第3章試驗量測技術(shù)與量測儀表

1、3 試驗量測技術(shù)與量測儀表3.1 概述結(jié)構(gòu)試驗的目的：定性結(jié)構(gòu)試驗的目的：定性定量；定量；定量數(shù)據(jù)的準確獲取定量數(shù)據(jù)的準確獲取取決于量測儀表和取決于量測儀表和量測技術(shù)的先進性；量測技術(shù)的先進性；試驗量測技術(shù)包括：量測方法，儀器，誤差分試驗量測技術(shù)包括：量測方法，儀器，誤差分析。析。土木工程專業(yè)主要量測內(nèi)容：外部作用和作用土木工程專業(yè)主要量測內(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)測量方法數(shù)據(jù)測量方法 人工測量與人工記錄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：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

2、錄儀器測量與儀器記錄：如用傳感器配X-y記錄儀進行測量和記錄，或用傳感器、放大器和磁帶記錄儀進行測量和記錄。數(shù)據(jù)采集測量與記錄：數(shù)據(jù)采集測量與記錄：計算機系統(tǒng)。3.2.1 量測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（機械式等）傳感器等指針、屏幕等3.2 量測儀表的基本概念（轉(zhuǎn)換與）放大部分感受部分顯示記錄部分3.2.2 3.2.2 量測儀表的基本量測方法量測儀表的基本量測方法 偏位測定法偏位測定法：按儀表發(fā)生的偏轉(zhuǎn)或位移定出被測值。 該方法為土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測常用方法，后邊將要學(xué)習(xí)到的百分表、雙杠桿應(yīng)變儀、動態(tài)電阻應(yīng)變儀均屬于該方法。零位測定法：零位測定法：用已知的標準量去抵

3、消未知量引起的偏轉(zhuǎn)。如稱重天平，該方法更為精確，若進行放大后更為精確。3.2.3 量測儀表的主要性能指標量量 程程S S：儀器可以測量的最大范圍?？潭戎悼潭戎担簝x器的最小刻度所代表的被測量。精確度：精確度：儀器指示值與被測值的符合程度。 在同一工作條件下，儀器多次重復(fù)測量同一數(shù)值被測量，保持示值一致的能力。靈敏度靈敏度K K：被測單位物理量引起儀器輸出或顯示值的大小。分辨率分辨率：儀器能測量被測物理量的最小值的能力。滯滯 后：后：在恒定的測量環(huán)境下，儀器在整個量程范圍內(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

4、物理量不變，儀器在規(guī)定的時間內(nèi)保持示值與特性參數(shù)不變的能力。3.2.4 量測儀表的選用原則（1）具有合適的量程、靈敏度和精度。（2）動態(tài)試驗量測儀表其動態(tài)性能指標符合要求。（3）不影響結(jié)構(gòu)的工作：自重輕，尺寸小。（4）同一物理量測量儀器型號盡量相同，避免系統(tǒng)同一物理量測量儀器型號盡量相同，避免系統(tǒng)誤差。誤差。（5）考慮試驗環(huán)境，價廉耐用，可重復(fù)使用，安全可靠。 3.3 3.3 儀表的率定（標定）儀表的率定（標定）（1 1）目的：）目的：確定儀器設(shè)備的靈敏度和精確度，應(yīng)該在試驗前或試驗前后對儀器設(shè)備進行標定。（2 2）標定：）標定：單件標定：確定某一件儀器的靈敏度和精確度；系統(tǒng)標定：確定某些儀器

5、組成的系統(tǒng)的靈敏度和精確度。（實際試驗中采用）傳感器傳感器放大器放大器顯示記錄顯示記錄輸入標準值輸入標準值3.4 應(yīng)力（應(yīng)變）測量測量方法：1）電阻應(yīng)變儀：應(yīng)變計+應(yīng)變儀（常用）2）手持應(yīng)變儀：校核，測點少時采用。3）位移計方法：足尺結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)變測量4）光測法（云紋法、激光衍射法、光彈法）：測量平面應(yīng)變，較多用于測量節(jié)點和局部應(yīng)力。變形，應(yīng)變定義：單位長度的LL其他應(yīng)變測量儀器1、手持應(yīng)變儀 常用于現(xiàn)場測量，且適用于持久試驗，標距為50250mm，讀數(shù)的位移計可選用百分表或千分表。 工作原理：在標距兩端粘結(jié)兩個腳標（每邊各一個），通過測量結(jié)構(gòu)變形前后兩個腳標之間距離的改變，求得標距內(nèi)的平均應(yīng)變

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

7、射法、光彈法等。常用于測量平面應(yīng)變，較多應(yīng)用于節(jié)點或構(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，電阻率KKRdRdldlAdAAdAldldRdRAlR電阻應(yīng)變計構(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)變計電阻應(yīng)變計電阻應(yīng)變片的性能指標選用原則：1）標距L：根據(jù)測點材質(zhì)和應(yīng)力梯度選擇。均質(zhì)材料大梯度選小標距，如鋼材取5-10mm；非均質(zhì)材料小梯度選大標距，

8、如砼選3倍骨料粒徑，80-120mm。2）阻值R：R=120(60600)。應(yīng)變計阻值相差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)，同次試驗宜相同4）根據(jù)使用環(huán)境選擇應(yīng)變計種類：長期和短期，試驗室和現(xiàn)場，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 (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3.4.5測量電路（惠斯登電橋）電阻變化非常小(10-6級)，測量困難，一般通過電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化電壓或電流，并經(jīng)應(yīng)變儀放大來測量。iooioURRRRRRR

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

10、償。特點：靈敏度提高，自接標準電阻。、接應(yīng)變計，、半橋：)(4)2214321ioKVVRRRR特點：節(jié)約應(yīng)變計。接標準電阻。、接補償應(yīng)變計，接應(yīng)變計、橋：）143214413ioKVVRRRRVoVi1R2R3R4RBCDVoVi1R2R3R4RBCD應(yīng)變測量儀器 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應(yīng)力狀態(tài)的測量常見應(yīng)力狀態(tài)的測量軸向受力（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）工作片互為補償靈敏度提高1倍。拉彎組合測量彎曲應(yīng)變半橋，消除軸力影響；靈敏度提高

11、1倍。測量軸向應(yīng)變半橋，消除彎曲影響；靈敏度不提高。彎扭組合測彎曲應(yīng)變；分解扭彎復(fù)合；靈敏度提高1倍；測扭轉(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)變計的使用技術(shù)1 1）基本要求）基本要求：（1）測點基地平整、清潔、干燥。（2）粘接劑性能良好。如502快干膠、環(huán)氧樹脂。（3）粘貼牢固，方位準確，不含氣泡。（4）粘貼前后阻值不變，絕緣電阻50M以上。2 2）粘貼過程）粘貼過程（1）測點處理：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：固定點設(shè)置、焊線。（6）防潮防護：石蠟、703硅橡

12、膠、環(huán)氧樹脂等。1. 電阻應(yīng)變計的粘貼技術(shù)2. 溫度補償技術(shù)采用1/4橋測量時需要設(shè)置溫度補償應(yīng)變計，主要用于消除溫度變化引起的應(yīng)變計的電阻變化。溫度補償應(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）補償片不能受力。多點補償：一個溫度補償片可供多個測量片使用。一般砼5點，鋼結(jié)構(gòu)10點共用一個補償片。設(shè)置溫度補償應(yīng)變計接橋方法3.5 位移測量線位移線位移：常用的位移測量儀器有機械式百分表、電子百分表、滑阻式傳感器、差動電感式傳感器，水準儀。角位移傳感器(a) 水準管式傾角儀 (b)電阻應(yīng)變式傾角傳感器3.6 其他變形量測（C C）水準式角度傳感器）水準

13、式角度傳感器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接人測量電橋，就可以得到與角位移相對應(yīng)的電壓輸出。 (d) 千分表測扭轉(zhuǎn)角曲率測量千分表測傾角3.7 裂縫測量1 1、開裂：開裂時間和位置。、開裂：開裂時間和位置。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)變計或?qū)щ娖崮そ惶娲罱硬贾脕頊y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)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2 2、裂縫寬度、裂縫寬度: :讀數(shù)顯微鏡、裂縫標尺讀數(shù)顯微鏡、裂縫標尺讀數(shù)顯微鏡裂縫標尺=裂縫寬度觀裂縫寬度觀測儀測儀裂縫寬度測試裂縫寬度測試=（數(shù)字顯示）（數(shù)字顯示）3.8 力的測定 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