结构实验技术讲稿静力部分2

1、1结构试验技术Structural Testing Technology 陈再现陈再现 副教授、博士副教授、博士上课了上课了！23.3 3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 量测系统又称为采集系统，是用各种仪器量测系统又称为采集系统，是用各种仪器和装置测量试验数据中的和装置测量试验数据中的输入输入（作用）和（作用）和输出输出（效应、响应）数据（效应、响应）数据试验数据的试验数据的采集采集是试验的重要步骤，也是是试验的重要步骤，也是结构试验成功的必要条件之一，只有采集结构试验成功的必要条件之一，只有采集到到可靠可靠的数据，才能通过数据处理得到的数据，才能通过数据处理得到正正确确的

2、试验结果。为采集到准确、可靠的数的试验结果。为采集到准确、可靠的数据，应该采用正确的采集方法。据，应该采用正确的采集方法。3一、数据测量方法一、数据测量方法人工测量与人工记录人工测量与人工记录：如用直尺测量位移、裂缝宽度。仪器测量与人工记录：仪器测量与人工记录：如用百分表测量位移，或用应变仪配应变计或位移计测量应变或位移。仪器测量与仪器记录仪器测量与仪器记录：如用传感器配X-Y记录仪进行测量和记录，或用传感器、放大器和磁带记录仪进行测量和记录。先进的数据采集系统测量与记录：先进的数据采集系统测量与记录：计算机系统。 在实际试验时，采用何种数据采集方法应该根在实际试验时，采用何种数据采集方法应该

3、根据试验目的和要求及仪器设备的据试验目的和要求及仪器设备的实际条件实际条件来确定，来确定，应该按照用最经济合理的代价来获取最多的应该按照用最经济合理的代价来获取最多的有用数有用数据据的原则来确定。的原则来确定。maxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 4maxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 感受部分感受部分放大部分放大部分显示记录部分显示记录部分测量仪表的基本组成测量仪表的基本组成5 二、结构试验测量仪器的主要技术性能指标二、结构试验测量仪器的主要技术性能指标 1 1刻度值：刻度值：（最小分度值）（最小分度值） 仪器的指示或显示装置所能指示的最小测量

4、值，仪器的指示或显示装置所能指示的最小测量值，即是每一最小刻度所表示被测量的数值。即是每一最小刻度所表示被测量的数值。 2 2量程：量程：仪器可以测量的最大范围仪器可以测量的最大范围 3 3灵敏度：灵敏度：被测量的单位物理量所引起仪器输出被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示装置示值的大小，即仪器对被测物理量变化或显示装置示值的大小，即仪器对被测物理量变化的反应能力。的反应能力。 4 4分辩率：分辩率：仪器测量被测物理量最小变化值的能仪器测量被测物理量最小变化值的能力。力。maxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 6 5 5线性度：线性度：仪器校准曲线对理想拟合直线仪器校准

5、曲线对理想拟合直线的接近程度，可用校准曲线与拟合直线的最的接近程度，可用校准曲线与拟合直线的最大偏差作为评定指标。大偏差作为评定指标。 6 6稳定性：稳定性：当被测物理量数值不变，仪器当被测物理量数值不变，仪器在规定的时间内保持标值与特性参数不变的在规定的时间内保持标值与特性参数不变的能力。能力。 7 7精密度（重复性）：精密度（重复性）：在同一工作条件下，在同一工作条件下，仪器多次重复测量同一数值的被测量时，保仪器多次重复测量同一数值的被测量时，保持示值一致的能力。持示值一致的能力。 8.8. 精确度：精确度：仪器指示值与被测值的符合程仪器指示值与被测值的符合程度。准确度和精密度的总称。度。

6、准确度和精密度的总称。maxRmaxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 7三、仪器的标定三、仪器的标定 为了确定仪器设备的灵敏度和精确度，确定试为了确定仪器设备的灵敏度和精确度，确定试验数据的误差，应该在验数据的误差，应该在试验前试验前或或试验后试验后对仪器设备对仪器设备进行标定。仪器标定可按两种情况进行：进行标定。仪器标定可按两种情况进行： 1. 1. 对仪器进行单件标定对仪器进行单件标定 2. 2. 对仪器系统进行系统标定。对仪器系统进行系统标定。maxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 8 四、结构试验时测量仪器的使用要求四、结构试验时测量仪器的使

7、用要求 1 1测量仪器不应该测量仪器不应该影响结构的工作影响结构的工作，要求仪器自，要求仪器自重轻，尺寸小，尤其是对模型结构试验，还要考虑重轻，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。仪器的附加质量和仪器对结构的作用力。 2 2测量仪器具有合适的灵敏度和量程，精度一般测量仪器具有合适的灵敏度和量程，精度一般要求所测最大误差不超过要求所测最大误差不超过5%5%，量程以选最大被测值，量程以选最大被测值的的1.251.25至至2 2倍倍为好。为好。 3 3安装使用方便，安装使用方便，稳定性稳定性和和精确度精确度好。好。 4 4价廉耐用，可重复使用，安装可靠，维修容易

8、。价廉耐用，可重复使用，安装可靠，维修容易。 5 5在达到上述要求条件下，尽量要求多功能、多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。用途，以适应多方面的需要。maxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 9 四、主要内容四、主要内容应变测量应变测量其他参数测量仪器其他参数测量仪器数据采集系统数据采集系统maxR3.3 结构静载试验的量测系统结构静载试验的量测系统 103.3.1 应变测量测量方法：电阻应变仪：应变计+应变仪（常用）手持应变仪：校核，测点少时采用。位移计方法：足尺结构试验应变测量光测法（云纹法、激光衍射法、光弹法）：测量平面应变，较多用于

9、测量节点和局部应力。变形，应变定义：单位长度的LL11一、电阻应变计电阻应变计3.3.1 应变测量12maxR构造：基底有胶基和纸基，电阻栅有金属丝或箔3.3.1 应变测量13 电阻应变计原理：电阻应变计原理：设变形后其长度变化为设变形后其长度变化为取对数微分：取对数微分： 式中：式中：maxRAlR dRddldARlA l dRKR 在弹性范围电阻应变计的在弹性范围电阻应变计的灵敏系数为一常数灵敏系数为一常数 灵敏系数通常灵敏系数通常K=2.0左右左右 3.3.1 应变测量2dAdDAD 22dll (1 2 )dRR (1 2 )dRKKR 14选用原则：选用原则：标距标距L：选择原则上

10、：选择原则上应尽量小应尽量小。特别是对于应。特别是对于应力梯度较大的结构和应力集中的测点。但对力梯度较大的结构和应力集中的测点。但对某些非均质材料组成的结构，应有适当范围，某些非均质材料组成的结构，应有适当范围，如混凝土应取大于骨料的最大粒径的如混凝土应取大于骨料的最大粒径的3倍；砖倍；砖石结构取大于石结构取大于4皮砖等，才能正确反映平均值。皮砖等，才能正确反映平均值。阻值阻值R：R=120(60600)。应变计阻值相。应变计阻值相差差0.5%，并结合和应变仪选用。，并结合和应变仪选用。灵敏系数灵敏系数K：K2.0(1.82.6)，同次试验宜相，同次试验宜相同同3.3.1 应变测量15粘贴技术

11、粘贴技术3.3.1 应变测量16粘贴技术粘贴技术3.3.1 应变测量17maxR二、电阻应变仪电阻应变仪3.3.1 应变测量10001000 R/R=K2.02.0* *10000.00210000.002微弱的电信号测量困难微弱的电信号测量困难信号测量然后经放大电路放大后信号测量然后经放大电路放大后处理处理Q235屈服屈服应变在应变在200300 左右左右18maxR二、电阻应变仪电阻应变仪3.3.1 应变测量 电阻应变仪是把电阻应变量测系统中放大与指电阻应变仪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，主示（记录、显示）部分组合在一起的量测仪器，主要是由振荡器，

12、测量电路、放大器，相敏检波器和要是由振荡器，测量电路、放大器，相敏检波器和电源等部分组成，把应变计输出的信号进行转换，电源等部分组成，把应变计输出的信号进行转换，放大，检波以至指示或记录。放大，检波以至指示或记录。19maxR二、电阻应变仪电阻应变仪3.3.1 应变测量20 电阻应变仪的原理电阻应变仪的原理: : 本质上就是电桥的工作原理，通常采用本质上就是电桥的工作原理，通常采用惠惠斯登电桥斯登电桥。如下图所示。如下图所示。 maxRAUUBD1R2R3R4RBCD3.3.1 应变测量21由分压原理可得：由分压原理可得： 112ABRVURR 4 4A AD D3 34 4R RV V= =

13、U UR R + + R R1 3241412341234()()BDABADRRRRRRUVVUUURRRRRR RR假定四臂发生的电阻变化分别为假定四臂发生的电阻变化分别为 、 、 、 则桥路输出电压则桥路输出电压增量为：增量为：1R 2R3R4R343121242212123434()()BDR RRRRRRRUURRRRRRRR 3.3.1 应变测量22若若4 4个应变计规格相同个应变计规格相同即即 ，maxR1234RRRRR1234KKKKK3124123444BDRRRRUUUKRRRR340由此可见，电桥的输出电压与四个桥臂应变的代由此可见，电桥的输出电压与四个桥臂应变的代数和

14、呈线性关系，且数和呈线性关系，且邻臂电阻变化邻臂电阻变化的符号相反，的符号相反，成成相减输出相减输出，对臂电阻变化对臂电阻变化的符号相同，成的符号相同，成相加相加输出输出。3.3.1 应变测量231、温度补偿技术 Temperature Compensation TechniqueMT解决方案解决方案利用桥臂工作特性利用桥臂工作特性24解决方案解决方案利用桥臂工作特性利用桥臂工作特性1、温度补偿技术 Temperature Compensation TechniqueMT补偿片R24321TTMM工作片R1T所要满足的条件所要满足的条件环境温度相同环境温度相同材质相同材质相同应变片相同应变片相

15、同不受力不受力多点补偿多点补偿252、常见应力状态的量测 Strain Measurement of Common Stress State 轴向受力构件轴向受力构件R1R2TNT4321TTNN1/4桥路桥路TN-R2)(TNTNN)1 ( 半桥半桥4321262、常见应力状态的量测 Strain Measurement of Common Stress State 轴向受力构件轴向受力构件R1TN全桥全桥R2R4R3TN-)(4321)()()(TNTNTNTNN)1 (2N)1 ( 272、常见应力状态的量测 Strain Measurement of Common Stress Sta

16、te 轴向受力构件轴向受力构件R1R2TNTNR4R34321TTNTTN)(N2282、常见应力状态的量测 Strain Measurement of Common Stress State 轴向受力构件轴向受力构件R11R21R22R12N2?N292、常见应力状态的量测 Strain Measurement of Common Stress State 弯曲受力构件弯曲受力构件R2R1TMT1/4桥路桥路MTTMTM半桥半桥MTMTM2)(R3R4全桥全桥MTMTMTMTM4)()()(302、常见应力状态的量测 Strain Measurement of Common Stress S

17、tate 轴力弯矩共同作用构件轴力弯矩共同作用构件MNMNR2R1TTMTNMTNM2)(弯曲应变弯曲应变R3轴向应变轴向应变R2R4NTTNMTTNM2)(31三、其他应变测量仪器根据应变的定义根据应变的定义LL/3.3.1 应变测量32三、其他应变测量仪器1 1、手持应变仪、手持应变仪工作原理：在标距两端工作原理：在标距两端粘结两个脚标（每边各一粘结两个脚标（每边各一个），通过测量结构变形个），通过测量结构变形前后两个脚标之间距离的前后两个脚标之间距离的改变，求得标距内的平均改变，求得标距内的平均应变应变常用于现场测量，且适常用于现场测量，且适用于持久试验，标距为用于持久试验，标距为505

18、0250mm250mm，读数的位移，读数的位移计可选用百分表或千分表计可选用百分表或千分表1 1插脚；插脚；2 2千分表；千分表；3 3刚性骨架；刚性骨架；4 4薄钢片；薄钢片；5 5脚座；脚座；6 6试件试件3.3.1 应变测量332 2、位移计方法：、位移计方法：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。3.3.1 应变测量343 3、弦式应变传感器、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。量测不受温度和长导线的影响，工作稳定，但安装复杂。1 1、4 4脚座；脚座；2 2激振与电

19、感；激振与电感；3 3钢弦；钢弦；4、光测法、光测法 光测法有：云纹法、激光衍射法、光弹法等。常用于测光测法有：云纹法、激光衍射法、光弹法等。常用于测量平面应变，较多应用于节点或构件的局部应力分析。量平面应变，较多应用于节点或构件的局部应力分析。3.3.1 应变测量353.3.2 其他参数量测仪器1、位移测试仪表、位移测试仪表（1）机械式百分表和千分表）机械式百分表和千分表1 1、2 2、6 6齿轮；齿轮；3 3长针；长针；4 4测杆；测杆；5 5测杆弹簧；测杆弹簧；7 7测杆齿轮；测杆齿轮； 8 8齿轮弹簧；齿轮弹簧；9-9-表座表座36工作原理：工作原理：百分表内齿轮和百分表内齿轮和齿轮的

20、齿距是齿轮的齿距是0.625mm。当齿杆移动当齿杆移动16齿时，即移齿时，即移动动0.6251610(mm)时，时，带动带动16齿小齿轮转齿小齿轮转1周。同周。同时，齿数为时，齿数为100的大齿轮也的大齿轮也转转1周。它又带动齿数为周。它又带动齿数为10齿的小齿轮和长指针转齿的小齿轮和长指针转10周。当齿杆移动周。当齿杆移动1mm时，时，长指针转长指针转1周。由于表盘上周。由于表盘上共刻共刻100格，所以长指针每格，所以长指针每转转1个刻度表示齿杆移动个刻度表示齿杆移动0.01mm。3.3.2 其它参数测量仪器37百分表和千分表百分表和千分表 百分表的表盘按百分表的表盘按0.01mm0.01m

21、m刻度，读数精度可以达到刻度，读数精度可以达到0.005mm0.005mm。百分表的量程一般为。百分表的量程一般为10mm10mm，30mm30mm，50mm50mm。 千分表的构造与百分表基本相同，但精度齿轮的千分表的构造与百分表基本相同，但精度齿轮的放大倍数不同，其测量精度可达到放大倍数不同，其测量精度可达到0.001mm,0.001mm,量程量程一般不超过一般不超过2mm2mm。 maxR3.3.2 其它参数测量仪器38（2 2）电阻应变式位移传感器）电阻应变式位移传感器 电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一固定在传感电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一固定在传感器内的悬臂梁相连，在

22、悬臂梁的根部粘贴电阻应变片。器内的悬臂梁相连，在悬臂梁的根部粘贴电阻应变片。测杆移动时，带动弹簧使悬臂梁受力产生变形，通过电测杆移动时，带动弹簧使悬臂梁受力产生变形，通过电阻应变仪测量电阻应变片的应变变化，再转换为位移量阻应变仪测量电阻应变片的应变变化，再转换为位移量。电阻应变式电阻应变式位移传感器位移传感器 电子百分表电子百分表3.3.2 其它参数测量仪器39（3）滑动电阻式位移传感器）滑动电阻式位移传感器 滑动电阻式位移传感器的基本原理是将线位移滑动电阻式位移传感器的基本原理是将线位移的变化转换为传感器输出电阻的变化。的变化转换为传感器输出电阻的变化。 maxR340 滑动电阻式位移传感器

23、滑动电阻式位移传感器 3.3.2 其它参数测量仪器40（4）线性差动电感式位移传感器线性差动电感式位移传感器 线性差动电感式位移传感器，英文为线性差动电感式位移传感器，英文为L Linear inear V Variable ariable D Differential ifferential T Transformerransformer，简称为，简称为LVDTLVDT。工作原理是通过高频振荡器产生一参考电。工作原理是通过高频振荡器产生一参考电磁场，当与被测物体相连的铁芯在两组感应线圈磁场，当与被测物体相连的铁芯在两组感应线圈之间移动时，由于铁芯切割磁力线，改变了电磁之间移动时，由于铁芯切割

24、磁力线，改变了电磁场强度，感应线圈的输出电压随即发生变化。场强度，感应线圈的输出电压随即发生变化。 maxR340LVDT位移传感器位移传感器 3.3.2 其它参数测量仪器41maxR用位移计观测挠度或变位时，应注意：用位移计观测挠度或变位时，应注意：1 1）位移计测杆应与所观测的位移方向一致，）位移计测杆应与所观测的位移方向一致，非匀质材料的测点处应粘贴小块玻璃片。非匀质材料的测点处应粘贴小块玻璃片。 2 2）固定位移计的不动支架要有足够的刚性，）固定位移计的不动支架要有足够的刚性，位移计测杆上下灵活；位移计测杆上下灵活；3 3）符合观测所需的量程及灵敏度）符合观测所需的量程及灵敏度3.3.

25、2 其它参数测量仪器422 2转角测量仪表转角测量仪表 在结构静载试验中，结构变形反应的测量大多以在结构静载试验中，结构变形反应的测量大多以线位移线位移为主，但有时也有为主，但有时也有角位移角位移检测的要求。检测的要求。 maxR340最常见的转角测量仪器是最常见的转角测量仪器是水水准管式倾角测量仪准管式倾角测量仪，如图所，如图所示。试验时，先将倾角仪上示。试验时，先将倾角仪上水准管内的水泡调平，试件水准管内的水泡调平，试件受荷变形后，产生倾角，水受荷变形后，产生倾角，水泡偏离平衡衡位置，这时再泡偏离平衡衡位置，这时再将水泡调平，调整量就是测将水泡调平，调整量就是测点处的转角。这种读数方法点处

26、的转角。这种读数方法称为调零读数法。称为调零读数法。 长水准管长水准管 3.3.2 其它参数测量仪器43 如图所示为一电阻应如图所示为一电阻应变式倾角传感器的示意图，变式倾角传感器的示意图，将倾角仪安装在试验结构将倾角仪安装在试验结构需要测量转角的部位，结需要测量转角的部位，结构转动时，倾角传感器内构转动时，倾角传感器内的重锤使悬挂的重锤使悬挂重锤重锤的悬臂的悬臂梁产生挠曲应变，利用粘梁产生挠曲应变，利用粘贴在悬臂梁上的应变片即贴在悬臂梁上的应变片即可测量其变化，再转换为可测量其变化，再转换为倾角。倾角。maxR340电阻应变式倾角传感器电阻应变式倾角传感器 3.3.2 其它参数测量仪器44利用位移计