結構檢測的儀器

.,結構檢測的儀器、儀表和設備及基本原理,王柏生,.,儀器儀表的基本組成,基本組成：感受部分、放大部分、顯示或記錄部分感受部分：起到感知被測物理量的作用放大部分：將感知的物理量放大并轉換成儀器檢測量顯示或記錄部分：將儀器檢測量顯示或記錄,.,機械式百分表,.,結構檢測儀器分類,機械式、電測、光測等，還有結合的測應變、測位移、測裂縫、測力（荷載）、壓力（水、油、氣）、溫度、振動（加速度、速度、位移）、硬度等等無損檢測類、微損檢測類、破損檢測類,.,主要技術（性能）指標,量程（量測范圍）：所能量測的最小至最大的量值范圍。最小分度值（刻度值、分辨力）：儀器、儀表所能指示或顯示的被測量值最小的變化量。精確度（精度）：儀器、儀表量測指示值與被測值的符合程度，常用滿量程相對誤差表示。靈敏度：被測量發(fā)生單位變化引起儀器、儀表指示值的變化值。,.,靜載試驗對儀器、儀表的基本要求,結構靜載試驗對儀器、儀表的基本要求是：1性能指標必須滿足試驗的具體要求，如：量程和精度要足夠，靈敏度要合適，并不是越高越好。精度要求最大測試誤差不超過5%，而量程建議采用最大被測值的1.252倍；2重量輕、體積小，要求不影響結構的工作性能和受力情況；3讀數快、自動化程度高、使用方便；4對環(huán)境的適應性要強，并且攜帶方便、可靠耐用；5定期鑒定，并有記錄；對生產鑒定性試驗，使用的儀器、儀表必須由法定授權單位進行鑒定，并出具鑒定報告。,.,測試儀器的標(檢)定,所有結構測試儀器都需要檢定、校準或標定；定期、不定期，使用前、后等等；按照規(guī)范要求、計量認證要求。例：回彈儀，新使用前、超6000次、率定不合格時要鑒定，使用前要率定；油壓千斤頂，使用前要標定。,.,應變測量的原理和方法,應變計結構應變=du/dLu/L，從數學上，L越小越精確，實際上，材料不均勻性要求L足夠大，因此：對鋼結構，材料均勻性好，可采用小標距應變計；對混凝土結構，非均質材料，應采用較大標距應變計，一般要求標距大于3倍的最大粗骨料直徑。,.,電阻應變測試原理,電阻應變：結構應變應變片電阻變化電橋平衡原理電壓變化，檢測電壓的變化可以得到結構應變。應變片的粘貼技術，是應變片能真實反映結構應變的保障。溫度補償：溫度補償片法、工作片自補償法。,.,電阻應變片,(a)、(d)、（e）、(f)、(h)箔式電阻應變計；、(b)絲繞式電阻應變計；(c)短接式電阻應變計；(g)半導體應變計；(i)焊接電阻應變計,.,電阻應變計原理,.,應變計的選用,應變計的選用通常應注意以下幾項主要技術指標：（1）標距l(xiāng)指敏感柵在縱軸方向的有效長度，根據應變場大小和被測材料的勻質性考慮選擇。（2）寬度a敏感柵的寬度。（3）電阻值R一般應變儀均按120設計，但60600應變計均可使用。當用非120應變計時，測定值應按儀器的說明加以調整。（4）靈敏系數K電阻應變片的靈敏系數，在產品出廠前經過抽樣試驗確定。使用時，必須把應變儀上的靈敏系數調節(jié)至應變片的靈敏系數值，否則應對結果作修正。（5）溫度使用范圍它主要取決于膠合劑的性質?？扇苄阅z合劑的工作溫度約為2060；經化學作用而固化的膠合劑的工作溫度約為60200。,.,電橋平衡,.,應變片粘貼技術,具體的粘貼工藝如下：1）應變片檢查分選，可采先用放大鏡進行外觀檢查，要求應變片無氣泡、霉斑、銹點，柵極平直、整齊、均勻；然后用萬用表檢查，應無短路或短路情況，阻值誤差不應超過0.5%。2）測點處理，先檢查測點表面狀況，要求測點平整、無缺陷、無裂縫等；然后采用砂紙或磨光機進行打磨，要求表面平整、無銹、無浮漿等，光潔度達到5；再用棉花蘸丙酮或酒精清洗，要求棉花干擦時無痕跡；必要時（如混凝土結構）還打底，可采用環(huán)氧樹脂，要求膠層厚度在0.050.1mm，硬化后用0號砂紙磨平；最后用鉛筆等給測點畫十字定位，縱線與應變方向一致。3）粘貼應變片，先用鑷子加住應變片引出線，在背面上一層薄膠，測點上也敷上薄膠，對準位置放上片子；然后在應變片上蓋一小片玻璃紙，用手指沿一個方向滾壓，擠出多余膠水；最后用手指輕壓至膠具有一定強度，松手后應變片不會產生滑動。,.,應變片粘貼技術,4）固化處理，不同的粘貼膠需要不同的固化時間，對有些膠，在氣溫較低、濕度較大時需要進行人工加溫，可采用紅外線燈或電熱吹風，但加熱溫度不應超過50C，受熱應均勻。5）粘貼質量檢查，先用放大鏡檢查外觀，應變片應無氣泡、粘貼牢固、方位準確；再用萬用表檢查是否短路或斷路以及電阻值有無變化等，并檢查應變片與試件的絕緣度情況等，也可以接入應變儀檢查零點漂移情況，要求不大于2/15Min。6）導線連接，在應變片引出線底下貼膠布等絕緣材料，使引出線不與試件形成短路；再用膠固定端子或用膠布固定導線，以保證輕微拉動導線時引出線不被拉斷；然后用電烙鐵焊接導線與引出線，要求焊點飽滿、無虛焊。7）最后進行防潮處理，要求應變片全部被防潮劑覆蓋，余5mm左右，并采用適當措施進行必要的防護，防止機械損壞。,.,溫度補償技術,補償片法,.,溫度補償技術,工作片法,.,千分表應變測試,測試應變=千分表讀數差/標距L分辨力=1/1000L（L用毫米單位）,.,振弦式應變傳感器,根據弦的自振頻率變化來反映結構應變,.,振弦式應變傳感器,式中：f金屬弦的振動頻率；k1，2；金屬絲內部張力；l金屬絲長度；金屬絲密度。,.,光纖（光柵）應變傳感器,.,光纖（光柵）應變檢測原理,.,光纖（光柵）傳感器的原理,通過拉伸和壓縮光纖光柵，或者改變溫度，可以改變光纖光柵的周期和有效折射率，從而達到改變光纖光柵的反射波長的目的，而反射波長和應變、溫度、壓力、壓強等物理量成線性關系。,.,位移量測,結構試驗中常用的有：百分表（機械式）、電子百分表、電阻式位移計、差動電感式位移計、水準儀、經緯儀，全站儀、傾角儀、連通水管位移測試裝置、GPS。大部分需要輔助裝置，如：表架、基準架、基準點等等。有些適合于大型、大跨度結構，或野外檢測。,.,.,.,長水準管電阻應變式傾角傳感器,.,角位移間接測量1位移計；2固定支座3機械豎桿；4梁試件,.,力的檢測,力傳感器，可用于檢測試驗荷載、預應力值、抗拔力、粘結力等。壓力檢測儀表：檢測油壓、水壓、氣壓等壓力表，檢測土壓力傳感器等。張力檢測儀表：張力儀、索力檢測儀。扭矩檢測：扭矩檢測儀、扭矩扳手等。有：機械式、電阻應變式、振弦式等等。,.,油壓表電阻應變式力傳感器,.,張力儀數顯扭矩扳手,.,裂縫檢測,裂縫寬度檢測：讀數顯微鏡、數字式裂縫寬度檢測儀。,.,裂縫檢測,裂縫出現檢測：應變計、聲發(fā)射儀、導電漆膜等。裂縫深度檢測：超聲波檢測、鉆芯。,.,記錄與顯示儀器,數據的記錄方式有兩種：模擬式和數字式。從傳感器（或通過放大器）傳送到記錄器的數據一般都是模擬量，模擬式記錄就是把這個模擬量直接記錄在介質上，數字式記錄則是把這個模擬量轉換成數字量后再記錄在介質上。模擬式記錄的數據一般都是連續(xù)的，數字式記錄的數據一般都是離散的。記錄介質有普通記錄紙、光敏紙、磁帶和磁盤等。,.,記錄與顯示儀器,X-Y記錄儀,X-Y記錄儀傳動原理X-Y記錄儀使用聯接示意圖,.,記錄與顯示儀器,光線示波器：也是一種常用的模擬式記錄器，主要用于振動測量的數據記錄，它將電信號轉換為光信號并記錄在感光紙或膠片上，得到的是試驗變量與時間的關系曲線。磁帶記錄儀：是一種常用的較理想的記錄器，可以用于振動測量和靜力試驗的數據記錄，它將電信號轉換成磁信號并記錄在磁帶上，得到的是試驗變量與時間的變化關系。,.,數據采集系統,數據采集系統由三個部分組成：傳感器部分、數據采集部分和計算機（控制和分析器）部分。大型專用系統分散式系統小型專用系統組合式系統,.,結構試驗測試新技術,聯網試驗技術利用計算機網絡實現土木工程試驗或者監(jiān)測資源的共享和遠程數據處理。運用聯網技術可以實現遠程異地觀測和控制。能夠在試驗、計算、理論、數據庫、和模型模擬等方面實現分工，目前這一領域的研究也比較活躍。美國國家科學基金利用網絡技術建立起美國地震工程模擬系統，我國也已開始這方面的研究工作。,.,結構試驗測試新技術,自檢測智能材料智能混凝土結構是一種能感知自身狀態(tài)變化并發(fā)出信號進行自我調節(jié)、自我修復的擬生命系統，可以有效地解決混凝土的強度監(jiān)測問題，具有損傷、裂縫實時監(jiān)測功能的同時具有快速自修復的功能，以保證工程結構的安全使用。土木工程領域智能材料的研究主要在以下3個領域：結構健康監(jiān)測（將智能材料集成在土木工程結構中，利用其構成的網絡對結構的裂縫、變形、損傷、疲勞、溫度、腐蝕等狀態(tài)進行實時監(jiān)測）。結構的自增強、自適應(裂縫的主動控制、裂縫自愈合、溫度自調節(jié)、變形控制等)。結構的減振控制。目前應用的智能材料主要有：光纖、形狀記憶合金、壓電材料、碳纖維混凝土等。,.,振動檢測,振動傳感器放大器動態(tài)數據采集儀記錄、分析、顯示（電腦）振動傳感器：相對式（需要基準）、絕對式（慣性式，普遍采用）慣性式傳感器的力學原理,.,慣性式傳感器的力學原理,.,幅頻特性曲線,當/n1時,.,相頻特性曲線,.,加速度傳感器的幅頻特性,當/n1，D1時,.,加速度計幅頻特性曲線,.,磁電式速度傳感器,.,磁電式速度傳感器的主要技術指標,靈敏度，振動方向感受到單位振動速度時，傳感器的輸出電壓mV(cms-1)。頻率響應，傳感器機械系統和機電轉換都有頻響問題，定義靈敏度隨所測振動頻率不同而變化的規(guī)律為傳感器的頻率響應。阻尼比，通常設計為0.50.7。,.,振動檢測,壓電式加速度傳感器（a）基座壓縮型（b）單端中心壓縮型（c）環(huán)型剪切型1外殼；2質量塊；3壓電晶體；4輸出接頭,.,壓電式加速度傳感器的主要技術性能,靈敏度，振動方向感