第三章 结构试验测试技术与量测仪表

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：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：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：感受各种物理量，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：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、工作原理：

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。

其它传感器：红外线传感器、声波传感器等。放大器：把信号放大的装置。记录器：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；按仪器与结构关系分：附着式、非附着式；接触式、非接触式；按显示和记录方式分：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

量程S：仪器可以测量的输入量的范围。

刻度值：仪器的最小刻度所代表的被测量。

灵敏度K：单位输入物理量引起仪器输出或显示值的变化。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：仪器能测量被测物理量的最小值的能力。

精度：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、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）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：在预定的标准长度范围内，量测长度变化增量的平均值ΔL，再通过ε=ΔL/L计算求得。

标距L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：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：

利用金属丝的电阻值随着其机械变形而变化的物理特性。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；

按基底材料分：纸基（便宜、易粘贴、不防潮）、胶基（箔式常用）；

按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：使用面积LxB。电阻值：一般为120Ω作为标准。灵敏系数：K≈2.0，可通过分批抽样实测而得。温度使用范围：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=Kε≈2.0*(10-6~10-3)，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.电桥基本原理惠斯登电桥：如图示：

根据基尔霍夫定律：ΔUU

当ΔU=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，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。

当四个桥臂阻值发生变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时，经推导可得：ΔUUΔUUΔUU若四个应变计规格相同，R1=R2=R3=R4，K1=K2=K3=K4，则：------不平衡电桥由前述可见：ε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，当R3

、R4接固定电阻，而非电阻应变片时，就是半桥电路，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1/4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。可以采用平衡电桥来测定，即采用零位测定法。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：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ρ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就是温度补偿技术。温度补偿技术设温度引起的电阻增量用ΔRt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。设置温度补偿应变计接桥方法实测电路轴向受力（1/4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280με，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εw。电阻应变计粘贴技术

应变的其它测量方法

机测法：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50～250mm，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。

光测法：多用于结构局部应力分析（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。

量测位移的仪表有机械式、电子式、光电式等。

线位移的常用量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30~150mm，分辨率可达0.01mm。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。hLα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：拉力测力计、压力测力计、拉压力测力计；

电测式（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裂缝测量

两项内容：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: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）；

基本组成：感受部分、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：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（1~3Hz），要求位移计更低，因此体积大，重量大。速度计：当振动体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：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，该感应电动势与运动速度成正比。如图摆式传感器。压电式加速度传感器利用压电晶体材料具有的压电效应制成。这种材料具有受拉压力后材料会产生电荷，并与所受力的大小成正比。通过测量电荷多少