(结构试验)第四章结构试验测量技术

2020/10/23
30
4.3 位移与变形测量
裂缝深度的测试方法和原理
(2). 传播时间差法
原理：弹性波遇到裂缝时，波被直接隔断，并在裂缝端部衍射通过。此方法实质是通过传播时 间差来推测裂缝深度。
2020/10/23
31
4.4 力的测量 力的测量
结构静载试验中的力，主要是指荷载和支座反力 相应的量测方法也可以分机械式与电测式两种
消除温度影响，应在简支梁附近放置一个与梁同材料的试块，并粘贴温度补偿片R2 （应与R1规格相同）。由于R2不受力，只是温度T而产生应变，故2=t。
1/4桥
半桥
全桥
2020/10/23
14
4.2 应变测量
【例】以矩形截面简支梁的跨中受拉边缘的应变测量为例，说明1/4桥、半桥和全桥 的桥路特点。
【解】 (1) 1/4桥：工作片R1的应变包括由弯矩M和温度T引起的应变两部分，即1=M+t。
装置有所了解。
2020/10/23
2
4.1 概述 结构试验测量技术 （Measuring Technique of Structural Testing）
指通过一定得测量仪器或手段，直接或间接地取得结构性能变化的定量 数据
测量系统测试单元
结构（构件）
敏感元件 （感受装置）
从被测物体接受能量，输出一定测量数值
2020/10/23
21
4.2 应变测量
电阻应变片粘贴技术
应变片是应变电测技术中的感受元件，粘贴质量的好坏对测量结果影响甚大，结束要求十分严 格。
2020/10/23
22
4.3 位移与变形测量
4.3.1 位移的测量
位移是工程结构承受荷载作用后的最直观反应，是反映结构整体工作情 况的最主要参数
结构的位移主要指试件的挠度、侧移、转角、支座偏移等参数 主要分为机械式、电子式、光电式
其中，设电阻丝泊松比为m，则有
dA 2m
A
其中dL/L为电阻丝长度方向上的应变值，则
d R Rd r rd L Ld A A d r r (1 2 m)
设
dr
r
(12m) K0
则
dR R
K 0
K0，称作点做应变计的单丝灵敏度系数
2020/10/23
7
4.2 应变测量
K0的物理意义表示单位应变所引起电阻丝阻值的改变量，它能反映出电阻丝阻值对应变的敏感 程度，故称作单丝灵敏度系数。
精度：微米级（mm， 1 mm =10-6m ）
激光位移传感器
2020/10/23
26
来自百度文库
4.3 位移与变形测量 4.3.2 转角的测量
利用两个百分表即可测出构件的转角
原理：结构变形后测得A、B亮点位移Da、Db。则该截面转角位
tan DbDa
l
2020/10/23
27
4.3 位移与变形测量
4.3.3 曲率的测定
(4) 灵敏系数：电阻应变片的灵敏系数出厂前经抽样试验确定，使用时应把应变仪上的灵敏系数 调节器调整至应变片的灵敏系数值。
(5) 温度适用范围：主要取决于胶合剂的性质，可溶性胶合剂的工作温度约为-20~+60℃；经 化学作用而固化的胶合剂，其工作温度约为-60~+200℃。
2020/10/23
10
4.2 应变测量
4.4.1 荷载和反力的测试
厚壁筒的荷载传感器，通过应变片将机械变形转换为电量。
2020/10/23
32
4.4 力的测量
4.4.2 拉力和压力测定
主要通过各种测力计。其原理是利用钢制弹簧等在受力后产生弹性变形， 将变形通过机械放大后，用指针刻度盘表示或借助位移计反映力的数值。
拉力计
4.4.3 结构内部应力测定
变换器（传感器） 将被测参数变换为电量并传送到控制装置进行处理
控制装置
对变换器的输出信号进行测量计算，并在显示器上显示出来
指示记录系统
显示记录所测数据
2020/10/23
3
4.2 应变测量 4.2.1 电阻应变片（Resistance Strain Gauge）
1. 工作原理 电阻丝长度变化会引起阻值变化
2020/10/23
11
4.2 应变测量
电桥基本原理
应变仪的测量电路一般采用惠斯登电桥。四个臂上分别接入电阻R1，R2，R3，R4，在 A、C 端接入电源，B、D 端为输出端。
惠斯登电桥 输出电压与输入电压的关系
U B D U B U A D U A R 1 R 1 R 2 U R 4 R 4 R 3 U R 1 R 1 R R 2 3 R R 2 3 R R 4 4
粘结剂：将敏感栅固定在基底上。
引出线：将电阻应变片通过它焊接于应变测量电桥。
2020/10/23
9
4.2 应变测量
3. 电阻应变片的技术指标
(1) 标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L。
(2) 规格：以实用面积L×B表示。
(3) 电阻值：与电阻应变片配套使用的电阻应变仪中的测量线路，其电阻均以120W作为标准设 计，因此应变片的阻值大部分为120W左右，否则应加以调整或对结果进行修正。
2020/10/23
18
4.2 应变测量
2020/10/23
19
4.2 应变测量
2020/10/23
20
4.2 应变测量
电阻应变片粘贴技术
应变片是应变电测技术中的感受元件，粘贴质量的好坏对测量结果影响甚大，结束要求十分严 格。
砂布:0#对应P120；1#对应P100 表面粗糙度： ▽5=应Ra(mm)2.5~5
滑线电阻式位移计
2020/10/23
25
4.3 位移与变形测量
3).激光位移传感器（光电式）
原理：利用激光三角反射法进行测量。 激光三角反射法：激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光
通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以 在不 同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号 处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。
电阻公式
R：电阻，W
r：电阻率，W·m L：电阻丝长度，m A：电阻丝截面积，m2
Rr L
A
相应的电阻变化由上式两边进行微分后得到
rr rrrr R R R L
L
d R d L d L A d A A d A d A 2 d A
dRRdrrdLLdA A
2020/10/23
6
4.2 应变测量
dr
r
(12m) K0
可知， K0由两部分组成，(1+2m)反映了电阻丝材料的几何特性对灵敏度的影响，对于常见金属 丝而言，该值约为1.6；(dr/r)/则表示了电阻率随应变的改变量，对于绝大多数材料而言该值 约为0.4。故电阻丝的单丝灵敏度系数K0为常数.
注意：金属单丝灵敏系数K0与应变片灵敏系数K略有不同，K由实验求得，K< K0。
第四章 结构试验测量技术
School of Urban Construction and Management
2020/10/23
1
本章重点 土木工程试验中的测量系统的基本测试单元组成。 电阻应变片的原理，构造，技术指标。 电桥原理，桥接方式，实用桥路。 应变片的粘贴技术。 应对常见的位移、力、转角、曲率、裂缝等测量方法、测量
UBD 42UKM
桥臂放大系数为2，即将受拉区边缘的拉应变放大了2倍。
2020/10/23
16
4.2 应变测量
(2) 全桥：将工作片R2，R4布置在受拉区边缘，将工作片R1、R3布置在受压区边 缘，则有e1=e4=-e2=-e3，则有
U B D1 4U1 K 2341 4U4K M
桥臂放大系数为4，从应变仪得到的应变读数为单贴一片时的4倍，说明灵敏度提高了 4倍。
受弯构件的弯矩-曲率（M-f）关系是反映构件变形性能的主要指标。当
构件表面变形符合二次抛物线时，可以根据曲率的数学定义，利用构件 表面两点的挠度差，近似计算测试区内构件的曲率
A为固定刀口、B为可移动刀口、D为百分表安装点，选定标距AB并使其距离不因构件变形而改 变，则
1
r
8f a2
2020/10/23
dR R
K 0
可以用电阻应变片的灵敏度系数表示
dR K
R
2020/10/23
8
4.2 应变测量
2. 电阻应变片的基本构造
敏感栅：将应变变换成电阻变化量的敏感部分。用高电阻率的电阻丝制成的栅状体。敏感栅的 形状与尺寸（栅长L，栅宽B）直接影响应变片的性能。
基底和覆盖层：起定位和保护电阻丝作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。基底的尺寸代表 应变片的外形尺寸。
2020/10/23
23
4.3 位移与变形测量
1). 接触式位移计（机械式）
原理：测杆上下运动时，侧杆上的齿条就带动齿轮，使指针按一定比例关系转动，从而表示出 侧杆相对于表壳的唯一值。
千分表
百分表
挠度计
2020/10/23
24
4.3 位移与变形测量
2). 滑线电阻式位移计（电子式）
原理：利用应变片的电桥进行测量。其输出电压与应变成正比，即与位移也成正比。 量程：10~200mm 精度：高于百分表2~3倍
U B DU 4 D R s R D R tD R R t U 4D R R sU 4K
2020/10/23
13
4.2 应变测量
【例】以矩形截面简支梁的跨中受拉边缘的应变测量为例，说明1/4桥、半桥和全桥 的桥路特点。
【提示】 1/4桥：工作片R1的应变包括由弯矩M和温度T引起的应变两部分，即1=M+t。为
12
4.2 应变测量
温度补偿
在电桥BC臂上接一个与工作片R1阻值相同的应变片R2=R1=R（温度补偿片），并将 R2贴在一个与试件材料相同、置于试件附近的位置。因为R1、R2具有同样的温度 变化条件，但R2不受外力作用，因此DR2=DRt（温度产生的阻值变化），对于 DR1有DR1=DRs+DRt。则
4.2.2 电阻应变仪（Resistance Strain Apparatus）
电阻应变片可以把试件的应变信号转换成电阻的变化，但由于土木工程中的试件应 变往往较小，因此，电阻的变化值也将非常微小。
例如HRB335钢筋的屈服强度fy=310N/mm2，弹性模量E=2.0 ×105N/mm2，因 此钢筋屈服时候应变为1550m，如果使用的应变计电阻值为120W，对应电阻值变化 量是DR=0.372W。必须要专门仪器才能对信号进行测量和鉴别，这种专门仪器成为 电阻应变仪。
1/4电桥：AB桥路作为工作片接在被测试件上
半桥：R1，R2为工作片，输出电压
UBD14UK12
全桥：接4个应变片，输出电压
UBD 1 4UK 1234
若各应变片阻值R和变化值DR相同，那么上式统一写成
UBD
1 4
AUK
A称作桥臂放大系数，表示电桥对输入电压U的提高倍数。A越大说明桥路灵敏度越大
2020/10/23
28
4.3 位移与变形测量
4.3.4 裂缝的检测
对于钢筋混凝土结构试验来说，裂缝的出现与分布特征具有重要意义 裂缝检测：缝检测的目的是查明裂缝的分布特征、宽度、深度及发展情况，
为裂缝的分析和后续处理提供依据。
1). 裂缝分布特征
裂缝检测应测定结构裂缝的分布位置和裂缝走向。如裂缝仍在发展，则每次裂缝分布特征描述 应标明检测时间，便于分析裂缝变化趋势。
2020/10/23
17
4.2 应变测量
实用桥路
1/4电桥：只有一个工作片，对输出电压没有放大作用 半桥：电压输出比1/4桥提高一倍切2个工作片可互作温度补偿 全桥：输出电压可比半桥进一步提高
接桥方法的原则：
在满足特殊要求的条件下，选择测量电桥输出电压较高、桥壁系数大，能实现温度互补且便于 分析的接桥方法。
2). 裂缝的宽度
测量裂缝宽度常用工具是裂缝比对卡和读数显微镜。
3). 裂缝的深度
裂缝深度无损检测技术，大致分为
a) 基于超声波的检测方法
b) 基于冲击弹性波的检测方法
2020/10/23
29
4.3 位移与变形测量
裂缝深度的测试方法和原理
(1). 相位反转法
原理：当激发的弹性波信号在混凝土内传播，穿过裂缝时，在裂缝端点处产生衍射，其衍射角 与裂缝深度具有一定得几何关系。相位反转发是根据衍射角与裂缝深度的几何关系，来对 裂缝深度进行快速测试的。
为消除温度影响，应在简支梁附近放置一个与梁同材料的试块，并粘贴温度补偿片R2 （应与R1规格相同）。由于R2不受力，只是温度T而产生应变，故2=t。电桥输出电 压为
U BD 1 4UK MTT1 4UM K
2020/10/23
15
4.2 应变测量
(2) 半桥：将工作片R1布置在受拉区边缘，将工作片R2布置在受压区边缘，接桥方 法同1/4桥路，则R1，R2可互为温度补偿；并由于矩形截面有水瓶对称轴，两个应变 大小相等、符号相反，故输出电压为
埋入式测力装置。