检测维护专业结构试验与检测技术第二章-量测技术

1、获取反映结构性能的量化数据，是试验工作的核心 影响数据质量因素：仪器性能、测试方法、环境、人员 量测技术：应用适宜仪器仪表和测试方法，对结构力学参数(量值)进行测量和观测的技术 保证量测准确性的关键:适宜测试方法，仪器仪表正确应用 正确使用仪器仪表的要素 理解仪器的原理及适用性 仪器性能完好，操作正确 仪器处于适宜的工作环境,第三章 试验量测技术与量测仪表,2.1 概述,量测技术基本要求 掌握常用仪器原理 合理选择测试方法 熟悉仪器技术特点 正确操作（选用），针对性控制误差 熟悉待测参数特征 合理选择仪器 熟悉现场环境条件 控制误差，掌握仪器适用,结构试验待测参数（桥梁为例） 结构强度：应变

2、结构刚度：竖向挠度 抗裂性能：裂缝宽度、长度、分布、特征、活动性 稳定：横向位移、扭转等 动力性能：冲击系数、自振频率、阻尼特性等 施工质量：表观缺陷、混凝土强度、线形、索力等 耐久性：钢筋锈蚀、混凝土保护层厚度、裂缝宽度等 其他,2.1.1 量测仪器的基本组成,传感器,放大调理器,采集分析及输出,感知并将被测量转换 为便于测量的电信号,将传感器输出进行放大、调理、转换，便于后续仪器采集分析,记录、存储、显示 实现各种分析功能,利用电子、电磁学原理，感知并将输入转换为u、I、R、L、C、Q等电量,将电量转换为电压并放大。还具有阻抗变换，信号滤波，微积分功能,粘贴应变片 感知应变 将电阻转换为电

3、压 放大、采集记录 应变片电测信号流程,1、量测仪器的组成（电测为例）*,2、传感器 1)传感器：量测系统第一环节，也称一次仪表，以电测较为常见 2)传感器作用：感知并将输入转换为便于测量的物理量 3)电测传感器：利用电子、电磁学等原理，感知并将输入非电量 转换为便于电量（u、I、R、L、C、Q） 4)机械式仪器：利用齿轮、杠杆等将输入放大，指针指示 5)电测传感器举例 铂电阻Rt100(热敏电阻)：Rt=R0+0.0385t 电阻应变片：,机械百分表原理 机械百分表面板,根据桥梁结构试验检测仪器的用途可以分为以下几类,1、应变测试设备,最常用的设备，可分为以下几种： 1）电阻应变计配套静、动

4、态应变仪 2）工具式应变计配套静、动态应变仪 3)振弦式应变计配套频率读数仪 4)采用高灵敏位移计，通过测定区段变形换算平均应变,2.1.2 检测仪器的分类,2、变位测试设备,桥梁结构变位：挠度、水平位移、转角、支承位移等，活载挠度反映桥跨结构刚度，是一个重要的整体指标 结构变位测试设备种类很多，主要包括 1)应变式位移传感器配套静、动态应变仪 2)机械式位移测量仪器，根据量程不同分为千分表、百分表和张丝式挠度计 3)光学测量仪器，包括精密光学水准仪、电子水准仪、全站仪等 4)连通管,2.1.2 检测仪器的分类,2.1.2 检测仪器的分类,3、裂缝测量设备 卷尺钢尺、裂缝宽度测试仪、裂缝深度测

5、定仪等 4、荷载测量设备 应变式测力传感器、振弦式测力计、压力环等 5、振动测量设备 磁电式速度计、压电式加速度计、ICP型加速度计、应变式加速度 计、伺服式加速度计等传感器以及配套的放大器,量程: 测量范围 被测量应处于仪器的合适量程，一般宜处于1/32/3内 分辨率(最小刻度值): 仪器最小能检出的被测物理量 量测设备应有足够分辨率。对同类仪器，分辨率越高，量程越小 灵敏度: S=输出/输入，与分辨率互为倒数 在保证精度和可靠性前提下，尽量选择高灵敏仪器，灵敏度越 高，仪器分辨率也越高 误差：测量值与真值之间的差异 精度：最大误差与满量程比值(F.S%)，精度与分辨率无必然关系 现场试验精

6、度往往达不到标称精度,应优先选择可靠性高的仪器,2.1.3 仪器主要性能指标*,稳定性：量测同一物理量，因时间、温度变化而致的示值变化 应优先选择稳定可靠仪器 线性度:输入和输出保持线性关系时，输入量所允许变化范围,动应变信号存在漂移 动挠度信号稳定，无漂移,信噪比(S/N)：有效信号(Sinal)与信号中混杂噪声(Noise)比值,某连续刚构桥实测动应变-信躁比低 该信号经数字滤波-信躁比提高,幅频特性：仪器在不同输入信号频率下灵敏度变化特性 待测信号频率要位于幅频特性的平坦段,加速度传感器幅频特性曲线,传感器自振频率,相频(相移)特性：输入输出相位差随输入信号频率变化的特性,输入信号,输出

7、信号,2.1.4 保证量测结果可靠性措施,1、与检测要求相适应的软、硬件设备 2、正确使用和操作 合适的测试方法 设备处于正常工作状态 正确操作（参数设置、安装、数据处理等） 3、适宜工作环境 设备对环境适应性好 周边干扰因素控制 环境条件：温度变化、潮湿环境 电磁干扰：手机、对讲机、高压线、变电站、发射基站、特殊灯具 供电影响：电压随机波动、接地不良,1、满足量程、精度要求，尽量选用高分辨率设备 2、动态量测仪器满足线性、幅频、相频特性要求 3、使用安装方便，适应性强，不影响结构工作，不改变结构特性 4、同一次试验中，仪器型号、规格尽量少 5、应特别关注仪器对环境的适应能力，如抗干扰、稳定性

8、等指标 6、尽量选用多用途仪器，如应变仪 7、尽量采用自动采集系统，以提高效率，减少人为因素影响,2.1.5 量测仪器的选用原则,2.1.6 仪器的计量标定,1、何为标定（检定） 为确定仪表的精确度或换算系数，将仪表的示值与标准量进行比较 使检测仪器的量值溯源到国家基准 以保证检测数据真实可靠 2、标定（检定）后的仪表按国家规定的精确度要求分成若干等级 3、标定（检定）目的 保证量测仪器示值准确性 使仪器的量值溯源到国家基准，保证检测的合法有效 4、何时标定（检定） 所有新投入使用的仪器 量值受怀疑或经过改装的仪器 超过检定周期或维修后重新投入使用仪器,2.1.6 仪器的计量标定,5、由谁实施

9、标定（检定） 具有检定标准的设备（强制性检定设备）：法定授权的计量单位负责 非强制性检定设备：可由用户自建规程自校 6、标定周（检定）期：根据设备的特性确定，大多为一年 7、标定（检定）方法 系统标定 单件标定,补充知识：检测机构合法地位要素(不限于此) 1、经行业主管部门批准，机构取得从业的资质证书 2、机构经省级计量部门的计量审查认可(行政许可) 3、检测设备定期检定/校准/比对合格,符合国家计量法规 4、检测人员接受培训，获得所从事检测工作上岗（执业）证书 5、使用现行有效检测规范 6、完善的质量管理体系 . . .,2.2 静力试验量测仪器,桥梁结构静力试验主要待测参数包括应力（应变）

10、、变位、裂缝等 常用量测仪器相见教材P12P13，表2.1 需重点掌握的量测仪器和方法： 应变量测 变位（挠度）量测 裂缝（宽度）量测 振动测试（磁电式、压电式）,2.2.1 应变测试,一、应变片 1、基本概念 结构强度评定是试验的主要工作 目前难以直接量测应力 技术限制 应变量测 虎克定理 换算应力 仪器应变分辨率：一般为110-6或更优 应变为局部指标,注意： 应变为无量纲参数 量测中一般采用110-6表示 有时采用表示，1 = 110-6 为非法定计量单位,2、应变测试方法 1）应变片与应变仪组合 2）工具式应变计与应变仪组合 3）高分辨位移计测量平均应变 4）钢弦应变计配套频率读数仪

11、5）光纤等新型传感器 主要介绍第1种，应变电测的信号流程、原理以及应用,2、应变测试方法 1）应变片配合应变仪 常用方法 应变传递可靠，贴片要求高 小标距应变片可测应力集中和钢筋应变 信号受温度、潮湿环境、电磁干扰影响大 适合短期和气候条件好的场合 2）工具式应变计配合应变仪 常用方法，适用性强 信号稳定，受温度、电磁干扰影响较小 安装要求高，应变传递可靠性较差 不适合测定钢筋应变 小构件受弯测试有系统误差,电阻应变片,电阻应变仪,工具式应变计,电阻应变仪,2、应变测试方法 3）振弦应变计配合频率读数仪 设备简单，性能可靠 数据稳定，受温度、电磁干扰影响小 可预埋测定混凝土内部应力 系统误差较

12、大 适合施工监测等长期观测 4）高分辨位移计 信号稳定，受温度等影响小 安装工作量大 结构振动会产生误差 分辨率较低 适合长期大应变测量，如徐变试验,振弦应变计,振弦应变计原理,千分表应变测定原理,应变片和美国BDI应变计,美国BDI应变计,弓形工具式应变传感器示意图,工具式应变计测试主体结构应变,磁偏位数码应变计检测结构应变,是一种用磁感编码技术制成的新型应变计。稳定好、抗干扰能力强、精度高、安装误差小,应变电测应用十分广泛* 应变(应变计) 强度评定：=E 位移(应变式位移计) 结构刚度评定 荷载(应变式测力计) 荷载控制 加速度(应变式加速度计) 振动测试 裂缝捕捉(应变计) 裂缝捕捉

13、,应变电测系统组成*,应变传感器 测量电桥 采集处理,UCAM-70A-10多功能应变采集器,TDS-503多功能应变采集器,YE2539高速静态应变仪,电阻应变计（片）,3、电阻应变片工作原理* 1）应变片 一种小型电测传感器，感知元件，将其粘贴在结构上感知应变， 将应变转换为便于量测的电阻变化 2）原理 基于导体或半导体的电阻应变效应：导体或半导体在机械变形时 (伸长或缩短)，其阻值随变形发生变化，这现象称为电阻应变效应,c (1-2)为电阻丝单位应变所引起的电阻率改变量； (1+2) 由电阻丝几何尺寸的改变所引起的变化量 对于某种特定材料的电阻丝有： 因此，就有： 对于应变片，则：,以一

14、根金属丝为例说明其转换原理,K 为灵敏系数，反映应变效应显著程度，金属应变片：K=2.02.5,4、电阻应变片构造 敏感丝栅、基底、覆盖层、引出线组成 敏感丝栅：感知并将应变转换为电阻变化 基底： 使敏感丝栅和被测构件间绝缘，丝栅定位 覆盖层： 保护敏感丝栅免受损伤并避免丝栅短路 引出线： 用于焊接连线电缆,应变片构造和组成,BX120-80AA应变片,5、电阻应变片种类 敏感丝栅的形状：丝式盘绕、箔式(常用) 敏感丝栅的材料：金属、半导体 单轴/多轴： 单轴、多轴（应变花） 环境适用: 高温、中温、常温、低温 测试对象的不同：大标距、小标距,应变花,单轴应变片,BX 120-80 AA 应变

15、片,应变片标识,材料规格,阻值,标距,精度等级,单轴应变片：量测单向应力,应变花：量测平面应力,应变花量测平面应变,E 材料的弹性模量 材料的泊松比 P 主应力方向,6、电阻应变片特性 电阻值R： 120常用，非120应变计有时需修正 灵敏系数K：金属箔式应变片K=2.02.5 绝缘电阻： 敏感丝栅与基底间电阻，其值越大，效果越好 标距： 敏感丝栅纵向长度 时间零飘： 恒定温度环境中应变片电阻值随时间变化特性 温度漂移： 温度变化应变片电阻值随之改变的特性,应变片标距,L,衡量应变片敏感丝（引出导线）与构件间的绝缘性能 绝缘电阻偏低，数据易漂移，可靠性受影响 绝缘电阻一般要大于100M,长期测

16、量要求不小于200M 潮湿环境对绝缘电阻有更高要求,绝缘电阻概念,7、应变片选用 标距：钢筋等质材料：35mm；混凝土：L4(粗骨料粒径),60100mm 小构件、应力梯度大、应力集中:小标距(如1mm) 种类：常温型箔式应变片 阻值：常用120，同一次试验阻值相同，离散性宜在0.2内 灵敏系数：同一次试验灵敏系数相同 单向应变：单轴片；平面应变：应变花 预应力混凝土与普通钢筋混凝土结构应变测试，如何选用应变片？,1mm标距应变片量测应力集中,80mm标距应变片量测混凝土结构应变,8、电阻应变片粘贴 应变片粘贴是应变测试的主要误差源 粘贴基本要求 定位准确 粘贴牢固、焊接可靠 绝缘满足要求 防

17、潮（水）防损伤措施得当,应变片粘贴工艺流程,上胶、挤 压、加压,贴片,设计布片方案,自然干燥， 人工固化,固化,外观检查、阻值匹配,应变片的检查分选,试件的表面处理,打磨、清洗、打 底、测线定位,防潮防护,粘贴质量检查,外观检查、阻值检查、绝缘检查,焊接、引出接线 端、绝缘检查,固定导线,应变片粘 贴和防护,a、测点布置 b、实测截面应力分布 预应力T梁截面应力分布测定,二、电阻应变仪原理 1、基本概念 配套：应变片/应变传感器 类别：静/动态应变仪 组成：测点扩展箱、测量电桥、放大器等 基本作用：信号转换、放大、采集记录 120、K=2.0应变片，110-6应变 电阻增量R = KR =2.

18、410-4 电阻变化微小，无法直接准确测量 需将微小电阻变化转换为电压 便于放大、采集记录,静态应变仪组成和信号流程,静态应变仪,二、电阻应变仪原理 2、测量电桥 作用：将应变片电阻变化转换为电压 桥路组合（提高灵敏度、温度补偿） 测量电桥基本概念 也称惠斯顿电桥 四个电阻R1、R2、R3、R4组成 A、C端加工作电压，B、D端为输出（UBD） 平衡条件：R1/R2= R4/R3， UBD=0 组桥方式 1/4桥（R1外接）： 很少采用 1/2桥（R1、R2外接）：常用 全桥（4电阻全外接）：传感器制作,应变仪测量电桥,应变仪测点接驳装置 A B C D柱与电桥对应,3、测量电桥输出特性* 相

19、邻两桥臂符号相反，输出呈相减性 相对两桥臂符号相同，输出呈相加性 理解测量电桥是应变电测的基础 桥路组合 温度补偿 仪器操作,应变仪测量电桥,二、电阻应变仪原理 4、桥路组合 1/4桥 接桥方式：R1外接应变片，R2、R3、R4机内阻值固定电阻,R1=R2=R3=R4 输出特性： 显示=实际 适用场合：温度稳定的室内或大应变测量,矩形截面等强度梁,测量电桥,R1,二、电阻应变仪原理 4、桥路组合 1/2桥 接桥方式：R1、R2为外接应变片，R3、R4机内阻值固定电阻 输出特性： 显示=2实际 适用场合：现场试验用，具体接法与本例有差异,矩形截面等强度梁,测量电桥,二、电阻应变仪原理 4、桥路组

20、合 全桥 接桥方式：R1=R2=R3=R4，全外接 输出特性： 显示=4实际 适用场合：传感器制作，提高量测灵敏度,矩形截面等强度梁,测量电桥,应变电测桥路组合举例,三、温度补偿技术 1、补偿目的：消除温度变化对测试结果的影响，提高量测精度 式中 丝应变片温度系数 t 温度变化值 构构件线膨胀系数 丝应变片线膨胀系数 K 应变片灵敏系数 t 2、补偿原理：利用测量电桥输出特性，使2个或4各桥臂由温度变化而引 起的电阻（应变）变化相互低偿，有用信号叠加,显示=+t t 为虚假信号，应消除,三、温度补偿技术 3、补偿方式 1）温度补偿片法 制作专门补偿片 补偿片不受力，粘贴在与试件同材料构件上,补

21、偿应变计,温度补偿原理,补偿件不受力，2=0,三、温度补偿技术 3、补偿方式 2）工作片互补 适用：传感器制作 2个（或4个）测点应变符号及幅值比例明确的情形 补偿效果好,矩形截面等强度梁,测量电桥,显示=2实际,4、理想补偿应满足条件 工作片与补偿片同规格 补偿件与被测结构同材料 补偿片和工作片的连接线缆同规格 补偿片与工作片同温度场,显示=(1+ )纵向， ：泊松比，混凝土为0.20，钢筋为0.30,混凝土应变测试 R1顺桥跨布置，R2横桥向布置,实桥混凝土结构应变电测方法举例,实桥混凝土结构应变电测公用补偿方法,四、应变仪操作和测读 1、应变片布置 2、常见路组合方式如前述 3、应变仪基

22、本操作和测读,桥路连接，进行合理的温度补偿 设置参数：桥路方式、灵敏系数等 调试 调零 加载稳定后读数 卸载稳定后读取卸载值 各阶段均应多次测试，减少随机误差,设备灵敏系数与应变片应相同，否则会产生系统误差。事后发现可用以下方法修正： 即实际应变为：,4、静态/动态电阻应变仪区别 1）静态电阻应变仪 测点（通道）数较多，但只有一个放大器 采用“巡回”检测的方式将多个测点分时接入放大器 采集速度为几点数十点/秒，各个测点的量测有微小的时差 2）动态电阻应变仪 通道数较少，每通道有一个放大器，保证所有通道同相位 对放大器和A/D转换有更高要求，动态特性更好，采样频率更高,静态电阻应变仪 动态应变采

23、集器,5、调零的概念 测量电桥四电阻满足R1R3 = R2R4，输出电压为零，显示应变为零 实际上难以满足严格意义平衡，即空载时示值不等于零，数据不直观 调零目的：将初始应变调整为与空载状态相对应的零应变值上 调零方法：先测读一次数据，将初始值存入内存 以后的显示值为测量绝对值减去初始值 调零作用 调零结果均为“0”，便于观测设备稳定性，如调零值偏大，则相同状态下实测应变值不相等，说明存在问题 调零后所得结果便于结构状态的实时把握,“调零”结果是评价测试效果重要手段 短时间“调零”结果往往不能说明效果 应作1530分钟观测，期间数据稳定才说明其可靠性 调零后重复测量应基本为“零”，以不超过（1

24、3）为宜 被测量值大可适当放宽要求 影响相对残余应变指标客观性因素：仪器稳定性、零点漂移,应变数据测读 (挠度类似),五、应变测试误差控制,1、误差来源 信号过小：砼桥活载应变在100 左右，仪器量程20000 或以 上，信号在仪器量程01%。噪声、误差占比不容忽视 现场环境：电磁干扰、温度等影响，其影响可能超过有效信号 操作影响：传感器安装、贴片、参数设置等 仪器本身：如工具式应变计的系统误差等,2、控制措施 选择合适测试方法 回路电阻稳定，可靠焊接、接线柱紧固等 设备电源稳定可靠。蓄电池供电效果往往优于交流供电 远离或屏蔽干扰源（手机、对讲机、变电站、发射基站等） 合理选择试验时机（阴天或

25、夜间），避免太阳直射传感器 有效温度补偿 多次测量、平均处理，消除随机误差,五、应变测试误差控制,六、其它应变测试方法 1、位移法 量测仪器：千分表、高分辨电测位移计 标距L：100mm200mm 适用：徐变等长期试验、大应变、轴向应变，弯矩应变量测有误差,思考：上述方法用千分表量测应变，标距L=10mm，应变分辨率为多少？,六、其它应变测试方法 2、工具式应变计,弓形工具式应变计原理,美国BDI工具式应变计 SJ-GBY工具式应变计,六、其它应变测试方法 2、工具式应变计 组成：弹性体、应变片、机壳等 原理：结构变形使弹性体变形，测定弹性体应变即可换算结构应变 特点：灵敏度高、稳定性好、温度影响小、抗干扰能力强，量程较小 采集仪器：应变仪 适用：荷载试验等，不适合应力集中和小构件,全桥互补：输出稳定 密封：抗电磁干扰好,思考：该仪器能否量测裂缝宽度增量？如仪器标距L=75mm，则裂缝宽度增量 分辨率为多少？应变计的分辨率为110-6,混凝土应变可忽略。,七、其它应变测试方法 3、振弦式应变计 原理：传感器受力变形 振弦张力变化 振弦自振频率变化 按标定的“应变频率”关系 测