结构静载试验-第4节静载试验仪器设备

（2）有加载端的弹性元件 由于环的两端尺寸加大部分刚 度很大，故可把它看作圆环的 固定端来进行内力分析。
截面AB的弯矩分别为： PR sin j 0 MA = ( - cos j 0 ) 2 j 0 PR sin j 0 MB = ( - 1) 2 j 0
组全桥，可得到P力与读数应变的关系。
3、剪切弹性元件
4.2结构试验中仪器仪表的选用原则
结构静载试验对测量仪器的基本原则是： ⑴根据被测物理量的物理性质选择仪器仪表 的基本功能。 ⑵预估被测物理量的变化范围选择仪器仪表 的量程和精度。 ⑶选用可靠性程度较高的仪器仪表。可靠性 与精度之间存在矛盾。
1、结构试验对仪器设备的使用要求 （1）具有合适的量程、灵敏度和精度（1%）。
单件标定：确定某一件仪器的灵敏度和精确度；
系统标定：确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精 确度。（实际试验中采用）
4.3 变形测量仪器
1、位移量测仪器 位移反映了结构的整体刚度和工作性能，与应 力、应变一样是结构计算和结构性能评定的重要 数据。常用的位移测量仪表有各类位移传感器及 其它一些测量仪器及装置。 2、其它变形测量仪器 除应变和位移外，结构试验中转角、曲率等有 时也需要进行测量。 掌握了基本方法后，还可以自行设计各类测量 装置。
第三章 结构静载试验
结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验 中使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试 元件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中 观测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度 与分布、破坏或失稳形态等。 一、静载试验加载设备 二、试验装置的支座设计 三、应变测试技术 四、静载试验用仪器仪表 五、静载试验准备与实施 六、结构静载试验示例
测量可以广义的理解为试验人员对试验现象的认 识的量化过程。 测量技术一般包括： a 测量方法 b 测量仪器仪表 c 测量误差分析
从最简单的逐个测读、手工记录的仪表到应用电子计算机快速采 集和处理的复杂系统。试验人员必须对试验所用的仪器仪表的基本原理 和功能有所了解，才能正确的使用仪器仪表，在结构试验中准确的获得 试验数据。
测量系统基本上由以下几个部分组成 传感部分——放大部分——显示部分
传感部分由传感元件或传感器组成，它从试验对象的测 点感受信号并传送给放大部分。 放大部分也称为放大器，它通过各种方式将传感器传来 的信号放大并传送至显示部分。 显示部分将经过放大的机械或电信号通过指针、电子数 码管、显示屏等显示。有的仪器将显示部分与记录装置连 在一起。 机械式仪表的三部分常组装在一体，电测仪器仪表大多 数由三个独立的部分组成
L’
L PL’
P(L-L’)
4.7 数据采集仪器（系统）
1、X-Y记录仪 可直接绘出曲线，精度高，记录速度快，可用静 载，也可用于低平动载试验。
X-Y记录仪
2、计算机数据采集器
1）用传感器感受各种物理量，并把它们转换成 电信号。 2）通过A/D转换，把模拟量转变成数字量。 3）数据的记录、打印输出或存人磁盘文件。
1.测杆 2.外壳 3.弹簧 4.电阻应变片5.电阻丝 6.线圈 7. 电缆
《=电阻应变式
位移计
机械百分表==》
《=机电百分表
2）其它位移测量仪器及装置
对于大型结构构件如桥梁等，当位移较大、 测量精度要求不高时，可用张线式位移传感器（ 图3.28）、连通管（图3.29）进行测量，也可用 水准仪、经纬仪及直尺进行测量，其精度不如上 述各类位移传感器，一般在0.1mm～1mm 之间。 连通管是一种简单装置，将连通管注水，则各竖 向管水位在一个平面内，试件变形后水位仍在一 个平面内，可利用试件变形前后水位在标尺上的 读数变化，求得试件挠度。
（1）梁式剪切弹性元件
在梁的中性轴上，各点均为纯剪切应力状态，故沿 与轴线成 45° 方向粘贴四个应变片，组成全桥，得 到P与读数应变的关系为： bhG P= ed 3 特点：当载荷P的作用位置由偏移时，中性轴上的剪 应力和45° 方向上的线应变不会变化，可消除载荷作 用点偏移造成的误差。
为了尽可能减少弯矩的影响，采用图中结构形式， 使得贴片截面处的弯矩等于零。
bh 2 E 载荷P与读数应变的关系为： P = ed 24L
问题：当P力作用点移动时会产生误差，显然P与L 有关。
改进后：若P有偏移，两 个截面中一个截面弯矩 增加，一个截面弯矩减 小，且增加量等于减少 量，不会影响读数的大 小。
（2）圆环式弹性元件 1）纯圆环弹性元件： 截面AB的弯矩分别为：
2、其它变形测量仪器
水准式角度传感器
• 用液体摆来感受角位移，液面的倾斜将引起 电极A、B之间和B、C之间的电阻发生相应改 变，把电极A、B和C接人测量电桥，就可以得 到与角位移相对应的电压输出。
电阻应变式倾角仪
水准管式倾角仪
4.4 力测量仪表
静力试验需要测定的力，主要是荷载和支 座反力，其次有钢丝的张力，还有风压、 油压、土压力等。测量仪器也有机械式和 电测两种。其品种规格繁多， 列出一些例子，基本原理不外是利用弹性 元件的弹性变形或应变与其所受外力构成 一定的比例关系而制成的测力装置。机械 式测力计利用千分表等测量弹性元件的变 形，电测传感器需要用二次电测仪器如电 子秤、电阻应变仪等测量弹性元件的应变 ，由标定关系得到力值。
MA = +0.318PR MB = - 0.182PR
组成全桥，得到读数应变与弯曲应变关系为：e d = 4e M
由材料力学可知，若忽略圆环曲率的影响，贴 片处的弯曲应变为：
eM s M 1.09PR = = = 2 E EW Ebh
Ebh 2 P= ed 4.36R
其中 ： b 是圆环的厚度； h 是圆环的宽度。
仪器仪表的基本参数包括主要性能指标，仪器仪表 运行环境的相关参数（工作电压、温度、湿度） 量程：仪器仪表所能测量的物理量的范围。 灵敏度：仪器仪表的输出量的变化Δy与相应输入 量的变化Δx的比值。 分辨率: 仪器仪表的显示装置所显示的最小变化量 的测量值。 准确度：有时称为精确度或精度，仪器仪表的显示 值或记录值与被测物理量真实值的符合程度，常用 满量程的相对误差来表示。 线性度：测量系统的实际输入输出特性曲线相对于 理想线性输入输出特性的接近程度。 漂移量 ：测量系统的输入不变时，系统的输出量 随时间变化的最大值，有时又称为测量系统的不稳 定度。
应变片在圆筒中部均布，每处贴一纵向片和一横 向片。8片应变片组全桥。 纵向串： R1与R R 4与R
' 1 ' 4
' ' R 与 R R 与 R 横向串： 2 2 3 3
各桥臂应变为： e 1 = e 3 = - e +e t e2 =e4 = m e +e t 应变仪读数应变为： εd=ε1-ε2+ε3-ε4 e d = - 2(1 + m)e
ed e =圆筒的轴向应变： 2(1+m) 若圆筒截面面积为A，则压力P与读数应变之间的关系为： EA P = s A = Ee A= ed 2(1+m) 由上式可知，压力和应变成线形关系。这仅仅是理论 计算公式。实际上截面面积A在加载时是变化的 ，因 此每一个传感器的读数应变与力的关系都是要经过严 格的标定试验确定的。 上述弹性元件受到拉力或压力时很难保 证作用力严格通过柱的轴线，这就使得 弹性元件除了受到轴向力外，还会受到 横向力和弯矩作用。为了消除这种影响， 在圆筒受载荷端增加两片膜片。
1、位移量测仪器
1）各类位移传感器（位移计） 常用的位移传感器有机械式百分表、千分表、 电子百分表、滑阻式位移传感器和差动式位移 传感器等，如下图。 这类仪器精度高，可达0.01mm 或0.001mm， 虽然构造不同，其原理：都是通过机械或电子 手段将测杆感受到的位移放大并显示出来。
几种常用
2、裂缝宽度:读数显微镜、裂缝标尺
裂缝宽度测量仪器主要有： （1）读数显微镜。读数鼓轮上标有刻度，旋动读数 鼓轮，使镜内长线分别处于裂缝两侧边缘并读出两 次刻度值。两次读数差即为裂缝宽度。读数显微镜 精度一般为0.01mm，量程可达3～8mm。 （2）裂缝读数卡。硬质纸片上印有许多宽度不同的 线条，其宽度为标准宽度，将标准宽度线条与裂缝 放在一起，用放大镜比照以测量裂缝宽度。此法 精度较读数显微镜低。
（2）平板开孔式弹性元件 当测量较小载荷时，常选用有小孔的平板作为弹性 元件，将应变片粘贴在孔的边缘。由于孔边产生应 力集中，应变比无孔时大得多，可提高测量应变的 读数。
（二）弯曲弹性元件
（1）悬臂梁式弹性元件 这种弹性元件适用于 制作小载荷测力传感 器。 在固定端附近上下表面各贴两个应变片，组成全桥， 得读数应变为： e d = 4e M s M 6PL 由材料力学可知： eM = = = E EW Ebh 2
信号 A/D 计算机
PCI采集卡
USB 采集卡
3．数据采集系统：
数据采集系统（简称数采系统）可以进行数据采 集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、储存 、试验控制和人机对话等，它具有采样通道多、采 样数据量大、采样自动化等特点。数采系统不仅适 用于静力试验，也适用于动力试验。随着软、硬件 制造技术的发展，呈现出体积小、采样数据量大、 测量精度高、使用简单、后处理功能强的特点。
数采系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包 括传感器、数据采集仪和计算机（控制与分析器）三 个部分，其工作流程图如图3.34。 传感器的作用是感受各种试验物理量并把它们转变成 电信号； 数据采集仪的作用是对所有的传感器通道进行扫描， 将扫描结果进行信号/物理量转换，然后将这些物理 量数据传给计算机，或者打印、存盘； 计算机通过软件系统对数据采集仪进行采样控制，对 数据进行实时处理和后处理。
4、压强传感器；
5、加速度传感器；
弹性元件是这类传感器的关键元件， 因此要求弹性元件： a） e ( p )高，弹性范围大。要求弹性元件的最 大工作应力处于材料的线弹性范围内。 b）稳定性好。因而对材料、结构形式，热处理 加工等都有一定的要求。
c）为保证灵敏度，要求贴片部位的应变足够大，
e = 500 ~ 1000m e
4.5 裂缝测量仪表
结构（尤其是混凝土结构）静力试验、检测中观察裂缝的发 生和发展，对于确定开裂荷载，研究结构抗裂性能和破坏过 程有着重要的作用。 1、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。

四、静载试验用仪器仪表
4.1测量仪表的基本概念 4.2结构试验中仪器仪表的选用原则 4.3 变形测量仪器（位移测试仪表、转 角测量仪表） 4.4力的测量仪器 4.5裂缝测量仪器 4.6温度测量仪器 4.7数据采集仪器
4.1测量仪表的基本概念
测量
（2）安装使用方便，稳定性好，抗干扰能力强。
（3）不影响结构的工作：自重轻，尺寸小。
（4）同一物理量测量仪器型号尽量相同，避免系
统误差。
（5）经济好：价廉耐用，可重复使用，安全可靠。
（6）按规定存放、使用和标定。
2、测量仪器标定 （1）目的：确定仪器设备的灵敏度和精确度，应 该在试验前或试验前后对仪器设备进行标定。 （2）标定：
读数显微镜
裂缝标尺
裂缝塞尺
《=裂缝宽度观 测仪
裂缝宽度测试=》 （数字显示）
4.6 温度测量仪器
接触式测温：基于热平衡原理 非接触式测温：利用热辐射原理
热电偶温度计和热敏电阻温度计。
应变片式传感器
将应变片粘贴在弹性元件上，接成桥路，从而将感 受到的电信号输出。根据所测力学量不同可做成各种 传感器，常用的有： 1、力（载荷）传感器； 2、位移传感器； 3、扭矩传感器；
一、测力传感器 根据弹性元件上粘贴应变片处的变形特点，可分为 拉压弹性元件、弯曲弹性元件和剪切弹性元件。
1、拉压弹性元件
（1）柱式弹性元件 测拉力或压力的传感器，弹性 元件常采用空心圆柱，以便于 粘贴应变片和易于热处理、淬 透。为防止失稳，壁厚不易太 薄 。 应变片在圆筒中部均布，每处贴一纵向片和一横 向片。8片应变片组全桥。