第四章结构实验结构的应力应变测试
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第四章结构实验结构的应 力应变测试
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
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
千分表
7
0 10
8
1 2 3
70 80 90
20 30 40
50 60
5
6
9
千分表构造图
10
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
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
▪ 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：
传感器主要内容：
▪ 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
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）
光纤布拉格光栅传感器
▪ 构造：光纤、布拉格光栅组成
4
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。
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
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。
▪ 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。
▪ 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：
5
1
3
2 7
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
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
概述百度文库
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。
概述
▪ 应变测试的主要方法： ——机测法 ——光测法 ——电测法
光纤布拉格光栅传感器
▪ 式中：
B B
KKTT
B ——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 KT ——光纤光栅温度传感灵敏度系数。
▪
可KT采T用相同温度环境下的光纤光栅进行温度补偿。
光纤布拉格光栅传感器
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
手持式应变仪
手持式应变仪
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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
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
千分表
7
0 10
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70 80 90
20 30 40
50 60
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千分表构造图
10
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
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
▪ 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：
传感器主要内容：
▪ 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
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）
光纤布拉格光栅传感器
▪ 构造：光纤、布拉格光栅组成
4
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。
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
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。
▪ 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。
▪ 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：
5
1
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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
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
概述百度文库
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。
概述
▪ 应变测试的主要方法： ——机测法 ——光测法 ——电测法
光纤布拉格光栅传感器
▪ 式中：
B B
KKTT
B ——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 KT ——光纤光栅温度传感灵敏度系数。
▪
可KT采T用相同温度环境下的光纤光栅进行温度补偿。
光纤布拉格光栅传感器
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
手持式应变仪
手持式应变仪
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