第3章試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)與量測(cè)儀表

1、3 試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)與量測(cè)儀表3.1 概述結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的目的：定性結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的目的：定性定量；定量；定量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取定量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取取決于量測(cè)儀表和取決于量測(cè)儀表和量測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性；量測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性；試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)包括：量測(cè)方法，儀器，誤差分試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)包括：量測(cè)方法，儀器，誤差分析。析。土木工程專業(yè)主要量測(cè)內(nèi)容：外部作用和作用土木工程專業(yè)主要量測(cè)內(nèi)容：外部作用和作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。數(shù)據(jù)測(cè)量方法數(shù)據(jù)測(cè)量方法 人工測(cè)量與人工記錄人工測(cè)量與人工記錄：如用直尺測(cè)量位移、裂縫寬度。儀器測(cè)量與人工記錄：儀器測(cè)量與人工記錄：如用百分表測(cè)量位移，或用應(yīng)變儀配應(yīng)變計(jì)或位移計(jì)測(cè)量應(yīng)變或位移。儀器測(cè)量與儀器記

2、錄儀器測(cè)量與儀器記錄：如用傳感器配X-y記錄儀進(jìn)行測(cè)量和記錄，或用傳感器、放大器和磁帶記錄儀進(jìn)行測(cè)量和記錄。數(shù)據(jù)采集測(cè)量與記錄：數(shù)據(jù)采集測(cè)量與記錄：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3.2.1 量測(cè)儀表的基本組成試件的作用與效應(yīng)試件的作用與效應(yīng)適調(diào)器（機(jī)械式等）傳感器等指針、屏幕等3.2 量測(cè)儀表的基本概念（轉(zhuǎn)換與）放大部分感受部分顯示記錄部分3.2.2 3.2.2 量測(cè)儀表的基本量測(cè)方法量測(cè)儀表的基本量測(cè)方法 偏位測(cè)定法偏位測(cè)定法：按儀表發(fā)生的偏轉(zhuǎn)或位移定出被測(cè)值。 該方法為土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)常用方法，后邊將要學(xué)習(xí)到的百分表、雙杠桿應(yīng)變儀、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀均屬于該方法。零位測(cè)定法：零位測(cè)定法：用已知的標(biāo)準(zhǔn)量去抵

3、消未知量引起的偏轉(zhuǎn)。如稱重天平，該方法更為精確，若進(jìn)行放大后更為精確。3.2.3 量測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)量量 程程S S：儀器可以測(cè)量的最大范圍。刻度值刻度值：儀器的最小刻度所代表的被測(cè)量。精確度：精確度：儀器指示值與被測(cè)值的符合程度。 在同一工作條件下，儀器多次重復(fù)測(cè)量同一數(shù)值被測(cè)量，保持示值一致的能力。靈敏度靈敏度K K：被測(cè)單位物理量引起儀器輸出或顯示值的大小。分辨率分辨率：儀器能測(cè)量被測(cè)物理量的最小值的能力。滯滯 后：后：在恒定的測(cè)量環(huán)境下，儀器在整個(gè)量程范圍內(nèi)，從起始值到最大值再回到起始值，在這正反兩個(gè)行程輸出值之間的最大偏差或該值與滿量程輸出之百分比稱為滯后。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：當(dāng)被測(cè)

4、物理量不變，儀器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持示值與特性參數(shù)不變的能力。3.2.4 量測(cè)儀表的選用原則（1）具有合適的量程、靈敏度和精度。（2）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)量測(cè)儀表其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)符合要求。（3）不影響結(jié)構(gòu)的工作：自重輕，尺寸小。（4）同一物理量測(cè)量?jī)x器型號(hào)盡量相同，避免系統(tǒng)同一物理量測(cè)量?jī)x器型號(hào)盡量相同，避免系統(tǒng)誤差。誤差。（5）考慮試驗(yàn)環(huán)境，價(jià)廉耐用，可重復(fù)使用，安全可靠。 3.3 3.3 儀表的率定（標(biāo)定）儀表的率定（標(biāo)定）（1 1）目的：）目的：確定儀器設(shè)備的靈敏度和精確度，應(yīng)該在試驗(yàn)前或試驗(yàn)前后對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。（2 2）標(biāo)定：）標(biāo)定：?jiǎn)渭?biāo)定：確定某一件儀器的靈敏度和精確度；系統(tǒng)標(biāo)定：確定某些儀器

5、組成的系統(tǒng)的靈敏度和精確度。（實(shí)際試驗(yàn)中采用）傳感器傳感器放大器放大器顯示記錄顯示記錄輸入標(biāo)準(zhǔn)值輸入標(biāo)準(zhǔn)值3.4 應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)量測(cè)量方法：1）電阻應(yīng)變儀：應(yīng)變計(jì)+應(yīng)變儀（常用）2）手持應(yīng)變儀：校核，測(cè)點(diǎn)少時(shí)采用。3）位移計(jì)方法：足尺結(jié)構(gòu)試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量4）光測(cè)法（云紋法、激光衍射法、光彈法）：測(cè)量平面應(yīng)變，較多用于測(cè)量節(jié)點(diǎn)和局部應(yīng)力。變形，應(yīng)變定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的LL其他應(yīng)變測(cè)量?jī)x器1、手持應(yīng)變儀 常用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，且適用于持久試驗(yàn)，標(biāo)距為50250mm，讀數(shù)的位移計(jì)可選用百分表或千分表。 工作原理：在標(biāo)距兩端粘結(jié)兩個(gè)腳標(biāo)（每邊各一個(gè)），通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)變形前后兩個(gè)腳標(biāo)之間距離的改變，求得標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變

6、。2百分表： 常用于實(shí)際結(jié)構(gòu)、足尺試件的應(yīng)變測(cè)量。 用位移計(jì)測(cè)量一條直線上兩點(diǎn)之間的相對(duì)位移來(lái)表示兩點(diǎn)之間的平均應(yīng)變，兩點(diǎn)之間的距離L稱為標(biāo)距。3、應(yīng)變傳感器1）弦式應(yīng)變傳感器 量測(cè)不受溫度和長(zhǎng)導(dǎo)線的影響，工作穩(wěn)定，但安裝復(fù)雜。振弦式應(yīng)變計(jì)振弦式應(yīng)變計(jì)使用中的振使用中的振弦式應(yīng)變計(jì)弦式應(yīng)變計(jì) 2）砼應(yīng)變計(jì)傳感器 澆筑時(shí)預(yù)埋，防水性能好，能消除彎曲影響，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。3）鋼筋應(yīng)變傳感器）鋼筋應(yīng)變傳感器 采用錐螺紋方式與鋼筋連結(jié)，防水性能好，適合長(zhǎng)期采用錐螺紋方式與鋼筋連結(jié)，防水性能好，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)。4、光測(cè)法、光測(cè)法 光測(cè)法有：云紋法、激光衍射法、光彈法等。常用于測(cè)光測(cè)法有：云紋法、激光衍

7、射法、光彈法等。常用于測(cè)量平面應(yīng)變，較多應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)或構(gòu)件的局部應(yīng)力分析。量平面應(yīng)變，較多應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)或構(gòu)件的局部應(yīng)力分析。電阻應(yīng)變片的工作原理： 利用金屬絲的電阻值隨著其機(jī)械變形而變化的物理特性。.,)21 (:,(2200起的電阻變化率單位應(yīng)變引靈敏系數(shù)故非常小而泊松比）因其電阻的變化率為：當(dāng)金屬絲受力變形時(shí)，電阻率KKRdRdldlAdAAdAldldRdRAlR電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)造和性能構(gòu)造：基底有膠基和紙基，電阻柵有絲式、箔式和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)電阻應(yīng)變計(jì)電阻應(yīng)變片的性能指標(biāo)選用原則：1）標(biāo)距L：根據(jù)測(cè)點(diǎn)材質(zhì)和應(yīng)力梯度選擇。均質(zhì)材料大梯度選小標(biāo)距，如鋼材取5-10mm；非均質(zhì)材料小梯度選大標(biāo)距，

8、如砼選3倍骨料粒徑，80-120mm。2）阻值R：R=120(60600)。應(yīng)變計(jì)阻值相差0.5%，并結(jié)合和應(yīng)變儀選用。3）靈敏系數(shù)K：K2.0(1.82.6)，同次試驗(yàn)宜相同4）根據(jù)使用環(huán)境選擇應(yīng)變計(jì)種類：長(zhǎng)期和短期，試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)，常溫和低溫或高溫，常規(guī)與疲勞 ，潮濕與干燥。（膠基和紙基） n分分類類(a)、(d)、(e)、(f)、(h):箔式應(yīng)變計(jì) (b) 絲繞式應(yīng)變計(jì)(c) 短接式電阻應(yīng)變計(jì) (g) 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì) (i) 焊接應(yīng)變計(jì)3.4.5測(cè)量電路（惠斯登電橋）電阻變化非常小(10-6級(jí))，測(cè)量困難，一般通過(guò)電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化電壓或電流，并經(jīng)應(yīng)變儀放大來(lái)測(cè)量。iooioURRRRRRR

9、RRRRRRRRRURRRRURRRRURRRRRRRRURRRR)()()(0/)(:1443322114422331143214321432142314321）（）。則：、臂電阻發(fā)生變化為：，稱為電橋平衡。若橋時(shí)，當(dāng)根據(jù)基爾霍夫定律有均接應(yīng)變計(jì)。、）全橋AViVo1R2R3R4RBCD動(dòng)完成溫度補(bǔ)償。特點(diǎn)：靈敏度提高，自，則：，若）)(4)(4)()()(43212233441143214321312433314211432131432124421331iioioioKVRRRRRRRRVVKKKKKRRRRRVRRRRRRRRRRRRRRRRRRVVRRRRRRRRRRRRV動(dòng)完成溫度補(bǔ)

10、償。特點(diǎn)：靈敏度提高，自接標(biāo)準(zhǔn)電阻。、接應(yīng)變計(jì)，、半橋：)(4)2214321ioKVVRRRR特點(diǎn)：節(jié)約應(yīng)變計(jì)。接標(biāo)準(zhǔn)電阻。、接補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，接應(yīng)變計(jì)、橋：）143214413ioKVVRRRRVoVi1R2R3R4RBCDVoVi1R2R3R4RBCD應(yīng)變測(cè)量?jī)x器 電阻應(yīng)變儀，電橋使用中使用中=電電 橋橋 盒盒DVi1R2R3R4RBC顯示記錄儀顯示記錄儀放大器放大器常見(jiàn)應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量常見(jiàn)應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)量軸向受力（軸向受力（1/41/4橋）橋）軸向（半橋）軸向（全橋）彎曲（半橋）彎曲（全橋）彎曲（全橋）扭轉(zhuǎn)（半橋）工作片互為補(bǔ)償靈敏度提高1倍。拉彎組合測(cè)量彎曲應(yīng)變半橋，消除軸力影響；靈敏度提高

11、1倍。測(cè)量軸向應(yīng)變半橋，消除彎曲影響；靈敏度不提高。彎扭組合測(cè)彎曲應(yīng)變；分解扭彎復(fù)合；靈敏度提高1倍；測(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變；分解扭彎復(fù)合；靈敏度提高1倍；3.4.6 電阻應(yīng)變計(jì)的使用技術(shù)1 1）基本要求）基本要求：（1）測(cè)點(diǎn)基地平整、清潔、干燥。（2）粘接劑性能良好。如502快干膠、環(huán)氧樹(shù)脂。（3）粘貼牢固，方位準(zhǔn)確，不含氣泡。（4）粘貼前后阻值不變，絕緣電阻50M以上。2 2）粘貼過(guò)程）粘貼過(guò)程（1）測(cè)點(diǎn)處理：打磨、清洗、打底、劃線（2）應(yīng)變粘貼：涂膠、擠壓（3）固化處理：自然干燥或人工加溫（50度）（4）粘貼質(zhì)量檢查：外觀、阻值和絕緣（5）導(dǎo)線連接：固定點(diǎn)設(shè)置、焊線。（6）防潮防護(hù)：石蠟、703硅橡

12、膠、環(huán)氧樹(shù)脂等。1. 電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼技術(shù)2. 溫度補(bǔ)償技術(shù)采用1/4橋測(cè)量時(shí)需要設(shè)置溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，主要用于消除溫度變化引起的應(yīng)變計(jì)的電阻變化。溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)必須滿足：1）與測(cè)量應(yīng)變計(jì)規(guī)格相同；2）粘在相同的材料上；3）處在相同的溫度場(chǎng)；4）補(bǔ)償片不能受力。多點(diǎn)補(bǔ)償：一個(gè)溫度補(bǔ)償片可供多個(gè)測(cè)量片使用。一般砼5點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)10點(diǎn)共用一個(gè)補(bǔ)償片。設(shè)置溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)接橋方法3.5 位移測(cè)量線位移線位移：常用的位移測(cè)量?jī)x器有機(jī)械式百分表、電子百分表、滑阻式傳感器、差動(dòng)電感式傳感器，水準(zhǔn)儀。角位移傳感器(a) 水準(zhǔn)管式傾角儀 (b)電阻應(yīng)變式傾角傳感器3.6 其他變形量測(cè)（C C）水準(zhǔn)式角度傳感器）水準(zhǔn)

13、式角度傳感器用液體擺來(lái)感受角位移，液面的傾斜將引起電極A、B之間和B、C之間的電阻發(fā)生相應(yīng)改變，把電極A、B和C接人測(cè)量電橋，就可以得到與角位移相對(duì)應(yīng)的電壓輸出。 (d) 千分表測(cè)扭轉(zhuǎn)角曲率測(cè)量千分表測(cè)傾角3.7 裂縫測(cè)量1 1、開(kāi)裂：開(kāi)裂時(shí)間和位置。、開(kāi)裂：開(kāi)裂時(shí)間和位置。1）借助放大鏡用肉眼觀察。表面先刷大白漿或涂料2）用應(yīng)變計(jì)或?qū)щ娖崮そ惶娲罱硬贾脕?lái)測(cè)量開(kāi)裂。當(dāng)某處開(kāi)裂時(shí)，該處應(yīng)變計(jì)讀數(shù)突變或跨裂縫的漆膜出現(xiàn)火花直至燒斷。3）聲發(fā)射法：利用材料開(kāi)裂時(shí)發(fā)射出聲能的現(xiàn)象。將傳感器布置在試件的表面或內(nèi)部，通過(guò)聲波的測(cè)量來(lái)確定開(kāi)裂。4）裂縫應(yīng)變計(jì)：鋼結(jié)構(gòu)斷裂試驗(yàn)2 2、裂縫寬度、裂縫寬度: :讀數(shù)顯微鏡、裂縫標(biāo)尺讀數(shù)顯微鏡、裂縫標(biāo)尺讀數(shù)顯微鏡裂縫標(biāo)尺=裂縫寬度觀裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)儀裂縫寬度測(cè)試裂縫寬度測(cè)試=（數(shù)字顯示）（數(shù)字顯示）3.8 力的測(cè)定 彈簧（拉力、壓力環(huán)），壓力表，傳感器（電阻、壓電）。3.11 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、一、X-YX-Y記錄儀記錄