工程结构试验第3章-量测技术

第三章 结构试验测量技术首先要搞清楚静载试验要测哪些内容？1.应变、位移与变形测量2.力的测量3.裂缝测定对输入与输出数据的量测、输入数据：试件所受到的外部作用，如力、位移和温度等。输出数据：试件的反应，如应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度等。数据的量测与方法人工测量、人工记录仪器测量、人工记录仪器测量、仪器记录自动化系统测量、记录、处理概述和分析处理。3.1仪器设备分类按功能和使用情况：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、

仪和

系统等。按仪器用途：应变计、位移传感器、测力传感器、倾角传感器、频率计和测振传感器等。量测仪表主要性能指标量程：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。最小分度值：仪表的指示所能 的最小测量值。精确度：仪表的指示值与被测值的符合程度。灵敏度：被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。滞后：恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大偏差值。4输出值加载卸载输入值应变测量原理ε＝△

L/

L应变测量方法电测和机测两类3.2

应变测量△

R△U构件截面应力值测定方法电阻应变计应变

应力σ

＝

Eε

（或σ-ε关系曲线）ε应变计电桥放大指示电阻应变计1、电阻应变计的原理及构造（1）工作原理灵敏系数（2）构造：敏感栅：将应变变换成电阻变化量基底和覆盖层：定位和保护电阻丝、绝缘粘结剂：固定敏感栅引出线：电桥接线2、电阻应变片的分类及技术指标（1）分类按栅极：丝式、箔式、半导体等。主要技术性能指标标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L。规格：以使用面积L×B表示。电阻值：应变片阻值一般在120Ω左右。灵敏系数：抽样确定。温度适用范围：主要取决于胶合剂的性质。电阻应变片分级依据：ZBY 117－82标准结构试验一般不低于C级电阻应变计型号规则类别、基底材料种类、标准电阻、敏感栅长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接线方式。如B

F350--3

AA

80

（23）

N6–X的含义是：(特指卡玛箔))；;F:改性酚醛;A:聚酰亚胺;E:酚醛B:表示应变计类别(B:箔式;T:特殊用途;Z:F:表示基底材料种类(B:玻璃纤维增强-缩醛;Q:纸浸胶;J:聚氨酯)；350:表示应变计标准电阻；3：表示敏感栅长度（mm）；AA：表示敏感栅结构形式；80：表示极限工作温度（℃）；VII.23：表示温度自补偿或弹性模量自补偿代号(9:用于钛合金;M23:用于铝合金;11:用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢;16:用于奥氏体不锈钢和铜基材料;23:用于铝合金;27:用于镁合金;)；VIII.N6：表示蠕变自补偿标号(蠕变标号:T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4，N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)；IX.X：表示接线方式(X:标准引线焊接方式;D:点焊点;C:焊端敞开式;U:完全敞开式，焊引线;F:完全敞开式，不焊引线；X**:特殊要求焊圆引线，**表示引线长度；

BX**：特殊要求焊扁引线，**表示引线长度；Q**:焊接漆包线，**表示引线长度；

G**:焊接高温引线，**表示引线长度)。103、电阻应变片粘贴技术1粘贴要求：

1）测点基底平整、清洁、干燥；2

粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好，蠕变小，粘贴强度高，温湿度影响小；同一组应变计规格型号应相同；应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡；粘贴前后阻值不改变；粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500MΩ；应变线性好，保证应变能正确传递。（2）粘贴方法及步骤（2）粘贴方法及步骤13（2）粘贴方法及步骤141516171819202122232425262728实验教学安排[实验一]应变片的粘贴技术时间：分批进行，由 老师分班安排具体实验时间；地点：土木学院结构大厅；由

、

、 老师负责；

：68054233各班联系袁老师、宋老师、 本班具体实验时间！：

。注意：由于实验时间可能安排在课余时间，教室上间不变！29实验一：应变片粘贴技术30测量绝缘性能的兆欧表31测量绝缘性能的兆欧表32实验教学安排[实验二]静态电阻应变仪的使用时间：分批进行，由 老师分班安排具体实验时间；地点：土木学院结构大厅；由

、

、 老师负责；

：68054233各班联系袁老师、宋老师、 本班具体实验时间！：

。注意：由于实验时间可能安排在课余时间，教室上间不变！33实验二：静态电阻应变仪的使用34YJ-26静态电阻应变仪3536前面板各部分功能说明：①电源开并（琴键自锁开关）：按下此开关，仪器接通电源。②电源检测开关（琴键无锁开关）：按下此开关，红色发光

二极管③便亮；如发光二级管很亮，说明干电池电源充足；如光发二级管较暗，说明干电池电源已不足。在仪器使用

过程中，一般不按下此开关。③发光二极管：见②说明。④基零开关：基零、标定、测量开关为琴键互锁开关。按下此开关，仪器显示应为0000或-0000,如不为零值可调节后机板上“调基零”电位器⑯。⑤标定开关：按下此开关，仪器处于内标定状态，并且为正值显示，调节灵敏度电位器便可得到相应的标定值。内标定值与仪器输入信号大小无关。37前面板各部分功能说明：⑥测量开关：按下此开关，仪器处于测量状态。⑦灵敏度电位器：根据应变片灵敏系数不同，可调节该电位器使仪器灵敏系数与应变片灵敏系数为一致。顺时针方向旋转电位器，增大灵敏系数；反之则减小灵敏系数。本仪器在设计时定

为：当灵敏系数为2.00时，标定值为15000με，灵敏系数与标定值关系如表1所示。当应变片灵敏系数为表1中未列出的数值，则用户根据

Kε=K’ε’原理求得相应的标定值，由上可知，当

K=2.00，ε=15000με，在已知K’情况下可得K

'

'

30000

(

)⑧调节电位器：当测量桥路处于不平衡状态时，调节该电位器，使仪器显示为0000或-0000。顺时针方向旋转电位器，显示朝正值增大方向变化；反之显示朝负值增大方向变化。⑨显示器：四位半液晶数字显示，直接显示应变值（με)。当仪器显示为正值时，符号“+”不显示出来；当仪器显示为负值时，符号“-”有显示。38⑩接线柱组A、B、C、D1、D、D2：各接线柱与测量桥路各顶端的对应关系如图3所示39从图2可见，作为半桥测量时，D1、D、D2三点必须用连接片⑮短接起来，作为全桥测量时，D1、D、D2三点之间必须断开，即去掉连接上⑮，单点测量时，A端与

B端之间，B端与C端之间分别接上工作片和补偿片；多点测量时，A端与B端之间、B端与C端之间不接任何片子，而是通过预调平衡箱来实现。40(11)接口输出座：从该座子上直接可得仪器

A/D转换器(7135)上串行输出信号，座子上 与串行输出信号对应关系如表2所示，用户可根据需要，自行配打印接口等。41(12)预调箱插头座：本仪器可直接与P10R-18型预调平衡箱相连接。五芯插头座接线如图4所示：42(13)、(14)外接直流稳压电源插头座：当本仪器不使用干电池，而直接用外接电源时，可用两组相同的直流稳压电源（+4.50~+0.60)V直接

到这两个座子上，干电池将自动断开。外接电源插头线及座子正负极性分别由图5和图6所示。连接片：见⑩说明。调基零电位器：见前面板各部分功能说明④。4344为了使各个截面的弯曲应力相同,则应随着弯矩的大小相应地改变截面尺寸,以保持相同强度的梁,这种梁称为等强度梁。DQL-450型等强梁等强度梁4546实验三：钢桁架非破坏性静载4748上节课内容小结应变测量技术概述应变测量应变片的原理与构造应变片的分类与技术指标应变片的粘贴技术（1）粘贴要求、

（2）方法步骤（3）应变电测法优点优点：感受元件重量轻，体积小；信号传递迅速、灵敏度高；可遥测，便于与计算机联用及实现自动化。缺点：连续长时间测量会出现漂移；粘贴技术比较复杂，工作量大；不能重复使用，消耗量也较大。应变的其他量测方法与仪表（P32表3-1）（1）机测法（2）光测法50（2）光测法采用光测法(光纤布拉格光栅传感器)与电测法(电阻应变片)对梁进行了同步检测。实验结果表明：光测法比电测法具有更好的稳定性和可靠性,检测结果更加合理。因而光纤布拉格光栅传感器等光测法在大型土木工程健康检测方面具有更好的应用前景。光纤光栅是一种新型的光子无源器件，它在1978年由

的Hill等人第一次制造出来，并被广泛地运用，改变了人们在传感器设计方面的观念。尤其是布拉格光纤光栅传感器，由于它具有体积小，重量轻，稳定性好，重复性好，易于光纤连接，光谱特性好，抗腐蚀，抗电磁干扰等特点，得到了广泛研究。目前

的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度，应变，压力，位移，压强，扭矩，加速度，电流，电压，磁场，热膨胀系数，等等。51根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为：式中neff为导模的有效折射率，Λ为光栅的周期。由上式可以看出，中心反射波长λB与有效折射率

neff和光栅周期Λ有关；有效折射率neff和光栅周期Λ会随着温度，压力，应变的变化而变化，从而根据中心反射波长的变化量来测量温度，压力，应变等变化量。5253光纤布拉格光栅传感器的工作原理光纤布拉格光栅使用波长位置转换法探询FBG光学传感器使用可调激光源法探询FBG光学传感器55光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅传感器可对温度的变化进行精确的测量。此类传感器具有测量精度高、定位能力强（可达到厘米

级）、监测距离长（可达数十公里），可大规模复用等优点。5657典型测温应用领域隧道、桥梁、大坝发电站、变电站、地铁站储油

、各类仓库、化工厂建筑、航天工业581.光纤光栅沉降传感器性能指标：量程:0~1000mm分辨率:2mm精度:±5mm592.光纤光栅应变传感器性能指标量程:

±2500με分辨率:2με精度:±5με603.光纤光栅位移传感器性能指标：量程:

±30mm分辨率:0.1mm精度:±0.3mm61典型结构健康监测应用领域高铁桥梁大坝62在石油井下探测的作用63644.静态电阻应变仪1

原理桥臂特性全桥与半桥（2）实用电路及其特点（P38表3-2）温度补偿提高灵敏度消除弯矩影响消除轴力影响4.1.2静态电阻应变仪的工作原理静态电阻应变仪是个电桥。它的原理是先让此桥路平衡，即输出端电压输出为零，而后开始测试。当四个桥臂电阻有阻值变化时，原来的桥路平衡被打破，输出端即有电压输出。1.平衡条件：首先，找出平衡条件。由电工学可知:R3

R414R1

R2EER

RBDU

UBD

UAB

U

AD

I1,2

R1

I3,4

R4651

2

366(R

R

)(R

R

)4故只有R1R3-R2R4=0R1R3

R2

R4BDU

要平衡，即UBD=0所以平衡条件是

R1R3=R2R4

或

R1=R2

R3=

R42.桥臂特性当四个桥臂电阻有阻值变化时，原来的桥路平衡被打破。桥臂电阻分别发生变化：ΔR1

、ΔR2

、ΔR3

、ΔR4则有：U故有：U故有：

U4

R

R

R2

34

1

E

R1R(1

C)BD4

R2

R3

R21

2

3

4

1R1

R2

R3

R4R

是一高阶小量忽略不计R

R其中C

1

R4

43

1

24

R

R

RR

E

R1

R2

R3

RBDR由于：

R

K26714

KE

3

4BD则电阻应变仪显示的应变即为：ε仪故有：此式给出了一个重要结论，即是电阻应变仪的

“桥臂特性”。它表明：电阻应变仪的两相邻桥臂的应变量具有相减性；两相对桥臂的应变量具有相加性。应用此仪器的桥臂特性即可做各类不同目的的应变测量。

仪

3

412KE上式转换：

4U

BD仪

1

2

3

4682.2.3电阻应变仪的温度补偿技术温度效应众所周知，物体随着环境温度的升高或下降是会发生热胀冷缩的。例如，当电阻应变片粘贴在被测物上时，若温度发生变化，如温度升高，此时电阻应变片的丝栅要膨胀的同时被测物体也要膨胀，由于两者材料的线热膨胀系数不同，导致膨胀程度有差异，从而导致产生一附加应力。产生的这一附加应力即以上所指的“温度效应”。温度补偿法由于需要测得的是被测物受外力作用的应变，而不是此附加应力。因此须考虑消除此附加应力。方法是：用一种材料与被测物体材料相同的物体作“补偿块”，在此“补偿块”上粘贴与被测物体一样规格大小的电阻应变片，且此补偿块是不受力的，并将此“补偿块”与被测物同处一温度场，最后将被测物上的电阻应变片（称之为工作片）与“补偿块”上的电阻应变片（称之为补偿片）接在电阻应变仪（惠电桥）两个相邻的桥臂上，利用桥臂特性的“两相邻桥臂应变量具有相减性”的特性，将附加应力消除。这种消除附加应力的方法称之为温度补偿法。69t3t

4仪

N1

t1

t

2仪

N12.2.4电阻应变仪的半桥测量法在应变测量中，多采用电阻应变仪的半桥测量。所谓半桥测量即电阻应变仪惠 电桥的下半部分的两个电阻是仪器的电阻（以下用阴影表示）构成。半桥测量轴向拉（压）应变（1）直接法，在试件沿轴向方向粘贴一电阻应变片(工作片）R1，在另一个不受力与试件材料相同且同处一温度场的“补

偿块”上粘贴与同样规格型号大小的电阻应变片(补偿片）R2。将两电阻应变片接在电阻应变仪的两个相邻的桥臂上，组成半桥，由电阻应变仪“桥臂特性”：仪

1

2

3

4

701

1

t

3t

2仪（2）提高灵敏度法，在试件沿轴向方向粘贴一电阻应变片(工作片）R1，而后再与其横向粘贴一与同样规格型号大小的电阻应变

片(工作片）R2。将两电阻应变片接在电阻应变仪的两个相邻的桥臂上，组成半桥，由电阻应变仪“桥臂特性”：仪

1

2

3

4N1仪

N1t

4N

2

仪

N1

t1

N

2

N171（3）消除附加弯曲变形法在实测轴向拉（压）变形时，有时需考虑附加的弯曲变形（如施加轴向压力时，由于所施加的压力偏心而造成试件产

生附加弯曲变形），为消除此附加弯曲变形带来的附加应变，即可采用此法消除之。，在沿轴向方向试件两侧粘贴同样规格大小的电阻应变片R1、R2(工作片），在不受力的“补偿块”上粘贴同样规格型号大小的电阻应变片R1’R2’(补偿片）。将两个串联的工作片与两个串联补偿片接在电阻应变仪的两个相邻的桥臂上，组成半桥，由电阻应变仪“桥臂特性”：仪

1

2

3

4N12t

2

t3

t

4

2t1M

2t

2t1

N

2M

1

2

1

1

1

2

1

仪72仪

N1即消除了附加弯曲变形。在此需注意的是，εM1=-εM2，只说明两者受力大小相等，方向相反。

N1

N

2M

1

M

2732.半桥测量弯曲应变

(1)直接法如图2.7(a)所示，在试件受弯处粘贴一电阻应变片R1（工作片），在另一个不受力与试件材料相同且同处一温度场的“补偿块”上粘贴与R1同样规格型号大小的电阻应变片R2（补偿片）。如图2.7(b)所示，将两电阻应变片接在电阻应变仪的两个相邻的桥臂上，组成半桥，由电阻应变仪“桥臂特性”：ε仪=ε1-ε2+ε3-ε4

则有：ε仪=（εM1+εt1）-εt2+εt3-εt4由于：εt1=εt2，εt3=εt4,故：ε仪=εM174(2)提高测量灵敏度法如图2.8(a)所示，在试件受弯两侧粘贴同样规格型号大小的电阻应变片R1、R2（工作片1、2），如图2.8(b)所示，将两电阻应变片接在电阻应变仪的两个相邻的桥臂上，组成半桥，由电阻应变仪“桥臂特性”：ε仪=ε1-ε2+ε3-ε4

则有：ε仪=（εM1+εt1）-（εM2+εt2）

+εt3-εt4由于：εM1=-εM2，则有：ε仪=2εM1故：εM1=ε仪/2它表明电阻应变仪的显示值是所求εM1的2倍，也即电阻应变仪的灵敏度提高了2倍。75(3)消除轴向变形测弯曲应变法如图2.9(a)所示，在试件受弯两侧粘贴同样规格型号大小的电阻应变片R1、R2

。(工作片1、2)，如图2.9(b)所示，将两

电阻应变片接在电阻应仪的两个相邻的桥臂上，组成半桥，由电阻应变仪“桥臂特性”：ε仪=ε1-ε2+ε3-ε4

则有：ε仪=（εM1+εN1+εt1）-（εM2+εN2+εt2）+εt3-εt4由于：εN1=εN2，εM1=-εM2，则有：ε仪=2εM1故：εM1=ε仪/2它表明电阻应变仪的显示值是所求εM1的2倍，也即电阻应变仪的灵敏度提高了2倍,同时也消除了轴向应变。772.2.5

静态电阻应变仪量测值的修正1.电阻应变仪K值影响的修正：ε真K真=ε误K误2.导线过长（≥10米）影响的修正：ε真=(1+RL/R)ε仪或K仪=K×R/(RL+R)3.3

位移与变形测量结构线性位移测量结构位移：指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。1、接触式位移计组成：测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。性能指标：刻度值、量程和允许误差。类型刻度值/mm量程/mm允许误差/mm千分表0.00110.001百分表0.015、10或300.01挠度计0.05 或0.150、100或3000.05或0.1百分表百分表原理及表座80千

分

表 及

表

座81千

分

表 读

数82千

分

表 读

数83标定8？5应变式位移传感器原理2、位移测量的其他方法结构转动变形测量转角测定受检的箱梁88箱梁静载实验过程89测挠度903.4

力的测量设计荷载结构静载试验所需测定的 要是荷载与支座反力，其次有预应力施力过程中钢绳（丝）的张力等。测量力的仪器分为机械式和电测式两种。电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。1、荷载和反力测定荷载传感器形式：拉伸型、压缩型和通用型。部件：厚壁筒

放大系数：设计应力灵敏度：弹性模量9293图3.35为埋入式差动电阻应变计94图3.36为振动丝式应变计。952、拉力与压力的测定测力计基本原理：钢制弹簧、环箍或受力后产生弹性变形，变形通过机械放大后，用指针度盘或位移计来反应力的数值。标定？97应变式荷载传感器原理图应变式传感器接线端的确认991001013.5

裂缝测定裂缝检测裂缝检测方法：

1）放大镜或肉眼观测读数显微镜裂缝标准宽度板裂缝塞尺裂纹扩展片脆漆涂层声发射技术光弹贴片104便携式裂缝宽度测量仪新品A5升级版激光测距仪D5

200米

带倾斜角度测量3120.00元0.05m-200m+/-5

0

°

+/-1.0mm

+/-0.3

°106107独有长距测量模式结构试验量测技术的发展方向：电脑联机系统1101111122011大学生实践创新训练计划项目114115116117118119120盒121122第三章

结构试验测量技术小结应变测量—应变片、应变仪位移测量—百分表、千分表、位移计变形测量—挠度计力的测量—荷重传感器裂缝测定—读数显微镜振动测量—速度计、加速度计角度测量—倾角仪上述仪器与放大器、记录仪组成的系统应变片虽小，很多先进的电量测仪器也少不了它！123二、 简答题(p54)测量仪表通常有哪几部分组成？测量技术包括哪些内容？测量仪表的选用原则是什么？如何测定结构的应力？测量应变时对标距有何要求？常用的测量方法有几种？电测应变的理论根据是什么？何谓全桥测量和半桥测量？电桥的输出特性是什么？电测应变为什么要温度补偿？温度补偿的方法有哪几种？结构的位移测点如何布置？测点布置时为什么首先要考虑结构的整体变形？截面的转角和曲率如何测量？裂缝测量主要有哪几个项目？裂缝宽度如何测量？1243.6裂缝、应变场应变及温度测定3.6.1裂缝检测裂缝测量主要有以下两项内容：(1)开裂，即裂缝发生的时刻和位置

(2)度量，即裂缝的宽度和长度。开裂借助于放大镜用肉眼观察，刷纯石灰水溶液。导电漆膜。裂缝宽度测常用读数显微镜，其最小刻度值要求不大于0.05mm。宽度板比对。塞尺 等。除以上方法外，裂纹扩展情况及扩展速率,可采用下列的裂纹扩展片等进

量。(1)裂纹扩展片；(2)声发射技术；(3)光弹贴片测应力条纹。1251263.6.2

温度测量大体积混凝土浇筑后的温度、预应力混凝土反应堆容器的温度等都是很重要的物理量，由于这些温度很难计算，只能用实测方法确定。量测混凝土温度的方法，通常使用热电偶或热敏电阻。热电偶的基本原理如图3.41所示。1271283.7振动测量仪器振幅、频率、相位及阻尼是动力试验中为获得振型、自振频率、位移、速度和加速度等振动参量所需量测的基本参数。拾振器(或称测振传感器），它和静力试验中的传感器有所不同。振动量测中的放大器不仅将信号放大,还可将信号进行积分、微分和滤波等处理，可分别量测出振动参量中的位移、速度及加速度。3.7.1拾振器的力学原理综上所述，使用惯性式拾振器时，必须特别注意振动体的工作频率与拾振器的自振频率之间的关系，当ω/ω0>>1时，拾振器可以很好地量测振动体的振动位移；当ω/ω0<<1时,抬振器可以准确地反映振动体的加速度特性，对加速度进行两次积分就可得到位移。ω-被测振动的圆频率ω0

-质量弹簧系统的固有频率

0

m129K1303.7.2测振传感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，输人放大器。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、热电式、电涡流式等等。131132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。1333.7.2.1磁电式速度传感器磁电式速度传感器是基于电磁感应的原理制成，特点是灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有一定宽度。通过对质量弹簧系统参数的不同设计,可以使传感器既能测量非常微弱的振动,也能测比较强的振动，是多年来工程振动测量最常用的测振传感器。134灵活运用综上所述，磁电式测振传感器的输出电压是与所测振动的速度成正比的，振动的位移或加速度可以通过信号的积分或微分来实现。微积分电路（补）短接电感，输出UC，实现积分短接电容，输出UL

，实现微分速度波积分一次变位移波速度波微分一次变加速度波条件注：R>>容抗或R>>感抗135微积分电路原理微积分电路是由串入电路中的电阻、电容、电感元件所构定律则成的，如图4.8所示。其回路电流为I，由有：U

UR

UC

ULU