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1、结构试验模拟结构在实际受力工作状态下的反应对试验对象施加荷载量测应变、力、裂缝、位移、速度、加速度等第1页/共88页第四章 结构试验量测技术概述应变量测力的量测位移与变形量测裂缝的测定加速度的测定第2页/共88页1、人工测量、人工记录(量结构的尺寸)2、仪器测量、人工记录(千分表测应变)3、仪器测量、仪器记录(应变仪测应变)4、自动化数据采集系统进行测量、记录、处理(智能数据采集系统)概述试验数据的量测与采集方法从简单到复杂、从单一学科到各学科互相渗透、从低级到高级的过程。第3页/共88页量测系统的基本组成单元敏感元件传感器敏感元件控制装置指示记录系统应变片应变信号转换为电阻值的变化测量桥路将
2、电阻值变化转换成电流或电压信号电阻应变仪对测量信号进行控制、放大、显示或记录的装置显示器显示所测数据，分为模拟显示和数字显示试件荷载传感器敏感元件控制装置传感器敏感元件第4页/共88页量测仪器的分类按功能功能分类传感器：将感受的各物理量（力、位移、应变等）转变成电信号；放大器：将传感器传来的信号进行放大，使之可以被显示和记录；显示器：将信号用可见的形式显示出来；记录器：将数据记录以利长期保存；分析仪器：对采集的数据进行分析处理。第5页/共88页量测仪器的分类按工作工作原理原理机械式仪器：纯机械传动、放大和指示(千分表)电测仪器：利用机电转换，将机械量转换为电量 (电测千分表、位移计)光学测量仪
3、器：利用光学原理转换、放大和显示 (水准仪)复合式仪器：以两种或几种原理的组合伺服式仪器：测量和控制功能的组合第6页/共88页量测仪器的分类应变计：用来测量应变；测力传感器：用来测量荷载；位移传感器：用来测量位移；倾角传感器：用来测量转角；频率计：测量结构振动的频率；裂缝传感器：测量混凝土的裂缝；测振传感器：测量结构振动的位移、速度和加速度。结构试验通常量测的参数有哪些？按用途分第7页/共88页按仪器与结构的关系分附着式与手持式接触式与非接触式绝对式与相对式量测仪器的分类第8页/共88页按仪器显示与记录方式分直读式与自动记录式模拟式与数字式量测仪器的分类第9页/共88页量测仪表的性能指标量程：
4、仪表所能量测的最小至最大的量值范围。滞后：在恒定的环境条件下，仪器在整个量测范围内，从起始值到最大值来回输出中的最大偏差值或该值与量程的百分比。精确度：仪表的指示值与被测值的符合程度，常用满程相对误差表示。灵敏度：被测量的单位变化引起仪器示值的变化值。最小分度值：仪器的指示或显示装置所能指出的最小测量值。第10页/共88页量测仪表的性能指标量程：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。656566660 0100100200mm量程：0100 第11页/共88页量测仪表的性能指标最小分度值：仪器的指示或显示装置所能指出的最小测量值。656566660 0100100200mm量程：0100 最小分
5、度值：0.1第12页/共88页量测仪表的性能指标656566660 0100100200mm量程：0100 最小分度值：0.1精确度：当前测量值65.7，实际精确值 65.5，则精确度=（65.7-65.5）/100=0.2%精确度（/测量精度/准确度）：仪表的指示值与被测值的符合程度，常用满程相对误差表示。第13页/共88页量测仪表的性能指标656566660 0100100200mm量程：0100 最小分度值：0.1精确度：当前测量值65.7，实际精确值 65.5，则精确度=（65.7-65.5）/100=0.2%灵敏度：200mm/100=2mm/灵敏度：被测量的单位变化引起仪器示值的变
6、化值。第14页/共88页量测仪表的性能指标656566660 0100100200mm滞后：将该温度计置于冰水混合物中煮开再降为冰水混合物，如显示1，则称该温度计的滞后为1。滞后：在恒定的环境条件下，仪器在整个量测范围内，从起始值到最大值来回输出中的最大偏差值或该值与量程的百分比。第15页/共88页温度计656566660 0100100200mm量程：0100 最小分度值：0.1精确度：当前测量值65.7，实际精确值 65.5，则精确度=（65.7-65.5）/100=0.2%灵敏度：200mm/100=2mm/滞后：将该温度计置于冰水混合物中煮开再降为冰水混合物，如显示1，则称该温度计的滞
7、后为1。第16页/共88页应变量测概述第17页/共88页千分表量测应变L第18页/共88页p2 应变量测电阻应变计（简称应变片）电阻应变计的测量电路应变片的粘贴技术应变的其他量测方法与仪表第19页/共88页电阻应变计原理及构造第20页/共88页电阻应变片的主要技术指标温度适用范围：取决于胶合剂的性质灵敏系数：由出厂前抽样试验确定，使用 时应变仪的灵敏系数一般应与 应变片相同,K电阻值：产品标准为120规格：敏感栅的有效使用面积LB标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度L第21页/共88页电阻应变片的分类按栅极分丝式箔式半导体按基底材料分纸基胶基按使用温度分低温常温高温高温第22页/共88页电阻应变计
8、的工作原理电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。R R第23页/共88页金属丝电阻一个长度为l，截面积为A，电阻率为的导体第24页/共88页当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为 n轴向应变n径向应变式中,为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变轴向方向相反。第25页/共88页代入得:通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。第26页/共88页对于金属材料，1+2（d/）/;大量实验证明，在电阻丝拉伸极
9、限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。应变片受力后材料几何尺寸的变化应变片受力后材料的电阻率发生的变化第27页/共88页用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体应变片第28页/共88页应变量测的基本原理：在标准长度范围L内，量测长度变化增量的平均值L，由=L/L求得平均应变。标距L的选择原则：根据应力的均匀性和材料的均质性选择，应力梯度大，L应尽量小，对非均质材料，如混凝土，L4dmax。第29页/共88页粘贴在混凝土上的应变片（L4dmax&L=50mm)L4dmax&L=50mm)第30
10、页/共88页粘贴在钢结构上的电阻应变片第31页/共88页u2 应变量测电阻应变计（简称应变片）电阻应变计的测量电路应变片的粘贴技术应变的其他量测方法与仪表第32页/共88页测量电路的引入 R R U U电阻应变计电阻应变计电阻应变仪电阻应变仪测量电路测量电路第33页/共88页电阻应变量测的基本公式(1)R R1 1R R2 2BACDR R4 4R R3 3U第34页/共88页电阻应变量测的基本公式(2)R R1 1R R2 2BACDR R4 4R R3 3U第35页/共88页温度补偿技术进行温度补偿的原因：(1)温度改变使电阻应变片的导电率发生改变；(2)应变片与构件测点粘贴在一起，温度改
11、变使构件发生变形。温度对测量结果的影响程度：贴在钢结构上的应变片，当应变片的电阻丝为镍铬合金时，温度变动1度，如果不进行补偿，将引起应力的偏差为14.7MPa。第36页/共88页温度补偿技术温度补偿的方法：(1)温度补偿应变片法;(2)工作片自补偿法。第37页/共88页温度补偿技术温度补偿应变片法在电桥上接一个与测量片R1相同规格的应变片（温度补偿片）R2，R2粘贴在与试件材料相同的补偿块上，补偿块置于与试件测点相同的温度场中。该方法适用于大部分场合。BR R1 1R R2 2ACR R1 1R R2 2第38页/共88页温度补偿应变片法 R R1 1R R2 2BACDR R4 4R R3
12、3UR1R2第39页/共88页某些结构或构件，存在着应变符号相反，比例关系已知，温度条件又相同的二个或四个（偶数个）测点，可以将这些应变片按照符号不同，分别接在相应的邻臂上，它们既是工作应变片，又互为温度补偿。温度补偿技术工作应变片自补偿法2个测点：个测点：4个测点：个测点：第40页/共88页工作应变片自补偿法R R1 1R R2 2BACDR R4 4R R3 3UR1R2第41页/共88页工作应变片自补偿法R4第42页/共88页桥桥半桥半桥全桥全桥实用桥路及其应用第43页/共88页全桥桥路：电桥中的四个桥臂上均为工作片。半桥桥路：电桥中二个桥臂上为工作片，另 二个桥臂为固定电阻。桥桥路：电
13、桥中只有一个桥臂（AB）上 为工作片，另三个桥臂为固定电阻。接桥方法确定的原则：在满足特殊要求的条件下，选择测量电桥输出电压高、桥臂系数大、能实现温度互补且便于分析的接桥方法。实用桥路及其应用第44页/共88页多点测量线路RtR1RnR3R2ACB实用桥路及其应用第45页/共88页常见接桥方法常见接桥方法见教材page 52及例题应变片编号画出桥路图计算公式结果第46页/共88页u2 应变量测电阻应变计（简称应变片）电阻应变计的测量电路应变片的粘贴技术应变的其他量测方法与仪表第47页/共88页应变片粘贴技术1.应变片检查分选特别注意同一试验的应变片批号最好一致（灵敏系数K相同）。同一测区的应变
14、片阻值基本一致（在仪器的可调范围内能满足初始平衡条件R1R3=R2R4。第48页/共88页2.测点处理测点表面应平整、无锈、无浮浆。测点表面用酒精或丙酮清洗。混凝土表面一般用环氧树脂打底抹平。测点位置准确，应变片长边方向与所测应变方向相同。应变片粘贴技术第49页/共88页3.应变片粘贴粘贴用胶一般为502等快干胶或环氧树脂类慢干胶。快干胶适用于短期量测，防潮性能较环氧树脂差、操作时间短。慢干胶在粘贴后需要较长时间（24小时）的固化时间，期间需加压、加温以促使固化。应变片粘贴技术第50页/共88页4.固化处理自然干燥：在室温15度以上，湿度60%以下固化12天（环氧树脂类慢干胶）。人工固化：气温
15、低、湿度大，在自然固化12小时后用人工加温（环氧树脂类慢干胶）。应变片粘贴技术第51页/共88页5.粘贴质量检查粘贴牢固，位置、方向准确。无短路、断路现象，阻值与粘贴前相同。电阻应变片与试件间的绝缘度绝缘度达到50M以上，在恶劣环境应达到500M以上。应变片粘贴技术第52页/共88页6.导线连接保证引出线不与试件形成短路。保证量测导线轻微拉动时，引出线不被拉断。导线各连接点应可靠连接，无虚焊。应变片粘贴技术第53页/共88页7.防潮防护短期量测且在干燥环境下可不做防潮处理。长期观测或在潮湿环境下必须进行防潮处理，一般用硅橡胶密封。粘贴在钢筋上浇灌入混凝土时，必须用纱布和环氧树脂密封，防止混凝土
16、浇筑过程中损坏电阻应变片。应变片粘贴技术第54页/共88页用硅橡胶密封后的应变片第55页/共88页粘贴在钢结构上的电阻应变片第56页/共88页1.应变片检查分选2.测点处理3.应变片粘贴4.固化处理5.粘贴质量检查6.导线连接7.防潮防护应变片粘贴技术第57页/共88页应变的量测荷载的量测概述第58页/共88页机械式测力仪器基本原理是利用弹性元件的弹性变形与所受外力成一定比例关系，如环箍式拉力计、环箍式压力计。电测式仪器（荷载传感器）基本原理：力应变电阻电压p3 荷载量测F F R R U U第59页/共88页电子秤材料试验机的测力元件水坝坝体承载状况监测桩基受力监测应变式力传感器第60页/共
17、88页拉压传感器原理R R1 1R R6 6R R7 7R R8 8R R4 4R R3 3R R2 2R R5 5BACDR R1 1R R4 4R R3 3R R2 2R R6 6R R5 5R R8 8R R7 7每个桥路上粘有2个应变片，目的是消除传感器受力偏心所产生的影响。第61页/共88页BACDR R1 1R R4 4R R3 3R R2 2R R6 6R R5 5R R8 8R R7 7第62页/共88页几种常用的荷载量测传感器v 柱式力传感器v筒式压力传感器v 梁式力传感器v 环式力传感器v 轮辐式力传感器第63页/共88页柱式力传感器第64页/共88页筒式压力传感器第65页
18、/共88页梁式力传感器v 等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变片处的应变为：式中：l0是梁上应变片至自由端距离，b、h 分别为梁的宽度和梁的厚度。第66页/共88页v 等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：梁式力传感器第67页/共88页l顺梁的方向上下各贴两只；l 四个应变片组成全桥。上面两个受压时下面两个受拉。l 这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。l问题：根据等强度梁工作原理和电桥，设计一个梁式力传感器。梁
19、式力传感器第68页/共88页悬臂梁应变式电子秤悬臂梁应变式电子秤上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。第69页/共88页环式力传感器 (a)为拉力环 (b)为压力环第70页/共88页几种常用的荷载量测传感器第71页/共88页概 述应变的量测荷载的量测位移与变形的量测第72页/共88页位移的量测几种常用的位移传感器a.机械式 b.电阻应变式 c.滑阻式 d.差动式第73页/共88页机械式百分表、千分表位移的量测原理：测杆上下运动，测杆上的齿条带动齿轮，使长短针按一定比例关系转动，从而给出位移值。第74页/共88页电阻应变式位移传感器（电子百分
20、表）位移的量测第75页/共88页位移量测仪器的标定电阻应变式位移计一般是接入应变仪，测出应变仪读数，此读数既不是位移，也不是应变。因此，在试验前给位移计一已知已知的标准位移，同时在应变仪上得到对应的读数对应的读数，从而求得位移和应变仪读数的对应关系，此过程称为标定标定。第76页/共88页滑阻式位移传感器位移的量测第77页/共88页水准仪、全站仪等测量仪器。水准仪适用于位移量较大，要求精度不高的测量；而全站仪的精度更高一些。位移量测的其它方法第78页/共88页变形的量测转角的测定曲率的测定剪切变形的量测第79页/共88页概 述应变的量测荷载的量测位移与变形的量测裂缝的量测第80页/共88页裂缝测
21、量仪器（读数显微镜）刻度放大镜最小分度不宜大于0.05mm第81页/共88页裂缝的量测白色涂层法（表面刷石灰浆）脆漆涂层法裂纹扩展片法。第82页/共88页裂纹扩展片法利用电阻法的基本原理，通过裂纹扩展计（片）进行裂纹长度的测量。使用时将裂纹扩展计的栅条垂直于裂纹扩展方向粘贴，随着裂纹的扩展，敏感栅栅条渐次断裂，通过测量其电阻变化而得到裂纹扩展长度。第83页/共88页概 述应变的量测荷载的量测位移与变形的量测裂缝的量测加速度的量测第84页/共88页在一悬臂梁1的自由端固定一质量块3。当壳体4与待测物一起作加速运动时，梁在质量块惯性力的作用下发生形变，使粘贴于其上的应变计2阻值变化。根据阻值的变化可求得待测物的加速度。应变式加速度传感器第85页/共88页各种电阻应变式传感器回顾敏感元件：应变片；传感器：利用测量桥路d or a d or a F F R R U U第86页/共88页课堂小结掌握量程、精确度、灵敏度、滞后等量测仪表指标的意义。掌握电阻应变计测量的原理。掌握不同桥路的测量方式和相应的精度。掌握应变片的粘贴技术。掌握力和位移的测量方法。第87页/共88页感谢您的观看。第88页/共88页