土木工程结构试验--第五章 结构试验的数据采集系统和量测仪器m

计算题
当采用百分表测应变时刻度值为0.01。若选用标距为 100mm时，当百分表的读数变动6格时，实际应变时多少？ 当构件材料的弹性模量E=206×103N/mm2，此时的应力时多 少？
二、电阻应变计 • 电阻应变片是电阻应变量测系统的感受元件。 • ①原理：利用某些金属材料应变变化时，电阻值明 显变化且呈线性关系的原理，通过测量电阻值的变 化，测定应变值。
二、量测仪表组成
１—测杆 ２—外壳 ３—弹簧
三、采集仪器的分类
• 按功能分：单件式、集成式 • 按工作原理分：机械式、电测式、光学式等 • 按量测用途分：测力、位移、应变、加速度、 倾角、频率 • 按显示记录方法分：直读与自动记录、模拟与 数字 • 按仪器与试件关系分：附着与手持式、接触与 非接触、绝对与相对（应变）
六、仪器的输入—输出关系标定
• 为了确定仪器的精确度，确定其误差，需将仪表指 示值和标准量进行比较，称为仪器的标定。标定后 的仪器按国家规定的精确度划分等级。 • 将量测仪表输入精度比仪表精度高一级的量值，读 取仪表输出值（测量值），经过多次输入—输出值 的测量，经回归分析得出换算关系。 • 步骤：
试件
应变片 应变片 防水保护层
引出线
三、电阻应变计测应变 • 测量电路——惠斯登电桥
U BD U AC R1 R3 R2 R4 R1 R3 R2 R4
R1
A R4 D UAC B R2 C UBD
当4个电桥的电阻满足 R1 R4 R2 R3
电桥的输出电压为零。 称为平衡状态。
四、桥路的连接技术
根据桥臂上受试验对象的应变变化而改变的电阻应变片 （工作应变片）的数量，测量方式主要有：全桥电路、半桥 电路和1/4桥电路。 （1）全桥电路 在量测桥的四个桥臂上全部接入工作应变片，其中相邻臂上 的工作片兼作温度补偿片，现假定选取的四个桥臂应变片的 阻值都相等（全等臂电桥），且每个应变片的灵敏系数也相 同，则上式变为：
U BD
当四个桥臂的每个桥臂阻值相等，灵敏度提高4倍。
1 U i K ( 1 2 3 4 ) ; 4
r 1 2 3 4
当每个桥臂阻值相等，则灵敏度提高4倍。 结论：电桥邻臂电阻变化符号相反，相减输出； 电桥对臂电阻变化符号相同，相加输出。 （2）半桥电路 半桥电路是由两个工作片和两个固定电阻组成
五、量测仪表的选用原则：
• 量程：被量测值在仪表量程的20~80%。
• 精度：满足试验要求的精度要求，一般对结构试验，
误差1~2%，最大不超过5%。
• 组件匹配：传感器、放大器、记录仪精度匹配。
• 精简原则：安装使用方便，种类精简。
• 备用原则：重要参数可同时选用两种测量方法。
• 稳定性、重复性好。
换算关系：1kN=12.1με
•例2 位移测试系统标定
组件：滑线电阻位移计，电阻应变仪 标准器：位移标定架，刻度0.001mm 精度0.003mm
2
3
0
4
5 0 45
5
位移传感器标定架 1、位移传感器固定架；2、位移传感器；3、4支架；5、螺旋千分尺位移给定器
位移传感器标定记录表
位移等级 次数 1 2 3 平均值
四、量测仪器的主要性能指标
• 量程：仪器能测量的范围。
• 刻度值：仪器指示装置的最小刻度所示的测量值。
• 分辨率：使仪表产生可观察输出量的最小测量值。 • 灵敏度：单位输入量所引起的仪表指示值的变化。 对于不同用途的仪器，灵敏度的单位也各不相同，
如百分表的灵敏度单位是mm/mm。有些仪器的灵敏度还有另 外的含义，使用时应查对其说明书。
根据试验数据画出位移传感器的荷载——应变曲线， 并判断其工作性能。
七、量测仪表的计量检定：
• 将计量器具与基准计量器或标准计量器进行比较， 以保证量值的准确性。这是国家计量法规规定的必 须执行的行为。 量值传递： 国家级计量基准器具
省市级计量标准器具
由计量部门认可的企事业 单位保管的标准计量器具 用于检测的一般计量器具
①选择一组配套仪器
②将其传感器置于标准器
③逐级施加给定物理量，读取标准器值和仪表示值
④绘制相关曲线，做回归分析
单件标定/系统标定
• 例1 荷载测试系统标定 组件：荷载传感器（100kN）；数字电阻应变仪； 标准器为100kN压力试验机 • 将荷载传感器接入电阻应变仪，调零。 • 读数：
力 KN 应变με 力 KN 应变με 10 120 60 728 20 244 70 846 30 365 80 965 40 484 90 1088 50 605 100 1210
即
dR k R
k—灵敏系数，与电阻片材料有关
②电路原理
单根金属单丝的灵敏系数 K 0 与相同材料做成的应 变片的灵敏系数 K 稍有不 同。由于应变片的丝栅形 状对灵敏度的影响，电阻 应变片的灵敏系数值一般 比单根电阻丝的灵敏系数 K 0 小， K 由试验求得。
L 电阻应变片构造示意图 金属丝的电阻应变原理
KU AC 1 ; 4
r 1
五、温度补偿
• 应变片感受环境温度变化的影响，引起电阻应变的示值变动， 称为温度效应。而电阻丝通常为镍铬合金丝，温度变动1℃， 将产生相当于钢材应力为14.7N/mm2的变动，不能忽视，须 设法加以消除。消除温度效应的方法称为温度补偿。温度补 偿可用温度补偿片、工作片互补和温度自补偿片三种方法 • 试验时，选试件材质相同的温度补偿块粘贴补偿片（应变片 规格、粘贴工艺，温度环境与工作片相同），用相同的导线 接在桥路工作臂的邻臂上，达到消除温度产生应变的目的。 • 1个温度补偿片也可补偿多个工作应变片（单点和多点补 偿）。导热性好的材料，应变片通电后散热较快，采用1个 补偿片补偿10个工作应变片（钢材）；混凝土材料散热性能 差，1个补偿片连续补偿的工作应变片不宜超过5个，最好使 用单点补偿。
• 精确度：仪表指示值（输出值）与被测真值的符合 程度。常以最大量程的相对误差来表示。一台精度 为0.2级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量 程的±0.2％。
• 滞后：同一输入量正反两个行程输出值间的偏差。 以满量程中的滞后值与满量程输出值之比表示。
• 零漂：仪表零点随时间的漂移值。 • 温度漂移：仪表校准时为20℃,当环境温度不是20℃， 仪表零点随温度的变化值。
• ①手持应变仪：标距250mm，刻度0.01mm或0.001mm • ②杠杆式千分表引伸仪：标距20~100mm • ③顶杆式千分表引伸仪：标距200~500mm，分度值0.001mm
手持式应变仪
自制应变测量装置 1.千分表 2.脚座 3.刚性杆
由两片弹簧钢片4连接两个 刚性骨架3组成，两个骨架 可作无摩擦的相对运动。 骨架两端带有锥形脚尖 1，测量时将脚尖1插入结 构表面上预置的脚标5（带 穴金属）中，结构表面上的 两个预置脚座之间的距离为 测量标距，两次读数差与标 距可以得到应变
5.2应变（应力、温度）测量技术
• 应变量测是用应变计测出试件一定长度范围L（标 距）内的长度变化△L，计算出应变值ε= △L /L。测 出的是标距范围内的平均应变。 • 应变量测方法和仪器很多，主要有电测与机测两类. 电测法具有精度高、灵敏度高、可远距离和多点量 测、采集数据快速、自动化程度高等特点，便于将 量测数据信号和计算机联接处理. 一、机械式仪表测应变
第五章 结构试验的数据采集系统和量测仪器 5.1概述
• 数据的采集、分析是结构试验的重要步骤，是试验成 功的必要条件之一。采到的数据要求可靠、准确。
一、采集的方法：
量测技术包括：量测工具仪表、测量方法、数据处理
1.人工采集，人工记录 裂缝，回弹 2.仪器测量，人工记录 百分表，YJ-26 3.仪器测量，仪器记录 X-Y记录仪 4.数据采集系统测量和记录 UCOM，SOMAT，东华3815，12点/
• 采集遵循的准则：同时性（及时），客观性（真实）
秒。
感受部分→放大部分→显示记录部分 感受部分与被测对象相连，感受被测参数并转换和传递给放大 部分。放大部分将感受部分传来的被测参数通过各种方式（如 齿轮、电子放大线路等）进行放大。显示记录部分是将放大部 分传来的量测结果通过指针、电子数码器、屏幕等显示出来， 或通过各种记录设备将试验数据或曲线记录下来。
l R A R R R 则dR dl dA d l A l l ( )dl ( 2 )dA ( )d A A A
dl dA 2 l A d dv dl c c(1 2 ) c(1 2 ) v l R R R dR dl dA d l A dR dl dA d [1 2 c(1 2 )] R l A
疲劳寿命 1.0E+07 1.0E+06 1.0E+05 1.0E+04 最大应变 0.02 0.01 0.005 0.0025
⑤应变片粘贴工艺： 粘合剂：（均质材料常用快干胶；非均质材料常用环氧树脂） • 短期试验：瞬间粘合剂 • 长期试验：环氧树脂 • 高温试验：有机硅、酚醛树脂 工艺： • 应变片检查 • 定位放线、磨光清洗 • 涂胶贴片、轻压贴片、排除气泡、端子接线、密封 • 粘贴后固化前要进行电阻值和绝缘检测。 （万用表查绝缘电阻大于50兆欧姆）
• 线性范围：输入量与输出量呈线性关系的范围 。
• 频响特性：动测仪表在不同频率时的灵敏度变化特 性。常以频响曲线表示（对数频率—灵敏度） • 相移特性：振动参数测试经转换放大后，仪表记录 后在时间上产生的延迟叫相移。
注意：整套系统传感、放大、记录之间的阻抗、频率范围的匹配问题。
某型号引伸仪的技术指标为：1.标距100mm；2.热输出为 0.1%（FS）/0C，环境温度为20 0C进行第一次测量时，两脚标 间的距离为100.01mm；当环境温度为30 0C 时进行加载后测量， 两脚标间的距离为103.10mm。求加载后两脚标间的变形。 计算： 103.10－（30-20）×100 ×0.1%=102.1.mm 加载后两脚标间的变形为： 102.1.0－100.01=2.09mm
各种电阻应变计
（a）.（d）.（e）.（f）.（h）箔式电阻应变计；（b）丝绕式电阻应变计；（c）短接式电 阻应变计；（g）半导体应变计；（i）焊接电阻应变计
③应变片的一些指标： 标距：1，2，3，5，10，20，30，50，60，80，100， 150（mm） 面积：标距 ×电阻应变片净宽 电阻值：120Ω 标准；300 Ω、420 Ω 非标准 灵敏系数：一般在2.0左右 量程：应变极限 10000~30000 （1%~3%） 疲劳寿命：静态、疲劳、特殊用途 适用频率：一般10kHz以下 ④应变片的材质和形式： 按材质分：胶基、纸基、金属基 按线型分：线绕式、箔式 按应力方向分：单向、双向、应变花 按用途分：静载用、疲劳用 按精度等级分：精密级、普通级
UBD ＝ U AC（ R1 R2 ） ( 1 2 ) 4
r 1 2
当两个桥臂的每个桥臂阻值相等，灵敏度提高2倍。
（3）1/4桥电路
1/4桥电路常用于量测应力场里的单个应变，要求 设置温度补偿片。
U BD
U AC ＝ 4
R1 ＝ R1
R3
惠斯登电桥
R2 R3
假设初始状态为平衡状态，受 力后桥臂电阻分别有微小的电阻增量 R1
R4
U BD
R1 R2 R3 R4 R3 R4 R1 R2 （ ) ( ） ＝ U AC 2 2 （ R1 R2） R1 R2 （R3 R4） R3 R4
内置差动电阻式钢筋、混凝土应变计
其他种类应变计
内置混凝土应变计
美国标准NAS942规定
阻值 灵敏系数 滞后(μ ε ) 0.5% 1.0% 25 2.0% 2.0% 50 5.0% 3.0% 100 10.0% 5.0% 200 零漂(μ ε ) 横向影响 徐变(μ ε ) 绝缘度(千兆) 5 0.3% 0 50 25 0.5% 5 10 250 2.0% 10 2 2000 5.0% 25 0.5 等级 A B C D