第四章结构实验结构的应力应变测试

第四章结构实验结构的应力应变测试第一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第四章结构试验数据采集系统重点（习题）1、绘出应变计1/4桥（另贴温度补偿片）和半桥的桥路连接图，分析半桥和1/4桥两种桥路连接方式应变仪输出应变的特点。2、某矩形截面钢筋混凝土简支梁，截面150mm*300mm，长2000mm，支座间净距1800mm，采用均布加载，应变计温度补偿为工作片互补方式，设计完成试验内容：（1）测试梁纯弯矩引起的最大应变，绘出测点布设简图；（2）绘出应变计桥路连接图，计算测量应变值（ε测）与梁实际应变值（ε实)之间的数量关系。3、在碳纤维布加固钢筋混凝土简支梁受弯承载力的实验研究中，若梁长为2.6m，截面为150*300mm，支座净距2.4m，试验研究内容（1）加固后，梁受弯承载力的变化特点；（2）加固后，梁的挠度、裂缝开展及破坏特点，请回答以下问题：（1）绘出简支梁三分点加载试验装置的简图，简要说明各仪器的测量内容；（2）绘出30kN和50kN作用时，梁跨中截面应变沿梁高的分布特征（最大应变为0.0008）4、加载制度概念第二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五传感器主要内容：概述机测法(感受机构、转换机构、显示和附属装置)电测法（把非电物理量变化转化成电量变化，感受部分、转换部分、传输和附属装置）其他传感器：光纤、激光、红外线、超声波传感器一、钢振弦传感器二、电阻应变式传感器三、电涡流式传感器—非接触式应变数据处理—应力应变转换关系

第六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五加速度传感器拉力传感器振弦式拉力传感器振弦式土压力传感器光纤测力传感器电涡流位移传感器内埋式光纤温度传感器第七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五概述

根据应力与应变之间的转换关系，通过测结构或构件表面、内部应变来得到结构或构件的应力状态。钢材的拉伸试验中，在其屈服之前，其应力—应变之间存在着线性关系我们就可以通过测应变来测应力，而应变测试方法比较简单，因为根据应变的定义：第十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五概述式中：

——应变

——测区长度的变化量

——测区的原始长度，称之为标距

第十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五概述如在机测中，将放大后测量；在光测中，将变化转换光波长的变化；在电阻应变测试技术中，将转换为传感元件的电阻并进一步转换为电压的变化等等。

第十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五概述应变测试的主要方法：——机测法——光测法——电测法第十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五机测法

定义：利用机械式测试仪器来实现对应变的测量主要仪器：

——杠杆引伸仪

——手持式应变仪（常用）

——接触式应变计第十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五机测法

定义：利用机械式测试仪器来实现对应变的测量主要仪器：

——杠杆引伸仪

——手持式应变仪（常用）

——接触式应变计第十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五手持式应变仪

第十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五手持式应变仪

第十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五接触式应变计

第二十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五千分表

构造：

千分表由测杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等各种零部件组合而形成四个机构：传感机构（千分表中的触杆）转换机构（千分表中的大小齿轮及弹簧）指示机构（千分表中的指针）机体和保护部分第二十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五千分表

第二十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五机测法机测法工作原理：将测区长度的变化通过千分表的测杆传递给一组齿轮，通过齿轮将长度的变化进行放大并改变方向，转换为指针在刻度盘上的转动并指示出值，进而计算出应变值。机测法特点：安装便捷，读数方便、准确度高、对环境的适应性强即一般不受温湿度影响以及电磁场的干扰、性能可靠，但灵敏度不高、需要人工测读、速度慢、工作量大。第二十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第二十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第二十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第二十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第二十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测振传感器第二十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五光测法

定义：

利用光的某些特性如波长的变化与应变之间的转换关系，通过光的波长的变化来实现对应变的测量传感器：光纤布拉格光栅传感器（fiberopticBragggratingstrainsensor）第二十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五光纤布拉格光栅传感器

构造：光纤、布拉格光栅组成第三十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五表面式光纤应变传感器内埋式光纤应变传感器表面式温度光纤传感器内埋式光纤温度传感器第三十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五光纤布拉格光栅传感器

工作原理：式中：

——光纤光栅的中心波长

——纤芯的有效折射率

——光栅周期。第三十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五光纤布拉格光栅传感器

结构应变势必导致光栅周期的变化——这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。同样温度变化也会引起光栅布拉格波长的变化。波长的变化与应变以及温度的变化可用下式来表示：第三十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五光纤布拉格光栅传感器

式中：

——应变以及温度变化引起的波长变化

——光纤光栅不受应变及温度变化的中心波长

——待测应变

——为温度变化量

——光纤光栅应变传感灵敏度系数

——光纤光栅温度传感灵敏度系数。

可采用相同温度环境下的光纤光栅进行温度补偿。

第三十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五光纤布拉格光栅传感器

特点：光纤传感器是90年代出现的一种用于观测应力、应变、温度以及内部裂缝、变形等结构参数的新型传感器。高精度高灵敏度远距离分布式耐久性光纤的小巧、柔软、不易拉断抗电磁干扰能力强集传感与传输于一体易于制作和埋入结构内部而且物理截面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响。第三十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第三十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电蜗流式传感器—非接触式第三十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电涡流式组成

探头、延伸电缆、前置器、被测体特点非接触式、静态、动态、高线性、高分辩率原理

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率、探头头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。第三十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五§1-4电测法——电涡流式第三十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电涡流式工作过程被测金属与探头之间的距离变化——线圈的有效阻抗的变化——振荡电压幅度的变化——经过检波、滤波、线性补偿、放大归一——输出电压的变化第四十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五FS8000系列电涡流式第四十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电涡流式-探头第四十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电涡流式-前置器第四十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电涡流式-应用混凝土试件收缩实验探头安装---非接触第四十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电涡流式-应用IMP电压信号采集板数据实时监测第四十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——钢弦式传感器

电测法：利用电的某些特性如电阻、电流、电压、频率等的变化与结构应变之间的转换关系来测定结构的应变。主要有钢振弦式与电阻式

一、钢弦式传感器利用固定在结构上的钢弦振动频率与结构应变之间的转换关系，通过测量钢弦的振动频率来实现对应变的测量。构造：由夹块、振弦、永久磁铁、线圈等组成。一般有埋入式与外置式，主要产品有德国麦哈克、法国德来马克、美国基康等以及中国丹东传感器厂生产。

第四十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——钢弦式传感器

第四十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——钢弦式传感器

第四十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——钢弦式传感器

工作原理：利用钢弦自振频率与钢弦应变之间存在一定关系，通过测钢弦的频率来测应变。式中：

——钢弦自振频率

——钢弦长度

——待测应变

——钢弦弹模

——钢弦材料常数

第四十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——钢弦式传感器

特点：结构简单、制作方便、稳定性好、抗干扰能力强及远距离传输误差小等优点，近年来得到广泛应用，特别是应用于施工应力监控中。缺点是价格昂贵，测试速度慢。

第五十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第五十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第五十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变测试技术电阻应变测试技术的基本原理——通过粘贴在结构表面上的传感元件（电阻应变片）把所测的结构应变转换为电阻的变化，再通过桥路、仪器把电阻的变化转换为电压的变化并加以放大，由显示器显示出应变值。工作框图：

第五十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变测试技术电阻应变测试技术的优点：灵敏度高，可测到1με；标距小，箔式应变片最小标距可达0.2mm，可测点应力，用于应力集中测试；可远距离测试；可测动、测静；通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪力）、位移等；第五十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变测试技术缺点：测表面应力准确度高，测内部应力需要一定技术；测应力集中不准确；测量系统线路多、易干拢，易受环境（温度、湿度、电磁场）干拢；

第五十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片电阻应变片的构造：电阻应变片由三个部份组成：——基底（纸张、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等胶膜）——敏感栅或电阻丝栅（康铜、镍、铬等特殊材料制成）——引出线基底起到保护及固定敏感栅的作用，敏感栅或电阻丝栅直接感受结构变形并将结构变形转换为电阻变化，引出线连结到测量桥路上；

第五十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片

第五十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片电阻应变片的工作原理：利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变效应指的是电阻丝的电阻值随其本身应变（伸长或缩短）而改变的一种物理性质。第五十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片通过数学分析，对R求微分得：由材料力学可知：整理得：令：

Ks——电阻丝的灵敏系数第五十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片由于电阻应变片是由电阻丝按一定规格挠制而成的，因此电阻应变片同样有如下的电阻变化率与应变的关系：其中K为电阻应变片灵敏系数，一般的电阻应变片的灵敏系数比电阻丝的灵敏系数来得小。第六十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片应变片类型

1.绕丝式应变片（U式）

构造：由电阻丝挠制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基

特点：制作简单、价格便宜、纸基易受潮、横向灵敏度大

第六十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片应变片类型

2.短接式应变片——绕丝式的改进（H式）构造：纵横向电阻丝通过点焊连接

特点：横向灵敏度小、焊点易脱落，不适用于动测第六十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片应变片类型

3.箔式应变片——短接式应变片的改进构造：敏感栅由很薄的金属箔片采用光刻技术制成，弯头截面大

第六十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片

箔式应变片的特点:敏感栅截面为矩形，较圆断面大，粘合面积大不易脱落，传递应变较丝式好;具有较大的散热能力；弯头大，横向效应小可忽略；蠕变、机械滞后小、寿命高；由于采用光刻技术，标距可小到0.2mm，可用于点应力测试。

第六十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片应变片的组成：——单轴片——双轴片——三轴片——四轴片

第六十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片第六十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电阻应变片第六十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片

电阻应变片规格及特点：

——几何尺寸

——阻值：标准R=120Ω

——灵敏系数：K=2.00

——横向敏度(H)

——极限应变：6000με

——绝缘电阻：R〉200MΩ

——机械滞后：应变片感受结构的变形会滞后一段时间

——工作电流：Imax≤25mA，并不能用高电压、高电流

——零漂与蠕变：零漂是指在恒温、结构不受力情况下应变片指示的应变值随时间而变化用με/h表示。原因是受潮、电磁场干拢；濡变——结构受荷稳定后，应变片指示的应变继续变化。

——温度效应：应通过桥路补偿或自补偿给予消除

第六十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片应变片选用——结构材性

均质材料：钢丝、钢板、钢筋用中小片（标距2、3、5、10mm）——结构受力应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的复杂应力场用三、四轴片第六十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——电阻应变片粘贴工艺

第七十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五

实验一电阻应变片的粘贴一、试验目的

1、掌握电阻应变片的选用原则及方法。2、学习常温用应变片的粘贴技术及预埋技术。二、试验仪表及器材

1、万用电表、兆欧表；2、试件；3、粘结剂（502胶）；纸基应变片；4、砂布、棉球、丙酮、镊子；5、电烙铁、焊锡丝、引线等。第七十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五三、试验方法及步骤（一）应变片的选择与检查

选择：根据应变片的工作环境、试件类型、测试仪器的要求等来选择合适的应变片。

检查：外观，用目测或放大镜观看，应剔除应变片丝栅中有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的片；阻值，应剔除断路或短路的片，每片阻值相差不得超过仪器可调平衡的允许范围。第七十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五（二）贴片1、测点表面的处理

钢筋：除锈、刨光并用砂纸打成与测量方向呈450交叉细纹，用丙酮清洗干净。

砼：先找平，再用砂布打平并用丙酮溶液清洗干净。2、贴片

上胶：胶水均匀而薄地在基底面上涂一层，稍后，当胶水发粘时顺着受力方向对中放好。第七十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五3、固化处理分自然干燥或人工固化。4、粘贴质量检查分外观、阻值及绝缘度检查。5、接线：分三步①固定点设置②引出线绝缘③导线焊接

挤压：在片上盖上玻璃纸，用手指沿一个方向滚压，挤出多余的胶水和气泡。加压：用手指轻压片，直到粘住为止。第七十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五（三）防潮防水处理1、拌制防潮剂常用的防潮剂有环氧树脂与聚酰胺按2：1或3：2搅拌均匀，配制而成，还可用石腊与凡士林按1：1配制，加热熔化成液体，冷却后使用。2、涂抹：将防潮剂均匀地涂在应变片上，后用纱布一层层缠紧，使胶液从中渗出，胶层表面应光滑，固化后即能起到防潮防水的作用。第七十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测点表面处理—打磨第七十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测点表面处理—清洗第七十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测点表面处理—刷防潮绝缘层第七十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测点表面处理—刷防潮绝缘层第七十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测点表面处理—砂纸打磨第八十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测点表面处理—清洗第八十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五贴片第八十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五固定接线端子第八十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五焊线第八十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第八十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第八十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——静态电阻应变仪

电阻应变仪原理

——惠斯登电桥第八十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第八十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——静态电阻应变仪通过电学分析，可得输出电压：对上式求微分，利用ΔR/R=Kε并令R1=R2=R3=R4=R，可得：

第八十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——静态电阻应变仪上式表明，输出电压的变化量与桥路电阻应变的关系，完成了应变——电阻——电压的转换，从而可以通过测试电压的变化来测试应变，这就是电阻应变仪工作原理，其中：

上式表明：桥路总输出应变等于领臂应变相减，对臂应变相加。

第九十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五电测法——静态电阻应变仪基本测量桥路：——全桥测量法——半桥测量法——每臂双片测量法第九十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五§4电测法——半桥测量法第九十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五§4电测法——1/4桥测量法（举例）第九十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第九十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第九十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五第九十六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五附:各种接桥法（1）半桥测量的接桥法测量桥的桥臂由两个电阻应变片和仪器内部的两个固定电阻组成的联接方式，称为半桥接桥法。第九十七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测量弯曲应变aba：b：则：则：第九十八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五测量弯曲与拉(压)复合作用的应变cdc:则:d:则:第九十九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五（2）全桥测量的接桥法

特点：可以提高量测精度，主要用于由应变片作为敏感元件的各种传感器上。

测量桥的桥臂由四个应变片组成的联接方式，称为全桥接桥法。第一百页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五应变式位移传感器梁端点挠度与表面应变：则：构造桥接法第一百零一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五应变式倾角传感器原理：当转角（00-50）较小时，转角和应变梁上的弯曲应变成线性关系。即：第一百零二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五应变式测力传感器12‘3243‘4‘1‘有横向变形时关系：设：则：第一百零三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五注意：长导线电阻对应变测量的影响

当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低１%以上，要按下式进行修正。第一百零四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五实验（例子）测受弯构件裂缝及挠度

一、试验目的

1、了解适筋梁的正截面与斜截面破坏形态。

2、掌握结构性能的评定方法。二、试验仪器

1、钢筋砼简支梁试件一个（适筋梁）

2、YD-88便携式超级位移计一台；

3、读数显微镜一台；

4、加载设备。第一百零五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五三、试验方案（一）加荷方案设计（二）试验荷载计算（三）加载程序设计（四）观察方法设计第一百零六页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五四、写出试验报告（一）量测数据整理

1、测试曲线图的绘制

2、挠度的计算

3、内力的计算

4、平面应力的计算（二）结构性能的评定

1、承载力评定2、挠度评定3、抗裂评定4、裂缝宽度评定第一百零七页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五位移计位移计主要用于观测结构的挠度与变形，也可用于观测力、应变、转角、曲率和滑移变形等。刻度值为0.001mm的位移计，称为千分表；刻度值为0.01mm的位移计，称为百分表；刻度值大于0.01mm的位移计，称为挠度计。分类第一百零八页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五外形与构造简图测杆弹簧轴颈测杆顶头表壳齿轮内外度盘长针短针图3-1百分表外形、构造简图第一百零九页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五1、用位移计观测挠度

(1)固定位移计的不动支架要有足够的刚性，位移计测杆上下可灵活移动。(2)位移计测杆应与所观测的位移方向一致。(3)符合观测所需的量程及灵敏度要求。(4)张线式位移计可用于观测较大的位移量。第一百一十页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五2、用位移计观测应变(1)用于量测结构构件的轴向应变，不宜用于受荷载后发生曲率变化的构件。如图示：图3-2位移计应变测量装置金属夹头顶杆位移计试件第一百一十一页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五(2)手持应变仪可以观测多点应变，但量测精度会因人而异。图3-3手持应变仪量测装置薄钢片粘结剂脚标钢性金属杆插足位移计第一百一十二页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五（3）对于长期观测或温度变化较大时，应考虑温度变化的影响。3、用位移计观测转角图3-4用位移计测定梁支座截面转角观测点处转角:第一百一十三页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五4、用位移计观测曲率图3-5曲率量测装置第一百一十四页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五

读数显微镜用于观测裂缝宽度，是由物镜、目镜、刻度分划板组成的光学系统。

水准仪和经纬仪可以用来量测较大位移，并能作多点和远距离的量测。读数显微镜第一百一十五页，共一百三十八页，编辑于2023年，星期五读数显微器-用于测量裂缝宽度第一百一