中南大学结构试验课件第3_2章 测试技术及设备

1、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三、数据采集与测量仪器3.1 测量仪表的基本概念测量仪表的基本概念3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.4 数据采集系统数据采集系统三、数据采集与测量仪器三、数据采集与测量仪器3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表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（最重要的测量内容（P50P50）3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、

2、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：ll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23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

3、，对均质钢结构可取小。3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表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 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、应变的测量（2）电测仪器（应变仪）lRAR：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lA1lA23.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.

4、1 应力、应变的测量lRA两边同除以R，得到dAldAAldlAdRdAARdllRdR23.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、应变的测量电阻应变计的工作原理dRdldAdRlA为应变2dAA dll电阻丝材料的泊松比 1 2ddVdlccVlc 为物性确定的常数都代入(1)式中，得到（1）012(1)dRcKR（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110-3110-6量级非常小，怎么测非常小，怎么测3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表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(10-310-6量级)，测量困难。一般通过电桥把

5、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）3124RRRR电桥平衡，Uout 0 当3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、应变的测量电阻应变计的工作原理均接应变计。、）全桥43211RRRRioVRRRRRRRRV)(:43213241根据基尔霍夫定律有，称为电桥平衡。时，当03241oVRRRR。则：、臂电阻发生变化为：4321RRRRioVRRRRRRRRRRRRRRRRV)()()(4433221133224411）（）3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表电阻应变计的工作原理

6、:3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表电阻应变计的工作原理:144123321234()()oiRRRRRRRRVVRRRR）ioVRRRRRRRRRRRRRRRRRRV)()(412344413211432141，则：，若KKKKKRRRRR43214321)(4)(4432144332211iioKVRRRRRRRRVV3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表电阻应变计的工作原理:温度补偿温度补偿：（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1/41/4桥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。)(4)(44321443322

7、11iioKVRRRRRRRRVV3.2 常用仪器仪表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：多点补偿：一个温度补偿片可供多个测量片使用。一般砼多点补偿：一个温度补偿片可供多个测量片使用。一般砼5 5点，钢结构点，钢结构1010点共用一个补偿片。点共用一个补偿片。)(4)(4432144332211iioKVRRRRRRRRVV桥温度补偿接线示意图桥温度补偿接线示意图3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表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

8、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(60600)。应变计阻值相差0.5%，并结合和应变仪选用。3）灵敏系数K：K2.0(1.82.6)，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课本P56-573.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、应变的测量常见应变仪的接线方式：VoVi1R2R4R3RBCD1234()4ioKVV（1 1）

9、全桥接法）全桥接法VoVi1R2R4R3RBCD12()4ioKVV（2 2）半桥接法）半桥接法BVoVi1R2R4R3RCD1( )4ioKVV （3 3）1/41/4桥接法桥接法3.2.1 应力、应变的测量 (1)(1)轴向受力（轴向受力（1/41/4桥）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

10、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 P733.2.1 应力、应变的测量三、数据采集与测量仪器三、数据采集与测量仪器3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、应变的测量3.2.2 3.2.2 位移的测量位移的测量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

11、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载荷位移曲线或结构的结构的挠度曲线挠度曲线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 挠度挠度普通简支梁的挠度曲线普通简支梁的挠度曲线加劲梁的挠度曲线加劲梁的挠度曲线注意注意

12、: : 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P支座沉降的修正三、数据采集与测量仪器三、数据采集与测量仪器3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.2.1 应力、应变的测量3.2.2 位移的测量3.2.3 3.2.3 力的测量力的测量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：不同类型力传感器：通过测量应变计算

13、所通过测量应变计算所需要的力需要的力六分量力六分量力- -扭距传感器（扭距传感器（ATIATI）Six-component force-torque transducer3.2.3 力的测量Load cell3.2.3 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三、数据采集与测量仪器3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表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 3.2.4 裂缝的测量裂缝的测量3.2.4 振动量的测量开裂：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，

14、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：裂缝深度的测量：超声波法3、裂缝的测量损伤检测损伤检测三、数据采集与测量仪器三、数据采集与测量仪器3.1 测量仪表的基本概念测量仪表的基本概念3.2 常用仪器仪表常用仪器仪表3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.4 数据采集系统数据采集系统 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

15、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三、数据采集与测量仪器3.3 振动参数的测量振动参数的测量_P1253.3 振动参数的测量振动参数的测量_基本概念基本概念引起结构振动的动力源称为振源，分为三类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：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 振动参数的测量振动参数的测量_基本概念基本概念结构动态变形或内力受两类

16、因素的影响：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。性基本参数；结构动力反映的测定。3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.1 常见振动类型常见振动类型简谐振动简谐振动：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 11ln2kkyy阻尼比：阻尼比： 自振频率、频率自振频率、频率 11lnkkyTy衰减系数：衰减系数： 强迫振动强迫振动：分析实测振

17、动波形实测振动波形，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 振动参数的测量振动参数的测量3.3.1 常见振动类型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 振动参数的测量振动参数的测量3.3.1 常见振动类型常见振动类型随机振动波形3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.1 常见振动类型常见振动类型见Origin例子3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.1 常见

18、振动类型常见振动类型时域、频域、FFT、短时FFT、小波分析3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.2 机械拾振器的原理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。mkcxmx机械拾振器示意图3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.2 机械拾振器的原理机械拾振器的原理()0mmmm xxcxkx0sinxxt2202sinmmnmxxxxt由上面（1,2）二式，得到各系数之含义，见P127（1）（2）（3）3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.2 机械拾振器的原理机械拾振器的原理sin()sin()tmxAetBt（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2022212nnnxB3.3 振动参数的测量振动参数的测量3.3.2 机械拾振器的原理机械拾振器的原理22arctan1nn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即振动质量块的物体的振