土木工程量測技術(shù)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1土木工程土木工程(tm gngchng)量測技術(shù)量測技術(shù)第一頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器（1）量程（2）刻度(kd)值（3）精確度（精度）（4）靈敏度（5）分辨率（6）滯后（7）零位溫漂和滿量程熱漂移（8）線性范圍（9）頻響特性（10）相移特性P32第2頁/共33頁第二頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器在選用量測儀器時(shí)，應(yīng)考慮以下要求：（1）符合量測所需的量程及精度要求。（2）對于安裝在結(jié)構(gòu)上儀器或傳感器，要求自重輕、體積小，不影響結(jié)構(gòu)的工作。（3）同一

2、試驗(yàn)中選用的儀器儀表種類應(yīng)盡量少，以便統(tǒng)一數(shù)據(jù)(shj)的精度，簡化量測數(shù)據(jù)(shj)的整理工作和避免差錯(cuò)。（5）選用儀器時(shí)應(yīng)考慮試驗(yàn)的環(huán)境條件。（機(jī)械式和電阻式）第3頁/共33頁第三頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器為了確定儀器的精確度或換算系數(shù)，確定其誤差，需將儀表指示值和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，這一工作稱為儀器的率定。所有新生產(chǎn)或出廠的儀器都要經(jīng)過率定；正在使用的儀器也必須定期進(jìn)行率定，因?yàn)閮x器經(jīng)長期使用，其零件總有不同(b tn)程度的磨損，或者損壞后經(jīng)檢修的儀器，零件的位置會(huì)有變動(dòng)，難免引起示值的改變。儀器除需定期率定外，在重要

3、的試驗(yàn)開始前，也應(yīng)對儀器進(jìn)行率定。第4頁/共33頁第四頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器應(yīng)變測量一般是用應(yīng)變計(jì)測出試件在一定長度范圍 （稱為標(biāo)距）內(nèi)的長度變化 L，再計(jì)算出應(yīng)變值= L/L 。應(yīng)變量測方法和儀器很多，主要有電測與機(jī)測兩類，其中電測法不僅具有精度高、靈敏度高、可遠(yuǎn)距離量測和多點(diǎn)量測、采集數(shù)據(jù)快速、自動(dòng)化程度(chngd)高等特點(diǎn)，而且便于將量測數(shù)據(jù)信號(hào)和計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)連接，為采用計(jì)算機(jī)控制和用計(jì)算機(jī)分析處里試驗(yàn)數(shù)據(jù)創(chuàng)造了有利條件。第5頁/共33頁第五頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)

4、試驗(yàn)(shyn)量測量測儀器儀器1.電阻(dinz)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)a.a.應(yīng)變片的構(gòu)造應(yīng)變片的構(gòu)造b.b.常用應(yīng)變片實(shí)體常用應(yīng)變片實(shí)體c.c.正在使用中的應(yīng)變片正在使用中的應(yīng)變片應(yīng)變片對電阻柵金屬材料的要求：電阻柵的靈敏系數(shù)在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)和盡可能大，具有足夠的熱穩(wěn)定性（高溫時(shí)抗氧化性能好）、較高的電阻率、較好的加工性能和焊接性能。第6頁/共33頁第六頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量測量測儀器儀器2.應(yīng)變片的測量(cling)原理由電學(xué)可知，金屬導(dǎo)體的電阻與其長度成正比、與其截面積成反比（電阻絲的應(yīng)變原理如圖）。應(yīng)變片的電阻柵同樣

5、遵循這一原理。當(dāng)電阻柵的長度 、截面積和電阻率變化時(shí)，則有dRddLdARLAdRKRdRKR式中 應(yīng)變；K電阻柵金屬材料的靈敏系數(shù)圖2.16 電阻絲的電阻應(yīng)變原理第7頁/共33頁第七頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器4.應(yīng)變儀的測量(cling)原理電阻應(yīng)變儀的測量原理是通過惠斯登電橋（Wheatstone bridge circuit），將微小電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏髯兓?，惠斯登電橋是?個(gè)電阻R1、R2、R3和R4組成，4個(gè)電阻構(gòu)成電橋的4個(gè)橋臂。圖2.17 惠斯登電橋第8頁/共33頁第八頁，共33頁。土木工程(tm gng

6、chng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器根據(jù)(gnj)電工學(xué)原理 :在電橋的B、D端輸出電壓為UBD與電橋的A、C端的輸入電壓UAC的關(guān)系為： 13241324()()BDACR RR RUURRRR當(dāng)4個(gè)電橋的電阻滿足 時(shí)，電橋的輸出電壓為零，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。fafhc22假設(shè)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 、 、 和 ，這時(shí)電橋輸出電壓的增量 為: 1R 2R 3R 4R BDU 121234342212123434()()()()BDACR RRRR RRRUURRRRRRRR圖2.17 惠斯登電橋第9頁/共33頁第九頁，共33頁。土木

7、工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器5.溫度(wnd)補(bǔ)償原理溫度變化時(shí)應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)變，為了消除溫度變化引起的測量應(yīng)變誤差，可利用惠斯頓電橋的特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償快不受任何外荷載作用，僅感受溫度變化引起的熱應(yīng)變；當(dāng)補(bǔ)償塊放置在與測點(diǎn)相同的溫度場中時(shí)，則由補(bǔ)償塊產(chǎn)生的熱應(yīng)變與測點(diǎn)的熱應(yīng)變相等，所以，補(bǔ)償應(yīng)變片測得的應(yīng)變?yōu)?根據(jù)半橋測量應(yīng)變的公式，則有 12hrrh此時(shí)，應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變值，已不包括溫度變化引起的熱應(yīng)變。該測試方法消除了溫度對應(yīng)變測量的影響，故稱之為溫度補(bǔ)償法。在全橋測量中，R1和R3為測量工作應(yīng)變片，R2和R4為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，同

8、樣起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?2r第10頁/共33頁第十頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量測量測儀器儀器6.測量(cling)橋路根據(jù)橋臂上工作應(yīng)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。u 全橋電路全橋電路就是在量測橋的四個(gè)橋臂上全部接入工作應(yīng)變片，其中相鄰臂上的工作片兼作溫度補(bǔ)償片，現(xiàn)假定選取的四個(gè)橋臂應(yīng)變片的阻值都相等（全等臂電橋），即R1= R2= R3= R4= R，且每個(gè)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) 也相同，則上式變?yōu)椋?123412341234()()44ACACBDURRRRKUURRRRu 半橋電路半橋電路是有兩個(gè)工作片和兩個(gè)

9、固定電阻組成，則 121212()()44ACACBDURRKUURR第11頁/共33頁第十一頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)u 1/4橋電路(dinl)1/4橋電路(dinl)常用于量測應(yīng)力場里的單個(gè)應(yīng)變，即只有R1變化，而R2、R3和R4不變化，則 11144ACACBDURKUUR7.多點(diǎn)測量線路在進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，一般要求應(yīng)變儀具有多個(gè)測量橋，這樣就可以進(jìn)行多測點(diǎn)的測量工作。多點(diǎn)測量線路主要有工作肢轉(zhuǎn)換法和中線轉(zhuǎn)換法。工作肢轉(zhuǎn)換法每次只切換工作片，溫度補(bǔ)償片為共用片；中線轉(zhuǎn)換法每次同時(shí)切換工作片和補(bǔ)償片，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)自動(dòng)切換測點(diǎn)而形成測量橋。2.3 試驗(yàn)量測儀器試驗(yàn)

10、量測儀器第12頁/共33頁第十二頁，共33頁。構(gòu)造組成：構(gòu)造組成： 引出線引出線 覆蓋層覆蓋層 敏感敏感(mngn)(mngn)柵柵 基底基底5858dRR KK：靈敏(ln mn)系數(shù)：應(yīng)變單位應(yīng)變引起的相對(xingdu)電阻變化土木工程靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)量測儀器試驗(yàn)量測儀器第13頁/共33頁第十三頁，共33頁。構(gòu)造組成：構(gòu)造組成： 引出引出(yn ch)(yn ch)線線 覆蓋層覆蓋層 敏感柵敏感柵 基底基底電阻值 R：120。標(biāo)距 l：即電阻柵的有效(yuxio)長度。鋼筋片21、32等，砼片804、1005等（大于4倍最大粗骨料粒徑，還與應(yīng)變梯度(t d)有關(guān)）。土木工程靜載試驗(yàn)2

11、.3 試驗(yàn)量測儀器試驗(yàn)量測儀器第14頁/共33頁第十四頁，共33頁。電阻應(yīng)變片的分類(fn li) 按電阻柵的種類分：絲繞式、短接式、箔式、半導(dǎo)體式、焊接式； 按電阻柵的形狀分：單向應(yīng)變片、應(yīng)變花（雙向、三向）； 按基底(j d)材料分：紙基、膠基； 按使用極限溫度分：低溫(dwn)、常溫、高溫。60三向應(yīng)變花土木工程靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)量測儀器試驗(yàn)量測儀器第15頁/共33頁第十五頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器3.應(yīng)變(yngbin)片的篩選和粘貼需注意的幾項(xiàng)原則根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的材質(zhì)是否均勻、測點(diǎn)附近應(yīng)變變化梯度的大小和被測結(jié)構(gòu)

12、的尺寸，確定應(yīng)變片的標(biāo)距（也稱為柵距）；對于同一測試構(gòu)件應(yīng)選用相同靈敏系數(shù)的應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量，根據(jù)測量環(huán)境選用不同基底的應(yīng)變片； 應(yīng)變片的篩選有形狀缺陷、斷柵和缺少引線電阻柵，內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點(diǎn)等缺陷的應(yīng)變片等均應(yīng)剔除，并按照應(yīng)變片的阻值大小分組。 應(yīng)變片的粘貼其工藝包括：清除測點(diǎn)表面雜質(zhì)；劃出應(yīng)變片粘貼的定位線；用膠水粘貼應(yīng)變片接線端子；焊接接線端子并剪去多余的引出線。第16頁/共33頁第十六頁，共33頁。62電阻(dinz)應(yīng)變片的粘貼方法1.檢查和分選應(yīng)變(yngbin)片；2.粘貼表面(biomin)測點(diǎn)準(zhǔn)備；3.貼片；4.固化；5.粘貼質(zhì)量檢查；7.防潮處理。6.導(dǎo)線連接。土木工

13、程靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)量測儀器試驗(yàn)量測儀器第17頁/共33頁第十七頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器具體(jt)粘貼實(shí)例第18頁/共33頁第十八頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器5 58 87 76 6第19頁/共33頁第十九頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器9 91 10 011 11第20頁/共33頁第二十頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼技術(shù)質(zhì)量的檢查外觀(wigun)

14、檢查：觀察粘貼層內(nèi)是否有氣泡存在，應(yīng)變片方向與測試方向是否重合（對不符合的應(yīng)變片鏟除掉后重新粘貼）； 測量應(yīng)變片電阻柵的電阻值：發(fā)現(xiàn)測量阻值與應(yīng)變片原有阻值相差較大時(shí)為不合格，需鏟除重新粘貼； 檢測電阻柵與被測結(jié)構(gòu)間的絕緣電阻：該絕緣電阻必須大于20M。2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量測量測儀器儀器第21頁/共33頁第二十一頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器1.手持式應(yīng)變儀手持式應(yīng)變儀主要有兩片彈簧鋼片連接兩個(gè)剛性骨架組成，兩個(gè)骨架可作無摩擦(mc)的相對運(yùn)動(dòng)。骨架兩端帶有錐形插腳，測量時(shí)將插腳插入結(jié)構(gòu)表面上預(yù)置的腳座中，結(jié)構(gòu)表面上

15、的兩個(gè)預(yù)置腳座之間的距離為測量標(biāo)距。試件的應(yīng)變由裝在骨架上的千分表讀出。圖2.18 手持式應(yīng)變儀1剛性骨架；2插軸；3骨架外凸緣；4千分表測桿；5薄鋼片；6千分表第22頁/共33頁第二十二頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器1.千分表測位移(wiy)裝置千分表測應(yīng)變裝置是一個(gè)自制的應(yīng)變測量裝置，它有兩個(gè)粘貼在試件上的腳座，分別固定千分表和剛性桿，測量標(biāo)距可通過調(diào)節(jié)兩個(gè)腳座的距離任意確定。構(gòu)件伸長（縮短）量由千分表讀出，除以標(biāo)距即算得應(yīng)變。它的特點(diǎn)是裝置構(gòu)造簡單、測量精度較高、可重復(fù)利用。但由于腳座較長，不適合測量有彎曲變形的構(gòu)件。千

16、分表測應(yīng)變裝置1千分表；2腳座；3剛性桿第23頁/共33頁第二十三頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器位移是工程結(jié)構(gòu)承受荷載作用后最直觀的反應(yīng)，是反映結(jié)構(gòu)性能的最主要參數(shù)，通過位移測定，不僅可了解結(jié)構(gòu)的剛度(n d)及其變化，還可以區(qū)分結(jié)構(gòu)的彈性和非彈性性質(zhì)。結(jié)構(gòu)任何部位的異常變形或局部損壞都會(huì)在變形上得到反映。線位移的量測儀器較多，常用的有百分表、千分表、電子百分表、電阻式位移傳感器、線性差動(dòng)電感式位移傳感器等。1.機(jī)械式(電子式)百分表和千分表百分表的表盤按0.01mm刻度，讀數(shù)精度可以達(dá)到0.005mm。量程一般為10mm、3

17、0mm和50mm；千分表的構(gòu)造與百分表基本相同，但精密齒輪的放大倍數(shù)不同，其測量精密度可達(dá)到0.001mm或0.002mm?，F(xiàn)在電子千分表的使用也較多，其量程相比機(jī)械式要大，操作簡便快捷，讀數(shù)方便準(zhǔn)確，應(yīng)用較廣。第24頁/共33頁第二十四頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器機(jī)械式百分表電子式百分表2.張拉式位移(wiy)傳感器通過鋼絲與被測物體相連，當(dāng)被測物體發(fā)生位移時(shí)，重錘牽引纏繞鋼絲推動(dòng)傳感器指針旋轉(zhuǎn)，然后從傳感器的表盤讀數(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是量程幾乎不受限制，可以用于大變形條件下的位移測量。傳感器表盤的讀數(shù)精度為0.1mm。在野外條件

18、下采用張拉式位移傳感器時(shí)，應(yīng)注意溫度對鋼絲長度的影響，提高測量精度。張拉式位移傳感器第25頁/共33頁第二十五頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器3.電阻(dinz)應(yīng)變式位移傳感器電阻應(yīng)變式位移傳感器的測桿通過彈簧與一固定在傳感器內(nèi)的懸臂梁連接，在懸臂梁的根部粘貼電阻應(yīng)變片。測桿移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)彈簧使懸臂受力產(chǎn)生變形，通過電阻應(yīng)變儀測量電阻應(yīng)變片的應(yīng)變變化，再轉(zhuǎn)化為位移量。4.滑動(dòng)電阻式位移傳感器滑動(dòng)電阻式位移傳感器（左圖）的基本原理是將線位移的變化轉(zhuǎn)換為傳感器輸出電阻的變化。與被測物體相連的彈簧片在滑動(dòng)電阻上移動(dòng)，使電阻 的輸出電壓

19、值發(fā)生變化，通過與 的參考電壓值比較，即可得到 輸出電壓的改變量。電阻應(yīng)變式位移傳感器機(jī)械式百分表1測桿；2彈簧；3外殼；4刻度；5電阻應(yīng)變計(jì)；6電纜；7懸臂梁第26頁/共33頁第二十六頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器5.線性差動(dòng)電感式位移(wiy)傳感器線性差動(dòng)電感式位移傳感器，簡稱為LVDT，工作原理是通過高頻振蕩器產(chǎn)生一參考電磁場，當(dāng)與被測物體相連的鐵芯在兩組感應(yīng)線圈之間移動(dòng)時(shí)，由于鐵芯切割磁力線，改變了電磁場強(qiáng)度，感應(yīng)線圈的輸出電壓隨即發(fā)生變化。通過標(biāo)定，可確定感應(yīng)電壓的變化與位移量變化的關(guān)系。圖2.25 線性差動(dòng)電感式

20、位移傳感器1初級(jí)線圈；2次級(jí)線圈；3圓形筒；4鐵芯第27頁/共33頁第二十七頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器角位移傳感器附著在結(jié)構(gòu)上，隨結(jié)構(gòu)一起發(fā)生位移。常用(chn yn)的角位移傳感器有水準(zhǔn)式傾角儀和電子式傾角儀。1.水準(zhǔn)式傾角儀水準(zhǔn)管1安置在彈簧片4上，一端鉸接與基座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(diǎn)上后，用微調(diào)螺絲使水準(zhǔn)管的氣泡居中；結(jié)構(gòu)變形后氣泡漂移，再扭動(dòng)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(diǎn)的轉(zhuǎn)角。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、精度高；缺點(diǎn)是受濕度及振動(dòng)影響大，在陽光下暴曬會(huì)引起水準(zhǔn)管爆裂。水準(zhǔn)

21、式傾角儀1水準(zhǔn)管；2刻度盤；3微調(diào)螺栓；4彈簧片；5夾具；6基座；7活動(dòng)鉸第28頁/共33頁第二十八頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量測量測儀器儀器2.電子(dinz)傾角儀電子傾角儀實(shí)際上是一種傳感器，是通過電阻變化測定結(jié)構(gòu)某部位的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。若將AB、BC視作惠斯登電橋的兩個(gè)臂，則建立電阻改變量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度 間的關(guān)系就可以用電橋原理測量和換算傾角 。小型磁力數(shù)顯電子傾角儀實(shí)物圖小型磁力數(shù)顯電子傾角儀實(shí)物圖圖圖2.27 2.27 電子傾角儀電子傾角儀第29頁/共33頁第二十九頁，共33頁。土木工程(tm gngchng)靜載試驗(yàn)2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)(shyn)量量測儀器測儀器力值量測儀器的基本原理都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)生于外力或液壓成對應(yīng)關(guān)系的變形。常用的力傳感器可分為機(jī)械式、電阻應(yīng)變式和振動(dòng)(zhndng)弦式等不同類型。機(jī)械式力傳感器的種類很多，其基本原理是利用機(jī)械式儀器測量彈性元件的變形，再將變形轉(zhuǎn)換為彈性元件所受的力。圖2.28 環(huán)箍式拉力計(jì)1指針；2中央齒輪；3弓形彈簧；