建筑结构试验(第三章)

千分表
7 1
0
10
2 3
80 9 0
8
30 4 0 20
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
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
§3.3.2 电测法—电阻应变测试技术
应变片的选用 选类型、选标矩（大、中、小片） 1）构件的材性：均质——钢丝、钢板、钢筋、有机 玻璃用中小片（标距2、3、5、10mm）；非均质— —砼标距>3倍最大粒径(100、150、300mm) 2）结构受力：应力梯度大用小片，应力集中用箔式 小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片， 已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向 未知的复杂应力场用三、四轴片 3）环境、气候、时间——秋季、时间短用纸基；春 季、时间长用胶基
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
L L
平均应变
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
L L
1）平均应变 2）精度高于手持式
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；
§3.3.2 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）
全桥（弯曲电路），温度互补
r 4
r 2(1 )
r 2(1 )
全桥（弯曲泊松比），温度互补
全桥（泊松比桥路） ，温度互补
§3.3.3 机测法
定义： 利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 常用仪器： ——手持式应变仪 ——接触式应变仪
手持式应变仪
手持式应变仪
贴片
干燥固化
防护
§3.3.2 电测法—静态电阻应变仪
将电阻应变片阻值的变化，转换为电压 的变化，并放大后测量。
§4 电测法——静态电阻应变仪
§3.3.2 电测法—静态电阻应变仪
惠斯登电桥（串并联桥路）
B R1 A R4 I2 D R3 I1 R2 C
uB D
U
§3.3.2 电测法—静态电阻应变仪
应变片的组成：
——单轴片
——双轴片
——三轴片 ——四轴片
§3.3.2 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
§3.3.2 电测法——电阻应变片
应变片选用
——结构材性
均质材料：钢丝、钢板、钢筋用中小片（标距2、3、5、10mm） 非均质材料：如混凝土应选用标距长的应变片
§3.3.4 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）
表面式光纤应变传感器
内埋式光纤应变传感器
§3-3 应变测量仪器
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
§3-3 应变测量仪器
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。
§3.3.2 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
§3.3.2 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。
应变片 结构应变 电阻值 桥路 电压 应变指数
§3.3.2 电测法—电阻应变测试技术
电阻应变片的特性： 几何尺寸：标距0.2~300mm 电阻值：120欧左右 灵敏系数(K) 2.0左右 横向敏度(H)——应变片主轴方向的应变引起垂直于主轴方向的 应变响应 极限应变——应变片的工作限度（2000微应变） 绝缘电阻——电阻应变片的引出线与结构材料之间的电阻值 （200M欧以上） 最大工作电流——25~100mA（电阻丝通电会发热） 机械滞后——应变片感受结构的变形会滞后一段时间，解决办 法：反复加载几次。 零漂与濡变：零漂是指在恒温、结构不受力情况下应变片指示 的应变值随时间而变化用με/h表示。原因是受潮、电磁场干拢； 濡变——结构受荷稳定后，应变片指示的应变继续变化。 温度效应——应通过桥路补偿或自补偿给予消除
对试件的作用和试件的反应： 力、位移、速度、加速度、应变、 应力、温度、裂缝等
传感器 （放大器）
记录器 （显示器）
§3-1 概述
4. 仪器设备按功能分：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、 数据采集仪。 5.仪器设备按工作原理分： 1）机械式仪器； 2）电测仪器； 3）光学测量仪器 4）复合式仪器； 5）伺服式仪器（有控制功能）。 7.仪器设备按测量用途分： 1）测力仪器； 2）位移仪器； 3）应变计； 4）倾角仪器； 5）频率计； 6）测振仪器。 8.仪器设备按与结构的关系分： 1）附着式和非附着式； 2）接触式和非接触式。
通过电学分析，可得输出电压：
U BD
R1 R3 R2 R4 U ( R1 R2 )(R3 R4 )
( 4 7)
对上式求微分 ， 利用 ΔR/R=Kε 并 令 R1 =R2 = R3 =R4 =R，可得：
§3.3.2 电测法—静态电阻应变仪
U BD UK 0 4 (4 8)
工作原理及特点
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。
建筑结构试验
第三章 结构试验的数据采集和测量仪器
第三章 结构试验的数据采集和测量仪器
§3-1 概述 §3-2 仪器的工作原理 §3-3 应变测量仪器 §3-4 位移测量仪器 §3-5 力值测量仪器 §3-6 裂缝测量仪器 §3-7 振动测量仪器 §3-8 数据采集系统
§3-1 概述
1.数据采集的方法 1）人工测量、人工记录，如用直尺测量位移、裂缝宽度； 2）仪器测量、人工记录，如用百分表测位移； 3）用仪器测量、记录，如X-Y函数仪，或用传感器、放 大器和磁带记录仪进行测量和记录； 4）用数据采集系统进行测量和记录。 2.数据采集的原则：同时性和客观性。 3.数据采集时的数据流通过程：
上式表明，输出电压的变化量与桥路电阻应变的关系，完成了应变— —电阻——电压的转换，从而可以通过测试电压的变化来测试应变， 这就是电阻应变仪工作原理，其中：
0 1 2 3 4
(4 9)
上式表明：桥路总输出应变等于邻臂应变相减，对 臂应变相加。
§3.3.2 电测法—静态电阻应变仪
(4 3)
(4 4)
(4 5)
R / R 2 /
整理得：
R / R 1 2
/
/
令：

K S 1 2


Ks (4—— 5) 电阻丝的灵敏系数
§3.3.2 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绕制而成 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：
R / R K
(4 6
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。
§3.3.2 电测法——电阻应变片
应变片类型 1.绕丝式应变片（U式） 构造：由电阻丝绕制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基
电阻丝回弯头
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
——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；
§3.3.2 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
§1-4 电测法——电阻应变片
§ 3.3.2电测法——电阻应变片
§3.3.2 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、静应变；
通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪 力）、位移等；
§3.3.2 电测法—电阻应变测试技术
——结构受力
应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向 应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的 复杂应力场用三、四轴片
§3.3.2 电测法——电阻应变片
粘贴工艺
选片 测点表面处理 焊线
粘贴要求：
1）测点基底平整、清洁、干燥； 2）粘接剂的电绝缘性、化学稳定性和工艺性能良好； 3）蠕变小； 4）粘贴强度高，温、湿度影响小； 5）同一组应变计规格、型号应相同； 6）粘贴牢固，方位准确。
基本测量桥路 ： ——全桥测量法 ——半桥测量法
——每臂双片测量法
§3.3.2 电测法——半桥测量法
§3.3.2 电测法——半桥测量法（举例）
§3.3.2 电测法——桥路特性
¼电桥，温度补偿：
r
r 2
r (1 )
半桥（弯曲桥路），温度互补
半桥（泊松比桥路），温度互补
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变形（伸长 或缩短）而改变的一种物理性质。
L R A
( 4 2)
§3.3.2 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：
箔式应变片
§3.3.2 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。
§3.3.2 电测法——电阻应变片
§3-3 应变测量仪器
应变是单位长度内的变形（拉伸、压缩和剪切） 平均应变 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：
§3-3 应变测量仪器
应变测试的仪器和方法： ——电阻应变仪 ——手持应变仪 ——位移计方法（附着式应变仪）
——光测法（云纹法、激光衍射法、光弹法）
§3.3.2 电测法—电阻应变测试技术
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。 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：
§3-1 概述
9. 测量仪器的技术指标：1）刻度值；2）量
程；3）灵敏度；4）分辨率 5）线性度；6）稳定性；7）重复性；8）频率响应 10.结构试验对测量仪器的要求 1）仪器自重要轻，不应该影响结构的工作； 2）具有合适的灵敏度和量程； 3）安装使用方便，稳定性和重复性好，有较好的抗干扰能力； 4）价廉耐用，可重复使用； 5）多功能，多用途。