土木工程結構試驗--第五章 結構試驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和量測儀器m

1、第五章 結構試驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和量測儀器 5.1概述 數(shù)據(jù)的采集、分析是結構試驗的重要步驟，是試驗成功的必要條件之一。采到的數(shù)據(jù)要求可靠、準確。 量測技術包括：量測工具儀表、測量方法、數(shù)據(jù)處理一、采集的方法：1.人工采集，人工記錄 裂縫，回彈2.儀器測量，人工記錄 百分表，YJ-263.儀器測量，儀器記錄 X-Y記錄儀4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量和記錄 UCOM，SOMAT，東華3815，12點/秒。 采集遵循的準則：同時性（及時），客觀性（真實） 二、量測儀表組成感受部分放大部分顯示記錄部分感受部分與被測對象相連，感受被測參數(shù)并轉換和傳遞給放大部分。放大部分將感受部分傳來的被測參數(shù)通過各種方式（如齒

2、輪、電子放大線路等）進行放大。顯示記錄部分是將放大部分傳來的量測結果通過指針、電子數(shù)碼器、屏幕等顯示出來，或通過各種記錄設備將試驗數(shù)據(jù)或曲線記錄下來。測桿外殼彈簧三、采集儀器的分類 按功能分：單件式、集成式 按工作原理分：機械式、電測式、光學式等 按量測用途分：測力、位移、應變、加速度、傾角、頻率 按顯示記錄方法分：直讀與自動記錄、模擬與數(shù)字 按儀器與試件關系分：附著與手持式、接觸與非接觸、絕對與相對（應變）四、量測儀器的主要性能指標 量程：儀器能測量的范圍。 刻度值：儀器指示裝置的最小刻度所示的測量值。 分辨率：使儀表產(chǎn)生可觀察輸出量的最小測量值。 靈敏度：單位輸入量所引起的儀表指示值的變化

3、。對于不同用途的儀器，靈敏度的單位也各不相同，如百分表的靈敏度單位是mm/mm。有些儀器的靈敏度還有另外的含義，使用時應查對其說明書。 精確度：儀表指示值（輸出值）與被測真值的符合程度。常以最大量程的相對誤差來表示。一臺精度為0.2級的儀表，意思是測定值的誤差不超過最大量程的0.2。 滯后：同一輸入量正反兩個行程輸出值間的偏差。以滿量程中的滯后值與滿量程輸出值之比表示。 零漂：儀表零點隨時間的漂移值。 溫度漂移：儀表校準時為20,當環(huán)境溫度不是20，儀表零點隨溫度的變化值。 線性范圍：輸入量與輸出量呈線性關系的范圍 。 頻響特性：動測儀表在不同頻率時的靈敏度變化特性。常以頻響曲線表示（對數(shù)頻率

4、靈敏度） 相移特性：振動參數(shù)測試經(jīng)轉換放大后，儀表記錄后在時間上產(chǎn)生的延遲叫相移。注意：整套系統(tǒng)傳感、放大、記錄之間的阻抗、頻率范圍的匹配問題。 計算：103.10（30-20）100 0.1%=102.1.mm加載后兩腳標間的變形為：102.1.0100.01=2.09mm 某型號引伸儀的技術指標為：1.標距100mm；2.熱輸出為0.1%（FS）/0C，環(huán)境溫度為20 0C進行第一次測量時，兩腳標間的距離為100.01mm；當環(huán)境溫度為30 0C 時進行加載后測量，兩腳標間的距離為103.10mm。求加載后兩腳標間的變形。五、量測儀表的選用原則： 量程：被量測值在儀表量程的2080%。 精

5、度：滿足試驗要求的精度要求，一般對結構試驗，誤差12%，最大不超過5%。 組件匹配：傳感器、放大器、記錄儀精度匹配。 精簡原則：安裝使用方便，種類精簡。 備用原則：重要參數(shù)可同時選用兩種測量方法。 穩(wěn)定性、重復性好。六、儀器的輸入輸出關系標定 為了確定儀器的精確度，確定其誤差，需將儀表指示值和標準量進行比較，稱為儀器的標定。標定后的儀器按國家規(guī)定的精確度劃分等級。 將量測儀表輸入精度比儀表精度高一級的量值，讀取儀表輸出值（測量值），經(jīng)過多次輸入輸出值的測量，經(jīng)回歸分析得出換算關系。 步驟： 選擇一組配套儀器 將其傳感器置于標準器 逐級施加給定物理量，讀取標準器值和儀表示值 繪制相關曲線，做回歸

6、分析單件標定/系統(tǒng)標定 例1 荷載測試系統(tǒng)標定 組件：荷載傳感器（100kN）；數(shù)字電阻應變儀； 標準器為100kN壓力試驗機 將荷載傳感器接入電阻應變儀，調零。 讀數(shù)： 力 KN1020304050應變 120244365484605力 KN60708090100應變72884696510881210換算關系：1kN=12.1例2 位移測試系統(tǒng)標定組件：滑線電阻位移計，電阻應變儀標準器：位移標定架，刻度0.001mm精度0.003mm054502 23 34 45 5位移傳感器標定架1、位移傳感器固定架；2、位移傳感器；3、4支架；5、螺旋千分尺位移給定器位移傳感器標定記錄表位移傳感器標定記

7、錄表 位移等級次數(shù) 1 1 2 2 3 3平均值根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出位移傳感器的荷載應變曲線， 并判斷其工作性能。七、量測儀表的計量檢定： 將計量器具與基準計量器或標準計量器進行比較，以保證量值的準確性。這是國家計量法規(guī)規(guī)定的必須執(zhí)行的行為。量值傳遞：國家級計量基準器具 省市級計量標準器具 由計量部門認可的企事業(yè) 單位保管的標準計量器具 用于檢測的一般計量器具5.2應變（應力、溫度）測量技術 應變量測是用應變計測出試件一定長度范圍L（標距）內的長度變化L，計算出應變值= L /L。測出的是標距范圍內的平均應變。 應變量測方法和儀器很多，主要有電測與機測兩類.電測法具有精度高、靈敏度高、可遠距離和多

8、點量測、采集數(shù)據(jù)快速、自動化程度高等特點，便于將量測數(shù)據(jù)信號和計算機聯(lián)接處理.一、機械式儀表測應變 手持應變儀：標距250mm，刻度0.01mm或0.001mm 杠桿式千分表引伸儀：標距20100mm 頂桿式千分表引伸儀：標距200500mm，分度值0.001mm 手持式應變儀自制應變測量裝置1.千分表 2.腳座 3.剛性桿由兩片彈簧鋼片4連接兩個剛性骨架3組成，兩個骨架可作無摩擦的相對運動。 骨架兩端帶有錐形腳尖1，測量時將腳尖1插入結構表面上預置的腳標5（帶穴金屬）中，結構表面上的兩個預置腳座之間的距離為測量標距，兩次讀數(shù)差與標距可以得到應變計算題 當采用百分表測應變時刻度值為0.01。若

9、選用標距為100mm時，當百分表的讀數(shù)變動6格時，實際應變時多少？當構件材料的彈性模量E=206103N/mm2，此時的應力時多少？二、電阻應變計 電阻應變片是電阻應變量測系統(tǒng)的感受元件。 原理：利用某些金屬材料應變變化時，電阻值明顯變化且呈線性關系的原理，通過測量電阻值的變化，測定應變值。dAldAAldlAdRdAARdllRdRAlR)()()(2則)21 (21 )21 ()21 (2cdAdAldlRdRdRdAARdllRdRcldlcvdvcdAdAldlkRdR即 k靈敏系數(shù)，與電阻片材料有關電路原理金屬絲的電阻應變原理電阻應變片構造示意圖L單根金屬單絲的靈敏系數(shù) 與相同材料做

10、成的應變片的靈敏系數(shù) 稍有不同。由于應變片的絲柵形狀對靈敏度的影響，電阻應變片的靈敏系數(shù)值一般比單根電阻絲的靈敏系數(shù) 小， 由試驗求得。 0KKK0K各種電阻應變計（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）焊接電阻應變計應變片的一些指標：應變片的一些指標：標距：標距：1，2，3，5，10，20，30，50，60，80，100，150（mm）面積面積：標距 電阻應變片凈寬電阻值：電阻值：120 標準；300 、420 非標準靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)：一般在2.0左右量程：量程：應變極限 1000030000 （1%3

11、%）疲勞壽命：疲勞壽命：靜態(tài)、疲勞、特殊用途適用頻率適用頻率：一般10kHz以下應變片的材質和形式：應變片的材質和形式：按材質分：膠基、紙基、金屬基按線型分：線繞式、箔式按應力方向分：單向、雙向、應變花按用途分：靜載用、疲勞用按精度等級分：精密級、普通級內置混凝土應變計內置差動電阻式鋼筋、混凝土應變計內置混凝土應變計內置差動電阻式鋼筋、混凝土應變計其他種類應變計其他種類應變計美國標準NAS942規(guī)定應變片粘貼工藝：粘合劑：（均質材料常用快干膠；非均質材料常用環(huán)氧樹脂） 短期試驗：瞬間粘合劑 長期試驗：環(huán)氧樹脂 高溫試驗：有機硅、酚醛樹脂工藝： 應變片檢查 定位放線、磨光清洗 涂膠貼片、輕壓貼片

12、、排除氣泡、端子接線、密封 粘貼后固化前要進行電阻值和絕緣檢測。 （萬用表查絕緣電阻大于50兆歐姆）試 件應 變 片應 變 片防 水 保 護 層引 出 線三、電阻應變計測應變 測量電路惠斯登電橋當4個電橋的電阻滿足 電橋的輸出電壓為零。稱為平衡狀態(tài)。假設初始狀態(tài)為平衡狀態(tài)，受力后橋臂電阻分別有微小的電阻增量 惠斯登電橋惠斯登電橋R1R2R4R3BACDUACUBD42314231RRRRRRRRUUACBD3421RRRR1R2R3R4RBDUACURRRRRRRRRRRRRRRR）（）（443324343221122121() 四、橋路的連接技術四、橋路的連接技術 根據(jù)橋臂上受試驗對象的應變

13、變化而改變的電阻應變片（工作應變片）的數(shù)量，測量方式主要有：全橋電路、半橋電路和1/4橋電路。（1）全橋電路在量測橋的四個橋臂上全部接入工作應變片，其中相鄰臂上的工作片兼作溫度補償片，現(xiàn)假定選取的四個橋臂應變片的阻值都相等（全等臂電橋），且每個應變片的靈敏系數(shù)也相同，則上式變?yōu)椋?)BDiUU K123414r1234 ;當四個橋臂的每個橋臂阻值相等，靈敏度提高當四個橋臂的每個橋臂阻值相等，靈敏度提高4倍。倍。 當每個橋臂阻值相等，則靈敏度提高4倍。結論：電橋鄰臂電阻變化符號相反，相減輸出； 電橋對臂電阻變化符號相同，相加輸出。（2）半橋電路 半橋電路是由兩個工作片和兩個固定電阻組成 當兩個橋

14、臂的每個橋臂阻值相等，靈敏度提高2倍。 BDU）（22114RRRRUAC)(4K21ACUr12 （3）1/4橋電路 1/4橋電路常用于量測應力場里的單個應變，要求設置溫度補償片。r1BDU4ACU11RR14KACU ;五、溫度補償 應變片感受環(huán)境溫度變化的影響，引起電阻應變的示值變動，稱為溫度效應。而電阻絲通常為鎳鉻合金絲，溫度變動1，將產(chǎn)生相當于鋼材應力為14.7N/mm2的變動，不能忽視，須設法加以消除。消除溫度效應的方法稱為溫度補償。溫度補償可用溫度補償片、工作片互補和溫度自補償片三種方法 試驗時，選試件材質相同的溫度補償塊粘貼補償片（應變片規(guī)格、粘貼工藝，溫度環(huán)境與工作片相同），

15、用相同的導線接在橋路工作臂的鄰臂上，達到消除溫度產(chǎn)生應變的目的。 1個溫度補償片也可補償多個工作應變片（單點和多點補償）。導熱性好的材料，應變片通電后散熱較快，采用1個補償片補償10個工作應變片（鋼材）；混凝土材料散熱性能差，1個補償片連續(xù)補償?shù)墓ぷ鲬兤灰顺^5個，最好使用單點補償。溫度補償應變片法橋路連接溫度補償應變片法橋路連接工作應變片溫度互補償法橋路工作應變片溫度互補償法橋路例題 某一均質構件荷載作用和電阻應變計布置如圖所示，測量彎曲應變時采用全橋橋路。應變儀顯示的測量應變值為800。解答： （1）繪出測量應變橋路圖。 （2）計算結構上該測點的彎曲應變。 （3）試述該測量橋路的特點。

16、 （1）1 =800/4=200r1234（3） （2）附圖的測點布置和電橋橋路連接是的橋臂系數(shù)是 2（1+）？ 1-？ 2（1-）？ 1+？ 若應變儀顯示的測量應變值為520，已知材料的泊松比為0.3，計算其該測點的軸向應變。溫度自補償應變片法 溫度自補償片，簡稱STC片 兩單元溫度自補償片由兩組金屬絲柵串聯(lián)組成。其中一組有負的電阻溫度系數(shù)，另一組有正的電阻溫度系數(shù)。 一單元溫度自補償片中電阻絲柵的制做，要求其使特定電阻所引起的電阻變化，恰好與因應變片與試件的線脹系數(shù)不同而引起的阻值變化大小相等符號相 反。 通用型STC溫度自補償片是一種單元片，兩個單元的相對效應可以通過改變外電路來謂整。上

17、圖是應變片的電路，互為工作片和補償片和為各自的導線電阻，是可變電阻，調節(jié)可給出預定的最小應變。 （a a） （b b） 普通溫度自補償片普通溫度自補償片（a a）兩單元溫度自補償片）兩單元溫度自補償片STCSTC；（；（b b）電路圖）電路圖RT 補償電阻；RG工作電阻；RLT補償臂導線電阻；RLG工作臂導線電阻；RB鎮(zhèn)流電阻器輸入輸入輸出輸出電阻應變儀電阻應變儀提供激勵電壓、調零、調零靈敏系數(shù)、放大和讀數(shù)。靜態(tài)電阻應變儀動態(tài)電阻應變儀校準應變模擬儀5.3位移的測量 位移是工程結構承受荷載作用后最直觀的反應，是反映結構性能的最主要參數(shù)，通過位移測定，可了解結構的剛度及其變化，可區(qū)分結構的彈性和

18、非彈性性質。結構任何部位的異常變形或局部損壞都會在變形上得到反映。 一、線位移的測量1、機械式百分表 機械式百分表機械式百分表 量量 程程 分度值分度值百分表 030mm 0.01mm 千分表 01.0mm 0.001mm大量程百分表 030(50)mm 0.01mm各種鋼尺、塞尺、裂縫寬度比尺游標卡尺 0200(600/1200)mm 0.01mm螺旋測微器 0200mm 0.001mm工程檢測尺：標距2.0m，側垂直度、水平度百分表及磁性表座百分表及磁性表座 張拉式位移傳感器通過鋼絲與被測物體相連，鋼絲纏繞在張拉式位移傳感器的轉軸上，鋼絲的另一端懸掛一重錘。當被測物體發(fā)生位移時，重錘牽引纏

19、繞鋼絲推動傳感器指針旋轉，從傳感器的表盤讀數(shù)。 優(yōu)點:量程幾乎不受限制，用于大變形條件的位移測量。傳感器表盤的讀數(shù)精度為0.1mm。注意在野外條件下溫度影響鋼絲長度的變化。張拉式位移傳感器張拉式位移傳感器2、張拉式位移傳感器 張拉式位移傳感器通過鋼絲與被測物體相連，鋼絲纏繞在張拉式位移傳感器的轉軸上，鋼絲的另一端懸掛一重錘。當被測物體發(fā)生位移時，重錘牽引纏繞鋼絲推動傳感器指針旋轉，從傳感器的表盤讀數(shù)。 優(yōu)點:量程幾乎不受限制，用于大變形條件的位移測量。傳感器表盤的讀數(shù)精度為0.1mm。注意在野外條件下溫度影響鋼絲長度的變化。位移傳感器的測桿通過彈簧與一固定在傳感器內的懸臂梁相連，在懸臂梁的根部

20、粘貼電阻應變片。測桿移動時，帶動彈簧使懸臂梁受力產(chǎn)生變形，通過電阻應變儀測量電阻應變片的應變變化，再轉換為位移量。電阻應變式位移傳感器電阻應變式位移傳感器1.1.測桿；測桿；2.2.彈簧；彈簧；3.3.外殼；外殼；4.4.刻度；刻度；5.5.電阻應變計；電阻應變計；6.6.電纜電纜 3、電阻應變式位移傳感器滑動電阻式位移傳感器滑動電阻式位移傳感器1.測桿；2.彈簧；3外殼；4.電阻絲；5.電纜電子百分表線性差動電感式位移傳感器線性差動電感式位移傳感器1.初級線圈；2.次級線圈；3.圓形筒；4.鐵芯4、線性差動電感式位移傳感器線性差動電感式位移傳感器，簡稱為LVDT。工作原理：通過高頻振蕩器產(chǎn)生

21、一參考電磁場，與被測物體相連的鐵芯在兩組感應線圈之間移動時，由于鐵芯切割磁力線，改變了電磁場強度，感應線圈的輸出電壓隨即發(fā)生變化。通過標定，可確定感應電壓的確定感應電壓的變化與位移量變化的關系變化與位移量變化的關系 5、光學式位移計PSM-200測量裝置專門開發(fā)用于快速、精確的位置測量 操作者從發(fā)射器給出一道安全、可見的激光束并 將其鎖定在一個穩(wěn)定的位置上,接收器可以接收識 別光學目標反射回的光束并以每秒100次的頻率精 確測量出該目標的點位。 具有極好的環(huán)境適應性 可以消除陽光、溫度、塵霧、雨和雪等因素在大的 測理范圍內對精度的影響 接收器可以辨認激光束的能量水準，可防止測量時 因激光束太弱

22、而不能保證精度，消除錯誤測量。 性能接收裝置帶有微控制器，可根據(jù)特定的應用進行可編程操作；串行通訊；總線協(xié)議方式；模擬信號輸出；為外部控制提供數(shù)字化輸入/ 輸出線；參數(shù)記憶功能；外部模擬信號輸入；發(fā)射裝置可操作電源；集點和掃描激光操作；激光束自動調零驅動；準確定位；同軸望遠鏡；液晶顯示瞄準指示器；應用機車軌跡線量測；目標位移測量；橋梁撓度測量；大壩定線；橋梁、桅桿或塔的振動量測； 大壩彎沉測量；根據(jù)環(huán)境條件不同發(fā)射器和接收器之間的距離可以在1400米之間，測量范圍受空氣移動引起的光束振蕩的限制，在無風的陰天,測量范圍最大可達400米。分辨率可達0.2mm，測點范圍直徑200mm6、振弦式位移（

23、應變）計二、角位移傳感器 水準式傾角儀 電子傾角儀水準式傾角儀水準式傾角儀1.水準管；2.刻度盤；3.微調螺絲；4.彈簧片；5.夾具；6.基座；7.活動鉸 電子傾角儀構造原理電子傾角儀構造原理4R1R3R2R5.3 荷載測量 結構靜載試驗要測定的力有荷載、支座反力、鋼絞線的張力、風壓、油壓、土壓力等。 基本原理：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)生與外力成對應關系的變形。 力傳感器分類：機械式、電阻應變式、振動弦式。一、機械式荷載傳感器彈簧拉力計鋼環(huán)拉力計壓力環(huán)壓力鋼枕鋼索拉力計二、電阻應變式測力傳感器 原理：原理：利用安裝在力傳感器上的電阻應變片測量傳感器彈性變形體的應變，

24、再將彈性體的應變值轉換電信號輸出，并用電子儀器顯示的測力計，稱為測力傳感器，也稱荷載傳感器。荷載傳感器的形式形式:拉伸型、壓縮型和拉壓型。 電阻應變式測力傳感器是目前應用最廣的一種測力計。各種荷載傳感器的外部形狀基本相同，其核心核心部件是一個厚壁筒部件是一個厚壁筒。壁筒的橫斷面取決于材料允許的最大應力。在筒壁上貼有電阻應變片以便將機械變形轉換為電量變化。 荷載傳感器：鋼筒、應變片、外殼、接線柱配用儀表： 電壓表 x-y記錄儀 動靜態(tài)應變儀 接 磁帶儀 示波儀 A/D板和計算機 或用應變儀/電子秤直接讀數(shù)力信號讀數(shù)標定荷載傳感器全橋接線荷載傳感器全橋接線18 電阻應變片BDUACUBDUACU三

25、、振動弦式力傳感器 振動弦式力傳感器的測試原理： 在振動弦式力傳感器中，安裝了一根張緊的鋼弦，當傳感器受力產(chǎn)生微小的變形時，鋼弦張緊程度發(fā)生變化，使得其自振頻率隨之變化，測量鋼弦的自振頻率，就可以通過傳感器的變形得到傳感器所受到的力。（在一個封閉的鋼筒內，設置交叉式或單絲式鋼弦，鋼弦的自振頻率隨長度和張力大小變化而變化，通過測定鋼弦自振率推算鋼弦的伸長率，從而推定荷載、溫差等因素引起的應變。）刻度、量程與被測量匹配可用于測量千斤頂加載壓力 理論值：壓強 活塞面積 標定值：用壓力試驗機標定 注意：千斤頂油泵和壓力機油泵都必須 開動，均為主動加壓。四、液壓表測壓強、壓力 5.4 裂縫測量 對于混凝

26、土結構和砌體結構，裂縫的發(fā)生和發(fā)展是結構受力的重要特征。對于鋼結構，常見的斷裂發(fā)生在應力集中的部位和焊縫部位。一、裂縫測量的主要內容：1、開裂：裂縫發(fā)生的時刻與位置；2、度量：裂縫的寬度和長度。二、裂縫的觀測方法：1、最常用的方法：涂白（石灰水）；2、貼應變片：在受拉區(qū)貼應變片；3、涂導電漆膜： 表面涂一種導電漆膜，干燥后兩端接入電路。裂縫 寬度達到0.0010.005時，導電漆膜會出現(xiàn)火花直 至燒斷；4、開裂聲能： 用聲傳感器捕捉開裂時發(fā)射聲能形成的聲波；5、光彈貼片：分析應力條紋。 混凝土結構試驗方法 GB50152-2012標準推薦：判斷試件開裂可以采用的方法 直接觀察法：涂白，4倍放大

27、鏡直接觀測 儀表動態(tài)判定法：荷載不增加，變形連續(xù)增加 撓度轉折法：荷載-變形曲線倆切線交點 應變量測判斷法：拉區(qū)應變產(chǎn)生突變三、裂寬的測量：1、讀數(shù)顯微鏡： 讀數(shù)鼓輪上標有刻度，旋動讀數(shù)鼓輪，使鏡內長線分別處于裂縫量測邊緣并讀出兩次刻度值。兩次讀數(shù)差即為裂縫寬度。 2、裂縫讀數(shù)卡： 標準寬度線條與裂縫放在一起，用放大鏡比照以測量裂縫寬度。 讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡 1.目鏡組；2.分滑板彈簧；3.物鏡；4.微調螺絲；5.微調鼓輪；6.可動下分劃板；7.上分劃板；8.裂縫；9.放大后的裂縫；10上下分滑板刻度線；11.下分劃板刻度長線5.5 溫度測量 結構的應力分布、變形和承載力都能與溫度發(fā)生密切關

28、系。溫度應力常常使混凝土結構出現(xiàn)裂縫。如:橋梁工程中的混凝土箱形結構；新澆灌大體積混凝土的水化熱；熱工的廠房常處在高溫環(huán)境下；火災發(fā)生結構的承載能力降低等, 溫度成為結構設計中必須考慮的因素之一。結構試驗中有測溫度。分類：接觸式和非接觸式測溫。 接觸式測溫基于熱平衡原理，測溫元件與被測材料接觸，兩者處在同一熱平衡狀態(tài)，具有相同的溫度。如水銀溫度計和熱電偶溫度計。 非接觸式測溫是利用熱輻射原理，測溫元件不與被測材料接觸，如紅外溫度計。 原理：由兩種不同材料的金屬導體A、B組成一個閉合回路，節(jié)點1的溫度不同于節(jié)點2的溫度時，閉合回路產(chǎn)生電流或電壓，測得電壓隨溫度的升高而升高。適用范圍：熱電偶溫度計

29、適用于500以上的較高溫度，在結構防火抗火試驗中常用熱電偶溫度計。對于中、低溫環(huán)境，使用熱電偶測溫就不一定合適，溫度較低時，熱電偶輸出的熱電勢很小，影響測量精度，參考端(冷端) 容易受環(huán)境影響而使補償困難。 兩種不同材料導體構成的回路中，回路的兩接觸點溫度不同時，會產(chǎn)生熱電勢，稱為熱電效應。熱電勢是以兩節(jié)點存在溫差為前提，也稱為溫差電勢，這兩種不同導體的組合就稱為熱電偶，A和B稱為熱電極。 一、熱電偶溫度計熱電偶接觸式溫度傳感器與溫度顯示儀表配合用測量2001800范圍內各種液體、氣體、蒸汽介質的溫度。多樣的結構形式能夠適應工業(yè)過程各種復雜環(huán)境的安裝及包括防爆的各種場所的使用。 二、熱敏電阻溫

30、度計 適應：溫度低時用金屬絲熱電阻或熱敏電阻溫度計 常用的金屬測溫電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻 ，它可將溫度變化轉換為電阻變化，溫度的測量轉化為電阻的測量。用電阻應變儀測量熱電阻的微小變化。 原理：熱敏電阻是金屬氧化物粉末燒結成的半導體，與金屬絲熱電阻相同，電阻值隨溫度而變化，一般熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值，即溫度上升時電阻值下降。熱敏電阻的靈敏度很高，可以測量0.0010.0005的微小溫度變化。 特點：體積小，動態(tài)響應速度快，常溫下穩(wěn)定性較好，價格便宜 。電阻值較分散，測溫的重復性較差，老化快。 三、光纖溫度傳感器原理:半導體材料的能量隙隨溫度成線性變化。敏感元件是 一個半導體光吸收器，光纖用來

31、傳輸信號。當光源的 光以恒定的強度經(jīng)光纖達到半導體薄片時，透過薄片 的光強受溫度的調制，透過光由光纖傳送到探測器。 溫度升高，半導體能帶寬度下降，材料吸收光波長向 長波移動，半導體薄片透過的光強度變化。 光在傳輸過程中受到外界環(huán)境的影響，溫度、壓力的變化，導致光的傳輸強度、相位、頻率、偏振態(tài)等光波參量的變化，通過監(jiān)測這些參量變化，得相應的物理量。優(yōu)點：抗電磁干擾、傳輸距離長、使用壽命長、結構小巧 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器基片式封裝的基片式封裝的FBG應變傳感器外觀圖應變傳感器外觀圖 FBG基片式封裝的基片式封裝的FBG應變傳感器示意圖應變傳感器示意圖 FBG: 光纖光柵 鋼管封裝的鋼管封裝

32、的FBGFBG應變傳感器外觀圖應變傳感器外觀圖 FBG光纖纖芯環(huán)氧樹脂鋼管鋼管封裝的鋼管封裝的FBGFBG應變傳感器示意圖應變傳感器示意圖 萬能試驗機標定實驗萬能試驗機標定實驗 w光柵型特點： 分布測量，精度高，實時性好，漂移極小，需要高精度的波長調節(jié)設備。 溫度 應變光纖光柵 位移 傳感器 壓力 加速度5.6 振動參數(shù)的量測 振動參數(shù)：頻率、位移、速度、加速度、振幅、阻尼、相位等。 振動參數(shù)量測方法： 機械式測量、光學測量、電測法 電測法將振動參量（位移、速度、加速度）轉換成電量，后用儀器放大、顯示、記錄；靈敏度高，便于遙控、遙測；是目前最常用的方法。 振動量測設備是由感受、放大和顯示記錄三

33、部分組成。感受部分常稱為拾振器 放大器將信號放大，并對信號積分、微分、濾波等處理，分別量測出振動中的位移、速度及加速度。 一、拾振器的基本原理拾振器的力學模型拾振器的力學模型1.拾振器；2.振動體彈簧阻尼器質量塊x：振動體相對于固定參考 坐標的位移 mx：質量m相對于儀器外 殼的位移 ck：阻尼 ：彈簧剛度 設振動體的振動規(guī)律tXxsin0：被測振動體的振幅 0X：被測振動的圓頻率 0mk0c 設計拾振器時，一般使慣性質量m只能沿x方向運動，并使彈簧質量和慣性質量m相比，小到可以忽略不計。 由質量塊m所受的慣性力、阻尼力和彈性力之間的平衡關系，可建立振動體系的運動微分方程如下： 0ddd)(d

34、22mmmkxtxctxxm建立質量彈簧振動體系的運動微分方程 tmXkxtxctxmmmmsindddd2022按照振動體振動的振動規(guī)律振動有方程方程通解為：)sin()cos(22tXtneBxmntm第一項為自由振動解，有阻尼作用而很快衰減，第二項為強迫振動解第一項為自由振動解，有阻尼作用而很快衰減，第二項為強迫振動解 拾振器的力學模型拾振器的力學模型1.拾振器；2.振動體tXxsin0)sin(tXxmm對比兩個方程：形式相同，差一個相位角，振動幅值不同質量彈簧系統(tǒng)的振動幅值和相位角分別為02mc202220220041Xxm200112tgmk0其中阻尼比mcn2拾振器固有頻率tXx

35、sin0)sin(tXxmm20220200)2()(1 )(XXmmX0X質量塊m的相對振幅與振動體的振幅之比為 試驗過程中，阻尼比可能隨時發(fā)生變化。取不同頻率比和阻尼比時，拾振器將輸出不同的振動參數(shù)。 二、傳感器頻率特性1.振動體振動頻率遠遠大于傳感器的固有率頻 1時1/00XXm0180質量塊的位移振幅=振動體的位移振幅 200112tg 當測定位移的精度要求較高時，頻率比10； 精度要求一般的振幅測定，頻率比 510；有誤差；幅頻特性曲線平直部分的頻率下限，與阻尼比有關。 對無阻尼或小阻尼的頻率下限可取 45；阻尼比在0.60.7時，頻率比下限可放寬到2.5左右 ，幅頻特性曲線有最寬的

36、平直段，有較寬的頻率使用范圍。 一般廠房、民用建筑的第一自振頻率為23Hz，高層建筑為l2Hz，高聳結構物如塔架、電視塔等柔性結構的第一自振頻率就更低。拾振器有很低的自振頻率才能滿足此要求。為降低必須加大慣性質量，質量小的振動體不太適用。0/幅頻特性曲線幅頻特性曲線 （測位移） 相頻特性曲線相頻特性曲線01800150012090603002 阻尼比選擇在0.50.7（合適）， 0XXm但是相位隨 變化，測出的波形失真。 0/隨阻尼值變化 阻尼比選擇在0.50.7（合適）， 0XXm3 1/0100XXm/傳感器難以測定 0/0/慣性式位移傳感器的選用原則：測量精度要求高時：選 測量精度要求一

37、般時：選盡可能大；一般大于10=5 101/01慣性式位移傳感器的選用原則：測量精度要求高時：選 測量精度要求一般時：選=5 10盡可能大；一般大于10=5 10=5 101/0/mXX00 . 10 . 10smXX時，當由此位移拾振器要有很低的自振頻率才能滿足要求，較笨重。若改用測量加速度，當 則有拾振器反應的位移與振動體的加速度成正比，比例系數(shù)為 202022sinXAtXdtxda令20/1見教材62頁4.7.12式可知1/01mXA2222000112剛度大，容易實現(xiàn)。，拾振器內部質量小，即測加速度時，時，可以看出當為拾振器加速度幅值同樣002022202200101411.AAAA

38、XAmmmm加速拾振器的幅頻特性曲線加速拾振器的幅頻特性曲線（測加速度）結論： 拾振器可以準確地反映振動體的加速度特性，對加速度進行兩次積分就可得到位移。 位移傳感器比較笨重，加速度傳感器輕巧。 測振時必須特別注意傳感器的頻率范圍。例如加速度傳感器如果用于測定比規(guī)定頻率還低的振動，誤差很大，甚至無法測量。 傳感器本身振動會損壞，運輸、使用時應注意。1/0當 時三、常用拾振器類型： 磁電式：利用質量塊的線圈在磁體中移動產(chǎn)生電信號變化，適用于中頻。磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器1.磁鋼；2.線圈；3.阻尼環(huán)；4.彈簧片；5.芯軸；6.外殼；7.輸出線；8.鋁架工作原理： 磁鋼和殼體固接安裝在所測

39、振動體上，并與振動體一起振動，芯軸與線圈組成傳感器的可動系統(tǒng)（質量塊），由簧片與殼體連接，質量塊測振時慣性質量塊和儀器殼體相對移動，線圈和磁鋼也相對移動，產(chǎn)生感應電動勢。 特點：靈敏度高；性能穩(wěn)定；輸出阻抗低；頻率響應有一定范圍；信號弱，要放大。 BLnvE BLnv線圈在磁鋼間隙的磁感應強度 每匝線圈的平均長度 線圈匝數(shù) 線圈相對于磁鋼的運動速度，亦即所測振動物體的振動速度 四、壓電式加速度傳感器 工作原理： 晶體當受到壓力并產(chǎn)生機械形變時，在它們相應的兩個表面上出現(xiàn)異號電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，稱為“壓電效應”。 AGQG晶體的壓電常數(shù) A晶體的工作面積 晶體的壓強 Q 壓

40、電晶體受到外力產(chǎn)生的電荷加速度傳感器的結構原理1.外殼；2.硬彈簧；3.質量塊; 4.壓電晶體；5-輸出端 壓電式加速度傳感器利用晶體的壓電效應把振動加速度轉換成電荷量的換能裝置。壓電晶體片上的質量塊m，用硬彈簧夾緊在基座上 特點：壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大（可達105g），頻率范圍寬，重量輕，體積小。適用于高頻。主要技術指標：靈敏度、安裝諧振頻率、頻率響應、橫向靈敏度比和幅值范圍（動態(tài)范圍）等。 五、其他測振傳感器 電阻式：質量塊設在懸臂梁端，懸臂梁上貼應變片，振動引起應變變化，適用于靜態(tài)100Hz 。 差容式：質量塊振動引起相連的電容發(fā)生變化，適用于靜態(tài)100Hz。 機電耦合伺服式：

41、適用于靜態(tài)400Hz。六、振動參數(shù)測試儀器： 輸出儀器：電荷放大器 電壓放大器 記錄儀器：光線示波器 X-Y記錄儀 磁帶記錄儀 計算機采集 分析記錄儀器：EDX-1500 等5.7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1. 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成：傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和控制器部分 傳感器 放大器 多路轉換器 A/D轉換器 接口 計算機 靜態(tài)采集有多路轉換器，一般采用半導體轉換器，其轉換速度快慢影響采樣速度。 動態(tài)采集，應有多路放大器和巡檢控制器，即每個通道直接進入A/D板的相應通道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點u多通道靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 適合靜荷載試驗，每秒可采集10點左右 采用通道轉換方式采集速度較慢 溫度補償片可以多通道共

42、用 節(jié)省A/D轉換和放大器的數(shù)量價格相對較低u動態(tài)采集和動參數(shù)分析系統(tǒng)： 采集速度快可達百萬赫茲以上，對于單通道可達一千至一萬赫茲 一個通道對應一個放大器和一個A/D通道 相應的溫度補償片必須是一一對應 具有動態(tài)參數(shù)分析功能uX-Y記錄儀：用于靜態(tài)和低周反復荷載試驗連續(xù)采集繪圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流通過程結構試驗的原始數(shù)據(jù)；力、線位移、角位移、應變和溫度等物理量感受各種物理量把物理量轉變?yōu)殡娦盘杺鞲衅鲯呙璨杉D換系數(shù)換算放入內存打印輸出，存入磁盤數(shù)據(jù)采集儀從數(shù)據(jù)采集儀讀入數(shù)據(jù)計算處理存入文件實時屏幕圖像顯示打印輸出數(shù)據(jù)后處理計算機TDS-602數(shù)據(jù)采集儀 采用兩種ADC專利技術（積分

43、ADC和高速ADC） 大尺寸彩色觸摸屏操作，最多監(jiān)視30通道 內置高速寬行打印機、3.5”軟驅和1.2G硬盤 具有手動、定時、比較、報警、編程等自動測量功能 交直流供電，適合實驗室和現(xiàn)場使用。測點：1000點（主機本身最多30點，其余需要使用外 部轉換箱） 測量：應變計（1/4橋、半橋、全橋），應變式傳感 器，直流電壓，熱電偶（T,K,J,B,S,R,E,N）， 熱電阻（Pt100） 分辨率：110-6應變（一般方式），0.110-6應變 （高分辨方式），0.001mV(電壓)，0.1C 測量速度：0.06秒/點（積分ADC方式，內部轉換箱） 0.08秒/點（積分ADC方式，外部轉箱） 0.0

44、2秒/點（高速ADC方式，所有轉換箱） 接口：GP-IB，RS-232C屏幕：8.4” TFT彩色LCD觸摸屏，分辨率 640480打印機：114mm寬，0.065秒/行內部轉換箱：最大30點（標準10點，出廠選擇20點、 30點） 環(huán)境：0+50C， 85%RH 電源：220V/50Hz ，108VA ；1015VDC/12A 尺寸：430（W） 180（H） 380（D）mmDRA-101C數(shù)字動態(tài)應變儀 10通道動態(tài)應變儀，交流激勵 A/D、D/A轉換，全數(shù)字方式 完全由電腦控制，采集、存儲數(shù)據(jù) 通過分析軟件可以完成動態(tài)測試的全程工作 操作簡單，使用方便，適合實驗室和現(xiàn)場使用。 通道數(shù)：10 測量：應變計，應變式傳感器，電壓信號 橋壓：0.5，2，5Vrms，5kHz（每通道可單獨設定） 平衡：自動，電阻1000010-6應變，電容2000pF 測量范圍：50000（應變），32V（電壓） 頻響：DC2.5kHz A/D轉換器：分辨：16位采樣時鐘：所有通道同時進行低速：132767mSec中速：0.20.9mSec高速：0.05mSec，0.1mSec低速濾波：10，30，100，300Hz，PAS