桥梁计量检测设备仪器仪表的性能及使用.ppt

桥梁计量检测设备、仪器、仪表的性能及使用,王俊杰中铁十九局集团第五工程有限公司2010年02月,第一讲 量测仪表基本概念及其主要技术指标1量测仪表的基本组成,放大部分作用是将感受部分传来的被测参数，通过各种方式（如机械式齿轮、杠杆、电子放大线路或光学放大等）进行放大，然后传给记录显示部分。记录显示部分将放大部分传来的量测结果，通过指针、电子数码管、屏幕进行显示，或通过各种记录设备将试验数据或曲线记录下来。,感受部分一般都直接与被测对象接触或直接附着在被测对象上，用来感受被测对象的参数变化。经转换后传给放大部分。,2.量测仪表的主要技术性能指标（1）刻度值A：设置有指示装置的仪表，一般都配有分度，刻度值是指分度表上每一最小刻度所代表的被测量的数值。即仪器的最小分度值。刻度值的倒数为该表的放大率，即V=1/A。（2)量程S：是指测量上限和下限的代数差，即仪表刻度盘上的上限值减去下限值。也称为仪器仪表可量测的最大范围。S=Xmax-Xmin。通常下限Xmin=0，故S=Xmax。(3)灵敏度K：是指某实际物理量的单位输出增量y与输入增量x的比值，即K=y/x。或被测量的单位变化引起仪器示值的变化值。单位输入量所引起的仪表示值的变化。（如输入10个，指针偏转11，则灵敏系数为1.1）,（4）分辨率：使仪器仪表示值发生变化饿最小输入量的变化值。是仪器仪表测量被测物理量最小变化值的能力。（5）滞后：在恒定的环境下，某一输入量从起始量程增至最大量程，再由最大量程减至最小量程，正反两个行程输出值之间的偏差称为滞后。滞后常用全量程中的最大滞后值与满量程输出值之比来表示。（6）精确度（精度）：它是精密度和准确度的综合反映。是指仪表指示值与被测值的符合程度。常用满量程的相对误差来表示，仪表精度高，说明随机误差和系统误差小，误差越小，精度越高，工程应用中，为简单表示仪表测量结果的可靠程度，可用仪表精确等级A表示：A=（gmax/S）100%。gmax最大绝对允许误差。,（7）可靠性：在规定的条件下，（满足规定的技术指标）满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性，或者说构成仪表的元件或部件的功能随时间的增长仍能保持稳定的程度。（8）零位温飘和满量程热漂移：零位温飘：是指当仪表的工作环境不为20时，零位输出随温度的变化率。满量程热漂移：是指当仪表的工作环境不为20时，满量程输出随温度的变化率。它们都是温度变化的函数。（9）线性范围：保持仪器的输入量和输出信号为线性关系时，输入量的允许变化范围。（10）线性度：仪表使用时的校准曲线与理论拟合直线的接近程度。用校准曲线和拟合直线的最大偏差与满量程输出的百分比表示。在动态量测中，对仪表的线性度应严格要求，否则对测量结果引起较大误差。,3.仪表的量测方法（1）直接测量法和间接测量法。直接测量法：用一个事先按标准量分度的测量仪表对某一被测的量进行直接测定，从而得出该量的数值。间接测量：不直接测量待求量x，而是对与待求量x有确切函数关系的其他物理量Y1、Y2、Y3Yn进行直接测量,然后通过已知函数关系式求待求量x的值.即。如测应力：。（2）偏位测定法与零位测定法，均属于直接测量法。偏位测定法：当测量仪表是用指针相对于刻度线的偏位来直接表示被测量的大小时，这种测量方法就是偏位测定法。用偏位法测量时，指针式仪表内没有标准量具，而只设有经过标准量具标定过的刻度尺，刻度尺的精度不可能做得很高，故测量精度不高。如百分表、动态应变仪等。零位测定法：是使被测量x和某已知标准量对仪表的指零机构的作用达到平衡，即两个作用的总效应为零。即。在零位测定法中测量结果的误差主要取决于标准量的误差，因而测量精度高于偏位法，但操作速度慢。如天平、静态电阻应变仪等。,4.量测仪表的选用原则（1）仪表性能满足试验的具体要求，如合适的灵敏度、足够的精度和量程。精度：应使仪表的最小刻度值（即最大误差）被测值的5%；量程：以选用最大被测值的1.252.0倍为好，或使最大被测值在仪表的2/3量程范围附近，以防破坏。（2）动态量测仪表其线性范围、频响特性、相移特性等均应满足试验要求。（3）对于安装在结构上的仪表或传感器，要求体积小、自重轻，不影响结构的工作性能和受力。（4）同一试验中选用的仪器仪表种类、规格尽可能少，以便统一数据的精度，简化量测数据的整理工作和避免差错。（5）仪器仪表对环境的适应性要强且使用方便，工作可靠和经济耐用。,5.仪器的误差及其消除方法(1)仪器误差（偶然误差和系统误差）仪器本身的误差属于系统误差范畴，主要是由于仪表在生产工艺上或设计上的缺陷造成的。系统误差出现的规律可区分为：（1）定值误差误差大小和符号保持不变的，如刻度不准确。（2）变值误差较为复杂，有累进误差和周期误差等。(2)消除系统误差的方法量测仪表的定期率定 1）仪表率定的概念：为了确定仪表的精确度或换算系数，定出其误差，需将仪表示值与标准量相比较，这种工作就称为仪表的率定。2）仪表率定的方法：在专门率定设备上率定，这种设备能产生一个已知标准量的变化，把它和被率定仪器的示值作比较，求出被率定仪器的刻度值。,采用和被率定仪器同一等级的“标准”仪器进行比较来率定。“标准”仪器精度并不高，但不常用，可认为该仪器的度量性能技术指标可保持不变，准确度已知。这种方法率定结果的准确性稍差，但不需要特殊的率定设备。比较常用。利用标准试件率定仪器，将标准试件放在实验机上加载，使标准试件产生已知的变化量，根据变化量可求出安装在试件的被率定仪器的误差，此方法准确度不高，但简单，易实现，故广泛采用。,了解构件内部应力分布情况，特别是结构危险截面的应力分布及最大应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。测量的方法主要有：1.应变机测法；2.应变电测法；3.应变光测法。,第二讲 应变（力）测量仪器,1应变机测法 1）手持应变仪(接触式千分表应变仪)主要组成：两个弹簧片连接两个刚性骨架，两个刚性骨架可做无摩擦的相对移动，骨架两端附带有锥形插轴，进行测量时将锥形插轴插入结构表面预留的空穴里。,1-刚性骨架；2-插轴；3-骨架外凸缘；4-千分表测杆；5-薄钢片；6-千分表图3.2 手持应变仪构造示意图,1应变机测法(1）手持应变仪(接触式千分表应变仪)工作原理如图3.3所示。,图3.3 手持应变仪工作原理示意图,其中 a试件表面至脚标孔穴底的距离；h试件截面高度。,1应变机测法(2）单杠杆应变仪（杠焊式应变仪）,如图3.4所，它由刚性杆（一端带固定刀口）、杠杆（一端带活动刀口）和千分表组成，构件变形后活动刀口以b点为支点转动，经杠杆放大后由千分表测出。,1-固定刀口；2-活动刀口；3-千分表；4-杠杆；5-刚性杆图3.4 单杠杆应变仪,1应变机测法(3）双杠杆引伸仪,如图3.5所，杠杆引伸仪是利用杠杆放大原理而制成的量测应变的仪器。其构造原理是由活动刀口组成第一支杠杆，指针为第二支杠杆，标距L内长度有变化时，第一支杠杆活动刀口旋转，推动第二支杠杆转动，经第二支杠杆放大后，读数指示在刻度盘上。,工作原理为：仪器的放大率:试件的应变为：,2应变电测法,电测应变仪主要有振弦式、电磁感应式、压电式、电容式等。用电阻应变片测应变是其中最基本、最常用的应变传感器。,(1)电测法概念 在量测过程中，常将某些物理量发生的变化，先变换为电量的变化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法或非电量的量测技术。(2)应变电测法的概念 在结构试验中，因结构受到外荷载或受温度及约束等原因而产生应变，应变为机械量，用量电器量测非电量，首先必须把非电量转换为电量的变化，然后才能用量电器量测，量测由应变引起的电量的变化称为应变电测法。例如：电阻应变片 测量电路 放大电路 指示器或记录仪,2应变电测法,(3)应变电测法的优点 1）灵敏度和准确度高，测量范围大=10-61110010-6；2）变换元件体积小、质量轻；3）对环境适应性好，可在高温、高压及水中进行；4）适用性好。(4)电阻应变片的工作原理,图3.6 金属丝的电阻应变原理,其中k0称为电阻丝的灵敏系数，它是由电阻丝的材料系数c和泊松比v确定。,3钢弦式传感器 钢弦式传感器的工作原理 钢弦式传感器是以被张紧的钢弦作为敏感元件，利用其固有频率与张拉力的函数关系，根据固有频率的变化来反映外界作用力的大小。钢弦式传感器的结构和工作原理如图3.22所示。振弦固定在上、下两夹块之间，用固紧螺钉固紧，给弦加一定的初始张力T。在弦的中间固定着软铁块，永久磁铁和线圈构成弦的激励器，同时又兼作弦的拾振器。夹块和膜片相连而感受压力P。由图3.22可知,若使弦按固有频率振动，必须首先给弦以激励力，振弦是依靠线圈中的电流脉冲所产生的电磁吸引力来产生激励作用。线圈中将产生与弦的振动同频率的交变电势输出。这样通过测量感应电势的频率即可检测振弦张力的大小。,1-夹具；2-振弦；3-永久磁铁；4-线圈；5-螺钉；6-软磁铁；7-膜片。图3.22 钢弦式传感器结构原理图,3钢弦式传感器 工程中常用的钢弦式传感器有：钢弦式应变传感器、钢弦式压力传感器、钢弦式荷载传感器和钢弦式位移传感器。（2）钢弦式应变传感器,图3.23 钢弦式应变传感器,钢弦式应变传感器测试技术具有以下较为突出的特点：（1）分辨率高，测量结果精确、可靠。目前常用的钢弦应变传感器分辨率可达到0.1。（2）不易受温度和电磁场等的影响，特别是野外测量时抗干扰性能好。（3）易于实现测试过程中的全自动化数据采集、多点同步测量、远距离测量和遥控检测。（4）现场操作方便，测试方法易于掌握。,3钢弦式传感器（2）钢弦式应变传感器,钢弦式应变传感器测试技术优点虽然很突出，但也存在以下较为明显的不足之处：（1）应变计标距较大，一般为100200mm，不能用于测量应力梯度较大的应变，也不能用于测量较小尺寸构件的应变，如小比例的模型试验。（2）响应速度较慢，不能用于动态和瞬态应变测量。（3）量程范围较小，一般为-1500+1500,不能用于大应变的测量。（4）测试元件及仪器成本较高。钢弦式应变传感器工作原理是：在微幅振动条件下，钢弦的自振频率与钢弦应力有如下关系：,上式可变换为：,常数,从上式可发现，钢弦应力与其自振频率的平方成正比，常数可通过标定求得。经过标定得到应变频率关系：,3钢弦式传感器（2）钢弦式应变传感器,钢弦式应变传感器分为钢弦式表面应变传感器、钢弦式钢筋应力传感器和钢弦式内部应变传感器。1）钢弦式表面应变传感器,图3-22 钢弦式表面应变传感器 图3-23 国产钢弦应变读数仪,3钢弦式传感器（2）钢弦式应变传感器,2）钢弦式内部应变传感器,图3-22 钢弦埋入式应变传感器 图3-23 进口钢弦应变读数仪,(1）应变片的构造（以丝绕式为例）,1-敏感栅；2-引出线；3-粘合剂；4-覆盖层；5-基底图3.7电阻应变片的构造,(2）电阻应变片的分类按丝栅材料分类：a)半导体应变片（体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片）。b)金属应变片体型应变片箔式应变片（=0.0020.005mm金属箔）、丝式应变片=0.0150.05mm（丝绕式、短接式）、金属薄膜应变片,第四讲 电阻应变仪及测量电路与应变片的粘贴,1、电阻应变片,(2）电阻应变片的分类按基底材料分类：a)纸基应变片；b)胶基应变片；c)金属片基应变片；d)临时基底应变片。按温度场分类：低温应变片（-30）；常温应变片（-3060）；中温应变片（60350）；高温应变片（350）。(3）电阻应变片的特点优点：灵敏度高，尺寸小，重量轻，粘贴牢固，适用于各种温度场和外部环境。缺点：不能重复使用，粘贴工作量大，估计参数不精确，具有近似性。(4）电阻应变片的主要技术性能指标a）灵敏系数 b）标距；c）使用面积；d）电阻值；e）应变极限；f）绝缘电阻；g）零飘；h）蠕变；i）机械滞后；j）疲劳寿命；k）温度适用范围,（1）应变片的选择与检查,(5）电阻应变片的粘贴技术,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。,选择：应根据被测试件所处的环境条件，如：温度、湿度、被测材料、结构特点、检测的性质和应变的范围等来确定。1）标距：在应变场变化大处或用于传感器上时，应选用小标距的应变片，如钢结构常用520mm。在不均匀材料上应选用大标距的应变片，如混凝土材料常用80150mm。2）应变片电阻：选用时应注意与应变仪相一致。3）灵敏系数：调整应变仪的灵敏系数与应变片的灵敏系数一致。4）基底种类：较为常见的有纸基和胶基两种。常温下的一般测试可用纸基应变片；对于野外试验及长期稳定性要求较高的试验，宜用胶基应变片。5）敏感栅材料：康铜丝材料的温度稳定性较好，适用于大应变测量。6）特殊环境和要求选用特种应变片，如低温应变片、高温应变片、裂纹扩展片、疲劳寿命片等。,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。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 固定点设置 引出线绝缘 导线焊接,（2）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。,（3）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。防护技术是应变测量中的重要环节，通常用应变片和结构表面的绝缘电阻值来判断。高的绝缘电阻值可保证测量的精度，但要求过高会加大工作量和增加防护工作的难度。所以一般要求静态测量绝缘电阻大于200M，对于长期检测、动态测量和精度要求高的检测，绝缘电阻应大于500 M。,电阻应变片防护图,2、电阻应变仪,(1）电阻应变仪的组成 由电阻应变片的工作原理可知：当k=2.0，被测量的机械应变为10-310-6时，。这个信号很微弱，用量电器检测很困难，要借助于放大器放大，电阻应变仪就是电阻应变片的专用放大器及量电器。其主要组成为：振荡器、测量电路、放大器、相敏检波器、电源等部分组成。应变仪的测量电路一般采用惠斯登电桥，把电阻变化转换为电压或电流的变化，并解决了温度补偿问题。(2）电桥原理 应变片电测一般采用两种量测电路。一种是电位计式电路，一种是桥式电路，通常采用惠斯登电桥。在电阻应变仪中，主要是通过惠斯登电桥原理来量测应变所引起的电阻变化的微小信号。,图3.8 惠斯登电桥,当电桥平衡（即）时，,(2）电桥原理 当电桥接成1/4电桥时，,当电桥接成全电桥时，,在全等臂电桥，即 且应变片的灵敏系数相同 的情况下：,当电桥为1/4桥臂时，当电桥为半桥时，当电桥为全桥接法时，,电桥输出电压的增量UBD与桥臂电阻变化率 R/R或应变成正比，输出电压与四个桥臂应变的代数和成线性关系。电桥的增减特性，即相邻两桥臂的应变输出符号相反，相对桥臂的应变输出符号相同。,2、电阻应变仪,(3）平衡电桥原理 在实际测量中，应变片的阻值总有偏差，接触电阻和导线的电阻也有差异，使电桥产生不平衡。为了满足实际测量的需求，应变仪改成了平衡电桥（如图3.9）。R1为工作片，R2为温度补偿片，R3、R4由滑线电阻ac代替，触点D平分ac。且使桥路,图3.9 电桥平衡,桥路处于平衡状态时有：当构件受力变形后，R1有微小变量R1，此时桥路失去平衡，调整触点D使桥路重新恢复平衡的条件为：,整理得：,2、电阻应变仪,(4）温度补偿技术 1）温度效应的概念 用电阻应变片测量应变时，应变片除了能感受试件本身应变外，由于环境温度变化的影响，同样也能通过应变片的感受而引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。2）产生温度效应的原因 温度变化从两个方面使应变片的电阻值发生变化。第一是电阻丝温度改变时，其电阻将会随之改变，即：第二是因为材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，但二者又粘在一起，当温度改变时，引起附加电阻的变化，即：,总的温度应变效应为：,2、电阻应变仪,(4）温度补偿技术 3）温度补偿的方法 温度补偿的方法有两种：应变片自补偿法和桥路补偿法。较常用的是桥路补偿法。桥路补偿法：利用电桥的加减特性，当电桥的两个相邻桥臂的电阻相同时，反映在电桥输出上起了相互抵消的作用。桥路补偿又分温度片补偿和工作片补偿法。温度片补偿法 R1为工作片粘贴在试件上，R2为温度补偿片粘贴在补偿块上，R3、R4为精密无感电阻。,图3.10 温度片补偿法,2、电阻应变仪,(4）温度补偿技术 3）温度补偿的方法 工作片补偿法 测量时，如果在被测构件上能找到应变符号相反，比例关系已知、温度条件相同的两个测点，在这两个测点上各粘贴一个工作应变片，例如在悬臂梁同一截面上下各粘贴一片接在相邻桥臂上，在等臂条件下可实现温度补偿。如图3.11所示。,图3.11 工作片补偿法,2、电阻应变仪,(1)线位移变形测量结构的位移主要是指试件的挠度、侧移、转角、支座偏移等参数。量测位移的仪表主要有：机械式、电子式及光电式等多种。,第五讲 位移与变形测量仪器,1接触式位移计接触式位移计为机械式仪表，它主要由测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件组成。,1-短针齿轮；2-齿轮弹簧；3-长针；4-测杆；5-测杆弹簧；6、7、8-齿轮图1 百分表的构造图,接触式位移计根据刻度盘上最小刻度值所代表的量分为百分表（刻度值为0.01mm）、千分表（刻度值为0.001mm）和挠度计（刻度值为0.05mm或0.01mm）。接触式位移计的度量性能指标有刻度值、量程和允许误差。,2应变梁式位移传感器 应变梁式位移传感器的主要部件是一块弹性好、强度高的铍青铜制成的悬臂弹簧片（图2）,簧片一端固定在仪器外壳上。在簧片上粘贴四片应变片，组成全桥或半桥测量电路，簧片的自由端固定有拉簧，拉簧与指针固结。量程为30150mm，读数分辨率可达0.01mm。,1-应变片；2-悬臂梁；3-引线；4-弹簧；5-标尺；6-指针；7-测杆；8-固定环图2 应变梁式位移传感器,3滑线电阻式位移传感器 滑线电阻式位移传感器由测杆、滑线电阻和触头等组成，构造与测量原理如图3所示。滑线电阻固定在表盘内，触电将电阻分成R1及R2。采用这样的半桥接线，其输出量与电阻增量（或应变增量）成正比，亦即与位移成正比。量程可达10100mm以上。,1-测杆；2-滑线电阻；3-触头；4-弹簧图3 滑线电阻式位移传感器,4差动变压式位移传感器 如图4所示为差动变压式位移传感器的构造原理。它由一个初级线圈和两个次级线圈分内外两层，共同绕在一个圆筒上，圆筒内放置一个能自由上下移动的铁芯。初级线圈加入激磁电压时，通过互感作用使次级线圈感应而产生电势。,1-线圈；2-次级线圈；3-圆形筒；4-铁芯图4 差动变压器式位移传感器,铁芯居中时，感应电势，无输出信号。铁芯向上移动，这时，输出为。铁芯向上移动的位移愈大，也愈大。,(2)角位移测量,角位移测量的仪表主要有：杠杆式测角器、水准式倾角仪、电子倾角仪等。,1-刚性杆；2-试件；3-位移计图5 杠杆式测角器,1)杠杆式测角器杠杆式测角器构造示意如图5，将刚性杆1固定在试件2的测点上，结构变形带动刚性杆转动，用位移计测出3、4两点位移，即可算出转角,当L=100mm，时，则可测得转角值为110-3弧度，具有足够的精度。,2)水准式倾角仪,水准式倾角仪的构造如图6所示。水准管1安置在弹簧片4上，一端铰接于基座6上，另一端被微调螺丝3顶住。当仪器用夹具5安装在测点上后，用微调螺丝使水准管的气泡居中，结构发生变形后气泡漂移，再转动微调螺丝使气泡重新居中，度盘前后两次读数的差即为测点的转角：,1-水准管；2-刻度盘；3-微调螺丝；4-弹簧片；5-夹具；6-基座；7-活动铰图6 水准式倾角仪,L为铰接基座与微调螺丝顶点之间的距离；h为微调螺丝顶点前进或后退的位移。仪器的最小读数可达12，量程为3。,图7 电子倾角仪,3)电子倾角仪,电子倾角仪实际上是一种传感器。它通过电阻的变化来测定结构某部位的转动角度。仪器的构造原理如图7所示。主要装置是一个盛有高稳定性导电液体的玻璃器皿，在导电液体中插入3根电极并加以固定，电极等距离设置且垂直于器皿底面。,量测力的仪器分为机械式和电测式两种，其基本原理是用一弹性元件去感受力或液压，弹性元件在力的作用下，发生与外力或液压成对应关系的变形。,第六讲 力值测量仪器,1.荷载和反力测定,图8 荷重传感器内壁筒,荷载传感器可以量测荷载、反力以及其他各种外力。根据荷载性质不同，荷载传感器的形式有拉伸型、压缩型和通用型三种。各种荷载传感器的外形基本相同，其核心部件是一个厚壁筒（图8）。在筒壁上贴有电阻应变片以便将机械变形转换为电量。目前，荷重传感器多用钢弦代替应变片，可以直接读出所需要的力值。,2.拉力和压力测定,测力计是利用钢制弹簧、环箍或簧片在受力后产生弹性变形的原理，将变形通过机械放大后，用指针度盘表示或借助位移计反映力的数值。用于测量张拉钢丝或钢丝绳拉力的环箍式拉力计如图9所示。它由两片弓形钢板组成一个环箍。在拉力作用下，环箍产生变形，通过一套机械传动放大系统带动指针转动，指针在度盘上的示值即为外力值。如图10所示是另一个环箍式拉、压测力计。它用粗大的钢环作弹簧，钢环在拉、压力作用下的变形，经过杠杆放大后推动位移计工作。,1-指针；2-中央齿轮；3-弓形弹簧；4-耳环；5-连杆；6-扇形齿轮；7-可动接板 图9 环箍式拉力计,1-位移计；2-弹簧；3-杠杆；4、7-下、上压头;5-杠杆；6-钢环；8-拉力夹头 图10 环箍式拉、压测力计,第七讲 裂缝与温度测定,1.裂缝检测,裂缝的产生和发展是钢筋混凝土结构反映的一个重要特征，对确定结构的开裂荷载、研究结构的破坏过程与结构的抗裂及变形性能均有十分重要的价值。目前，最常用于发现裂缝最简便的方法是借助放大镜用肉眼观察。在试验前用纯石灰水溶液均匀地刷在结构表面并等待干燥。当试件受力后，白色涂层将在高应变下开裂并剥落。用白灰涂层，具有效果好、价廉和使用技术要求不高等优点。而裂缝宽度的测量通常使用下列仪器：1)读数显微镜 2)裂纹扩展片,1)读数显微镜,（a）读数显微镜；（b）宽度板图11 测量裂缝宽度的仪器和标尺,2)裂纹扩展片,（a）裂纹扩展片；（b）裂纹扩展片测裂缝图12 裂纹扩展片及应用,某些材料和试件的裂纹扩展情况及扩展速率可采用裂纹扩展片进行测量。裂纹扩展片的构造如图12所示，它是由栅体和基底组成，栅体是平行的栅条。各栅条有一端互不相连，可将某一栅条的端部及公用端与仪器相连，测定裂纹是否已达到该栅条处。此法在断裂力学试验中应用较多。,图13 热电偶原理,大体积混凝土入模后的内部温度、预应力混凝土反应堆容器的内部温度等都是很重要的物理量。由于这些温度很难计算，所以只能用实测方法确定。通常，量测混凝土内部温度的方法是使用热电偶或热敏电阻。热电偶的基本原理如图13所示。它是由两种导体A和B组成一个闭合电路，并使结点1和结点2处于不同的温度T和T0。,2.内部温度测量,目前，在工程中常用热敏电阻的温度传感器，国内主要有：长沙金码高科技有限公司生产的温度传感器JMT-36B和JMT-36C等，进口的温度传感器主要有：美国基康(GEOKON)公司生产的BGK-3700型和加拿大KOCTEST公司生产的EG-1472型等。,第八讲 索力测量,要在施工过程中比较准确地了解索力的实际状态，选择适当的量测方法和仪器，并设法消除现场量测中各种因素的影响非常关键。迄今为止,可供现场测定索力的方法主要有7种：电阻应变片测定法；拉索伸长量测定法；索拉力垂度关系测定法；压力表测定法；压力传感器测定法；频率法；磁通量法 方法从理论上是可行的，但实施会遇到较多的实际问题，一般不予采用；方法测定拉索张拉过程的索力变化较为方便，但不能测定成桥后索力；方法既可测定拉索张拉过程的索力变化，又可测定成桥后索力。,1压力表测定法,由于千斤顶的张拉油缸中的液压和张拉力有直接的关系，所以只要通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，就可求得索力。使用0.30.5级的精密压力表，并事先通过标定，求得压力表所示液压和千斤顶张拉力之间的关系，则利用压力表读数测定索力。这种方法简单易行，是施工中控制索力最实用的方法，其精度可达1%2%。,2压力传感器测定法,张拉时，千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索锚具，如果在连接杆上套一穿心式压力传感器，张拉时处在千斤顶张拉活塞和连接杆螺母之间的传感器，在受压后就输出电讯号，于是就可在配套的二次仪表上读出千斤顶的张拉力。为了减小传感器的高度，常采用孔幅式或轮辐式传感器。这类传感器应当专门设计，并由专业工厂制作，方可收到良好的效果。这种方法精度可达0.5%1.0%。,3频率法,（1）方法简介 频率法是利用精密拾振器，拾取拉索在环境随机振动、人工激振或激振器激振下的振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，再根据频谱图来确定拉索的自振频率，然后根据自振频率与索力的关系确定索力。用频率法测定索力，设备可重复使用。现有的仪器及分析手段，测定频率精度可达到0.005Hz。,（2）测试原理 频率法测量索力过程包含三项内容：测量索结构的自振频率；索力频率关系即 曲线的拟合（图14）；把实测值代入 中，得到实测索力。,图14 频率法测索力原理,3频率法,根据弦振动理论，当张紧索抗弯刚度可忽略时(柔性索)，其动力平衡方程为：,式中 y横向坐标(垂直于索的长度方向)；x纵向坐标(索的长度方向)；m单位索长的质量；g重力加速度；T索的张力；t时间。若索的两端为铰结时，可得：式中fn 索的第n阶段自振频率；L索的长度；n振动阶数。,3频率法,近年来国内对频率法测定索力进行了大量的研究，对拉索的抗弯刚度、支承条件、斜度、垂度以及拉索的初应力等影响索力的因素进行了分析研究。当索的抗弯刚度不能忽略(即刚性索)，且索的两端为铰结时，,式中 索的抗弯刚度。,1）抗弯刚度和边界条件的影响对斜拉桥而言，索长一般大于40 m，两种边界条件下计算的索力一般相差不超过5%。细长拉索不计抗弯刚度时求得的索力比计入抗弯刚度时偏大，但不会超过3%，对于长度小于40m的斜拉索和系杆拱的吊杆有可能超过5%，此时应计入抗弯刚度的影响。,3频率法,2)斜度的影响实际斜拉索均存在一定的斜度，亦即两端不等高。分析结果表明，拉索的斜度影响可以忽略。3)垂度的影响岛田忠幸通过由振动引起的拉索张力变化的影响，引入参数：研究表明：垂度对对称振型固有频率的影响比较大；当时，拉索垂度的影响较小。即使，对于反对称振型，拉索垂度和由振动引起的拉索的张力改变对拉索张力的影响亦很小，但对超长索，垂度的影响较大，索力测试时须考虑垂度的影响。理论分析知拉索初应力较小时计算索力应计入垂度的影响。斜拉桥施工中斜拉索都要经过几次张拉。第一次初应力较小，垂度较大、垂度对实测低阶频率影响较大，为了减小垂度对实测索力的影响，建议采用4阶以上频率计算索力。,第九讲 振动测量仪器,拾振器除应正确反映结构物的振动外，还需不失真地将位移、加速度等振动参量转换为电量，输入放大器。转换的方式很多，有磁电式、压电式、电阻应变式、电容式、光电式、电涡流式等等。1）磁电式拾振器基于磁电感应原理，能线性地感应振动速度，它适用于实际结构物的振动测试，缺点是体积大而重，有时会对被测系统产生影响，使用频率范围较窄；2）压电晶体式传感器体积小，自重轻，自振频率高，适用于模型试验；3）电阻应变式传感器低频性能好，放大器采用动态应变仪；4）差动电容式传感器抗干扰力强，低频性能好，和压电晶体式同样具有体积小、重量轻的优点，但其灵敏度比压电晶体式高，后续仪器简单，因此是一种很有发展前途的拾振器；5）机电耦合伺服式加速度拾振器，由于引进了反馈的电气驱动力，改变了原有质量弹簧系统的自振频率，因而扩展了工作频率范围，同时提高了灵敏度和量测精度，在强振观测中，已经有代替原来各类加速度拾振器的趋势。目前，国内应用最多的拾振器多为惯性式测振传感器，即磁电式速度传感器和压电式加速度传感器。,石家庄铁道学院土木工程分院结构实验室概况 结构实验室成立于1986年，是学院桥梁工程、隧道工程、道路与铁道工程、工业与民用建筑等土建专业科研与教学实验的主要基地。实验室具有装备精良的桥梁检定、现场试验和施工监控仪器设备以及旧桥评估测试设备。在科研、设计、监理、施工监控、现场试验、工程质量检验、旧桥状态及寿命评估和加固、质量事故分析等方面有相当丰富的理论和实践经验，是石家庄铁道学院桥梁隧道工程硕士学位授予点。结构实验室现有建筑面积2000m2，拥有各种高精密仪器1000多台件，设备总资产达1800万元。现有研究人员13人（教授2人、副教授3人，讲师4人，其他人员4人），在研究人员中博士3人，硕士5人，硕士研究生5名。经过全体实验人员十几年的艰苦努力，现在结构实验室已能够进行：1）混凝土桥和钢梁桥及模型结构的静力、动力性能试验和技术咨询；2）各种大型桥梁结构的施工监控和运营期间的健康监测；3）各种新、旧桥梁结构的评估与加固；4）桩基检测；5）预应力孔道摩阻测试；6）轨道、道床等现场试验与测试；7）结构振动、冲击及疲劳试验等等。可为有关土建行业的企、事业单位的科研、设计及施工现场提供强有力的支持和服务。具有国家计量认证CMA检测资质。,