橋梁計量檢測設(shè)備儀器儀表的性能及使用

橋梁計量檢測設(shè)備儀器儀表的性能及使用第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第一講量測儀表基本概念及其主要技術(shù)指標(biāo)1．量測儀表的基本組成放大部分作用是將感受部分傳來的被測參數(shù)，通過各種方式（如機械式齒輪、杠桿、電子放大線路或光學(xué)放大等）進行放大，然后傳給記錄顯示部分。記錄顯示部分將放大部分傳來的量測結(jié)果，通過指針、電子數(shù)碼管、屏幕進行顯示，或通過各種記錄設(shè)備將試驗數(shù)據(jù)或曲線記錄下來。感受部分一般都直接與被測對象接觸或直接附著在被測對象上，用來感受被測對象的參數(shù)變化。經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳給放大部分。第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.量測儀表的主要技術(shù)性能指標(biāo)

（1）刻度值A(chǔ)：設(shè)置有指示裝置的儀表，一般都配有分度，刻度值是指分度表上每一最小刻度所代表的被測量的數(shù)值。即儀器的最小分度值?？潭戎档牡箶?shù)為該表的放大率，即V=1/A。

（2)量程S：是指測量上限和下限的代數(shù)差，即儀表刻度盤上的上限值減去下限值。也稱為儀器儀表可量測的最大范圍。S=Xmax-Xmin。通常下限Xmin=0，故S=Xmax。(3)靈敏度K：是指某實際物理量的單位輸出增量Δy與輸入增量Δx的比值，即K=Δy/Δx。或被測量的單位變化引起儀器示值的變化值。單位輸入量所引起的儀表示值的變化。（如輸入10個με，指針偏轉(zhuǎn)11με，則靈敏系數(shù)為1.1）第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）分辨率：使儀器儀表示值發(fā)生變化餓最小輸入量的變化值。是儀器儀表測量被測物理量最小變化值的能力。（5）滯后：在恒定的環(huán)境下，某一輸入量從起始量程增至最大量程，再由最大量程減至最小量程，正反兩個行程輸出值之間的偏差稱為滯后。滯后常用全量程中的最大滯后值與滿量程輸出值之比來表示。（6）精確度（精度）：它是精密度和準(zhǔn)確度的綜合反映。是指儀表指示值與被測值的符合程度。常用滿量程的相對誤差來表示，儀表精度高，說明隨機誤差和系統(tǒng)誤差小，誤差越小，精度越高，工程應(yīng)用中，為簡單表示儀表測量結(jié)果的可靠程度，可用儀表精確等級A表示：A=（Δgmax/S）×100%。Δgmax——最大絕對允許誤差。第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）可靠性：在規(guī)定的條件下，（滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)）滿足給定的誤差極限范圍內(nèi)連續(xù)工作的可能性，或者說構(gòu)成儀表的元件或部件的功能隨時間的增長仍能保持穩(wěn)定的程度。（8）零位溫飄和滿量程熱漂移：零位溫飄：是指當(dāng)儀表的工作環(huán)境不為20℃時，零位輸出隨溫度的變化率。滿量程熱漂移：是指當(dāng)儀表的工作環(huán)境不為20℃時，滿量程輸出隨溫度的變化率。它們都是溫度變化的函數(shù)。（9）線性范圍：保持儀器的輸入量和輸出信號為線性關(guān)系時，輸入量的允許變化范圍。（10）線性度：儀表使用時的校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線的接近程度。用校準(zhǔn)曲線和擬合直線的最大偏差與滿量程輸出的百分比表示。在動態(tài)量測中，對儀表的線性度應(yīng)嚴(yán)格要求，否則對測量結(jié)果引起較大誤差。第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.儀表的量測方法

（1）直接測量法和間接測量法。

直接測量法：用一個事先按標(biāo)準(zhǔn)量分度的測量儀表對某一被測的量進行直接測定，從而得出該量的數(shù)值。間接測量：不直接測量待求量x，而是對與待求量x有確切函數(shù)關(guān)系的其他物理量Y1、Y2、Y3……Yn進行直接測量,然后通過已知函數(shù)關(guān)系式求待求量x的值.即。如測應(yīng)力：。

（2）偏位測定法與零位測定法，均屬于直接測量法。

偏位測定法：當(dāng)測量儀表是用指針相對于刻度線的偏位來直接表示被測量的大小時，這種測量方法就是偏位測定法。用偏位法測量時，指針式儀表內(nèi)沒有標(biāo)準(zhǔn)量具，而只設(shè)有經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)量具標(biāo)定過的刻度尺，刻度尺的精度不可能做得很高，故測量精度不高。如百分表、動態(tài)應(yīng)變儀等。零位測定法：是使被測量x和某已知標(biāo)準(zhǔn)量對儀表的指零機構(gòu)的作用達到平衡，即兩個作用的總效應(yīng)為零。即。在零位測定法中測量結(jié)果的誤差主要取決于標(biāo)準(zhǔn)量的誤差，因而測量精度高于偏位法，但操作速度慢。如天平、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等。第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.量測儀表的選用原則

（1）儀表性能滿足試驗的具體要求，如合適的靈敏度、足夠的精度和量程。精度：應(yīng)使儀表的最小刻度值（即最大誤差）≤被測值的5%；量程：以選用最大被測值的1.25~2.0倍為好，或使最大被測值在儀表的2/3量程范圍附近，以防破壞。（2）動態(tài)量測儀表其線性范圍、頻響特性、相移特性等均應(yīng)滿足試驗要求。（3）對于安裝在結(jié)構(gòu)上的儀表或傳感器，要求體積小、自重輕，不影響結(jié)構(gòu)的工作性能和受力。（4）同一試驗中選用的儀器儀表種類、規(guī)格盡可能少，以便統(tǒng)一數(shù)據(jù)的精度，簡化量測數(shù)據(jù)的整理工作和避免差錯。（5）儀器儀表對環(huán)境的適應(yīng)性要強且使用方便，工作可靠和經(jīng)濟耐用。第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.儀器的誤差及其消除方法(1)儀器誤差（偶然誤差和系統(tǒng)誤差）儀器本身的誤差屬于系統(tǒng)誤差范疇，主要是由于儀表在生產(chǎn)工藝上或設(shè)計上的缺陷造成的。系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的規(guī)律可區(qū)分為：（1）定值誤差—誤差大小和符號保持不變的，如刻度不準(zhǔn)確。（2）變值誤差—較為復(fù)雜，有累進誤差和周期誤差等。(2)消除系統(tǒng)誤差的方法—量測儀表的定期率定

1）儀表率定的概念：為了確定儀表的精確度或換算系數(shù)，定出其誤差，需將儀表示值與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，這種工作就稱為儀表的率定。2）儀表率定的方法：①在專門率定設(shè)備上率定，這種設(shè)備能產(chǎn)生一個已知標(biāo)準(zhǔn)量的變化，把它和被率定儀器的示值作比較，求出被率定儀器的刻度值。第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月②采用和被率定儀器同一等級的“標(biāo)準(zhǔn)”儀器進行比較來率定?！皹?biāo)準(zhǔn)”儀器精度并不高，但不常用，可認(rèn)為該儀器的度量性能技術(shù)指標(biāo)可保持不變，準(zhǔn)確度已知。這種方法率定結(jié)果的準(zhǔn)確性稍差，但不需要特殊的率定設(shè)備。比較常用。③利用標(biāo)準(zhǔn)試件率定儀器，將標(biāo)準(zhǔn)試件放在實驗機上加載，使標(biāo)準(zhǔn)試件產(chǎn)生已知的變化量，根據(jù)變化量可求出安裝在試件的被率定儀器的誤差，此方法準(zhǔn)確度不高，但簡單，易實現(xiàn)，故廣泛采用。第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

了解構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布情況，特別是結(jié)構(gòu)危險截面的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力值是評定結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的重要指標(biāo)，也是建立結(jié)構(gòu)理論的重要依據(jù)。測量的方法主要有：1.應(yīng)變機測法；2.應(yīng)變電測法；3.應(yīng)變光測法。第二講應(yīng)變（力）測量儀器1．應(yīng)變機測法1）手持應(yīng)變儀(接觸式千分表應(yīng)變儀)主要組成：兩個彈簧片連接兩個剛性骨架，兩個剛性骨架可做無摩擦的相對移動，骨架兩端附帶有錐形插軸，進行測量時將錐形插軸插入結(jié)構(gòu)表面預(yù)留的空穴里。1-剛性骨架；2-插軸；3-骨架外凸緣；4-千分表測桿；5-薄鋼片；6-千分表圖3.2手持應(yīng)變儀構(gòu)造示意圖第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1．應(yīng)變機測法(1）手持應(yīng)變儀(接觸式千分表應(yīng)變儀)工作原理如圖3.3所示。

圖3.3手持應(yīng)變儀工作原理示意圖其中a——試件表面至腳標(biāo)孔穴底的距離；h——試件截面高度。第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1．應(yīng)變機測法(2）單杠桿應(yīng)變儀（杠焊式應(yīng)變儀）

如圖3.4所，它由剛性桿（一端帶固定刀口）、杠桿（一端帶活動刀口）和千分表組成，構(gòu)件變形后活動刀口以b點為支點轉(zhuǎn)動，經(jīng)杠桿放大后由千分表測出。1-固定刀口；2-活動刀口；3-千分表；4-杠桿；5-剛性桿圖3.4單杠桿應(yīng)變儀第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1．應(yīng)變機測法(3）雙杠桿引伸儀如圖3.5所，杠桿引伸儀是利用杠桿放大原理而制成的量測應(yīng)變的儀器。其構(gòu)造原理是由活動刀口組成第一支杠桿，指針為第二支杠桿，標(biāo)距L內(nèi)長度有變化時，第一支杠桿活動刀口旋轉(zhuǎn)，推動第二支杠桿轉(zhuǎn)動，經(jīng)第二支杠桿放大后，讀數(shù)指示在刻度盤上。圖3.5雙杠桿引伸儀H1H3H4LΔZH2ΔLΔx工作原理為：儀器的放大率:試件的應(yīng)變?yōu)椋旱?3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2．應(yīng)變電測法電測應(yīng)變儀主要有振弦式、電磁感應(yīng)式、壓電式、電容式等。用電阻應(yīng)變片測應(yīng)變是其中最基本、最常用的應(yīng)變傳感器。(1)電測法概念在量測過程中，常將某些物理量發(fā)生的變化，先變換為電量的變化，然后用量電器進行量測，這種方法稱為電測法或非電量的量測技術(shù)。(2)應(yīng)變電測法的概念在結(jié)構(gòu)試驗中，因結(jié)構(gòu)受到外荷載或受溫度及約束等原因而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變?yōu)闄C械量，用量電器量測非電量，首先必須把非電量轉(zhuǎn)換為電量的變化，然后才能用量電器量測，量測由應(yīng)變引起的電量的變化稱為應(yīng)變電測法。例如：電阻應(yīng)變片測量電路放大電路指示器或記錄儀第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2．應(yīng)變電測法(3)應(yīng)變電測法的優(yōu)點1）靈敏度和準(zhǔn)確度高，測量范圍大ε=10-6~11100×10-6ε；2）變換元件體積小、質(zhì)量輕；3）對環(huán)境適應(yīng)性好，可在高溫、高壓及水中進行；4）適用性好。(4)電阻應(yīng)變片的工作原理

圖3.6金屬絲的電阻應(yīng)變原理其中k0稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，它是由電阻絲的材料系數(shù)c和泊松比v確定。

第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．鋼弦式傳感器鋼弦式傳感器的工作原理

鋼弦式傳感器是以被張緊的鋼弦作為敏感元件，利用其固有頻率與張拉力的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)固有頻率的變化來反映外界作用力的大小。鋼弦式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖3.22所示。

振弦固定在上、下兩夾塊之間，用固緊螺釘固緊，給弦加一定的初始張力T。在弦的中間固定著軟鐵塊，永久磁鐵和線圈構(gòu)成弦的激勵器，同時又兼作弦的拾振器。夾塊和膜片相連而感受壓力P。由圖3.22可知,若使弦按固有頻率振動，必須首先給弦以激勵力，振弦是依靠線圈中的電流脈沖所產(chǎn)生的電磁吸引力來產(chǎn)生激勵作用。線圈中將產(chǎn)生與弦的振動同頻率的交變電勢輸出。這樣通過測量感應(yīng)電勢的頻率即可檢測振弦張力的大小。

1-夾具；2-振弦；3-永久磁鐵；4-線圈；5-螺釘；6-軟磁鐵；7-膜片。圖3.22鋼弦式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．鋼弦式傳感器工程中常用的鋼弦式傳感器有：鋼弦式應(yīng)變傳感器、鋼弦式壓力傳感器、鋼弦式荷載傳感器和鋼弦式位移傳感器。（2）鋼弦式應(yīng)變傳感器圖3.23鋼弦式應(yīng)變傳感器鋼弦式應(yīng)變傳感器測試技術(shù)具有以下較為突出的特點：（1）分辨率高，測量結(jié)果精確、可靠。目前常用的鋼弦應(yīng)變傳感器分辨率可達到0.1με。（2）不易受溫度和電磁場等的影響，特別是野外測量時抗干擾性能好。（3）易于實現(xiàn)測試過程中的全自動化數(shù)據(jù)采集、多點同步測量、遠距離測量和遙控檢測。（4）現(xiàn)場操作方便，測試方法易于掌握。第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．鋼弦式傳感器（2）鋼弦式應(yīng)變傳感器鋼弦式應(yīng)變傳感器測試技術(shù)優(yōu)點雖然很突出，但也存在以下較為明顯的不足之處：（1）應(yīng)變計標(biāo)距較大，一般為100～200mm，不能用于測量應(yīng)力梯度較大的應(yīng)變，也不能用于測量較小尺寸構(gòu)件的應(yīng)變，如小比例的模型試驗。（2）響應(yīng)速度較慢，不能用于動態(tài)和瞬態(tài)應(yīng)變測量。（3）量程范圍較小，一般為-1500～+1500με,不能用于大應(yīng)變的測量。（4）測試元件及儀器成本較高。鋼弦式應(yīng)變傳感器工作原理是：在微幅振動條件下，鋼弦的自振頻率與鋼弦應(yīng)力有如下關(guān)系：上式可變換為：常數(shù)

從上式可發(fā)現(xiàn)，鋼弦應(yīng)力與其自振頻率的平方成正比，常數(shù)可通過標(biāo)定求得。經(jīng)過標(biāo)定得到應(yīng)變—頻率關(guān)系：

第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．鋼弦式傳感器（2）鋼弦式應(yīng)變傳感器鋼弦式應(yīng)變傳感器分為鋼弦式表面應(yīng)變傳感器、鋼弦式鋼筋應(yīng)力傳感器和鋼弦式內(nèi)部應(yīng)變傳感器。1）鋼弦式表面應(yīng)變傳感器圖3-22鋼弦式表面應(yīng)變傳感器圖3-23國產(chǎn)鋼弦應(yīng)變讀數(shù)儀第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．鋼弦式傳感器（2）鋼弦式應(yīng)變傳感器2）鋼弦式內(nèi)部應(yīng)變傳感器圖3-22鋼弦埋入式應(yīng)變傳感器圖3-23進口鋼弦應(yīng)變讀數(shù)儀第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(1）應(yīng)變片的構(gòu)造（以絲繞式為例）

1-敏感柵；2-引出線；3-粘合劑；4-覆蓋層；5-基底圖3.7電阻應(yīng)變片的構(gòu)造(2）電阻應(yīng)變片的分類按絲柵材料分類：a)半導(dǎo)體應(yīng)變片（體型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片）。b)金屬應(yīng)變片{體型應(yīng)變片[箔式應(yīng)變片（Φ=0.002~0.005mm金屬箔）、絲式應(yīng)變片Φ=0.015~0.05mm（絲繞式、短接式）]、金屬薄膜應(yīng)變片}

第四講電阻應(yīng)變儀及測量電路與應(yīng)變片的粘貼1、電阻應(yīng)變片第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(2）電阻應(yīng)變片的分類按基底材料分類：a)紙基應(yīng)變片；b)膠基應(yīng)變片；c)金屬片基應(yīng)變片；d)臨時基底應(yīng)變片。按溫度場分類：低溫應(yīng)變片（≤-30℃）；常溫應(yīng)變片（-30~60℃）；中溫應(yīng)變片（60~350℃）；高溫應(yīng)變片（≥350℃）。(3）電阻應(yīng)變片的特點優(yōu)點：靈敏度高，尺寸小，重量輕，粘貼牢固，適用于各種溫度場和外部環(huán)境。缺點：不能重復(fù)使用，粘貼工作量大，估計參數(shù)不精確，具有近似性。(4）電阻應(yīng)變片的主要技術(shù)性能指標(biāo)a）靈敏系數(shù)

b）標(biāo)距；c）使用面積；d）電阻值；e）應(yīng)變極限；f）絕緣電阻；g）零飄；h）蠕變；i）機械滯后；

j）疲勞壽命；

k）溫度適用范圍第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）應(yīng)變片的選擇與檢查

(5）電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)

檢查：外觀，用目測或放大鏡觀看，應(yīng)剔除應(yīng)變片絲柵中有形狀缺陷，片內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點等缺陷的片；阻值，應(yīng)剔除斷路或短路的片，每片阻值相差不得超過儀器可調(diào)平衡的允許范圍。選擇：應(yīng)根據(jù)被測試件所處的環(huán)境條件，如：溫度、濕度、被測材料、結(jié)構(gòu)特點、檢測的性質(zhì)和應(yīng)變的范圍等來確定。

1）標(biāo)距：在應(yīng)變場變化大處或用于傳感器上時，應(yīng)選用小標(biāo)距的應(yīng)變片，如鋼結(jié)構(gòu)常用5~20mm。在不均勻材料上應(yīng)選用大標(biāo)距的應(yīng)變片，如混凝土材料常用80~150mm。

2）應(yīng)變片電阻：選用時應(yīng)注意與應(yīng)變儀相一致。

3）靈敏系數(shù)：調(diào)整應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)與應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一致。

4）基底種類：較為常見的有紙基和膠基兩種。常溫下的一般測試可用紙基應(yīng)變片；對于野外試驗及長期穩(wěn)定性要求較高的試驗，宜用膠基應(yīng)變片。

5）敏感柵材料：康銅絲材料的溫度穩(wěn)定性較好，適用于大應(yīng)變測量。

6）特殊環(huán)境和要求選用特種應(yīng)變片，如低溫應(yīng)變片、高溫應(yīng)變片、裂紋擴展片、疲勞壽命片等。第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月擠壓：在片上蓋上玻璃紙，用手指沿一個方向滾壓，擠出多余的膠水和氣泡。加壓：用手指輕壓片，直到粘住為止。3)固化處理分自然干燥或人工固化。4)粘貼質(zhì)量檢查分外觀、阻值及絕緣度檢查。5)接線：分三步①固定點設(shè)置②引出線絕緣③導(dǎo)線焊接

（2）貼片1)測點表面的處理

鋼筋：除銹、刨光并用砂紙打成與測量方向呈450交叉細紋，用丙酮清洗干凈。

砼：先找平，再用砂布打平并用丙酮溶液清洗干凈。2)貼片

上膠：膠水均勻而薄地在基底面上涂一層，稍后，當(dāng)膠水發(fā)粘時順著受力方向?qū)χ蟹藕?。?4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）防潮防水處理1)拌制防潮劑常用的防潮劑有環(huán)氧樹脂與聚酰胺按2：1或3：2攪拌均勻，配制而成，還可用石臘與凡士林按1：1配制，加熱熔化成液體，冷卻后使用。2)涂抹：將防潮劑均勻地涂在應(yīng)變片上，后用紗布一層層纏緊，使膠液從中滲出，膠層表面應(yīng)光滑，固化后即能起到防潮防水的作用。防護技術(shù)是應(yīng)變測量中的重要環(huán)節(jié)，通常用應(yīng)變片和結(jié)構(gòu)表面的絕緣電阻值來判斷。高的絕緣電阻值可保證測量的精度，但要求過高會加大工作量和增加防護工作的難度。所以一般要求靜態(tài)測量絕緣電阻大于200MΩ，對于長期檢測、動態(tài)測量和精度要求高的檢測，絕緣電阻應(yīng)大于500MΩ。第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻應(yīng)變片防護圖第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電阻應(yīng)變儀(1）電阻應(yīng)變儀的組成由電阻應(yīng)變片的工作原理可知：當(dāng)k=2.0，被測量的機械應(yīng)變?yōu)?0-3~10-6時，。這個信號很微弱，用量電器檢測很困難，要借助于放大器放大，電阻應(yīng)變儀就是電阻應(yīng)變片的專用放大器及量電器。其主要組成為：振蕩器、測量電路、放大器、相敏檢波器、電源等部分組成。應(yīng)變儀的測量電路一般采用惠斯登電橋，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，并解決了溫度補償問題。

(2）電橋原理應(yīng)變片電測一般采用兩種量測電路。一種是電位計式電路，一種是橋式電路，通常采用惠斯登電橋。在電阻應(yīng)變儀中，主要是通過惠斯登電橋原理來量測應(yīng)變所引起的電阻變化的微小信號。

圖3.8惠斯登電橋當(dāng)電橋平衡（即）時，

第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(2）電橋原理當(dāng)電橋接成1/4電橋時，

當(dāng)電橋接成全電橋時，

在全等臂電橋，即且應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相同的情況下：當(dāng)電橋為1/4橋臂時，當(dāng)電橋為半橋時，當(dāng)電橋為全橋接法時，

電橋輸出電壓的增量ΔUBD與橋臂電阻變化率ΔR/R或應(yīng)變ε成正比，輸出電壓與四個橋臂應(yīng)變的代數(shù)和成線性關(guān)系。電橋的增減特性，即相鄰兩橋臂的應(yīng)變輸出符號相反，相對橋臂的應(yīng)變輸出符號相同。

2、電阻應(yīng)變儀第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(3）平衡電橋原理在實際測量中，應(yīng)變片的阻值總有偏差，接觸電阻和導(dǎo)線的電阻也有差異，使電橋產(chǎn)生不平衡。為了滿足實際測量的需求，應(yīng)變儀改成了平衡電橋（如圖3.9）。R1為工作片，R2為溫度補償片，R3、R4由滑線電阻ac代替，觸點D平分ac。且使橋路

圖3.9電橋平衡橋路處于平衡狀態(tài)時有：當(dāng)構(gòu)件受力變形后，R1有微小變量ΔR1，此時橋路失去平衡，調(diào)整觸點D使橋路重新恢復(fù)平衡的條件為：

整理得：

2、電阻應(yīng)變儀第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(4）溫度補償技術(shù)

1）溫度效應(yīng)的概念用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變時，應(yīng)變片除了能感受試件本身應(yīng)變外，由于環(huán)境溫度變化的影響，同樣也能通過應(yīng)變片的感受而引起電阻應(yīng)變儀指示部分的示值變動，這種變動稱為溫度效應(yīng)。

2）產(chǎn)生溫度效應(yīng)的原因溫度變化從兩個方面使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。第一是電阻絲溫度改變時，其電阻將會隨之改變，即：

第二是因為材料與應(yīng)變片電阻絲的線膨脹系數(shù)不相等，但二者又粘在一起，當(dāng)溫度改變時，引起附加電阻的變化，即：總的溫度應(yīng)變效應(yīng)為：2、電阻應(yīng)變儀第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(4）溫度補償技術(shù)

3）溫度補償?shù)姆椒囟妊a償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：應(yīng)變片自補償法和橋路補償法。較常用的是橋路補償法。橋路補償法：利用電橋的加減特性，當(dāng)電橋的兩個相鄰橋臂的電阻相同時，反映在電橋輸出上起了相互抵消的作用。橋路補償又分溫度片補償和工作片補償法。

①溫度片補償法R1為工作片粘貼在試件上，R2為溫度補償片粘貼在補償塊上，R3、R4為精密無感電阻。

圖3.10溫度片補償法2、電阻應(yīng)變儀第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(4）溫度補償技術(shù)

3）溫度補償?shù)姆椒?/p>

②工作片補償法測量時，如果在被測構(gòu)件上能找到應(yīng)變符號相反，比例關(guān)系已知、溫度條件相同的兩個測點，在這兩個測點上各粘貼一個工作應(yīng)變片，例如在懸臂梁同一截面上下各粘貼一片接在相鄰橋臂上，在等臂條件下可實現(xiàn)溫度補償。如圖3.11所示。

圖3.11工作片補償法2、電阻應(yīng)變儀第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)線位移變形測量結(jié)構(gòu)的位移主要是指試件的撓度、側(cè)移、轉(zhuǎn)角、支座偏移等參數(shù)。量測位移的儀表主要有：機械式、電子式及光電式等多種。

第五講位移與變形測量儀器1．接觸式位移計接觸式位移計為機械式儀表，它主要由測桿、齒輪、指針和彈簧等機械零件組成。

1-短針齒輪；2-齒輪彈簧；3-長針；4-測桿；5-測桿彈簧；6、7、8-齒輪圖1百分表的構(gòu)造圖第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸式位移計根據(jù)刻度盤上最小刻度值所代表的量分為百分表（刻度值為0.01mm）、千分表（刻度值為0.001mm）和撓度計（刻度值為0.05mm或0.01mm）。

接觸式位移計的度量性能指標(biāo)有刻度值、量程和允許誤差。

第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2．應(yīng)變梁式位移傳感器

應(yīng)變梁式位移傳感器的主要部件是一塊彈性好、強度高的鈹青銅制成的懸臂彈簧片（圖2）,簧片一端固定在儀器外殼上。在簧片上粘貼四片應(yīng)變片，組成全橋或半橋測量電路，簧片的自由端固定有拉簧，拉簧與指針固結(jié)。量程為30~150mm，讀數(shù)分辨率可達0.01mm。

1-應(yīng)變片；2-懸臂梁；3-引線；4-彈簧；5-標(biāo)尺；6-指針；7-測桿；8-固定環(huán)圖2應(yīng)變梁式位移傳感器第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．滑線電阻式位移傳感器

滑線電阻式位移傳感器由測桿、滑線電阻和觸頭等組成，構(gòu)造與測量原理如圖3所示。滑線電阻固定在表盤內(nèi)，觸電將電阻分成R1及R2。

采用這樣的半橋接線，其輸出量與電阻增量（或應(yīng)變增量）成正比，亦即與位移成正比。量程可達10～100mm以上。

1-測桿；2-滑線電阻；3-觸頭；4-彈簧圖3滑線電阻式位移傳感器第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4．差動變壓式位移傳感器

如圖4所示為差動變壓式位移傳感器的構(gòu)造原理。它由一個初級線圈和兩個次級線圈分內(nèi)外兩層，共同繞在一個圓筒上，圓筒內(nèi)放置一個能自由上下移動的鐵芯。初級線圈加入激磁電壓時，通過互感作用使次級線圈感應(yīng)而產(chǎn)生電勢。1-線圈；2-次級線圈；3-圓形筒；4-鐵芯圖4差動變壓器式位移傳感器鐵芯居中時，感應(yīng)電勢，無輸出信號。鐵芯向上移動，這時，輸出為。鐵芯向上移動的位移愈大，也愈大。第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)角位移測量角位移測量的儀表主要有：杠桿式測角器、水準(zhǔn)式傾角儀、電子傾角儀等。1-剛性桿；2-試件；3-位移計圖5杠桿式測角器1)杠桿式測角器杠桿式測角器構(gòu)造示意如圖5，將剛性桿1固定在試件2的測點上，結(jié)構(gòu)變形帶動剛性桿轉(zhuǎn)動，用位移計測出3、4兩點位移，即可算出轉(zhuǎn)角

當(dāng)L=100mm，時，則可測得轉(zhuǎn)角值為1×10-3弧度，具有足夠的精度。第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2)水準(zhǔn)式傾角儀

水準(zhǔn)式傾角儀的構(gòu)造如圖6所示。水準(zhǔn)管1安置在彈簧片4上，一端鉸接于基座6上，另一端被微調(diào)螺絲3頂住。當(dāng)儀器用夾具5安裝在測點上后，用微調(diào)螺絲使水準(zhǔn)管的氣泡居中，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后氣泡漂移，再轉(zhuǎn)動微調(diào)螺絲使氣泡重新居中，度盤前后兩次讀數(shù)的差即為測點的轉(zhuǎn)角：

1-水準(zhǔn)管；2-刻度盤；3-微調(diào)螺絲；4-彈簧片；5-夾具；6-基座；7-活動鉸圖6水準(zhǔn)式傾角儀L為鉸接基座與微調(diào)螺絲頂點之間的距離；h為微調(diào)螺絲頂點前進或后退的位移。儀器的最小讀數(shù)可達1″～2″，量程為3°。

第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7電子傾角儀3)電子傾角儀

電子傾角儀實際上是一種傳感器。它通過電阻的變化來測定結(jié)構(gòu)某部位的轉(zhuǎn)動角度。儀器的構(gòu)造原理如圖7所示。主要裝置是一個盛有高穩(wěn)定性導(dǎo)電液體的玻璃器皿，在導(dǎo)電液體中插入3根電極并加以固定，電極等距離設(shè)置且垂直于器皿底面。

第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月量測力的儀器分為機械式和電測式兩種，其基本原理是用一彈性元件去感受力或液壓，彈性元件在力的作用下，發(fā)生與外力或液壓成對應(yīng)關(guān)系的變形。

第六講力值測量儀器1.荷載和反力測定圖8荷重傳感器內(nèi)壁筒荷載傳感器可以量測荷載、反力以及其他各種外力。根據(jù)荷載性質(zhì)不同，荷載傳感器的形式有拉伸型、壓縮型和通用型三種。各種荷載傳感器的外形基本相同，其核心部件是一個厚壁筒（圖8）。在筒壁上貼有電阻應(yīng)變片以便將機械變形轉(zhuǎn)換為電量。目前，荷重傳感器多用鋼弦代替應(yīng)變片，可以直接讀出所需要的力值。

第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.拉力和壓力測定測力計是利用鋼制彈簧、環(huán)箍或簧片在受力后產(chǎn)生彈性變形的原理，將變形通過機械放大后，用指針度盤表示或借助位移計反映力的數(shù)值。

用于測量張拉鋼絲或鋼絲繩拉力的環(huán)箍式拉力計如圖9所示。它由兩片弓形鋼板組成一個環(huán)箍。在拉力作用下，環(huán)箍產(chǎn)生變形，通過一套機械傳動放大系統(tǒng)帶動指針轉(zhuǎn)動，指針在度盤上的示值即為外力值。如圖10所示是另一個環(huán)箍式拉、壓測力計。它用粗大的鋼環(huán)作彈簧，鋼環(huán)在拉、壓力作用下的變形，經(jīng)過杠桿放大后推動位移計工作。1-指針；2-中央齒輪；3-弓形彈簧；4-耳環(huán)；5-連桿；6-扇形齒輪；7-可動接板

圖9環(huán)箍式拉力計

1-位移計；2-彈簧；3-杠桿；4、7-下、上壓頭;5-杠桿；6-鋼環(huán)；8-拉力夾頭

圖10環(huán)箍式拉、壓測力計

第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第七講裂縫與溫度測定1.裂縫檢測裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)反映的一個重要特征，對確定結(jié)構(gòu)的開裂荷載、研究結(jié)構(gòu)的破壞過程與結(jié)構(gòu)的抗裂及變形性能均有十分重要的價值。目前，最常用于發(fā)現(xiàn)裂縫最簡便的方法是借助放大鏡用肉眼觀察。在試驗前用純石灰水溶液均勻地刷在結(jié)構(gòu)表面并等待干燥。當(dāng)試件受力后，白色涂層將在高應(yīng)變下開裂并剝落。用白灰涂層，具有效果好、價廉和使用技術(shù)要求不高等優(yōu)點。而裂縫寬度的測量通常使用下列儀器：1)讀數(shù)顯微鏡2)裂紋擴展片

第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1)讀數(shù)顯微鏡（a）讀數(shù)顯微鏡；（b）寬度板

圖11測量裂縫寬度的儀器和標(biāo)尺第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2)裂紋擴展片

（a）裂紋擴展片；（b）裂紋擴展片測裂縫圖12裂紋擴展片及應(yīng)用某些材料和試件的裂紋擴展情況及擴展速率可采用裂紋擴展片進行測量。裂紋擴展片的構(gòu)造如圖12所示，它是由柵體和基底組成，柵體是平行的柵條。各柵條有一端互不相連，可將某一柵條的端部及公用端與儀器相連，測定裂紋是否已達到該柵條處。此法在斷裂力學(xué)試驗中應(yīng)用較多。第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13熱電偶原理大體積混凝土入模后的內(nèi)部溫度、預(yù)應(yīng)力混凝土反應(yīng)堆容器的內(nèi)部溫度等都是很重要的物理量。由于這些溫度很難計算，所以只能用實測方法確定。通常，量測混凝土內(nèi)部溫度的方法是使用熱電偶或熱敏電阻。熱電偶的基本原理如圖13所示。它是由兩種導(dǎo)體A和B組成一個閉合電路，并使結(jié)點1和結(jié)點2處于不同的溫度T和T0。

2.內(nèi)部溫度測量目前，在工程中常用熱敏電阻的溫度傳感器，國內(nèi)主要有：長沙金碼高科技有限公司生產(chǎn)的溫度傳感器JMT-36B和JMT-36C等，進口的溫度傳感器主要有：美國基康(GEOKON)公司生產(chǎn)的BGK-3700型和加拿大KOCTEST公司生產(chǎn)的EG-1472型等。第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第八講索力測量要在施工過程中比較準(zhǔn)確地了解索力的實際狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)牧繙y方法和儀器，并設(shè)法消除現(xiàn)場量測中各種因素的影響非常關(guān)鍵。迄今為止,可供現(xiàn)場測定索力的方法主要有7種：①電阻應(yīng)變片測定法；②拉索伸長量測定法；③索拉力垂度關(guān)系測定法；④壓力表測定法；⑤壓力傳感器測定法；⑥頻率法；⑦磁通量法方法①~③從理論上是可行的，但實施會遇到較多的實際問題，一般不予采用；方法④~⑤測定拉索張拉過程的索力變化較為方便，但不能測定成橋后索力；方法⑥~⑦既可測定拉索張拉過程的索力變化，又可測定成橋后索力。

第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1．壓力表測定法

由于千斤頂?shù)膹埨透字械囊簤汉蛷埨τ兄苯拥年P(guān)系，所以只要通過精密壓力表或液壓傳感器測定油缸的液壓，就可求得索力。使用0.3～0.5級的精密壓力表，并事先通過標(biāo)定，求得壓力表所示液壓和千斤頂張拉力之間的關(guān)系，則利用壓力表讀數(shù)測定索力。這種方法簡單易行，是施工中控制索力最實用的方法，其精度可達1%～2%。2．壓力傳感器測定法張拉時，千斤頂?shù)膹埨νㄟ^連接桿傳到拉索錨具，如果在連接桿上套一穿心式壓力傳感器，張拉時處在千斤頂張拉活塞和連接桿螺母之間的傳感器，在受壓后就輸出電訊號，于是就可在配套的二次儀表上讀出千斤頂?shù)膹埨?。為了減小傳感器的高度，常采用孔幅式或輪輻式傳感器。這類傳感器應(yīng)當(dāng)專門設(shè)計，并由專業(yè)工廠制作，方可收到良好的效果。這種方法精度可達0.5%～1.0%。第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．頻率法（1）方法簡介

頻率法是利用精密拾振器，拾取拉索在環(huán)境隨機振動、人工激振或激振器激振下的振動信號，經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析，再根據(jù)頻譜圖來確定拉索的自振頻率，然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系確定索力。用頻率法測定索力，設(shè)備可重復(fù)使用。現(xiàn)有的儀器及分析手段，測定頻率精度可達到0.005Hz。

（2）測試原理頻率法測量索力過程包含三項內(nèi)容：①測量索結(jié)構(gòu)的自振頻率；②索力—頻率關(guān)系即曲線的擬合（圖14）；③把實測值代入中，得到實測索力。圖14頻率法測索力原理第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．頻率法根據(jù)弦振動理論，當(dāng)張緊索抗彎剛度可忽略時(柔性索)，其動力平衡方程為：式中y——橫向坐標(biāo)(垂直于索的長度方向)；

x——縱向坐標(biāo)(索的長度方向)；

m——單位索長的質(zhì)量；

g——重力加速度；

T——索的張力；

t——時間。若索的兩端為鉸結(jié)時，可得：式中fn

——索的第n階段自振頻率；

L——索的長度；

n——振動階數(shù)。第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．頻率法近年來國內(nèi)對頻率法測定索力進行了大量的研究，對拉索的抗彎剛度、支承條件、斜度、垂度以及拉索的初應(yīng)力等影響索力的因素進行了分析研究。當(dāng)索的抗彎剛度不能忽略(即剛性索)，且索的兩端為鉸結(jié)時，

式中——索的抗彎剛度。1）抗彎剛度和邊界條件的影響對斜拉橋而言，索長一般大于40m，兩種邊界條件下計算的索力一般相差不超過5%。細長拉索不計抗彎剛度時求得的索力比計入抗彎剛度時偏大，但不會超過3%，對于長度小于40m的斜拉索和系桿拱的吊桿有可能超過5%，此時應(yīng)計入抗彎剛度的影響。第51頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3．頻率法2)斜度的影響實際斜拉索均存在一定的斜度，亦即兩端不等高。分析結(jié)果表明，拉索的斜度影響可以忽略。3)垂度的影響島田忠幸通