中南大学结构试验课件第3-2章测试技术及设备.ppt

结构试验 中南大学土木工程学院2012 三 数据采集与测量仪器 3 1测量仪表的基本概念3 2常用仪器仪表3 3振动参数的测量3 4数据采集系统 三 数据采集与测量仪器 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量3 2 2位移的测量3 2 3力的测量3 2 4裂缝的测量3 2 4振动量的测量 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 应变的测量是结构试验中最重要的测量内容 P50 了解应力分布 特别是结构危险截面处的应力分布及其最大应力值 对验证强度计算理论或验证设计是否合理 计算方法是否正确都有重要价值 还可以直接了解结构的工作状态的强度储备 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 应力的直接测量是困难的 通常是借助测量应变值 然后通过材料的 关系曲线来确定应力对于处于弹性阶段的材料 例如钢材等 可以通过 E 的关系确定应变 对于 为非线性关系的材料 如混凝土等 必须事先测得材料的 曲线 然后依据曲线确定应力 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 应变的定义 单位长度的变形通常用应变计测量试件一定长度范围 l称为标距 内的变化量 l 再计算应变值 所测出来的应变 是标距范围l内的平均应变 对于混凝土类的非均质材料 当应力梯度较大时 l的选择应尽可能小 但应大于2 3倍骨料粒经 对砖石结构应大于6倍皮砖 对木结构应不小于20cm 对均质钢结构可取小 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 从测量方法的原理分类 主要有 1 机械式的 2 电测仪器 应变片 3 其他形式 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 1 机械式的 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 3 其他形式 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 2 电测仪器 应变仪 R 金属丝的电阻值 材料电阻率l 金属丝长度A 金属丝截面积 如何利用电阻的这一性质测量应变 电阻应变计的工作原理 应变片 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 两边同除以R 得到 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 电阻应变计的工作原理 为应变 电阻丝材料的泊松比 c为物性确定的常数 都代入 1 式中 得到 1 1 电阻变化率与应变成线性关系 2 K0灵敏系数一般为2 0左右 为1 10 3 1 10 6量级 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 电阻应变计的工作原理 电阻变化率非常小 10 3 10 6量级 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 测量电路的作用是把电阻的变化转化为电压或电流的变化 一般采用惠斯登电桥或电位计 后者用于动态分量测量 电桥平衡 Uout 0 当 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 电阻应变计的工作原理 3 2常用仪器仪表 电阻应变计的工作原理 3 2常用仪器仪表 电阻应变计的工作原理 3 2常用仪器仪表 电阻应变计的工作原理 温度补偿 1 为什么要进行温度补偿 2 什么情况下需要温度补偿 3 怎么补偿 当采用1 4桥测量时需要设置温度补偿应变计 主要用于消除温度变化引起的应变计的电阻变化 3 2常用仪器仪表 电阻应变计的工作原理 温度补偿时的注意事项 1 与测量应变计规格相同 2 粘在相同的材料上 3 处在相同的温度场 4 补偿片不能受力 多点补偿 一个温度补偿片可供多个测量片使用 一般砼5点 钢结构10点共用一个补偿片 桥温度补偿接线示意图 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 应变片的种类和贴片技巧 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 应变片的种类和贴片技巧1 标距L 根据测点材质和应力梯度选择 均质材料大梯度选小标距 如钢材取5 10mm 非均质材料小梯度选大标距 如砼选3倍骨料粒径 80 120mm 2 阻值R R 120 60 600 应变计阻值相差0 5 并结合和应变仪选用 3 灵敏系数K K 2 0 1 8 2 6 同次试验宜相同4 根据使用环境选择应变计种类 长期和短期 试验室和现场 常温和低温或高温 常规与疲劳 潮湿与干燥 胶基和纸基 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 应变片的种类和贴片技巧1 基本要求 1 测点基地平整 清洁 干燥 2 粘接剂性能良好 如502快干胶 环氧树脂 3 粘贴牢固 方位准确 不含气泡 4 粘贴前后阻值不变 绝缘电阻50M 以上 2 粘贴过程 1 测点处理 打磨 清洗 打底 划线 2 应变粘贴 涂胶 挤压 3 固化处理 自然干燥或人工加温 50度 4 粘贴质量检查 外观 阻值和绝缘 5 导线连接 固定点设置 焊线 6 防潮防护 石蜡 703硅橡胶 环氧树脂等 课本P56 57 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量 常见应变仪的接线方式 3 2 1应力 应变的测量 1 轴向受力 1 4桥 3 2 1应力 应变的测量 2 轴向 半桥 3 2 1应力 应变的测量 3 轴向 全桥 3 2 1应力 应变的测量 4 弯曲 半桥 3 2 1应力 应变的测量 5 弯曲 全桥 3 2 1应力 应变的测量 6 弯曲 全桥 3 2 1应力 应变的测量 7 扭转 半桥 工作片互为补偿灵敏度提高1倍 3 2 1应力 应变的测量 8 拉弯组合 测量弯曲应变半桥 消除轴力影响 灵敏度提高1倍 测量轴向应变半桥 消除弯曲影响 灵敏度不提高 3 2 1应力 应变的测量 对于板壳结构的主应变未知 每个测点布置三个应变片 称为 应变花 可计算测量点的主应力 切应力和主应力方向 1 高应变梯度区内测量点应变的方法 2 应变场中的应变分布P73 3 2 1应力 应变的测量 三 数据采集与测量仪器 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量3 2 2位移的测量3 2 3力的测量3 2 4裂缝的测量3 2 4振动量的测量 3 2 2位移的测量 位移反应了结构的变形 可以概况结构的整体工作状态 任何局部的异常变化或损坏都可以反应到位移上 某一关键点的载荷 位移曲线或结构的挠度曲线 3 2 2位移的测量 常指线位移 常用的测量仪器有机械式百分表 电子百分表 滑阻式传感器 差动电感式传感器 水准仪 3 2 2位移的测量 百分表 3 2 2位移的测量 桥梁挠度测量仪 挠度测量实验 3 2 2位移的测量 挠度 Deflection 结构构件受到外力 荷载 作用下 造成的变形 弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度 普通简支梁的挠度曲线 加劲梁的挠度曲线 注意 a测量构件挠度曲线时 沿构件长度方向至少布置5个测点 b对于板壳结构 应沿两个方向布置测点 3 2 2位移的测量 钢筋混凝土梁跨中弯矩 挠度曲线 低碳钢应力 应变曲线 3 2 2位移的测量 支座沉降的修正 三 数据采集与测量仪器 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量3 2 2位移的测量3 2 3力的测量3 2 4裂缝的测量3 2 4振动量的测量 3 2 3力的测量 常见的力的测量仪器都是利用了 虎克定律 宏观 变形正比与外力微观 应变正比与应力 3 2 3力的测量 不同类型力传感器 通过测量应变计算所需要的力 六分量力 扭距传感器 ATI Six componentforce torquetransducer 3 2 3力的测量 Loadcell 3 2 3力的测量 压电效应和高频力传感器 三 数据采集与测量仪器 3 2常用仪器仪表 3 2 1应力 应变的测量3 2 2位移的测量3 2 3力的测量3 2 4裂缝的测量3 2 4振动量的测量 开裂 开裂时间和位置1 借助放大镜用肉眼观察 表面先刷大白浆或涂料2 用应变计或导电漆膜交替搭接布置来测量开裂 当某处开裂时 该处应变计读数突变或跨裂缝的漆膜出现火花直至烧断 3 声发射法 利用材料开裂时发射出声能的现象 将传感器布置在试件的表面或内部 通过声波的测量来确定开裂 4 裂缝应变计 钢结构断裂试验 3 2 4裂缝的测量 裂缝宽度 读数显微镜 裂缝标尺 3 2 4裂缝的测量 裂缝深度的测量 超声波法 3 裂缝的测量 损伤检测 三 数据采集与测量仪器 3 1测量仪表的基本概念3 2常用仪器仪表3 3振动参数的测量3 4数据采集系统 振幅 频率 相位及阻尼是动力学试验中最关系的基本参数振动参数的大小 振动参数的时间历程机械式拾振器的力学原理 三 数据采集与测量仪器 3 3振动参数的测量 P125 3 3振动参数的测量 基本概念引起结构振动的动力源称为振源 分为三类 1 固定源 各种固定机械设备 2 移动源 汽车 火车等 3 特殊源 风 地震 爆炸等振源引起的动力荷载可概况为三类 1 撞击荷载 作用时间极短 出现时刻随机 2 振动荷载 周期性显著 荷载大小 频率有明显规律 3 复杂荷载 3 3振动参数的测量 基本概念结构动态变形或内力受两类因素的影响 1 内因 结构自身的特性 结构的形式 材料 局部构造等等 2 外因 外部动荷载的性质荷载的大小 频率 作用方式等等 因此 结构动力试验也分为两类 检验结构动力特性基本参数 结构动力反映的测定 3 3振动参数的测量3 3 1常见振动类型 简谐振动 可直接从记录图上计算各振动参数 如振幅 频率 阻尼 振型等 阻尼比 自振频率 频率 衰减系数 强迫振动 分析实测振动波形 按照不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点 可以间接判定振源的某些性质 作为探测主振源的参考依据 冲击振源 振动图形是间隙性的阻尼振动 而且有明显尖峰和衰减的特点 类似于有阻尼自由衰减振动 3 3振动参数的测量3 3 1常见振动类型 三个简谐振源引起的复杂的合成振动波形 两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动图形 3 3振动参数的测量3 3 1常见振动类型 随机振动波形 3 3振动参数的测量3 3 1常见振动类型 见Origin例子 3 3振动参数的测量3 3 1常见振动类型 时域 频域 FFT 短时FFT 小波分析 3 3振动参数的测量3 3 2机械拾振器的原理 振动具有传递作用 测振时很难在振动体附近找一个静止的基准点作为参考系来安装仪器 通常用 弹簧质量体系 来测量振动体的振动参数 机械拾振器示意图 3 3振动参数的测量3 3 2机械拾振器的原理 由上面 1 2 二式 得到 各系数之含义 见P127 1 2 3 3 3振动参数的测量3 3 2机械拾振器的原理 3 式的通解为 第一项自由振动项 在阻尼作用下 随t的增大迅速衰减 可忽略 第二项强迫振动项 质量块m的振动频率与被测物是一致的 只是频率与相位不同 3 3振动参数的测量3 3 2机械拾振器的原理 幅频特性曲线 相频特性曲线 当 0 1时 B 1且 即振动质量块的物体的振幅趋近相等而相位相反 此时 实现了对振动体位移的测量 位移传感器的注意事项 1 阻尼比对幅频特性 2 相频特性的影响 3 为满足 0 1 拾振器的体积和质量都要较大 可能影响结构的振动 P129 3 3振动参数的测量3 3 2机械拾振器的原理 3 3振动参数的测量3 3 2机械拾振器的原理 当 0 1时 加速度传感器幅频曲线 即当 0 1时 拾振器振幅与振动体加速度成正比 位移传感器 加速度传感器 0 1 可测量物体位移 振幅 0 1 可反应物体的加速度 加速度信号积分两次可得位移 3 3振动参数的测量3