第三章 結構試驗測試技術與量測儀表

3結構試驗測試技術與量測儀表結構試驗時，所受的外部作用，如力、位移、溫度等是輸入數(shù)據(jù)，而試件的反應如應力、應變、速度、加速度等是輸出數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均需準確量測。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，或用應變儀配應變計或位移計測量應變或位移。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：計算機系統(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，并將它們轉換為可直接測讀的形式。有以下幾種：

機械式傳感器：利用機械原理工作，由以下部分組成：感受機構、轉換機構（轉換成長度或角度）、顯示裝置（指針或度盤）、附屬裝置（外殼、防護罩等）。

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：利用材料的電學性能和電學原理，把非電物理量轉換成電量變化。由以下部分組成：感受部分、轉換部分（如電阻應變計等）、傳輸部分（如導線等）、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（紙、磁帶、光盤等）上。如光線示波器、磁帶記錄儀、磁盤驅動器等。試件的作用與效應適調器(轉換與放大）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；按儀器與結構關系分：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、量測儀表的技術指標

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。（3）不影響結構的工作：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)濟好：價廉耐用，可重復使用，安全可靠。（6）按規(guī)定存放、使用和標定。3.3儀表的率定在儀器行業(yè)，對儀器的校準測定稱為率定。即校準、標定。即將儀器的示值和標準量進行比較的過程。率定的方法：1.用精確度等級更高的專用率定設備率定；2.用標準儀器（精確度不比被率定設備高，但不常使用）率定；3.用標準試件進行率定。應該率定的設備：1.新生產(chǎn)的或出場的設備，在正式使用前；2.正在使用的設備應定期率定或在重要的實驗開始前進行率定。3.4應變測量結構試驗中常需要量測應力，但直接量測應力目前還沒有好方法，主要是通過量測應變，再換算求得應力。

應變：在預定的標準長度范圍內(nèi)，量測長度變化增量的平均值ΔL，再通過ε=ΔL/L計算求得。

標距L的選擇：勻質材料宜??；非勻質材料宜大。砼應大于骨料最大粒徑3倍；對磚石結構應大于4皮磚；對木結構應大于20cm。

測量方法：常用電測法，還有機械法和光測法。一、電阻應變計電阻應變片的原理：

利用金屬絲的電阻值隨著其機械變形而變化的物理特性。電阻應變片的構造：主要由敏感柵、基底、覆蓋層、引出線組成。電阻應變片的分類：

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）；

按敏感柵結構的形狀分：單軸（測單軸應變）、多軸（用于應變花）。(a)、(d)、(e)、(f)、(h):泊式應變計(b)絲繞式應變計(c)短接式電阻應變計(g)半導體應變計(i)焊接應變計電阻應變片的技術指標標距：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作為標準。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。二、電阻應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，故采用電阻應變儀。電阻應變儀是電阻應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ΔU=0時，電橋平衡。即R1:R2=R3:R4時，電橋平衡。在應變里一般用兩種特定狀態(tài)達到電橋平衡，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。

當四個橋臂阻值發(fā)生變化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時，經(jīng)推導可得：ΔUUΔUUΔUU若四個應變計規(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變的代數(shù)和呈線性關系。兩個相鄰橋臂上的應變是相反的，R1、R3是正的，R2、R4是負的。四個橋臂上都接電阻片就是全橋電路，當R3

、R4接固定電阻，而非電阻應變片時，就是半橋電路，可自動完成溫度補償，且靈敏度提高；當R2只作為溫度補償片，而不產(chǎn)生應變時就是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為工作應變片，R2為溫度補償片，R3=R4=R‘，則：構件受力前的平衡條件：構件受力后調整滑線變阻器到D’，使檢流計歸零，其平衡條件：整理后得：溫度補償技術用電阻應變片測應變時，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于電阻應變片和試件的溫度線膨脹系數(shù)不同，就會在應變片中產(chǎn)生應變；另一方面，隨著溫度的變化，電阻應變片的電阻率ρ也會發(fā)生變化。由于這兩項原因，使電阻應變片在沒有受到力作用以前就產(chǎn)生了應變，從而電阻值發(fā)生了變化，這就是電阻片的熱效應。消除這種熱效應的常用方法就是溫度補償技術。溫度補償技術設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變片R1同樣的應變片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：溫度補償應變計必須滿足：1）與測量應變計規(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。5）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，鋼結構10點共用一個補償片。設置溫度補償應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（半橋）工作片互為補償靈敏度提高1倍。例題：某結構構件，荷載和電阻應變計布置如圖所示，測量時采用全橋橋路，應變儀顯示的測量應變值為280με，已知結構材料的泊松比v=0.3。（1）畫出測量應變橋路圖；（2）簡要說明該橋路特點；（3）計算該測點的彎曲應變εw。電阻應變計粘貼技術

應變的其它測量方法

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

工作原理：在標距兩端粘結兩個腳標（每邊各一個），通過測量結構變形前后兩個腳標之間距離的改變，求得標距內(nèi)的平均應變。

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

結構的位移主要指：撓度、側移、轉角、支座偏移等，可分為線位移和轉動變形。

量測位移的儀表有機械式、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、應變梁式位移傳感器、滑線電阻式位移傳感器、水準儀、經(jīng)緯儀等。

轉動變形的常用量測儀器有杠桿式測角器、水準式傾角儀、電子傾角儀等，也可以自行設計。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)，然后當它變形以后，即當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，并與側面保持垂直。機械式百分表電子百分表經(jīng)緯儀位移計

千分表應變梁式位移傳感器儀器外殼上固定一個彈簧片，并作成懸臂結構，彈簧片根部粘貼應變片。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，通過電阻應變儀測得的應變即可反映與試件位移的關系。量程為30~150mm，分辨率可達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，當測桿隨著結構變形產(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，通過電阻應變儀可測得應變。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。當初級線圈有電流通過時，次級線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應電勢。測桿帶動鐵芯偏向左側時，左側感應電勢大，右側小；通過測量兩側電勢差，就可以確定測桿的位置，即位移量。結構轉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，通過計算可求得轉角。1、轉角測定水準式傾角儀如圖，結構變形前，通過調整微調螺絲使氣泡居中，測讀數(shù)；結構變形后，再調整螺絲，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械式傳感器和電測式傳感器兩類；

機械式：拉力測力計、壓力測力計、拉壓力測力計；

電測式（應變式）：壓力傳感器、拉壓傳感器（較為常見，采用應變計量測方法，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.用應變計或導電漆膜連續(xù)布置來測量開裂。當某處開裂時，該處應變計讀數(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.裂縫應變計：鋼結構斷裂試驗裂縫的測量

裂縫寬度:讀數(shù)顯微鏡、裂縫塞尺、裂縫標準寬度板（裂縫標尺）。讀數(shù)顯微鏡裂縫標尺3.7振動測量儀器用來測量結構振動參數(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。拾振器的力學原理結構震動，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模型。當結構振動時，儀器外殼一起振動，質量塊也振動，但振動規(guī)律不同（如振幅和相位）。通過測量質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、加速度之間的關系分為位移計、速度計和加速度計。

位移計：當振動體的自振頻率比拾振器的自振頻率大很多時，拾振器輸出值與結構位移成正比，主要用來測量結構的振動位移。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，拾振器輸出值與結構振動速度成正比，主要用來測量結構的振動速度。失真大，可用頻率范圍窄，少用。加速度計：當振動體的自振頻率比拾振器的自振頻率小很多時，拾振器輸出值與結構振動加速度成正比，主要用來測量結構的振動加速度。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換為電量，并輸入放大器的裝置。根據(jù)轉換方式有：磁電式、壓電式、電阻應變式、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)電磁感應原理制成，靈敏度高，性能穩(wěn)定，有一定的頻率響應寬度。通過質量塊在殼體內(nèi)的相對振動，產(chǎn)生感應電動勢，該感應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