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1、第4章 结构试验量测技术,4.1 概述 4.2 应变量测 4.3 位移与变形量测 4.4 力的量测 4.5 裂缝、应变场应变及温度的测定,4.1 概述,在工程结构试验中，试件作为一个系统，所受到的外部作用（如力、位移、温度等）是系统的输入数据，试件的反应（如应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度等）是系统的输出数据。 通过对输入与输出数据的量测、采集和分析处理，可以了解试件系统的工作特性，从而对结构的性能做出定量的评价。 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。,一、数据的量测与采集 数据采集是用各种仪器和装置，对数据进行测量和记录；采集到的数据是数据处理的原
2、始资料。 1.数据采集方法： 人工测量，人工记录； 仪器测量，人工记录； 仪器测量，仪器记录； 用自动化数据采集系统进行测量、记录、处理。,2.原则 同时性-要求一次采集得到的所有数据是同一时刻受到的作用于试件的反应，这些同一时刻的数据才能正确的反映和描述某一时刻试件的作用和试件反应之间的关系。 客观性-要求按照客观事实进行数据采集，并把所有关于试验实际情况的数据都加以测量、记录，使采集得到的数据能够客观、完整地反映和描述整个试验过程。,3.数据采集的仪器分类 按功能和使用情况分 传感器：将感受的各物理量（力、位移、 应变等）按一定规律转换成可以直接测读形式；或者是转换成电信号然后传输给后续仪
3、器； 放大器：传感器输出的电信号很微弱，将传感器传来的信号进行放大，使之可以被显示和记录。必须与传感器、记录器和显示器相匹配； 显示器：将信号用可见的形式显示出来；,记录器：将数据记录以利长期保存； 分析仪器：对采集的数据进行分析处理； 数据采集仪：用于自动扫描和采集，可作为数据采集系统的执行机构； 数据采集系统：一种集成式仪器，包括传感器、数据采集仪、和计算机或其他记录器、显示器等，可用来进行自动扫描、采集及数据处理。,按工作原理分 机械式仪器：利用机械传动、放大和指示 电测仪器：利用机电转换，将机械量转换为电量 光学测量仪器：利用光学转换、放大和显示 复合式仪器：由两种或几种原理的组合 伺
4、服式仪器：带有测量和控制功能的组合,按测量用途分 应变计：用来测量应变 位移传感器：用来测量线位移 测力传感器：用来测量荷载、压力 倾角传感器：用来测量倾角或转角 频率计：测量结构振动的频率 裂缝传感器：测量混凝土的裂缝 测振传感器：测量结构振动的位移、速度和加速度,按与结构试件的关系分 附着式和非附着式 接触式和非接触式 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,4.2 测量仪表的基本特征,一、测量仪表的技术指标 量程（量测范围）：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。 最小分度值（刻度值）：仪器的指示或显示装置所能指示的最小测量值。 灵敏度：被测量的单位物理量所引起仪器输出或显
5、示装置示值的大小。 分辨率：仪器测量被测物理量最小变化值的能力。,稳定性：当被测物理量数值不变，仪器在规定的时间内保持示值与特性参数不变的能力。 滞后：在恒定的环境条件下，仪器在整个量测范围内，从起始值到最大值来回输出中的最大偏差值或该值与最大量程的百分比。 精确度（精度）：仪表的指示值与被测值的符合程度，常用满程相对误差表示。 可靠性：在规定条件下满足给定误差极限范围内连续工作的可能性，或说构成仪表元件的功能随着时间增长仍能保持稳定的程度。,量程：0100 最小分度值：0.1 精确度：当前测量 值65.7，实际精确 值 65.5，则精确度 =（65.7-65.5）/100=0.2% 灵敏度：
6、 200mm/100=2mm/ 滞后：将该温度计置于冰水混合物中煮开再降为冰水混合物，如显示1，则称该温度计的滞 后为1,二、结构试验对测量仪器的要求和仪器标定 1.要求 测量仪器不应影响结构的工作，要求自重轻、尺寸小，尤其是对模型试验，还要考虑仪器的附加质量和仪器对结构的作用力。 测量仪器具有合适的灵敏度和量程。 安装使用方便，稳定性和重复性好，有较好的抗干扰能力。 价廉耐用、可重复使用，安全可靠，维修容易。 在达到上述要求下，尽量要求多功能、多用途。,2.标定 含义-为了确保测量仪器的使用精确度和灵敏度，保证测试仪器测量数据的误差不超出规定的范围，进行仪器示值与标准值校对工作的过程。 测量
7、仪器的标定分为 强制性检验 经常性自检,标定按两种情况进行 单件标定-可以确定某一件仪器的灵敏度和精确度。 系统标定-对仪器系统进行系统标定，可以确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精确度。,系统误差-仪器本身的误差属于系统误差，可能是仪器在生产工艺上或设计上的缺陷造成的；也可能是使用日久导致的零件磨损变形等。 消除系统误差的方法-事先找出仪器存在的误差及其变化规律，并对其建立各种修正公式或曲线等。 在专门的率定设备上进行，该设备的准确度要比被率定仪器的准确度高一级。 采用和被率定设备同一等级的“标准仪器进行比较率定。 利用标准试件率定,4.3 应变测量仪器,外力下，结构内部产生应力，不同部位的应
8、力值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立结构理论的重要依据。 目前，一般先测应变，再间接测定应力。 应变（单位长度内的变形）是结构试验中最重要的参数之一，往往还是其他物理量的量测基础。,应变量测原理-量测应变通常是在预定的标准长度范围内（标距）L内量测长度变化增量的平均值L，由= L/L求得平均应变。 标距L的选择原则尽量小- 对均质材料或局部应力集中且应力梯度较大时宜选小标距应变计。 对非均质材料且应力梯度较小的宜选用大标距应变计，如对混凝土应取骨料最大粒径的3倍；砖石结构应取4皮砖等。,测量应变的仪器和方法 电阻应变仪 手持式应变仪 位移计法 光测法,一、应变电测法 1.应变电测原理 将
9、一种特制的电阻应变片作为传感元件，粘贴在被测构件上，当构件由于受到外荷载作用而发生变形时，应变片与结构一起变形，致使应变计的电阻值发生相应变化（在一定范围内，应变片电阻变化与构件发生的应变成比例关系）。 根据测得的电阻变化，通过电阻应变仪可获得构件上被测点的应变值。在弹性范围内，通过胡克定律又可将该点的应变转换为该点的应力值。,2.应变片特点 （1）优点 应变片尺寸小、重量轻 灵敏度高（普通应变片最小读数为1-5（1*10-6mm应变称为一个微应变） 应变测量范围广（一般可达20000-30000，特质的可达200000） 对环境适应性强，若对应变片采取特殊措施，可用于高温、低温、水下、高压、
10、强磁场和腐蚀等环境。,自动化程度高，可以远距离传输电信号 适用性好，可测量多种物理参数（静应变、动应变、位移、速度、加速度、振幅及压力等）。 在一定工作范围内，电阻变化率与应变成线性关系。,（2）缺点 选点布置，难以得到应力及应力场全貌 只适于结构表面的应力测试，且只在L内平均应变值 连接时间长会有零飘（粘合剂不稳定或对周围环境敏感） 粘贴工艺技术性强 不可重复使用,3.应变计的粘贴技术,4.应变计的构造及技术指标 （1）构造 敏感栅:是应变片将应变变换成电阻变化量的敏感部分。由金属或半导体材料组成的单丝或栅状体。其形状和尺寸直接影响应变片的性能。尺寸用栅长和栅宽表示，即规格。 基底和盖层:起
11、定位和保护作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。 粘结剂:是一种具有绝缘性能的粘结材料 引出线:与电阻丝连接在一起，通过测量导线介入应变测量桥。,（2）主要技术指标 标距:敏感栅在纵轴方向的有效长度，应变值是在标距内的平均应变，应根据试件测点处应变梯度的大小来选择标距。 电阻值:应与应变仪中的测量电路配套，一般取120 灵敏系数:出厂前抽样测试确定，表示单位应变引起应变计的相对电阻变化。应使应变计的灵敏系数与应变仪相同，否则应做修正。,5.应变计的分类,6.电阻应变计工作原理,应变测量的原理-物理学和数学知识,K0为电阻应变片的灵敏系数 为电阻丝材料的泊松比,两边取对数,两边微分,结论： 电阻变
12、化率与机械应变呈线性关系. 实现了电量与非电量的转化.,7.电阻应变仪的测量电桥 惠斯登电桥基本原理 应变仪仪器面板上有四个接线柱，分别是A、B、C、D，其中AC是输入端，BD是输出端。 ABR1 BCR2 CDR4 DAR3,电路平衡时： A到D电压降等于A到B电压降： C到D电压降等于C到B电压降： 电路平衡时，输出电压为0(UBD=0), 所以I1=I2，I3=I4代入上式 有R2R3=R1R4成立（电桥平衡条件）,1/4电桥： R1R1+R1 电桥中只有一个桥臂AB上为工作片，桥臂BC上为补偿片，另二个桥臂为固定电阻。 半桥： R1R1+R1，R2R2+R2 电桥中二个桥臂上为工作片，
13、另二个桥臂为固定电阻。 全桥： R1R1+R1，R2R2+R2 R3R3+R3 ，R4R4+R4 电桥中的四个桥臂上均为工作片。,1/4电桥：R1R1+R1 UBD=UAB+UAD=I1(R1+R1)-I3R3 =(R1R4-R2R3+R1R4)*U/(R1+R2)*(R3+R4) 当取R=R1=R2=R3=R4(等臂电桥),将 代入上式 输出电压：UBD=U/4K1,1/4电桥：UBD=U/4K1 半桥：UBD=U/4K(1-2) 全桥：UBD=U/4K(1-2+3-4),结论： 当RR时，惠斯登桥路的输出电压与四个桥臂应变的代数和成线性关系。 相邻桥臂的应变符号相反，相对桥臂的应变符号相同
14、。,平衡电桥原理 偏位测定法利用桥路不平衡输出进行测量的电桥称为“不平衡电桥”，对应测量方法称为“偏位测定法”。该法适用于动态应变测量。 零位测定法通过测量可变电阻值来测量应变的方法，该法适用于静态应变测量。,8.温度补偿技术 温度效应 用电阻应变片测量应变时，除了能感受试件应变外，还由于环境温度的变化，同样也能通过应变片的感受而引起应变仪的示值变化，这种变化称为“温度效应”。,“温度效应”的原因,温度补偿方法-消除“视应变” 外设补偿片法 工作片R1,试件上贴 补偿片R2，补偿块上贴（ R1 =R2 ） R3和R4是机器内部的两个固定电阻,结论： UBD=U/4K(1-2)=UK/4P 测量
15、结果仅为构件受力P后产生的应变P 该接线方式对输出无放大作用，温度产生的应变t 自动消除。,具体补偿几片由被测试件材性、测点位置及环境等因素确定 单片单补1个工作片，1个补偿片。如砼 单片多补多个工作片，1个补偿片。如钢结构材料导热性好，应变片相应散热快；实桥野外试验，必须注意温度场不同（桥体上方、下方、迎风或背风），宜出现数据回零差，重复性差及零飘等。,工作片互补 当某些构件存在应变符号相反，比例关系一致，温度环境相同的2个或4个测点，可将这些应变片按照符号不同，分别接在相应的邻臂上，它们既是工作应变片，又互为温度补偿。,互补半桥法 互补全桥法,桥臂特性应用 提高灵敏度 测拉除弯 测弯除拉,
16、注意事项： 应变仪显示的应变值，正负总以AB桥臂上接的应变片为准，AB间接受拉片，读数为正值，反之为负值。 横向应变（泊松效应）-P 惠斯登电桥一定有四个桥臂，其中固定电阻一般是仪器里设定的。 桥臂输出放大系数A，外荷载下实际应变为实测值仪除以桥臂系数A。 灵敏系数与电桥的有源工作数目n有关，n大则K大。 在选择测量电桥组合形式时，要优先选输出电压高，能实现温补并便于分析的桥路组合。,二、机测法测应变 （一）手持式应变仪 适用：手持式应变仪常用于持久的现场应变测量，是建筑结构专用测量应变的仪器，可适用于非常恶劣的应变测试环境，测量结构混凝土表面应变具有足够的精度。,1.工作原理 在标距两端粘贴两个脚标，通过测量结构变形前后两个脚标之间距离的改变，求得两点间的平均应变。,
