现代结构试验方法..

仪器测量、人工记录
仪器测量、仪器记录 自动化采集系统测量、记录、处理
土木工程概论
3.2 量测仪表的基本概念
仪器设备分类
按功能和使用情况：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析
仪器、数据采集仪和数据采集系统等。 传感器 •感受部分 •放大部分 放大器
•显示记录部分 显示器、记录仪
•分析仪器 计算机、程序
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按仪器用途：应变计、位移传感器、测力传感器、倾角传感器、 频率计和测振传感器等。 量测仪表主要性能指标 量程：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。
最小分度值：仪表的指示所能指出的最小测量值。
精确度：仪表的指示值与被测值的符合程度。 灵敏度：被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。 分辨率：测量被测物理量最小变化值的能力。 稳定性：规定时间内保持示值与特性参数不变的能力。 滞后：恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大 偏差值或该值与最大量程的百分比。
应力
ε 放大 指示
△U
构件截面应力值测定方法
σ ＝Eε （或σ -ε 关系曲线）
应变量测原理 ε ＝△l/l 应变量测方法 电测和机测两类
应变计
△
R
电桥
应变量电测法
电阻应变计粘贴技术
保证测点感受元件（应变计）与试件同步变形
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电阻应变计 1、电阻应变计的原理及构造 （1）工作原理
3.6.1 惯性式拾振器的力学原理
设被测振动物体规律
x X 0 sin t
质量块m的振动微分方程为
m ) x m kxm 0 m( x x
上式通解为
xm Be
其中：
nt
cos( n t ) X m 0 sin(t )
2 2
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2、压电式加速度传感器 压电式拾振器利用压电晶体材料具有的压电效应制成。当压 电晶片电轴方向受到外力而产生压缩或拉伸变形时，内部会产生 极化现象，同时在其相应的两个表面上出现异号电荷，形成电场。 当外力去掉后，又重新回到不带电状态。这种将机械能转换为电 能的现象，称为“正压电效应”。压电晶体受外力产生的荷载为：
2 n
x
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3.6.2
测振传感器
拾振器除应正确反映振动体的振动外，尚应不失 真地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量， 以便用量电器进行测量。
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1、磁电式速度传感器
磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、输出 阻抗低、频率响应范围有一定宽度，通过对质量弹簧系统参 数的不同设计，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也 能量测较强的振动，是工程振动测量中最常用的拾振仪器。 此类传感器惯性质量 块的位移反映所测振动的 位移，而传感器输出的电 压与振动速度成正比，又 称惯性式速度传感器。
2
X m0 X0
n 1 n
2 2

其中：阻尼比
2 2 n
n / n
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1）当
/ n 1， 1 时
n
组成：测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。
性能指标：刻度值、量程和允许误差。 类型 千分表 刻度值/mm 0.001 量程/mm 1 允许误差/mm 0.001
百分表
挠度计
0.01
0.05 或0.1
5、10或30
50、100或300
0.01
0.05或0.1
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2、应变梁式位移传感器
1、荷载和反力测定
荷载传感器形式：拉伸型、压缩型和通用型。 核心部件：厚壁筒 放大系数： 灵敏度： 设计荷载 弹性模量 接线方法：全桥 设计应力
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2、拉力和压力测定 测力计基本原理：钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹 性变形，变形通过机械放大后，用指针度盘或位移计来反应 力的数值。
电测法将振动参量（位移、速度、加速度）转换成电 量，而后用电子仪器放大、显示或记录。其灵敏度高，且 便于遥控、遥测，是目前最常用的方法。 振动测量系统由拾振器、测振放大器和记录仪等部分 组成。 拾振器按量测参数分为位移式、速度式和加速度式； 按构造原理可分为磁电式、压电式、电感式和应变式。
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4）应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡；
5）粘贴前后阻值不改变； 6）粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500MΩ； 7）应变线性好、滞后、零飘、蠕变等要小，保证应变能正确传 递。
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（2）粘贴方法及步骤
1）应变片检查分选，外观、阻值检查； 2）测点处理：包括测点检查、打磨、清洗、打底、
（８）零飘；
（９）蠕变； （１０）绝缘。
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电阻应变仪的测量电路 1、电桥基本原理
桥路：不平衡电桥 测量方法：偏位测量法
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偏位测量法缺点：
1）电源电压波动影响量测结果的准确性 2）检测计需要很高的灵敏度和较大的测量范围
2、平衡电桥原理
桥路：平衡电桥
测量方法：零位测量法
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感应电动势可表达为： E
BLnv
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磁电式传感器的主要技术指标有：
（1）固有频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率，是传 感器的一个重要参数。
（2）灵敏度：传感器的拾振方向感受到一个单位振动速度时， 传感器的输出电压。 （3）频率响应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化 的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的传感器，频 率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和调整，则阻尼不 同，传感器频率响应曲线也不同。 （4）阻尼系数：磁电式测振传感器质量弹簧系统的阻尼比， 通常磁电式测振传感器的阻尼比设计为0.5～0.7。
灵敏系数
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（2）构造：
敏感栅：将应变变换成电阻变化量 基底和覆盖层：定位和保护电阻丝、绝缘
粘结剂：固定敏感栅
引出线：电桥接线
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2、电阻应变片主要技术指标
（1）标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L。 （2）规格：以使用面积L×B表示。 （3）电阻值：应变片阻值一般在120Ω左右。 （4）灵敏系数：抽样确定。 （5）应变极限：保持线性输出时所能量测的最大应变值。 （6）机械滞后； （7）疲劳寿命；
5、位移测量的其他方法
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结构转动变形测量 1、转角测定
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2、曲率测定
a、
b、
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3、剪切变形测量
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4、扭角测量
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3.4 力的测量
结构静载试验所需测定的力，主要是荷载与支座反力，其次 有预应力施力过程中钢绳（丝）的张力等。 量测力的仪器分为机械式和电测式两种。 电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。
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第三章 结构试验量测技术
应变量测 位移与变形量测 力的量测 其他
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3.1
概述
对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。 输入数据：试件所受到的外部作用，如力、位移和温度等。 输出数据：试件的反应，如应变、应力、裂缝、位移、速度、 加速度等。 数据的量测与采集方法 人工测量、人工记录
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2）当
/ n 1， 1 时
1
2
1 n
2 n
2
1
2
满足此条件的测振 仪称加速度计。
X m0
2 2 X0 n
tg 0
xm 1
2 2
2 2 1 2 n n
1
180 k / m
2 n
满足此条件的测振仪 称位移计。位移计体积较 大较重，使用时对被测系 统有一定影响，特别对于 一些质量较小的振动体不 太适用。
Q GA
压电材料中，石英晶体具 有较高的稳定性、高机械强度 和很宽的工作温度，但灵敏度 较低；压电陶瓷可得到较高的 灵敏度和很宽的工作温度，易 制成所需形状。
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压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、重量轻、 体积小等特点。其主要技术指标有：灵敏度、安装谐振频率、 频率响应、横向灵敏度比和幅值范围等。
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3、结构内部应力测量


内埋式应力栓
内埋式差动电阻应变计 振动丝应变计
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3.5
裂缝检测
裂缝、应变场应变及温度测定
裂缝检测方法： 1）放大镜或肉眼观测 2）读数显微镜
3）裂缝标准宽度板
4）裂缝塞尺 5）裂纹扩展片 6）脆漆涂层 7）声发射技术
8）光弹贴片
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实用电路与电阻片粘贴技术 1、实用电路及其应用
（1）实用电路
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1）全桥电路：测量桥四个臂上全部接入工作应变片。工作片 兼作温度补偿片。可提高量测灵敏度。
2）半桥电路：测量桥分别接入两个工作片和两个固定电阻。 工作片兼作温度补偿。可提高量测灵敏度。 3）1/4桥电路：测量桥由一个工作片、一个温度补偿片和两 个固定电阻。温度补偿片温度补偿。不能提高量测灵敏度。
应变场应变测量 1、牛顿插值公式
2、应变场内任意点的应变
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2、应变场的应变分布 1）计算A、B、C三点应 变；
2）基于A、B、C三点应 变，再次利用牛顿插值公式， 计算任意点 x 的应变。
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内部温度测量
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3.6
动载试验量测设备
振动参量量测方法有机械式振动测量法、光学测量法 和电测法等。
量程为30～150mm，读数分辨率 可达0.01mm。 位移传感器位移：
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3、滑线电阻式位移传感器 组成：测杆、滑线电阻和触头 原理：运用半桥接线，由相邻 两臂电阻增量相减的特性的输出电 压。 量程为10～100mm以上。
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4、差动变压器式位移传感器
量程可达 500mm。
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双电桥电路：输出灵敏度高，现代应变仪 一般采用。 3、温度补偿技术 应变片电阻值随温度变化原因：
1）电阻值随电阻丝温度变化而变化；
2）试件温度变化导致应变片产生温 度变化，引起一附加电阻变化。 桥路输出电压：
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温度补偿方法:
1）温度补偿应变计补偿法；
2）工作应变计温度互补偿法；
3）温度自补偿法
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量测仪器基本方法
偏位测定法：按仪表发生的偏转或位移定出被测值。 该方法为土木工程结构试验与检测常用方法，如：百 分表、双杠杆应变仪、动态电阻应变仪均属于该方法。 零位测定法：用已知的标准量去抵消未知量引起的转。 如称重天平。该方法更为精确，若进行放大后更为精
确。
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结构试验对仪器设备的使用要求：
测线定位；
3）应变片粘贴：上胶、清洗、打底、测线定位； 4）固化处理； 5）粘贴质量检查，外观、阻值和绝缘度检查； 6）导线连接；
7）防潮处理。
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应变的其他量测方法与仪表
（1）机测法
（2）光测法
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3.4
结构线性位移量测
位移与变形量测
结构位移：指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。 1、接触式位移计
（2）应用
桥路输出灵敏度取决于应变片的贴片位置和方向，以及接线 方式。根据具体情况进行桥路设计，可得桥路输出的不同放大系 数。
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放大系数 2（1＋ν）
放大系数 2
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2、电阻应变片粘贴技术
（1）粘贴要求：
1）测点基底平整、清洁、干燥； 2）粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好，蠕变小， 粘贴强度高，温湿度影响小； 3）同一组应变计规格型号应相同；
2 n k/m
2n / m
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X m0
X0 n 1 n
2 2
Hale Waihona Puke Baidu

2
2 2 n
2
arctg
2 n
1 n
符合量测所需的量程和精度要求； 动态试验量测仪表，其线性范围、频响特征以及相移特性等都满 足试验要求；
自重轻、尺寸小，不影响结构工作；
同一试验中选用的仪表和传感器种类应尽量少，以便统一数据的 精度，简化量测数据的整理工作和避免错误； 选用仪表时应考虑试验环境条件。
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3.3
应变
应变量测