结构试验测量技术

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1、第4章 结构试验量测技术(重点),内容：应变测量，位移与变形测量，力的测量，裂缝及其他物理量测定。 基本要求： 1熟练掌握应变测量的基本原理与电阻应变片的粘贴使用技术； 2掌握各种电测传感器的工作原理、适用范围以及优缺点，为试验观测设计、仪表选择提供必要的知识准备； 3了解常用机械仪表的工作原理； 4了解先进的测试设备与量测技术，如数据采集与处理系统的应用，以及量测技术的发展方向。 重点：应变量测原理与技术，常用力、位移与变形量测仪器的工作原理及技术性能选择。 难点：实用电路与电阻片粘贴量测技术。,荷载或环境作用：力、位移、温度等；（INPUT） 试件的响应： 应变、应力、裂缝、位移、加速度等

2、。（OUTPUT）,通过对输入与输出数据的量测、采集和分析处理，可了解试件系统的工作特性，从而做出定量的评价。,4.1 概 述,为了采集到准确、可靠的数据，应该采用正确的量测方法，选用可靠的量测仪器设备。,4.1.1 数据量测与采集方法 （技术发展）,(1) 人工测量、人工记录：直尺测量变形；,(4) 自动化数据采集系统测量、记录、处理。,(3) 仪器测量、记录： X-Y记录仪；,(2) 仪器测量、人工记录：应变仪配应变计、位移计测量应变或位移；,4.1.2 数据采集的仪器分类,传感器：感受各种物理量（力、位移、应变等），并把它们转换成电信号或其 它容易处理的信号。,放大器：把传感器传来的信号

3、放大，使之可被显示和记录。,显示器：把信号用可见的形式显示出来。,记录器：把采集到的数据记录下来，作长期保存。,分析仪器：对采集到的数据进行分析处理。,数据采集仪：自动扫描和采集。,数据采集系统：集成式仪器（集上述所有功能为一体）。可自动扫描、采集 及数据处理。,1. 按功能划分,2. 按工作原理划分,机械式仪器：纯机械传动、放大和指示。 电测仪器： 利用机电变换，并用电量显示。 光测仪器： 利用光学原理转换，放大和显示。 复合式仪器：由两种以上工作原理复合而成； 伺服式仪器：带有控制功能的仪器。,3. 按用途划分,应变计 位移传感器 测力传感器 倾角仪 频率计 测振传感器等。,直读式与自动记

4、录式 模拟式和数字式,5. 按记录与显示方式分划分,4. 按仪器与结构的关系可分,附着式与手持式 接触式与非接触式 绝对式与相对式,最小分度值(刻度值)：仪器所能指出的最小测量值。,量程：测量范围。,灵敏度：被测量的单位变化引起仪器示值的变化。,滞后：一个量程反复后仪器输出的最大差值。,4.1.3 量测仪表的主要性能技术指标,精确度：指示值与测量值的符合程度。,smax= （M/I）ymax,4.2 应变测量,应力,求应力 知到应变就可以了！,测量应变的办法：,在试件上边缘贴电阻应变片 使应变片与试件上边缘产生相同的应变。,而应变片具有应变效应： 铜丝的电阻随其变形而发生改变。,应变测量原理:

5、 在预定的标准长度范围内(标距 L)，量测长度增量的平均值L， 由下式求得。,应变量测的实质： 量测标距L的变化增量L。,标距L的选择方法： 对于应力梯度较大的结构和应力集中的测点，标距应尽量小。 对某些非均质材料组成的结构，应有适当范围。,4.2.1 电阻应变计,金属丝的电阻 R 、长度 L 和截面面积 A 的关系：,电阻变化率为：,泊松定理,泊松比为常数,金属材料常数,常数,4.2.2 电阻应变片的构造、分类与粘贴工艺,1. 构造：由敏感栅、基底、覆盖层和引出线组成。,敏感栅：应变变换成电阻变化量的敏感部分； 金属或半导体材料制成的单丝或栅状体； 栅长L和栅宽B代表应变片的标称尺寸，即规格

6、。,基底和覆盖层：起定位和保护电阻丝，使电阻丝和被测试件之间绝缘； 基底尺寸代表应变片外形尺寸。,粘结剂： 具有一定电绝缘性能的粘结材料。 将敏感栅固定在基底上，或将应变片的基底粘贴在试件的表面。,引出线： 采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制成； 在制造应变片时与电阻丝焊接在一起； 通过测量导线接人应变测量桥。,2. 电阻应变片的分类,使用极限温度,低温 常温 高温,1）标距：,2）规格：,3） 电阻值：,3. 应变片技术指标,5） 灵敏系数：,6） 温度适用范围：,4） 精度等级：,3. 应变片粘贴工艺,1）选、分应变片：,2）选择粘合剂：,3）测点表面清理：,4）应变片的粘贴与干燥：,5）焊

7、接导线：,6）应变片的粘贴质量检查：,7）防潮和防水处理：,4.2.3 电阻应变仪的测量电路（偏位法）,K=2.0,被测量的应变为10-610-3时，电阻变化率为:,微弱的电信号的检查很困难，故必须采用某种手段将之放大。,理解桥路： B、D端量电器内阻 无穷大，不分流。,I1=I2 ，I3=I4,初始时R1=R2=R3=R4，当电阻R1变化R1，其它电阻均保持不变情况下， 分析UBD的变化：,初始时R1=R2=R3=R4，当电阻R1变化R1且电阻R2变化R2时 ，而其它电阻均保持不变情况下，分析UBD的变化：,略去分母中的一阶项！,初始时R1=R2=R3=R4，当电阻R1 R4分别变化R1 R

8、4时， 试分析UBD的变化。,重要结论： 输出电压与四个桥臂应变的代数和呈线性关系。 相邻桥臂的应变符号相反； 相对桥臂的应变符号相同。,铜丝电阻变化,铜丝应变,试件上边缘应变,试件上边缘应力,铜丝电压变化,4.2.4 温度补偿技术,背 景：电阻应变片除能感受试件应变，也能感受到环境温度变化的影响。,温度变化引起应变片电阻值变化的原因：,1. 电阻丝温度改变t时，电阻值随之改变；,2. 试件材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，引起一个附加电阻变化。,温度效应: 环境温度变化通过应变片而引起电阻应变仪指示部分的显示值变动。,消除温度效应的方法称为“温度补偿”。,温度补偿的方法： （1）另设补偿

9、片,R1 = Rlf+ R1t；,R2 = R2t；,条件：补偿片R2贴在与试件材料相同的物体上，置于试件附近。 R1t = R2t；,R1 = Rlf + R1t；,R2 = R2f + R2t；,R1 、R2均贴在试件上。 有： R1t = R2t；,(2) 温度互补偿法,4.2.5 实用电路及其应用,应变仪输出实测应变。,输出实测应变:,构成：半桥电路由两个工作片和两个固定电阻组成。,1. 半桥电路,桥路输出公式：,应变仪输出应变（实测应变）：,应用1: 测试钢梁上边缘纤维拉应变（另设补偿片温度补偿法）,R2,桥路输出：,R2 起温度补偿作用。,实际应变=实测应变。 放大系数A=1，称之

10、为桥臂系数。,应变仪输出应变：,应用2: 测试钢梁上边缘纤维拉应变（温度互补偿法）,桥路输出电压：,应变仪输出应变：,应用3: 测试钢梁上边缘纤维拉应变（抵消力作用点偏心影响）,桥路输出：,应用3: 测试钢梁上边缘纤维拉应变（抵消力作用点偏心影响）,应变仪输出应变：,应用4: 测试钢梁上边缘纤维拉应变（利用材料泊松比）,桥路输出：,应变仪输出应变：,应用5: 测试钢圆柱轴向压拉应变（另设温度补偿片）,桥路输出电压：,应变仪输出应变：,R2 起温度补偿作用。,实际应变=实测应变,当力作用点偏心时，测量结果错误。,应用6: 测试钢圆柱轴向压拉应变（另设补偿片法）,桥路输出电压：,应变仪输出应变：,

11、温度补偿片,实测应变为两侧压应变的平均值， 实际应变=实测应变，A=1。 可抵消力作用点偏心的负面影响。,2. 全桥电路,在测量桥的四个臂上全部接入工作应变片； 相邻臂上的工作片兼作温度补偿用。,桥路输出：,应变仪输出应变：,应用7: 测试钢梁上边缘弯曲应力,桥路输出：,应变仪输出应变：,应用8: 测试圆柱体荷重传感器轴向应变,计算下图桥路桥路放大系数：,荷载传感器,计算下图桥路桥路放大系数：,悬臂弹性簧片,传力弹簧,应变梁式位移传感器,1/4桥电路常用于测量应力场里的单个应变； 这时温度补偿必须用一个补偿应变片R2来完成； 这种接线方法对输出信号没有放大作用。,3. 1/4桥电路,小结： 桥

12、路输出灵敏度取决于应变片在受力构件上的贴片位置和方向，以及它在桥路中的接线方式。 可根据各种具体情况进行桥路设计，从而可得桥路输出的不同放大系数。 利用桥路的不平衡输出进行测量的电桥称为不平衡电桥，这种测量方法称为偏位测定法。,4.2.6 平衡电桥原理（零位法）,背景：不平衡电桥输出中含有电源电压U项； 要求输出对角线上的检测计有很高的灵敏度、且有较大的测量范围。,R3 和 R4 变为 R3+r/2 和R4+r/2。,平衡电桥原理：,工作片电阻R1 和 R2 随外界影响而变化时， 触点D移动，使桥路输出电压UBD总为零。,以滑线电阻的移动量度量工作电阻的应变量。,受力前，桥路平衡， UBD输出

13、为零； 受力后产生变形，桥臂AB应变片电阻由R1变为R1+R； 调节触点D使UBD输出为零； 桥臂AD应变片电阻由R4变为R4+r, 桥臂CD应变片电阻由R3变为R3-r。,4.2.7 多点测量线路,工作肢转换法：每次只切换工作片，温度补偿片为公用片；,中线转换法：同时切换工作片和补偿片， 通过转换开关自动切换测点而形成测量桥。,应变电测法的优点, 对环境适应性强；可在高温8001000、高压（1万个大气压以上） 及水中测量。, 体积小、质量轻；不影响结构的静态及动态特性。, 适用性好；可测量多种物理参数静动态应变，还可通过一些传感器来测 量位移、速度、加速度、振幅及压力等力学参数。,应变电测法的缺点： 连续长时间测量会出现漂移。, 灵敏度及准确度高，测量范围大。,4.2.8 应变机测法（手持应变仪）,构造特点：主要由两个弹簧钢片连接两个刚性骨架和一个千分表组成。,俯视图,侧视图,刚性骨架,弹簧钢片,千分表,刚性骨架,弹簧钢片,插轴,插轴,测试原理：,手持应变仪的操作步骤：, 根据试验要求确定标距，在标距两端粘结两个脚标(每边各一个)；, 结构变形后，再用手持应变仪测读；, 结构变形前，用手持应变仪先测读一次；,优点：仪器不需要固定在测点上可进行多个测点测量。, 变形前后的读数差即为标距两端的相对应移，由此可求得平均应变。,缺点：很可能引入较大误差。,