第四章结构实验(结构的应力应变测试)

加速度传感器
拉力传感器
振弦式拉力传感器
电涡流位移传感器
内埋式光纤温度传感器
光纤测力传感器
振弦式土压力传感器
概述
根据应力与应变之间的转换关系，通过 测结构或构件表面、内部应变来得到结 构或构件的应力状态。 钢材的拉伸试验中，在其屈服之前，其 应力—应变之间存在着线性关系
E
电测法——电阻应变测试技术
缺点：
测表面应力准确度高，测内部应力需要一定技术； 测应力集中不准确； 测量系统线路多、易干拢，易受环境（温度、湿 度、电磁场）干拢；
电测法——电阻应变片
电阻应变片的构造： 电阻应变片由三个部份组成： ——基底（纸张、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等胶膜）
——敏感栅或电阻丝栅（康铜、镍、铬等特殊材料制成）
——引出线 基底起到保护及固定敏感栅的作用，敏感栅或电阻丝 栅直接感受结构变形并将结构变形转换为电阻变化，引出 线连结到测量桥路上；
电测法 ——电阻应变片
3 4 1
2 应变片构造 1－敏感丝栅；2－基底；3－覆盖层；4－引出线
电测法——电阻应变片
应变片 结构应变 电阻值
桥路 电压 应变指数
电测法——电阻应变测试技术
电阻应变测试技术的优点： 灵敏度高，可测到1μ ε ；
标距小，箔式应变片最小标距可达0.2mm，可测点应力， 用于应力集中测试；
可远距离测试；
可测动、测静；
通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪 力）、位移等；
§1-4电测法——电涡流式
前置器
探头线圈 延伸电缆 涡流 磁通量
线性补偿 振荡器 检测电路 放大器 输出
被测体
电测法——电涡流式
工作过程
被测金属与探头之间的距离变化——线圈的 有效阻抗的变化——振荡电压幅度的变化—
—经过检波、滤波、线性补偿、放大归一—
—输出电压的变化
FS8000系列电涡流式
c
1 2L
Ec

电测法——钢弦式传感器
特点：结构简单、制作方便、稳定性好、抗干扰能 力强及远距离传输误差小等优点，近年来得到广泛 应用，特别是应用于施工应力监控中。缺点是价格 昂贵，测试速度慢。
电测法——电阻应变测试技术
电阻应变测试技术的基本原理——通过粘贴在结构表 面上的传感元件（电阻应变片）把所测的结构应变转 换为电阻的变化，再通过桥路、仪器把电阻的变化转 换为电压的变化并加以放大，由显示器显示出应变值。 工作框图：
机测法特点：安装便捷，读数方便、准确度高、对 环境的适应性强即一般不受温湿度影响以及电磁场 的干扰、性能可靠，但灵敏度不高、需要人工测读、 速度慢、工作量大。
测振传感器
光测法
定义： 利用光的某些特性如波长的变化与应变之间 的转换关系，通过光的波长的变化来实现对 应变的测量 传感器：光纤布拉格光栅传感器 （fiber optic Bragg grating strain sensor）
概述
应变测试的主要方法：
——机测法 ——光测法 ——电测法
机测法
定义： 利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 主要仪器： ——杠杆引伸仪 ——手持式应变仪（常用） ——接触式应变计

机测法
定义： 利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 主要仪器： ——杠杆引伸仪 ——手持式应变仪（常用） ——接触式应变计
建筑结构试验
南京工程学院
2011.11.01
第四章 结构试验数据采集系统重点（习题）
1、绘出应变计1/4桥（另贴温度补偿片）和半桥的桥路连接图，分析半桥 和1/4桥两种桥路连接方式应变仪输出应变的特点。 2、某矩形截面钢筋混凝土简支梁，截面150mm*300mm，长2000mm， 支座间净距1800mm，采用均布加载，应变计温度补偿为工作片互补方式， 设计完成试验内容：（1）测试梁纯弯矩引起的最大应变，绘出测点布设 简图；（2）绘出应变计桥路连接图，计算测量应变值（ε测 ）与梁实际 应变值（ε实)之间的数量关系。 3 、在碳纤维布加固钢筋混凝土简支梁受弯承载力的实验研究中，若梁长 为2.6m，截面为150*300mm，支座净距2.4m，试验研究内容（1）加固 后，梁受弯承载力的变化特点；（2）加固后，梁的挠度、裂缝开展及破 坏特点，请回答以下问题： （1）绘出简支梁三分点加载试验装置的简图，简要说明各仪器的测量内 容； （2）绘出30kN和50kN作用时，梁跨中截面应变沿梁高的分布特征（最 大应变为0.0008） 4、加载制度 概念
电测法——电阻应变片
应变片类型 2. 短接式应变片——绕丝式的改进（H式） 构造：纵横向电阻丝通过点焊连接
横向短接
点焊
引出线 电阻丝
特点：横向灵敏度小、焊点易脱落，不适用于动测
电测法——电阻应变片
应变片类型 3.箔式应变片——短接式应变片的改进 构造：敏感栅由很薄的金属箔片采用光刻技术制成，弯头截面大
光纤布拉格光栅传感器
特点：
光纤传感器是90年代出现的一种用于观测应力、应变、温度以及内部裂缝、变 形等结构参数的新型传感器。 高精度 高灵敏度 远距离 分布式 耐久性 光纤的小巧、柔软、不易拉断 抗电磁干扰能力强 集传感与传输于一体 易于制作和埋入结构内部 而且物理截面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影 响。
光纤布拉格光栅传感器
构造：光纤、布拉格光栅组成
4 1 2 6
光栅基本构造示意图 1-输入信号；2-反射信号；3-传输信号；4-光纤线芯； 5-紫外写入光栅；6-光纤包层；7-布拉格光栅周期
5 3 7
表面式光纤应变传感器
内埋式光纤应变传感器
表面式温度光纤传感器
内埋式光纤温度传感器
光纤布拉格光栅传感器
R / R K
(4
其中K为电阻应变片灵敏系数，一般的电阻应变片 的灵敏系数比电阻丝的灵敏系数来得小。
电测法——电阻应变片
应变片类型 1.绕丝式应变片（U式） 构造：由电阻丝挠制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基
电阻丝回弯头
引出线 电阻丝
特点：制作简单、价格便宜、纸基易受潮、横向灵敏度大
——单轴片
——双轴片
——三轴片 ——四轴片
电测法——电阻应变片
片 单轴片 双轴片
片 三轴片
120°片
片 四轴片
片
电阻应变片
电测法——电阻应变片
电阻应变片规格及特点 ：
——几何尺寸 ——阻值：标准R=120Ω ——灵敏系数：K=2.00
箔式应变片
电测法——电阻应变片

箔式应变片的特点:
敏感栅截面为矩形，较圆断面大，粘合面积大不易脱落，传递应变较丝式好; 具有较大的散热能力； 弯头大，横向效应小可忽略； 蠕变、机械滞后小、寿命高； 由于采用光刻技术，标距可小到0.2mm，可用于点应力测试。

电测法——电阻应变片
应变片的组成：
光纤布拉格光栅传感器
B
式中：
B
B
K K T T
——应变以及温度变化引起的波长变化 B ——光纤光栅不受应变及温度变化的中心波长 ——待测应变 T ——为温度变化量 K ——光纤光栅应变传感灵敏度系数 K ——光纤光栅温度传感灵敏度系数。
T

可采用相同温度环境下的光纤光栅进行温度补偿。 KT T

手持式应变仪
手持式应变仪
1 4 3 2 5 6
L
手持式应变仪构造原理 1－刚性的金属杆；2－插轴（尖形）；3－薄钢片； 4－千分表；5-千分表的测杆；6－刚性的金属杆
接触式应变计
1
2
3 4
接触式应变计测装置 1－金属夹头；2－顶杆；3－位移计；4－试件
千分表
构造：
千分表由测杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等各种零 部件组合而形成四个机构： 传感机构（千分表中的触杆） 转换机构（千分表中的大小齿轮及弹簧） 指示机构（千分表中的指针） 机体和保护部分
工作原理：
2n
式中： ——光纤光栅的中心波长 n ——纤芯的有效折射率 ——光栅周期。
光纤布拉格光栅传感器
结构应变势必导致光栅周期的变化——这为 采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提 供了最基本的物理特性。 同样温度变化也会引起光栅布拉格波长的变 化。 波长的变化与应变以及温度的变化可用下式 来表示：
电涡流式-探头
电测法——电涡流式-前置器
电测法——电涡流式-应用
探头安装---非接触
混凝土试件收缩实验
电涡流式-应用
数据实时监测
IMP电压信号采集板
电测法——钢弦式传感器
电测法：利用电的某些特性如电阻、电流、电压、频率等的变化与结构应变之间 的转换关系来测定结构的应变。 主要有钢振弦式与电阻式
传感器主Βιβλιοθήκη Baidu内容：
概述 机测法(感受机构、转换机构、显示和附属装置) 电测法（把非电物理量变化转化成电量变化， 感受部分、转换部分、传输和附属装置） 其他传感器：光纤、激光、红外线、超声波传感 器 一、钢振弦传感器 二、电阻应变式传感器 三、电涡流式传感器—非接触式 应变数据处理—应力应变转换关系
电蜗流式传感器—非接触式
电测法——电涡流式
组成
探头、延伸电缆、前置器、被测体
特点
非接触式、静态、动态、高线性、高分辩率
原理
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产 生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一 磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感 应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部 线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位 得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几 何形状、几何尺寸、电流频率、探头头部线圈到金属导体表面的距离等参数有 关。
我们就可以通过测应变来测应力，而应 变测试方法比较简单，因为根据应变的 定义：
概述
L L
式中：
——应变
L ——测区长度的变化量
L ——测区的原始长度，称之为标距
概述


如在机测中，将L 放大后测量；
在光测中，将L 变化转换光波长的变化； 在电阻应变测试技术中，将 L转换为传感元件的 电阻并进一步转换为电压的变化等等。
1 2
N
5
6
3
S
4 1 P
钢弦式传感器结构原理
5
7
1-夹块；2-振弦；3-永久磁铁；4-线圈；5-螺钉；6-软铁块；7-膜片
电测法——钢弦式传感器
工作原理：利用钢弦自振频率与钢弦应变之间存在一定关系， 通过测钢弦的频率来测应变。
式中： ——钢弦自振频率 ——钢弦长度 L ——待测应变 ——钢弦弹模 E ——钢弦材料常数
千分表
7 1
0
10
2 3
80 9 0
8
20
30 4 0
70
50 60
5 9 千分表构造图 10
6
1－短针齿轮；2－齿轮弹簧；3－长针；4－测针 5一测杆弹簧；6，7－齿轮；8一齿条；9一颈箍；10一顶头
机测法
机测法工作原理：将测区长度的变化通过千分表的 测杆传递给一组齿轮，通过齿轮将长度的变化进行 放大并改变方向，转换为指针在刻度盘上的转动并 指示出值，进而计算出应变值。
(4 3)
(4 4)
(4 5)
R / R 2 /
整理得：
R / R 1 2 /
令：
KS



R / R
(4 Ks 5)
——电阻丝的灵敏系数
电测法——电阻应变片
由于电阻应变片是由电阻丝按一定规格挠制而成 的，因此电阻应变片同样有如下的电阻变化率与 应变的关系：
电阻应变片的工作原理：
利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变 效应指的是电阻丝的电阻值随其本身应变（伸长 或缩短）而改变的一种物理性质。
L R A
(4 2)
电测法——电阻应变片
通过数学分析，对R求微分得：
R / R L / L A / A /
由材料力学可知：



一、钢弦式传感器
利用固定在结构上的钢弦振动频率与结构应变之间的转换关系，通过测量钢弦的 振动频率来实现对应变的测量。

构造：由夹块、振弦、永久磁铁、线圈等组成。一般有埋入式与外置式，主要产 品有德国麦哈克、法国德来马克、美国基康等以及中国丹东传感器厂生产。
电测法——钢弦式传感器
电测法——钢弦式传感器