结构试验1节-量测仪器

§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
（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 可在高温（800C1000C）、高压（1×104大气压以上）、
高速旋转及水中??????????测量。
（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
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。
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
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。
§2-1.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、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。
（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。
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
（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
（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）
★ 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
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：
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。
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’’
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 ????????
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
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。
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.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。
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
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。