变式位移电阻应变式位移传感器滑线电阻式位移滑线电阻式位移传感器传感器差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器 必须标定必须标定后使用后使用位移简化测量位移简化测量 图3.3.3电阻应变式位移传感器1测杆；2弹簧；3外壳；4刻度；5电阻应变计；6电缆 111p222pppppror2122112122)(00pp21位移传感器 机械式百分表张拉式位移传感器 1.转角测定转角测定杠杆式杠杆式水准式水准式电子倾角仪电子倾角仪杠杆式测角器水准式倾角

23、仪L34arctanLharctan 电子倾角仪2.曲率测定曲率测定a：梁式)(21abbfb：板式281af a：b：)(222112221baab)221L剪切变形测定剪切变形测定 bafxdxd 扭角变形测定扭角变形测定 1.光纤传输原理当光线以不同角度入射到光纤端面，折射后进入光纤，再入射到纤芯（光密介质）与包层（光疏介质）交界面，一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。当光线在光纤端面中心的入射角减小到某一角度时，光线全部反射。 光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质决定的 )1arcsin(22210NNNc 2.光纤传感器类型功能型光纤传感器。功能型光纤传感器。功能型光纤传感是利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接受处理后，可以得到被测信号的变化。 非功能型光纤传感器。非功能型光纤传感器。非功能型光纤传感的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其他光电转换元件实现的，光纤