第三章 結(jié)構(gòu)試驗測試技術(shù)與量測儀表

3結(jié)構(gòu)試驗測試技術(shù)與量測儀表結(jié)構(gòu)試驗時，所受的外部作用，如力、位移、溫度等是輸入數(shù)據(jù)，而試件的反應(yīng)如應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度等是輸出數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均需準(zhǔn)確量測。量測方法如下：人工測量與人工記錄：如用直尺測量位移、裂縫寬度。儀器測量與人工記錄：如用百分表測量位移，或用應(yīng)變儀配應(yīng)變計或位移計測量應(yīng)變或位移。儀器測量與儀器記錄：如用傳感器配X-y記錄儀進(jìn)行測量和記錄，或用傳感器、放大器和磁帶記錄儀進(jìn)行測量和記錄。數(shù)據(jù)采集測量與記錄：計算機(jī)系統(tǒng)。3.1概述3.2量測儀表的工作原理及分類

傳感器：感受各種物理量，并將它們轉(zhuǎn)換為可直接測讀的形式。有以下幾種：

機(jī)械式傳感器：利用機(jī)械原理工作，由以下部分組成：感受機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)換成長度或角度）、顯示裝置（指針或度盤）、附屬裝置（外殼、防護(hù)罩等）。

按功能不同，量測儀表分為：傳感器、放大器、顯示器、記錄器、分析儀器、數(shù)據(jù)采集儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一、工作原理：

電測式傳感器：利用材料的電學(xué)性能和電學(xué)原理，把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量變化。由以下部分組成：感受部分、轉(zhuǎn)換部分（如電阻應(yīng)變計等）、傳輸部分（如導(dǎo)線等）、附屬部分等。

其它傳感器：紅外線傳感器、聲波傳感器等。放大器：把信號放大的裝置。記錄器：按一定的方式把數(shù)據(jù)記錄到某種介質(zhì)（紙、磁帶、光盤等）上。如光線示波器、磁帶記錄儀、磁盤驅(qū)動器等。試件的作用與效應(yīng)適調(diào)器(轉(zhuǎn)換與放大）傳感器顯示與記錄器二、量測儀表的分類：按儀器用途分：應(yīng)變計、位移傳感器、測力傳感器、傾角傳感器、頻率計、測振傳感器等；按儀器與結(jié)構(gòu)關(guān)系分：附著式、非附著式；接觸式、非接觸式；按顯示和記錄方式分：直讀式和自動記錄式；模擬式和數(shù)字式。三、量測儀表的技術(shù)指標(biāo)

量程S：儀器可以測量的輸入量的范圍。

刻度值：儀器的最小刻度所代表的被測量。

靈敏度K：單位輸入物理量引起儀器輸出或顯示值的變化。是描述儀器、設(shè)備、試劑或測試方法對微小外加作用顯示出的敏感程度。

分辨率：儀器能測量被測物理量的最小值的能力。

精度：指示值與被測值的符合程度。常用滿程相對誤差表示。如精度為0.2的儀表，表示測定值的誤差不超過最大量程的±0.2%。是用來描述物理量的準(zhǔn)確程度的量。

滯后、零位溫漂、滿量程熱漂移、線性范圍、頻響特性、相移特性等。四、量測儀器的選用原則（1）具有合適的量程、靈敏度和精度。（2）安裝使用方便，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。（3）不影響結(jié)構(gòu)的工作：自重輕，尺寸小。（4）同一物理量測量儀器型號盡量相同，避免系統(tǒng)誤差。（5）經(jīng)濟(jì)好：價廉耐用，可重復(fù)使用，安全可靠。（6）按規(guī)定存放、使用和標(biāo)定。3.3儀表的率定在儀器行業(yè)，對儀器的校準(zhǔn)測定稱為率定。即校準(zhǔn)、標(biāo)定。即將儀器的示值和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的過程。率定的方法：1.用精確度等級更高的專用率定設(shè)備率定；2.用標(biāo)準(zhǔn)儀器（精確度不比被率定設(shè)備高，但不常使用）率定；3.用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行率定。應(yīng)該率定的設(shè)備：1.新生產(chǎn)的或出場的設(shè)備，在正式使用前；2.正在使用的設(shè)備應(yīng)定期率定或在重要的實驗開始前進(jìn)行率定。3.4應(yīng)變測量結(jié)構(gòu)試驗中常需要量測應(yīng)力，但直接量測應(yīng)力目前還沒有好方法，主要是通過量測應(yīng)變，再換算求得應(yīng)力。

應(yīng)變：在預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)長度范圍內(nèi)，量測長度變化增量的平均值ΔL，再通過ε=ΔL/L計算求得。

標(biāo)距L的選擇：勻質(zhì)材料宜??；非勻質(zhì)材料宜大。砼應(yīng)大于骨料最大粒徑3倍；對磚石結(jié)構(gòu)應(yīng)大于4皮磚；對木結(jié)構(gòu)應(yīng)大于20cm。

測量方法：常用電測法，還有機(jī)械法和光測法。一、電阻應(yīng)變計電阻應(yīng)變片的原理：

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。電阻應(yīng)變片的構(gòu)造：主要由敏感柵、基底、覆蓋層、引出線組成。電阻應(yīng)變片的分類：

按柵極分：絲繞式、箔式（在薄膠膜上鍍合金膜，光刻而成）、半導(dǎo)體式等；

按基底材料分：紙基（便宜、易粘貼、不防潮）、膠基（箔式常用）；

按敏感柵結(jié)構(gòu)的形狀分：單軸（測單軸應(yīng)變）、多軸（用于應(yīng)變花）。(a)、(d)、(e)、(f)、(h):泊式應(yīng)變計(b)絲繞式應(yīng)變計(c)短接式電阻應(yīng)變計(g)半導(dǎo)體應(yīng)變計(i)焊接應(yīng)變計電阻應(yīng)變片的技術(shù)指標(biāo)標(biāo)距：敏感柵在縱軸方向的有效長度L。不是指整個電阻片的長度，而是指電阻片當(dāng)中電阻絲柵的長度。0.2mm～100mm。

規(guī)格：使用面積LxB。電阻值：一般為120Ω作為標(biāo)準(zhǔn)。靈敏系數(shù)：K≈2.0，可通過分批抽樣實測而得。溫度使用范圍：取決于粘合劑的性質(zhì)。二、電阻應(yīng)變儀的測量電路根據(jù)電阻變化率公式：dR/R=Kε≈2.0*(10-6~10-3)，該電信號很微弱，直接測量困難，故采用電阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變儀是電阻應(yīng)變計的專用放大儀器。1.電橋基本原理惠斯登電橋：如圖示：

根據(jù)基爾霍夫定律：ΔUU

當(dāng)ΔU=0時，電橋平衡。即R1:R2=R3:R4時，電橋平衡。在應(yīng)變里一般用兩種特定狀態(tài)達(dá)到電橋平衡，一種是R1=R2=R3=R4，另一種是R1=R2，R3=R4。前一種四個阻值相等，稱為等臂電橋。

當(dāng)四個橋臂阻值發(fā)生變化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時，經(jīng)推導(dǎo)可得：ΔUUΔUUΔUU若四個應(yīng)變計規(guī)格相同，R1=R2=R3=R4，K1=K2=K3=K4，則：------不平衡電橋由前述可見：ε可由輸出電壓來測量，即輸出電壓與四個橋臂應(yīng)變的代數(shù)和呈線性關(guān)系。兩個相鄰橋臂上的應(yīng)變是相反的，R1、R3是正的，R2、R4是負(fù)的。四個橋臂上都接電阻片就是全橋電路，當(dāng)R3

、R4接固定電阻，而非電阻應(yīng)變片時，就是半橋電路，可自動完成溫度補(bǔ)償，且靈敏度提高；當(dāng)R2只作為溫度補(bǔ)償片，而不產(chǎn)生應(yīng)變時就是1/4橋路。

不平衡電橋電路的測定方法也叫偏位測定法，有兩個缺點，1.輸入電壓的不穩(wěn)定會影響測量的準(zhǔn)確性；2.輸出電壓的測定需要有較高靈敏度的檢測計?？梢圆捎闷胶怆姌騺頊y定，即采用零位測定法。平衡電橋原理

R1為工作應(yīng)變片，R2為溫度補(bǔ)償片，R3=R4=R‘，則：構(gòu)件受力前的平衡條件：構(gòu)件受力后調(diào)整滑線變阻器到D’，使檢流計歸零，其平衡條件：整理后得：溫度補(bǔ)償技術(shù)用電阻應(yīng)變片測應(yīng)變時，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于電阻應(yīng)變片和試件的溫度線膨脹系數(shù)不同，就會在應(yīng)變片中產(chǎn)生應(yīng)變；另一方面，隨著溫度的變化，電阻應(yīng)變片的電阻率ρ也會發(fā)生變化。由于這兩項原因，使電阻應(yīng)變片在沒有受到力作用以前就產(chǎn)生了應(yīng)變，從而電阻值發(fā)生了變化，這就是電阻片的熱效應(yīng)。消除這種熱效應(yīng)的常用方法就是溫度補(bǔ)償技術(shù)。溫度補(bǔ)償技術(shù)設(shè)溫度引起的電阻增量用ΔRt表示，如果在電路的BC臂上接一個與工作應(yīng)變片R1同樣的應(yīng)變片R2，并將它貼在同樣材料和環(huán)境溫度但不受力的試件上，則：溫度補(bǔ)償應(yīng)變計必須滿足：1）與測量應(yīng)變計規(guī)格相同；2）粘在相同的材料上；3）處在相同的溫度場；4）補(bǔ)償片不能受力。5）多點補(bǔ)償：一個溫度補(bǔ)償片可供多個測量片使用。一般砼5點，鋼結(jié)構(gòu)10點共用一個補(bǔ)償片。設(shè)置溫度補(bǔ)償應(yīng)變計接橋方法實測電路軸向受力（1/4橋）軸向（半橋）軸向（全橋）彎曲（半橋）彎曲（全橋）扭轉(zhuǎn)（半橋）工作片互為補(bǔ)償靈敏度提高1倍。例題：某結(jié)構(gòu)構(gòu)件，荷載和電阻應(yīng)變計布置如圖所示，測量時采用全橋橋路，應(yīng)變儀顯示的測量應(yīng)變值為280με，已知結(jié)構(gòu)材料的泊松比v=0.3。（1）畫出測量應(yīng)變橋路圖；（2）簡要說明該橋路特點；（3）計算該測點的彎曲應(yīng)變εw。電阻應(yīng)變計粘貼技術(shù)

應(yīng)變的其它測量方法

機(jī)測法：常用的有電子百分表和千分表，與其它配套設(shè)備可制成手持應(yīng)變儀、位移計等。手持應(yīng)變儀常用于現(xiàn)場測量，且適用于持久試驗，標(biāo)距為50～250mm，讀數(shù)的位移計可選用百分表或千分表。

工作原理：在標(biāo)距兩端粘結(jié)兩個腳標(biāo)（每邊各一個），通過測量結(jié)構(gòu)變形前后兩個腳標(biāo)之間距離的改變，求得標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變。

光測法：多用于結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力分析（云紋法、激光衍射法、光彈法）。3.4位移測量儀器

結(jié)構(gòu)的位移主要指：撓度、側(cè)移、轉(zhuǎn)角、支座偏移等，可分為線位移和轉(zhuǎn)動變形。

量測位移的儀表有機(jī)械式、電子式、光電式等。

線位移的常用量測儀器有接觸式位移計、差動變壓器式位移計、應(yīng)變梁式位移傳感器、滑線電阻式位移傳感器、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等。

轉(zhuǎn)動變形的常用量測儀器有杠桿式測角器、水準(zhǔn)式傾角儀、電子傾角儀等，也可以自行設(shè)計。接觸式位移計接觸式位移計根據(jù)刻度盤上最小刻度值所代表的量分為百分表（刻度值為1%mm，量程為5、10、30mm）、千分表(刻度值為0.1%mm，量程為1mm)和撓度計(刻度值為5%或10%mm，量程為50、100、300mm)。用百分表測撓度的時候，在沒有變形前先讀表針指示的一個讀數(shù)，然后當(dāng)它變形以后，即當(dāng)表桿移動了再讀一次，這兩個數(shù)之差，就是整個的變形。使用時將位移計固定于表架上，使測桿頂緊測點，并與側(cè)面保持垂直。機(jī)械式百分表電子百分表經(jīng)緯儀位移計

千分表應(yīng)變梁式位移傳感器儀器外殼上固定一個彈簧片，并作成懸臂結(jié)構(gòu)，彈簧片根部粘貼應(yīng)變片。彈簧片的自由端連接拉簧，拉簧的另一端與測桿伸出的指針相連。當(dāng)測桿跟隨變形而移動時，拉簧使簧片產(chǎn)生撓曲，通過電阻應(yīng)變儀測得的應(yīng)變即可反映與試件位移的關(guān)系。量程為30~150mm，分辨率可達(dá)0.01mm。電子百分表就是按照這樣的原理制成的。1.測桿2.彈簧片3.儀器外殼6.表盤7.應(yīng)變片8.引線滑線電阻式位移傳感器儀器內(nèi)部接有滑線電阻，當(dāng)測桿隨著結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生位移時，帶動滑線觸頭移動，改變滑線電阻兩端的電阻值，通過電阻應(yīng)變儀可測得應(yīng)變。差動變壓器式位移傳感器如圖：有三個線圈，中間的叫初級線圈，兩邊的叫次級線圈。中間的鐵芯是鐵磁材料。當(dāng)初級線圈有電流通過時，次級線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電勢。測桿帶動鐵芯偏向左側(cè)時，左側(cè)感應(yīng)電勢大，右側(cè)??；通過測量兩側(cè)電勢差，就可以確定測桿的位置，即位移量。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動變形測量杠桿式測角器：通過兩個千分表分別測量各自點的位移量，通過計算可求得轉(zhuǎn)角。1、轉(zhuǎn)角測定水準(zhǔn)式傾角儀如圖，結(jié)構(gòu)變形前，通過調(diào)整微調(diào)螺絲使氣泡居中，測讀數(shù)；結(jié)構(gòu)變形后，再調(diào)整螺絲，使氣泡居中，測讀數(shù)。兩次讀數(shù)差就是螺絲中心線處的豎向位移h。hLα電子傾角儀用液體擺來感受角位移，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接入測量電橋，就可以得到與角位移相對應(yīng)的電壓輸出。實際上是一種傳感器。2.曲率測定ABDf3.5力值測量儀器主要有機(jī)械式傳感器和電測式傳感器兩類；

機(jī)械式：拉力測力計、壓力測力計、拉壓力測力計；

電測式（應(yīng)變式）：壓力傳感器、拉壓傳感器（較為常見，采用應(yīng)變計量測方法，可自制）拉力環(huán)壓力環(huán)壓力表拉壓力傳感器3.6裂縫測量

兩項內(nèi)容：1、開裂：裂縫發(fā)生的時刻和位置。

2、度量：裂縫的寬度和長度。

裂縫的判斷：

1.借助放大鏡用肉眼觀察。表面先刷白涂料

2.用應(yīng)變計或?qū)щ娖崮みB續(xù)布置來測量開裂。當(dāng)某處開裂時，該處應(yīng)變計讀數(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：利用材料開裂時發(fā)出聲能的現(xiàn)象。將傳感器布置在試件的表面或內(nèi)部，通過聲波的測量來確定開裂。

4.裂縫應(yīng)變計：鋼結(jié)構(gòu)斷裂試驗裂縫的測量

裂縫寬度:讀數(shù)顯微鏡、裂縫塞尺、裂縫標(biāo)準(zhǔn)寬度板（裂縫標(biāo)尺）。讀數(shù)顯微鏡裂縫標(biāo)尺3.7振動測量儀器用來測量結(jié)構(gòu)振動參數(shù)（位移、速度、加速度等）；

基本組成：感受部分、放大部分、顯示部分；感受部分也叫拾振器。拾振器的力學(xué)原理結(jié)構(gòu)震動，周圍的地面也震動，測震動的儀器，本身也是個震動系統(tǒng)。如圖，慣性測振傳感器的力學(xué)模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時，儀器外殼一起振動，質(zhì)量塊也振動，但振動規(guī)律不同（如振幅和相位）。通過測量質(zhì)量塊與殼體間的相對振動，就可以反映出振動體的振動特性。

拾振器類別根據(jù)輸出值與位移、速度、加速度之間的關(guān)系分為位移計、速度計和加速度計。

位移計：當(dāng)振動體的自振頻率比拾振器的自振頻率大很多時，拾振器輸出值與結(jié)構(gòu)位移成正比，主要用來測量結(jié)構(gòu)的振動位移。建筑物自振頻率一般較低（1~3Hz），要求位移計更低，因此體積大，重量大。速度計：當(dāng)振動體的自振頻率與拾振器的自振頻率大致相等時，拾振器輸出值與結(jié)構(gòu)振動速度成正比，主要用來測量結(jié)構(gòu)的振動速度。失真大，可用頻率范圍窄，少用。加速度計：當(dāng)振動體的自振頻率比拾振器的自振頻率小很多時，拾振器輸出值與結(jié)構(gòu)振動加速度成正比，主要用來測量結(jié)構(gòu)的振動加速度。對加速度一次積分可得速度，兩次積分可得位移。測振傳感器將拾振器獲得的位移、加速度等振動參量轉(zhuǎn)換為電量，并輸入放大器的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)換方式有：磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式、電容式、光電式等。常用的傳感器有磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。磁電式速度傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，靈敏度高，性能穩(wěn)定，有一定的頻率響應(yīng)寬度。通過質(zhì)量塊在殼體內(nèi)的相對振動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢與運動速度成正比。如圖擺式傳感器。壓電式加速度傳感器利用壓電晶體材料具有的壓電效應(yīng)制成。這種材料具有受拉壓力后材料會產(chǎn)生電荷，并與所受力的大小成正比。通過測量電荷多少