结构试验第4章结构试验测试技术.ppt
土木工程试验,罗维刚,兰州理工大学土木工程学院2010年03月01日,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,第4章 结构试验测试技术,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,试件的外部作用：力、位移、温度、振动（输入数据）;试件的反应：应力、应变、位移、裂缝、转角、速度、加速度（输出数据）;试验测试技术就是用各种方法，对这些数据进行测量和记录。,系统,信号输入,信号输出,数据采集,数据采集,结构测试过程,4.1 概述,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.按功能和使用情况分：传感器：放大器：显示、记录器：分析仪器：数据采集仪：自动采集记录；数据采集系统：可以实现以上各功能的设备仪表综合系统；,2.按仪器仪表的工作原理分：机械式仪器；电测仪器；光学测量仪器；复合式仪器；伺服式仪器：带有控制功能仪器,设备仪器的分类,4.1 概述,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,3.按仪器仪表用途分：测力传感器；位移传感器；应变计；倾角传感器；频率计；测振传感器。,4.按功能种类：单件式和集成式；,5.按仪器仪表与结构的关系分：附着式与手持式；接触式与非接触式；绝对式与相对式。,6.按仪器仪表显示与记录的方式分：直读式与自动记录式；模拟式和数字式。,4.1 概述,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.刻度值：仪器的最小分度值，是指示或显示装置所能指示的最小测量值，即每一最小刻度所表示的测量数值。2.量程：仪器仪表可以测量的最大范围。20%80%3.灵敏度：被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示值的大小，即仪器仪表对被测物理量变化的反应能力或反应速度。4.精确度：仪表指示值与被测真值的符合程度。精确度高的仪表意味着随机误差和系统误差都很小。常以最大量程时的相对误差来表示精度，并以此来确定仪器的精度等级。例如，一台精度为0.2级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量程的0.2。,仪器仪表的主要技术性能指标,4.1 概述,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.测量仪器不应该影响结构的工作；要求仪器自重轻、尺寸小，尤其是对模型结构试验，还要考虑仪器的附加质量和仪器对结构的作用力。2.测量仪器具有合适的灵敏度、量程和精度。3.安装使用方便，稳定性和重复性好。4.价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。5.在达到上述要求条件下，尽量要求多功能，多用途，以适应多方面的需要。,结构试验对仪器设备的使用要求,4.1 概述,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,应变测量应变量测一般是用应变计测出试件在一定长度范围（称为标距）内的长度变化，再计算出应变值。测出的应变值实际是标距范围内的平均应变。因此，对于应力梯度较大的结构或混凝土等非匀质材料，都应注意应变计标距的选择。,混凝土结构，应变计的标距应大于23倍最大骨料粒径；砖石结构，应变计的标距应大于4皮砖；木结构试验时，一般要求应变计标距不小于20cm；钢材等匀质材料，应变计标距可取小一些。,电阻法,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,（3）频率响应好。可测量静态到数十万赫的动态应变。,（4）应变片尺寸小，重量轻。,（5）测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。,（6）可在各种复杂环境下测量。,（1）测量灵敏度和精度高。其最小应变读数为（微应变，）在常温测量时精度可达。,（2）测量范围广。可测。,电阻法,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,电阻应变片的工作原理是利用金属导体的“应变电阻效应”，即金属丝的电阻值随其机械变形而变化的物理特性（图4-1）。根据欧姆定律：,当金属丝受力而变形时，其长度、截面面积和电阻率都将发生变化，微分得到：,4.2 应变测量,1.电阻应变片的工作原理,Ks：表示单位应变引起的相对电阻变化，称金属丝灵敏系数。越大，单位应变引起的电阻变化也越大。,常数,线性,4.2 应变测量,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,问题转化为测量金属丝的电阻的变化,测量结构构件的内力,各截面应力分布,各截面应变分布,本构关系,根据假定由表及里,可以测量的表面纤维的变形,测点位置应变片与纤维协同变形,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，再有受到弯头横向变形、胶层、基底等传递变形的影响，所以应变片灵敏度系数K，一般在标准应变梁上由抽样标定测出，标定梁为纯弯梁或等强度钢梁。,此式用于应变片粘贴后的情形,4.2 应变测量,2.电阻应变片的构造,电阻栅,引出线,栅长,栅宽,主要技术指标 1.电阻值（）：120、350,2.规格：影响测试性能。,3.灵敏系数K：应变片的灵敏系数与应变仪的灵敏系数设置相协调。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,3.电阻应变片的种类,1.按敏感栅的种类划分：有箔式、丝绕式、半导体等；2.按基底材料划分：有纸基、胶基等；3.按使用极限温度划分：有低温、常温、高温等；4.按敏感栅形状分：单轴与多轴。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,丝栅式应变片,标距：0.2mm 200mm,短接式应变片,箔式应变片,的金属箔片,光刻腐蚀工艺,4.2 应变测量,4.电阻应变片的粘贴方法,1.检查和分选应变片；,2.粘贴表面测点准备；,3.贴片；,4.固化；,5.粘贴质量检查；,7.防潮处理。,6.导线连接。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,5.电阻应变仪工作原理电阻应变片一同与被测结构变形时，采用一定的仪器将电阻变化信号捕捉、转化为电压或电流的变化信号,并放大输出，推算结构的应变，其中能将电阻变化信号转为电压或电流变化信号的仪器称为电阻应变仪。,应变片,应变仪,电阻变化转化为易测的电压变化,机械变形转化为电阻变化,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,电阻应变仪采用的测量电路是惠斯登电桥（以下简称桥路），能够把电阻变化信号转换为电压或电流的变化信号，并使信号得以放大；桥路还可以解决测量值的温度补偿问题。所以，桥路是试验工作中比较理想的测试形式。,基尔霍夫定律：,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,假定，桥路四臂所接的电阻应变片的电阻阻值全部发生变化,其值分别为，则桥路输出电压增量为：,微分并略去高阶小量,如选择为同规格应变片，阻值相同，灵敏度系数相同，则有,输出电压变化与与四个桥臂应变（阻值变化率）的代数和成线性关系。,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,采用如下表示电阻应变片的桥路的度数值，则：,桥路特点：邻臂电阻阻值变化的符号相反，成相减输出；对臂符号相同，成相加输出。所以桥路中电阻阻值变化的组合不同，其构成桥路读数值的特点就不同，可构成不同类别的桥路。,4.2 应变测量,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,6.桥路组成类别,a.等臂桥路：指四个桥臂电阻值相等的电桥桥路。电桥平衡，输出电压为零。不能测应变，可以测电阻阻值,b.四分之一桥路：桥臂中，当且仅当有一肢桥臂的电阻是外接的电阻应变片，其阻值发生相应变化，而其余桥臂采用无感电阻的桥路称1/4桥路。不能实现温度补偿,四分之一桥路,等臂桥路,工作片,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,c.半桥桥路。在四肢桥臂中，有两肢相邻桥臂的电阻是外接电阻应变片，其电阻阻值发生相应变化，而另外两肢相邻桥臂的电阻是无感电阻的桥路称半桥桥路。能实现温度补偿,d.全桥桥路。在四肢桥臂中，桥臂电阻全部（且必须全部）是外接电阻应变片的桥路称为全桥桥路。全桥桥路中没有无感电阻。能实现温度补偿，采用全桥桥路测量的读数值精度高，数据可靠。所以在各类传感器中多采用全桥测量桥路。,全桥桥路,半桥桥路,工作片,工作片,4.2 应变测量,7.温度补偿技术,由于温度引起的应变片附加变形：1.试件与应变片受温度影响而产生的变形；2.试件材料与应变片的温度线膨胀系数不同而产生的变形。,非受力变形，应消除,温度引起的附加变形的消除：根据桥路的的特性，相邻桥臂相减输出，当两个规格相同的应变片粘界在同样材料的表面，感受同样的温度，在桥路中相邻连接时，温度引起的应变将自动消除，我们称温度补偿。,因桥路的连接特点（相邻桥臂相减输出），从而消除温度产生的附加变形,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,温度补偿的要求：（1）同一批应变片，规格相同标距相同，且K1=K2；（2）电阻值之差小于0.5，避免有初读数；（3）粘贴在同一种材料和同一温度场中。,温度补偿应变片法桥路连接示意,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,补偿桥路分类：依据温度补偿片是否受力，补偿桥路可以分为：（1）外补桥路，即补偿片不受力，称为温度补偿片；（2）互补桥路，即补偿片受力，亦为工作片。,半桥外部桥路,工作片,温度补偿片,半桥外部桥路,工作片,工作片,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,半桥互补桥路举例,全桥互补桥路举例,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,8.一片多补技术的工作原理,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.位移方法测量应变,应变的定义是单位长度上的变形（拉伸、压缩和剪切），在结构试验中，可以用两点之间的相对位移来近似地表示两点之间的平均应变。设两点之间的距离为L（称为标距），被测物体产生变形后，两点之间有相对位移，则在标距内的平均应变为：,或,4.2 应变测量,其他方法测量应变,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,手持应变仪,百分表测量,图3.2.1 手持式应变仪,图3.2.2 自制应变测量装置1-千分表 2-脚座 3-刚性杆,4.2 应变测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,2.频率法,4.2 应变测量,钢弦式钢筋应变计是将一根金属丝(弦)两端固定然后张拉，金属丝内部将产生一定的张力，此时金属丝的固有振动频率与其内部张力就具有一定的定量关系。通过测量钢丝弦固有频率的变化，就可以测出外界应变的变化，振弦式应变传感器就是根据这一原理制作而成的。,3.光测法,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,五、光纤光栅应变计,4-3 应变测量,分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。应变测量原理是基于Brillouin散射的分布式温度和应变传感系统，它可以同时测量温度和应变。,机械式荷载传感器,4.3 试验传感设备,荷载传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,电阻应变式荷载传感器,4.3 试验传感设备,荷载传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,机械式位移计(百分表)（千分表）（挠度计）,电阻应变式位移传感器,滑线电阻式位移传感器,差动变压器式位移传感器,4.3 试验传感设备,线位移传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,必须标定后使用,位移简化测量,4.3 试验传感设备,线位移传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,图电阻应变式位移传感器1测杆；2弹簧；3外壳；4刻度；5电阻应变计；6电缆,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,位移传感器,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,机械式百分表,张拉式位移传感器,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.转角测定,杠杆式,水准式,电子倾角仪,杠杆式测角器,水准式倾角仪,4.3 试验传感设备,角位移传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,电子倾角仪,2.曲率测定,a：梁式,b：板式,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,a：,b：,剪切变形测定,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,扭角变形测定,4.3 试验传感设备,光纤位移传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.光纤传输原理当光线以不同角度入射到光纤端面，折射后进入光纤，再入射到纤芯（光密介质）与包层（光疏介质）交界面，一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。当光线在光纤端面中心的入射角减小到某一角度时，光线全部反射。光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质决定的,4.3 试验传感设备,光纤位移传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,2.光纤传感器类型功能型光纤传感器。功能型光纤传感是利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接受处理后，可以得到被测信号的变化。非功能型光纤传感器。非功能型光纤传感的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其他光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。,4.3 试验传感设备,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,3.反射式光纤位移传感器,4.3 试验传感设备,温度传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.热电偶温度计2.热敏电阻温度计3.光纤温度传感器,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.拾振器的工作原理,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,1.拾振器的工作原理,幅频特性曲线,相频特性曲线,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,位移计,速度计,加速度计,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,2.磁电式速度传感器作电磁感应定律,B线圈在磁钢间隙的磁感应强度；L每匝线圈的平均长度；n线圈匝数；v线圈相对于磁钢的运动速度，亦即所测振动物体的振动速度。,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,3.压电式加速度传感器“压电效应”：晶体当受到压力并产生机械形变时，在它们相应的两个表面上出现异号电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态。,4.3 试验传感设备,测振传感器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.4数据采集系统,数据采集系统的组成,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,数据采集系统的分类,数据采集过程,三个部分：传感器、数据采集仪和计算机（控制器）部分。,1）大型专用系统；2）分散式系统；3）小型专用系统；4）组成式系统。,1.开裂：裂缝出现的位置及时刻。,2.度量：裂缝宽度、深度和长度。,3.特征：发展过程、趋势和形态。,连续用应变片或导电漆膜,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.5裂缝测量,裂缝观测的内容,肉眼或放大镜观测：涂涮白石灰涂料；2.连续用应变片或导电漆膜：当某处开裂时，出现应变片读数突变或出现火花；3.裂缝标尺及塞尺，带刻度的放大镜裂缝宽度观测仪器；4.钻心法；5.超声波法：基于发声原理，采用声传感器捕捉材料开裂时发射声能所形成的声波，经信号转换后，识别裂缝出现的部位。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,裂缝观测的方法,4.5裂缝测量,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.5裂缝测量,图裂缝读数卡示意图,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.5裂缝测量,裂缝观测仪器,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING.LUT.,4.5裂缝测量,本章结束！,
