结构试验1节-量测仪器

结构静载试验
§1.概述
直接作用 结构上的作用 自重
外荷载
静载（无加速度） 动载（有加速度）
间接作用—外加变形或约束变形 结构主要承受直接作用，研究结构承受直接作用的状况是结 构试验与分析的主要目的。而起主导作用的是静载，静力荷载试 验也被置于常规试验中。如：对于结构的强度、刚度及稳定等问 题的试验研究，常只需做静载试验。 另外，静力荷载要求的技术和设备简单，容易实现。 为缩短试验周期，尽快取得试验成果，常采用短期试验。所 以目前经常采用短期静载试验。
§2-2.应变量测仪器 结构构件
荷载
应力
应变 l
承载能力
σ＝ E · ε 或 σ～ ε
Δl
应变的定义： ε ＝ Δ l / l
★ 应变测量通常是在标距 l 内，测量长度变化的平均值 Δ l （局部变形），由 ε ＝ Δ l / l 求得。 故 ε 为标距 l 范围内的平均应变。 所以应变测量，实质上就是如何测量Δ l。 ★ 钢筋和混凝土的应变宜采用电阻应变计、振弦式应变计、 光纤光栅应变计、引伸仪等进行测量
低周反复荷载试验（伪静力）和计算机—电液伺服试验机联 机试验（拟动力）方法可以间接研究结构的抗震性能。目前国内 外大多数规范的抗震条文都是以这类试验的结果为依据的，但就 其本质来说，仍为静载试验。其结果不仅为结构的静力分析提供 试验数据，也为某些动力分析提供了数据。 ★ 静载试验是基本试验方法，或结构试验的基础。
误差，因而测量精度高于偏位测量法。
三、仪器误差及消除方法 仪器本身的误差属于系统误差。产生误差的原因主要是由于仪 器在生产工艺或设计上的缺陷（零件尺寸、安装位置或刻度分划 不准确），或者是长期使用使零件磨损、零件变形等。 消除系统误差的方法：事先找出仪器存在的系统误差及其变化
规律，并对其建立各种修正公式、修正曲线。因此有必要对仪器
4）适用性好 可测量多种物理参数。除静力和动力应变外，还可以通过传 感器测量位移、转角、压力等参数。 ★ 主要缺点：粘贴工艺复杂，粘贴工作量大 ，不能重复使用。
2、电阻应变仪的测量电路 例：如K＝2.0，R＝120Ω，要求测量的应变ε＝10-3～10-6 则由ΔR/R=Kε，得ΔR= R K ε ＝2.4×10-1～2.4×10-4Ω。 这是一个非常微弱的电信号，用量电仪器检测很困难，必须借 助放大器将其放大，才能推动量电仪器工作。电阻应变仪是电阻 应变片的专用放大器和量电仪器。 （1）惠斯登电桥 设：R1=R2=R’， R3=R4=R’’
由材料力学可知：
（4）
dA dl dD dl 2 2 ，则 D l A l
（5）
将公式（5）代入公式（3）得：
dR d dl d (1 2 ) (1 2 ) R l
公式（6）两边同除以ε得： dR d / / (1 2 ) R dR d K 0 / (1 2 ) K 0 ， 则 令 R K0 —单根电阻丝的灵敏系数。
2、采用和被标定仪器同一等级的“标准”仪器作比较进行标定 所谓“标准”仪器，其准确度并不比被标定仪器高，但不常使 用，可认为该仪器的技术指标保持不变，准确度为已知。 ★ 特点：不需要特殊标定设备，常采用 3、利用标准试件标定仪器 ?????????
将标准试件在试验机上加载，使标准试件产生已知的变化量， 根据这个变化量可求出安装在试件上的被标定仪器的误差。
§2-1.测量仪表的基本概念
一、基本组成和技术指标 1、基本组成
检出、变换系统
放大系统
显示、记录系统
2、主要技术指标 （1）量程 S （最大量测范围）
S xmax xmin
使用范围：（20％～80％）S
（2）刻度值 A 仪表指示装置上每一最小刻度所代表的被测量的数值。 仪表的放大率：V =1/A （3）灵敏度 K 被测物理量的单位变化所引起仪表示值的变化。 （4）分辨率 使仪表示值发生变化的最小输入值。 （5）滞后 起始值→最大值，称正行程 最大值→起始值，称反行程 同一输入量正反两个行程输出值之间的偏差。 原因：机械仪表内摩擦或仪表元件吸收能量所致。
（5）应变片的优点 1）灵敏度及准确度高，测量范围大 可精确测量±1με，最大±30000 μ ε 2）体积小，重量轻 可安装在形状复杂，空间很小的区段内，并且不影响被测结
构的静力和动力性能。
3）对环境适应性强来自百度文库可在高温（800C1000C）、高压（1×104大气压以上）、
高速旋转及水中??????????测量。
一、电阻应变计（片）电测法 ★ 原理：通过粘贴在试件表面上的电阻应变片（感受元件）与试 件同步变形，输出电信号进行测量和处理。
P
ΔR
试件 电桥
Δl
应变片 放大
ΔR
ΔU
ΔI
KΔU KΔI
±KΔI 二次仪表——电阻应变仪
检波
±KΔU
显示记录
± με
1、电阻应变片的工作原理及构造 （1）应变片的工作原理 金属导线的电阻：
接测量将产生较大误差时可采用间接测量法。
如：通过测量应变 ε 确定应力 σ， σ＝E· ε 2、偏位测量法和零位测量法 （1）偏位测量法：根据仪表指针相对于刻度线的偏位来直接表示 被测量的大小。
（2）零位测量法：用已知标准量去抵消未知物理量对仪表指示装 置引起的偏转，使被测量和标准量对仪器指示装置的效应保持相 等，即两个作用的总效应为零。总效应为零时（指示机构的示值 为零）的标准量即为被测的物理量。如：秤重天平 ★ 特点：由于零位读数法测量结果的误差主要取决于标准量的
只要测出 Ig ，即可求得应变 ε 。而 Ig 可通过检流计指针偏转测
得。 此法要求：检流计量程大，精度高。
并且 Ig 与 U 有关，而 U 将受电网电压不稳定干扰。
2）零位读数法 在D点接入一滑线电阻 r，调节 r
使电桥重新平衡，则： (R1+ΔR1)· (R3-Δr)=R2· (R4+Δr) (R’+ΔR1)· (R’’-Δr)=R’·(R’’+Δr) 整理，并舍掉高阶微量，得： ΔR1/ R’=2Δr /R’’=Kε， ε = 2Δr /K· R’’ ，ε Δr (?????) ★ 只要在滑线电阻 r上标出应变刻度，即可通过调节Δ r 来读取 应变值。 用这种方法测量时，检流计仅用来判断电桥是否平衡，与供桥 电压 U 无关，且对检流计的精度要求不高。 ★ 由于始终将检流计的指针调至零位时才开始读数，故称为零位 读数法。
当电桥平衡时（Ig=0或UBD=0）
有： R1· R3=R2· R4 当R1→ΔR1时， Ig≠0
此时电桥不平衡
如何测量？？？
1）直接测量 Ig
U R1 Ig ' '' 4( R R ) R1
U K ' '' 4( R R )
Ig ΔR1，或 Ig ε 将ΔR1线性→Ig
（4）应变片的分类 丝式 箔式 电阻栅材料 薄膜式 半导体式 纸基 基底材料 胶基 金属片基 ★ 工程结构试验常用的电阻应变片： 1） 纸基丝式——大标距（一般为单轴），测量非均质材料。 ★ 量测混凝土应变的电阻应变片标距不应小于50mm和4倍粗骨 料粒径。 2） 胶基箔式——小标距（单轴或应变花），测量均质材料。 电阻栅 结构形式 温度场 低温 <-30C 常温 -30C60C 中温 60C350C 高温 >350C 单轴 多轴（应变花）
覆盖层 电阻栅
引出线 底基
（3）应变片的主要性能指标 1）标距：电阻栅纵向有效长度l 2）规格（使用面积）：b×l 3）电阻值R：R≈120Ω 电阻应变仪一般按120Ω设计，
如R≠120Ω，则应对测量结果修正。
4）灵敏系数K：K≈2.0 测量时必须将电阻应变仪上的灵敏系数调节调到等于应变片 的灵敏系数K，否则应对测量结果修正。 5）应变极限： 电阻应变片保持线性输出所能测量的最大应变值；1～3％。 6）疲劳寿命 A 107次 B 106次 C 105次 D 104次
★ 特点：准确度不高，但简单，容易实现，广泛采用
四、量测仪表的分类 1、机械式仪表 利用杠杠、齿轮、螺杆、弹簧、指针、刻度盘等，将被测量 放大、变向，最后转换为长度的变化，用指针在刻度盘上显示出 来。 ★ 特点：有一定精度，对环境适应性较强，使用简单，工作可 靠，可重复使用，可满足一般试验要求。 2、电测式仪表 将量测的各种参数转换为电阻、电压或电流等电量参数，然 后进行测量。 所谓 “非电量的电测技术” ★ 特点：可快速、准确量测试件表面或内部的各种数据，可远 程操纵，与计算机联机等 3、光学式仪表 读数显微镜，经纬仪，水准仪等 4、光电式仪器——光电挠度仪
l R A
（1）
电阻的变化为：
R R R l l dR d dl dA d dl 2 dA l A A A A
公式（2）两边同除以公式（1）得：
(2)
dR d dl dA R l A 电阻丝的截面面积：
（3）
dD D 2 dA 则 2 ??????? A , 4 A D
五、量测仪表的选用原则 选用时应避繁就简，根据试验的具体要求，综合考虑，防止盲 目性和片面性。 1、满足试验的具体要求。量程、精度和灵敏度等 量程S——最大被测量的1.25～2倍
精度——一般最大误差≤±5％ （按规范要求）
2、不影响结构的工作性能和受力情况 体积小，重量轻 3、仪器种类、规格尽量少，以便统一数据精度，简化数据的整理 工作，避免误差。 4、仪器应稳定、可靠，使用方便，经济耐用。 另外，仪器应定期标定。重要试验前，仪器最好采用精度等级 高一级的标定设备进行标定。
（7）可靠性 在规定的条件下（满足规定的技术指标，包括环境、使用和 维护等），在满足给定的误差极限范围内，仪器、仪表连续工 作的可能性。
二、基本量测方法 1、直接测量法和间接测量法 （1）直接测量法：用量测仪表对某一被测量直接测定，从而得出 该量的数值。 （2）间接测量法：不直接测量待求量 x，而对与待求量 x有确切 函数关系的其他物理量 y1、y2„„yn进行测量，从而求得 x， x=f (y1、y2……yn) ★ 当直接测量不便进行时，或没有相应的仪器可采用时，或直
（6）
（7）
K0 的物理意义：单位应变所引起的相对电阻变化率。 实用公式： R / R
K
K—电阻应变片的灵敏系数。由试验测得，通常K≈2.0。
结论：在一定范围内，电阻应变片的电阻变化率与应变成比。 这是电阻应变片测量应变的理论基础。
通过(电阻栅)??????????将被测试件的应变转化为电阻的变化， 从而实现 了非电量 电量。 （2）应变片的构造
进行定期率定（标定）。
标定：为了确定仪器的精度或换算系数，定出其误差，须将仪 器示值和标准值进行比较，这项工作称为仪器的率定。 1、在专门的标定设备上进行 这种设备能产生一个已知的标准量，将其与被标定仪器的示 值进行比较，从而求得被标定仪器的刻度值。
★ 特点：标定设备的准确度较被标定仪器高一级 ????????
（6）精确度——精度 是精密度和准确度的综合反映。 精密度——反映的是随机误差 准确度——反映的是系统误差 精度是用测量误差的相对值来反映，误差越小，精度越高。 仪表的精度等级： g ,max A 100% xmax xmin g ,max ——最大绝对误差允许值；
xmax 、xmin ——测量范围的上、下限值。
§2.静载试验的量测仪器
结构试验的目的，不仅要得到有关结构性能的宏观现象，更 主要的是取得确定结构性能的定量数据。仅当掌握了精确可靠的 数据，才能对结构性能作出定量的判断或为建立新的计算理论提 供依据。
精确可靠数据的取得必须依赖于量测——包括两个方面的内
容。
量测技术：量测方法、量测工具、量测误差分析 量测 外界作用：荷载、支座反力等 量测内容： 外界作用的反应：变形、频率等 ★ 量测技术的状态反映了一个国家经济发展和科学技术的水平。 要求：首先，应对被测参数的性质和要求有深刻的理解——专业 知识；其次，必须对有关测量仪器的原理、功能和技术指标有所 了解，正确选择和使用，才能取得满意的效果——试验技术。