现代结构试验方法

3.6.1 惯性式拾振器的力学原理
设被测振动物体规律
x X 0 sin t
质量块m的振动微分方程为
m ) x m kxm 0 m( x x
上式通解为
xm Be
其中：
nt
cos( n t ) X m 0 sin(t )
2 2
Q GA
压电材料中，石英晶体具 有较高的稳定性、高机械强度 和很宽的工作温度，但灵敏度 较低；压电陶瓷可得到较高的 灵敏度和很宽的工作温度，易 制成所需形状。
土木工程概论
压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、重量轻、 体积小等特点。其主要技术指标有：灵敏度、安装谐振频率、 频率响应、横向灵敏度比和幅值范围等。
感应电动势可表达为： E
BLnv
土木工程概论
磁电式传感器的主要技术指标有：
（1）固有频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率，是传 感器的一个重要参数。
（2）灵敏度：传感器的拾振方向感受到一个单位振动速度时， 传感器的输出电压。 （3）频率响应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化 的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的传感器，频 率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和调整，则阻尼不 同，传感器频率响应曲线也不同。 （4）阻尼系数：磁电式测振传感器质量弹簧系统的阻尼比， 通常磁电式测振传感器的阻尼比设计为0.5～0.7。
仪器测量、人工记录
仪器测量、仪器记录 自动化采集系统测量、记录、处理
土木工程概论
3.2 量测仪表的基本概念
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、数据采集仪和数据采集系统等。 传感器 •感受部分 •放大部分 放大器
•显示记录部分 显示器、记录仪
•分析仪器 计算机、程序
双电桥电路：输出灵敏度高，现代应变仪 一般采用。 3、温度补偿技术 应变片电阻值随温度变化原因：
1）电阻值随电阻丝温度变化而变化；
2）试件温度变化导致应变片产生温 度变化，引起一附加电阻变化。 桥路输出电压：
土木工程概论
温度补偿方法:
1）温度补偿应变计补偿法；
2）工作应变计温度互补偿法；
3）温度自补偿法
电测法将振动参量（位移、速度、加速度）转换成电 量，而后用电子仪器放大、显示或记录。其灵敏度高，且 便于遥控、遥测，是目前最常用的方法。 振动测量系统由拾振器、测振放大器和记录仪等部分 组成。 拾振器按量测参数分为位移式、速度式和加速度式； 按构造原理可分为磁电式、压电式、电感式和应变式。
土木工程概论
4）应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡；
5）粘贴前后阻值不改变； 6）粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500MΩ； 7）应变线性好、滞后、零飘、蠕变等要小，保证应变能正确传 递。
土木工程概论
（2）粘贴方法及步骤
1）应变片检查分选，外观、阻值检查； 2）测点处理：包括测点检查、打磨、清洗、打底、
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。 核心部件：厚壁筒 放大系数： 灵敏度： 设计荷载 弹性模量 接线方法：全桥 设计应力
土木工程概论
土木工程概论
2、拉力和压力测定 测力计基本原理：钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹 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。
土木工程概论
3、结构内部应力测量


内埋式应力栓
内埋式差动电阻应变计 振动丝应变计
土木工程概论
3.5
裂缝检测
裂缝、应变场应变及温度测定
裂缝检测方法： 1）放大镜或肉眼观测 2）读数显微镜
3）裂缝标准宽度板
4）裂缝塞尺 5）裂纹扩展片 6）脆漆涂层 7）声发射技术
8）光弹贴片
土木工程概论
土木工程概论
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 千分表 刻度值/mm 0.001 量程/mm 1 允许误差/mm 0.001
百分表
挠度计
0.01
0.05 或0.1
5、10或30
50、100或300
0.01
0.05或0.1
土木工程概论
土木工程概论
2、应变梁式位移传感器
土木工程概论
量测仪器基本方法
偏位测定法：按仪表发生的偏转或位移定出被测值。 该方法为土木工程结构试验与检测常用方法，如：百 分表、双杠杆应变仪、动态电阻应变仪均属于该方法。 零位测定法：用已知的标准量去抵消未知量引起的转。 如称重天平。该方法更为精确，若进行放大后更为精
确。
土木工程概论
结构试验对仪器设备的使用要求：
土木工程概论
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：仪表的指示所能指出的最小测量值。
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。 分辨率：测量被测物理量最小变化值的能力。 稳定性：规定时间内保持示值与特性参数不变的能力。 滞后：恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大 偏差值或该值与最大量程的百分比。
应力
ε 放大 指示
△U
构件截面应力值测定方法
σ ＝Eε （或σ -ε 关系曲线）
应变量测原理 ε ＝△l/l 应变量测方法 电测和机测两类
应变计
△
R
电桥
应变量电测法
电阻应变计粘贴技术
保证测点感受元件（应变计）与试件同步变形
土木工程概论
电阻应变计 1、电阻应变计的原理及构造 （1）工作原理
5、位移测量的其他方法
土木工程概论
结构转动变形测量 1、转角测定
土木工程概论
2、曲率测定
a、
b、
土木工程概论
3、剪切变形测量
土木工程概论
4、扭角测量
土木工程概论
3.4 力的测量
结构静载试验所需测定的力，主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。 量测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。
2 n k/m
2n / m
土木工程概论
X m0
X0 n 1 n
2 2

2
2 2 n
2
arctg
2 n
1 n
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ木工程概论
2、压电式加速度传感器 压电式拾振器利用压电晶体材料具有的压电效应制成。当压 电晶片电轴方向受到外力而产生压缩或拉伸变形时，内部会产生 极化现象，同时在其相应的两个表面上出现异号电荷，形成电场。 当外力去掉后，又重新回到不带电状态。这种将机械能转换为电 能的现象，称为“正压电效应”。压电晶体受外力产生的荷载为：
符合量测所需的量程和精度要求； 动态试验量测仪表，其线性范围、频响特征以及相移特性等都满 足试验要求；
自重轻、尺寸小，不影响结构工作；
同一试验中选用的仪表和传感器种类应尽量少，以便统一数据的 精度，简化量测数据的整理工作和避免错误； 选用仪表时应考虑试验环境条件。
土木工程概论
3.3
应变
应变量测
应变场应变测量 1、牛顿插值公式
2、应变场内任意点的应变
土木工程概论
2、应变场的应变分布 1）计算A、B、C三点应 变；
2）基于A、B、C三点应 变，再次利用牛顿插值公式， 计算任意点 x 的应变。
土木工程概论
土木工程概论
内部温度测量
土木工程概论
3.6
动载试验量测设备
振动参量量测方法有机械式振动测量法、光学测量法 和电测法等。
土木工程概论
2）当
/ n 1， 1 时
1
2
1 n
2 n
2
1
2
满足此条件的测振 仪称加速度计。
X m0
2 2 X0 n
tg 0
xm 1
2 n
x
土木工程概论
3.6.2
测振传感器
拾振器除应正确反映振动体的振动外，尚应不失 真地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量， 以便用量电器进行测量。
土木工程概论
1、磁电式速度传感器
磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、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，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也 能量测较强的振动，是工程振动测量中最常用的拾振仪器。 此类传感器惯性质量 块的位移反映所测振动的 位移，而传感器输出的电 压与振动速度成正比，又 称惯性式速度传感器。
（2）应用
桥路输出灵敏度取决于应变片的贴片位置和方向，以及接线 方式。根据具体情况进行桥路设计，可得桥路输出的不同放大系 数。
土木工程概论
放大系数 2（1＋ν）
放大系数 2
土木工程概论
2、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； 3）同一组应变计规格型号应相同；
（８）零飘；
（９）蠕变； （１０）绝缘。
土木工程概论
电阻应变仪的测量电路 1、电桥基本原理
桥路：不平衡电桥 测量方法：偏位测量法
土木工程概论
偏位测量法缺点：
1）电源电压波动影响量测结果的准确性 2）检测计需要很高的灵敏度和较大的测量范围
2、平衡电桥原理
桥路：平衡电桥
测量方法：零位测量法
土木工程概论
测线定位；
3）应变片粘贴：上胶、清洗、打底、测线定位； 4）固化处理； 5）粘贴质量检查，外观、阻值和绝缘度检查； 6）导线连接；
7）防潮处理。
土木工程概论
应变的其他量测方法与仪表
（1）机测法
（2）光测法
土木工程概论
3.4
结构线性位移量测
位移与变形量测
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
2 2
2 2 1 2 n n
1
180 k / m
2 n
满足此条件的测振仪 称位移计。位移计体积较 大较重，使用时对被测系 统有一定影响，特别对于 一些质量较小的振动体不 太适用。
2
X m0 X0
n 1 n
2 2

其中：阻尼比
2 2 n
n / n
土木工程概论
1）当
/ n 1， 1 时
n
土木工程概论
实用电路与电阻片粘贴技术 1、实用电路及其应用
（1）实用电路
土木工程概论
1）全桥电路：测量桥四个臂上全部接入工作应变片。工作片 兼作温度补偿片。可提高量测灵敏度。
2）半桥电路：测量桥分别接入两个工作片和两个固定电阻。 工作片兼作温度补偿。可提高量测灵敏度。 3）1/4桥电路：测量桥由一个工作片、一个温度补偿片和两 个固定电阻。温度补偿片温度补偿。不能提高量测灵敏度。
灵敏系数
土木工程概论
（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
土木工程概论
2、电阻应变片主要技术指标
（1）标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L。 （2）规格：以使用面积L×B表示。 （3）电阻值：应变片阻值一般在120Ω左右。 （4）灵敏系数：抽样确定。 （5）应变极限：保持线性输出时所能量测的最大应变值。 （6）机械滞后； （7）疲劳寿命；
量程为30～150mm，读数分辨率 可达0.01mm。 位移传感器位移：
土木工程概论
3、滑线电阻式位移传感器 组成：测杆、滑线电阻和触头 原理：运用半桥接线，由相邻 两臂电阻增量相减的特性的输出电 压。 量程为10～100mm以上。
土木工程概论
4、差动变压器式位移传感器
量程可达 500mm。
土木工程概论
土木工程概论
第三章 结构试验量测技术
应变量测 位移与变形量测 力的量测 其他
土木工程概论
3.1
概述
对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。 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。 数据的量测与采集方法 人工测量、人工记录