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3-1结构试验量测技术


土 木 工 程 结 构 试 验
兰 州 交 通 大 学 2010年11月

第三章 结 构 试 验 量 测 技 术

结构试验量测技术
?3.1 ?3.2 ?3.3 ?3.4 ?3.5
概述 应变量测 位移与变形量测 力的量测 裂缝、应变场应变及温度的测定

3.1 概

r />述

数据流通过程

构(试)件的作用与效应

传感器

适调器(转换与放大)

显示与记录器

试验数据量测与采集方法

1、人工测量、人工记录 2、仪器测量、人工记录 3、仪器测量、仪器记录

(直尺) (应变仪+位移计) (力传感器)

4、自动化数据采集系统进行测量、记录、处理

量测仪器的分类
-按功能分类

?传感器:将感受的各物理量(力、位移、 应变等)
转变成电信号

?放大器:将传感器传来的信号进行放大,使之可以被
显示和记录

?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

量测仪器的分类
-按工作原理

?机械式仪器:纯机械移(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:利用光学原理转换、放大和显示 ?复合式仪器:以两种或几种原理的组合 ?伺服式仪器:测量和控制功能的组合

量测仪器的分类
-按用途分

?应变计: 用来测量应变 ?位移传感器:用来测量位移 ?测力传感器:用来测量荷载 ?倾角传感器:用来测量转角 ?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

量测仪器的分类
-按仪器与结构的关系分

?附着式与手持式 ?接触式与非接触式 ?绝对式与相对式

量测仪器的分类
-按仪器显示与记录方式

?直读式与自动记录式

?模拟式与数字式

量测仪表的性能指标
量程:仪表所能量测的最小至最大的量值范围。 最小分度值:仪器的指示或显示装置所能指出的最 小测量值。(刻度值) 精确度: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。 灵敏度:被测量的单位变化引起仪器示值的变化值。 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 该值与量程的百分比。

例:温度计
100℃ 66℃

200mm

量程:0℃~100℃ 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:
200mm/100℃=2mm/℃

65℃

0℃

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℃

3.2 应变量测
?概述 ?3.2.1 电阻应变计 ?3.2.2 电阻应变计的测量电路 ?3.2.3 实用电路与电阻片的粘贴技术 ?3.2.4 应变的其他量测方法与仪表

概述
应变量测的基本原理:
在标准长度范围L内,量测长度变化增量的 平均值ΔL,由ε= ΔL/L 求得平均应变ε。

标距L的选择原则:
根据应力的均匀性和材料的均质性选择,应力 梯度大,L应尽量小,对非均质材料,如混凝土, L>3dmax,砖石结构L>4皮砖。

3.2.1 电阻应变计
-原理及构造 L B 引出线 覆盖层 基底 敏感栅

电阻应变片的分类
按 栅 极 分 按 使 用 温 度 分 丝式 箔式 半导体 低温 常温 高温 按 基 底 材 料 分 纸基 胶基

电阻应变片的主要技术指标
标距:敏感栅在纵轴方向的有效长度 规格:敏感栅的有效使用面积L×B 电阻值:产品标准为120Ω 灵敏系数:由出厂前抽样试验确定,使用 时应变仪的灵敏系数一般应与 应变片相同 温度适用范围:取决于胶合剂的性质

3.2.2 电阻应变仪的测量电路
? 利用金属丝的电阻值随着其机械变形而变化的
物理特性。

?电阻应变仪就是把电阻应变量测系统中放大与
指示(记录、显示)部分组合在一起的量测仪 器。

?电阻应变仪的功能:将应变计输出的信号进行
转换、放大、检波、指示或记录,并解决温度 补偿问题。

应变测量的原理
L R=r A ln R = ln r + ln L - ln A
dR dr dL dA = + R r L A



物理学和数学知识 两边取对数 两边微分

dA dD dL =2 = -2m = -2 me A D L

dR dr = + (1 + 2 m )e R r
dr K 0 = (1 + 2m ) + e r

K0为电阻应变片的灵敏系数 μ为电阻丝材料的泊松比

dR = K 0e R

dR = Ke R

电阻应变量测的基本公式(1)
B
R1 R2

U BD = U AC ( U BD = U AC

R1 R4 ) R1 + R 2 R 3 + R 4

R 1R 3 - R 2 R 4 (R 1 + R 2 )(R 3 + R 4 )

A
R4 R3

C D

初始平衡条件:R 1R 3 = R 2 R 4 当电阻应变片R 1变化DR 1时, 忽略分母中的DR 1项: U BD = U AC R 1R 3 - R 2 R 4 + DR 1R 3 (R 1 + R 2 )(R 3 + R 4 )

U

电阻应变量测的基本公式(2)
B
R1 R2

假定初始电阻相同且都为R, R 1R 3 - R 2 R 4 + DR 1R 3 则式U BD = U AC 变为 (R 1 + R 2 )(R 3 + R 4 )

DR 1 BD 4R R3 R4 DR 1 又因为 = K1e1 , R D 1 U 所以:U BD = U AC K1e1 4 如果电阻的变化量依次为DR 1、DR 2、DR 3、DR 4;那么: R R - R 2 R 4 + DR 1R 3 + R 1DR 3 - DR 2 R 4 - R 2 DR 4 U BD = U AC 1 3 (R 1 + R 2 )(R 3 + R 4 ) 1 U BD = U AC K (e1 - e 2 + e 3 - e 4 ) 4 = U AC

A

CU

由上可知:
?当ΔR < R时,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

平衡电桥(惠斯登电桥)
B
R1

R2

A
Vi
R4 R3

C

放 大 器

显 示 记 录 仪

D

?电阻变化非常小(10-6级),测量困难,一般通过电
桥把电阻变化转化电压或电流,并经应变仪放大来 测量。

零位测定法

实用桥路及其应用
全桥桥路:电桥中的四个桥臂上均为工作片。 半桥桥路:电桥中二个桥臂上为工作片,另 二个桥臂为固定电阻。 ?桥桥路: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。

1 )全桥 R1、R2、R3、R4均接应变计。 R1R3 - R2 R4 根据基尔霍夫定律有 : Vo = Vi ( R1 + R2 )( R3 + R4 ) 当R1R3 = R2 R4时,Vo = 0,称为电桥平衡。若桥 臂电阻发生变化为:DR1、DR2、DR3、DR4。则: ( R1 + DR1 )( R3 + DR3)(R2 + DR2)R4 + DR4 ) ( Vo = Vi ( R1 + DR1 + R2 + DR2 )( R3 + DR3 + R4 + DR4 )

( R1DR3 + R3 DR1 - R2 DR4 - R4 DR2) Vo ? Vi ( R1 + R2 )( R3 + R4 ) R1 R3 DR1 R2 DR4 DR3 R4 DR2 Vo = ( + )Vi ( R1 + R2 )( R3 + R4 ) R1 R1 R3 R3 R1 R3 若R1 = R2 = R3 = R4 = R,K1 = K 2 = K 3 = K 4 = K,则: Vi DR1 DR4 DR3 DR2 KVi Vo = ( + )= (e 1 - e 2 + e 3 - e 4 ) 4 R1 4 R4 R3 R2 特点:灵敏度提高,自动完成温度补偿。

2)

半桥:R1、R 2 接应变计, R3、R 4 接标准电阻。

KV i Vo = (e 1 - e 2 ) 4 特点:灵敏度提高,自动完成温度补偿。
B
R1
R2

A
R4

Vi
R3

C

Vo

D

1 3) 桥: R1 接应变计、 R 2 接补偿应变计, 4 R 3、 R 4 接标准电阻。 KV i e1 Vo = 4 特点:节约应变计。
R1

B

R2
Vo

Vi

C

R4
D

R3

电 阻 应 变 仪

电阻应变量测的桥路连接方法

半桥连接
R1

B
R2

A A B C D1

C D D2

1 DUBD = KU (e 1 - e 2 ) 4

电阻应变量测的桥路连接方法
全桥连接方法A
B C D1 B
R1 R2

D

D2

A
R4 R3

C D

1 DUBD = KU (e 1 - e 2 + e 3 - e 4 ) 4

温 度 补 偿 技 术
进行温度补偿的原因:
(1)温度改变使电阻应变片的导电率ρ发生改变; (2)应变片与构件测点粘贴在一起,温度改变使构件 发生变形。

温度对测量结果的影响程度:

?贴在钢结构上的应变片,当应变片的电阻
丝为镍铬合金时,温度变动1度,如果不 进行补偿,将引起应力的偏差为14.7MPa。

温度补偿技术-温度补偿应变片法
在电桥上接一个与测量片R1相同规格的应变 片(温度补偿片)R2,R2粘贴在与试件材料相同 的补偿块上,补偿块置于与试件测点相同的温度 场中

B
R
1

R
2

DU
C

BD

A

1 = KU ( e 1 - e 2 ) 4 =

温度补偿技术-工作应变片温度互补偿法
某些结构或构件,存在着应变符号相反, 比例关系已知,温度条件又相同的二个或四个 (偶数个)测点,可以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。

B
R
1

R
2

A
R4

C

R3

1 DUBD = KU (e 1 - e 2 + e 3 - e 4 ) 4

U

D

多点测量线路
A

R1 Rt

R2

R3

Rn B C

实测应变试验现场

现场实测应变试验

静态电阻应变仪

—等强度梁试验









何为等强度梁? 梁内各横截面产生的应力是相等的,在同一水 平位置,沿梁长度方向各点的应力相等。表面上任 意位置的应变也相等,因此称为等强度梁

特性:

梁厚为h,梁长为L,固定端宽为b0,自由 端宽为b。梁的截面成等腰三角形,集中 力F 作用在三角形顶点。

应变:

s 6FL e= = 2 E b0h E
M 6M 6F s= = = 2 2 W b0 h kh

应力: M = F ? L

特点:
?根据最大载荷F 和材料的允许应力σb确
定梁的尺寸。

?用梁式弹性元件制作的力传感器适于测
量5,000N以下的载荷,最小可测几克重 的力。

等 强 度 梁 的 参 数
计算在10N、 20N、30N、 40N下的应力和 应变。

1.最大加载量 F=50N; 2.各断面应力相对误差δ=3%(产品误差); 3.梁厚h=3.5mm。

试验原理与方法 —半桥测量

e 读 = e1 = e

e 读 = e1 - e 2 = 2e

试验原理与方法

—全桥测量

e 读 = e1 + e 3 = 2e

e 读 = e1 - e 2 + e 3 - e 4 = 4e

试验实测数据(1)
接 法 荷载次序 1 2 3 平 均 半 桥 接 法 (1) -一只工作片 10 20 30 40 0 N N N N 半 桥 接 法 (2) -2只工作片 10 20 30 40 0 N N N N

试验实测数据(2)
接 法 荷载次序 1 2 3 平 均 全桥 接 法 (1) 全 桥 接 法 (2) -2只工作片 -4只工作片 10 20 30 40 10 20 30 40 0 0 N N N N N N N N

电阻应变片粘贴技术
?应变片检查分选。 ?特别注意同一试验的应变片批号最好一致(灵
敏系数K相同)。

?同一测区的应变片阻值基本一致(在仪器的可
调范围内能满足初始平衡条件R1R3 =R2R4。

测点处理
?测点表面应平整、无锈、无浮浆。 ?混凝土表面一般用环氧树脂打底抹平。 ?测点表面用酒精或丙酮清洗。 ?测点位置准确,应变片长边方向与所测应变
方向相同。

应 变 片 粘 贴
?粘贴用胶一般为502等快干胶或环氧树脂
类慢干胶。 ?快干胶适用于短期量测,防潮性能较环 氧树脂差、操作时间短。 ?慢干胶在粘贴后需要较长时间(24小时) 的固化时间,期间需加压、加温以促使 固化。

固 化 处 理
?在室温15度以上,湿度60%以下固化1~2天
(环氧树脂类慢干胶)。

?气温低、湿度大,在自然固化12小时后用人工
加温(环氧树脂类慢干胶)。

粘贴质量检查
?粘贴牢固,位置、方向准确。 ?无短路、断路现象,阻值与粘贴前相同。 ?电阻应变片与试件间的绝缘度达到50MΩ以
上,在恶劣环境应达到500MΩ以上。

导 线 连 接
?保证引出线不与试件形成短路。 ?保证量测导线轻微拉动时,引出线不被拉断。 ?导线各连接点应可靠连接,无虚焊。

防 潮 防 护
?短期量测且在干燥环境下可不做防潮处理。 ?长期观测或在潮湿环境下必须进行防潮处理,
一般用硅橡胶密封。

?粘贴在钢筋上浇灌入混凝土时,必须用纱布和
环氧树脂密封,防止混凝土浇筑过程中损坏电 阻应变片。

粘贴在混凝土上的应变片

(L>3dmax)

粘贴在钢结构上的电阻应变片

电阻应变仪实物(1)

电阻应变仪实物(2)

电阻应变仪实物(3)

电阻应变仪实物(4)

电阻应变仪实物(5)

应变的其它量测方法
?机械测试法 ?频率法 ?光测法

机械测试法
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。

手持式应变仪

千分表量测应变

e

=

D L L

常用于实际结构、足尺试件的应变测量。 用位移计测量一条直线上两点之间的相对 位移来表示两点之间的平均应变,两点之间的 距离L称为标距。

L

频率法

?弦式应变传感器 ? 量测不受温度和长导线的影响,工
作稳定,但安装复杂。


?光弹法





?激光衍射法 ?云纹法


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