結構靜載試驗-第4節(jié)靜載試驗儀器設備

1、第三章 結構靜載試驗,結構靜載試驗是最常規(guī)的試驗之一。靜載試驗中使用的儀器、儀表和設備可分為加載設備、測試元件和儀表、放大儀和記錄儀等儀器設備。試驗中觀測的物理量為力、位移、應變、溫度、裂縫寬度與分布、破壞或失穩(wěn)形態(tài)等。 一、靜載試驗加載設備 二、試驗裝置的支座設計 三、應變測試技術 四、靜載試驗用儀器儀表 五、靜載試驗準備與實施 六、結構靜載試驗示例,四、靜載試驗用儀器儀表,4.1測量儀表的基本概念 4.2結構試驗中儀器儀表的選用原則 4.3 變形測量儀器（位移測試儀表、轉角測量儀表） 4.4力的測量儀器 4.5裂縫測量儀器 4.6溫度測量儀器 4.7數(shù)據(jù)采集儀器,測量 測量可以廣義的理解為

2、試驗人員對試驗現(xiàn)象的認識的量化過程。 測量技術一般包括： a 測量方法 b 測量儀器儀表 c 測量誤差分析 從最簡單的逐個測讀、手工記錄的儀表到應用電子計算機快速采集和處理的復雜系統(tǒng)。試驗人員必須對試驗所用的儀器儀表的基本原理和功能有所了解，才能正確的使用儀器儀表，在結構試驗中準確的獲得試驗數(shù)據(jù)。,4.1測量儀表的基本概念,測量系統(tǒng)基本上由以下幾個部分組成 傳感部分放大部分顯示部分 傳感部分由傳感元件或傳感器組成，它從試驗對象的測點感受信號并傳送給放大部分。 放大部分也稱為放大器，它通過各種方式將傳感器傳來的信號放大并傳送至顯示部分。 顯示部分將經(jīng)過放大的機械或電信號通過指針、電子數(shù)碼管、顯示

3、屏等顯示。有的儀器將顯示部分與記錄裝置連在一起。 機械式儀表的三部分常組裝在一體，電測儀器儀表大多數(shù)由三個獨立的部分組成,儀器儀表的基本參數(shù)包括主要性能指標，儀器儀表運行環(huán)境的相關參數(shù)（工作電壓、溫度、濕度） 量程：儀器儀表所能測量的物理量的范圍。 靈敏度：儀器儀表的輸出量的變化y與相應輸入量的變化x的比值。 分辨率: 儀器儀表的顯示裝置所顯示的最小變化量的測量值。 準確度：有時稱為精確度或精度，儀器儀表的顯示值或記錄值與被測物理量真實值的符合程度，常用滿量程的相對誤差來表示。 線性度：測量系統(tǒng)的實際輸入輸出特性曲線相對于理想線性輸入輸出特性的接近程度。 漂移量 ：測量系統(tǒng)的輸入不變時，系統(tǒng)的

4、輸出量隨時間變化的最大值，有時又稱為測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定度。,4.2結構試驗中儀器儀表的選用原則,結構靜載試驗對測量儀器的基本原則是： 根據(jù)被測物理量的物理性質(zhì)選擇儀器儀表的基本功能。 預估被測物理量的變化范圍選擇儀器儀表的量程和精度。 選用可靠性程度較高的儀器儀表?？煽啃耘c精度之間存在矛盾。,1、結構試驗對儀器設備的使用要求 （1）具有合適的量程、靈敏度和精度（1%）。 （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。,2、測

5、量儀器標定 （1）目的：確定儀器設備的靈敏度和精確度，應該在試驗前或試驗前后對儀器設備進行標定。 （2）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：確定某些儀器組成的系統(tǒng)的靈敏度和精確度。（實際試驗中采用）,1、位移量測儀器 位移反映了結構的整體剛度和工作性能，與應力、應變一樣是結構計算和結構性能評定的重要數(shù)據(jù)。常用的位移測量儀表有各類位移傳感器及其它一些測量儀器及裝置。 2、其它變形測量儀器 除應變和位移外，結構試驗中轉角、曲率等有時也需要進行測量。 掌握了基本方法后，還可以自行設計各類測量裝置。,4.3 變形測量儀器,1、位移量測儀器,1）各類位移傳感器（位移計） 常用的

6、位移傳感器有機械式百分表、千分表、電子百分表、滑阻式位移傳感器和差動式位移傳感器等，如下圖。 這類儀器精度高，可達0.01mm 或0.001mm，雖然構造不同，其原理：都是通過機械或電子手段將測桿感受到的位移放大并顯示出來。,幾種常用位移傳感器構造原理圖1.測桿 2.外殼 3.彈簧 4.電阻應變片5.電阻絲 6.線圈 7.電纜,=電阻應變式位移計,機械百分表=,=機電百分表,2）其它位移測量儀器及裝置,對于大型結構構件如橋梁等，當位移較大、測量精度要求不高時，可用張線式位移傳感器（圖3.28）、連通管（圖3.29）進行測量，也可用水準儀、經(jīng)緯儀及直尺進行測量，其精度不如上述各類位移傳感器，一般

7、在0.1mm1mm 之間。 連通管是一種簡單裝置，將連通管注水，則各豎向管水位在一個平面內(nèi)，試件變形后水位仍在一個平面內(nèi)，可利用試件變形前后水位在標尺上的讀數(shù)變化，求得試件撓度。,2、其它變形測量儀器,水準式角度傳感器,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的電壓輸出。,電阻應變式傾角儀,水準管式傾角儀,4.4 力測量儀表,靜力試驗需要測定的力，主要是荷載和支座反力，其次有鋼絲的張力，還有風壓、油壓、土壓力等。測量儀器也有機械式和電測兩種。其品種規(guī)格繁多， 列出一些例子，基本原理不外是利用彈性元

8、件的彈性變形或應變與其所受外力構成一定的比例關系而制成的測力裝置。機械式測力計利用千分表等測量彈性元件的變形，電測傳感器需要用二次電測儀器如電子秤、電阻應變儀等測量彈性元件的應變，由標定關系得到力值。,結構（尤其是混凝土結構）靜力試驗、檢測中觀察裂縫的發(fā)生和發(fā)展，對于確定開裂荷載，研究結構抗裂性能和破壞過程有著重要的作用。 1、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）用應變計或導電漆膜交替搭接布置來測量開裂。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)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

9、的測量來確定開裂。 4）裂縫應變計：鋼結構斷裂試驗 2、裂縫寬度:讀數(shù)顯微鏡、裂縫標尺,4.5 裂縫測量儀表,裂縫寬度測量儀器主要有： （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(nèi)長線分別處于裂縫兩側邊緣并讀出兩次刻度值。兩次讀數(shù)差即為裂縫寬度。讀數(shù)顯微鏡精度一般為0.01mm，量程可達38mm。 （2）裂縫讀數(shù)卡。硬質(zhì)紙片上印有許多寬度不同的線條，其寬度為標準寬度，將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。此法 精度較讀數(shù)顯微鏡低。,讀數(shù)顯微鏡,裂縫標尺,裂縫塞尺,=裂縫寬度觀測儀,裂縫寬度測試= （數(shù)字顯示）,4.6 溫度測量儀器,接觸式測溫：基于熱平衡原理

10、非接觸式測溫：利用熱輻射原理 熱電偶溫度計和熱敏電阻溫度計。,將應變片粘貼在彈性元件上，接成橋路，從而將感受到的電信號輸出。根據(jù)所測力學量不同可做成各種傳感器，常用的有：,1、力（載荷）傳感器；,2、位移傳感器；,3、扭矩傳感器；,4、壓強傳感器；,5、加速度傳感器；,應變片式傳感器,彈性元件是這類傳感器的關鍵元件， 因此要求彈性元件：,b）穩(wěn)定性好。因而對材料、結構形式，熱處理加工等都有一定的要求。,a） 高，彈性范圍大。要求彈性元件的最大工作應力處于材料的線彈性范圍內(nèi)。,c）為保證靈敏度，要求貼片部位的應變足夠大，,一、測力傳感器,根據(jù)彈性元件上粘貼應變片處的變形特點，可分為拉壓彈性元件、

11、彎曲彈性元件和剪切彈性元件。,1、拉壓彈性元件,（1）柱式彈性元件,測拉力或壓力的傳感器，彈性元件常采用空心圓柱，以便于粘貼應變片和易于熱處理、淬透。為防止失穩(wěn)，壁厚不易太薄 。,應變片在圓筒中部均布，每處貼一縱向片和一橫向片。8片應變片組全橋。,應變片在圓筒中部均布，每處貼一縱向片和一橫向片。8片應變片組全橋。,縱向串：,橫向串：,各橋臂應變?yōu)椋?應變儀讀數(shù)應變?yōu)椋?d=1-2+3-4,圓筒的軸向應變：,若圓筒截面面積為A，則壓力P與讀數(shù)應變之間的關系為：,由上式可知，壓力和應變成線形關系。這僅僅是理論計算公式。實際上截面面積A在加載時是變化的 ，因此每一個傳感器的讀數(shù)應變與力的關系都是要經(jīng)

12、過嚴格的標定試驗確定的。,上述彈性元件受到拉力或壓力時很難保證作用力嚴格通過柱的軸線，這就使得彈性元件除了受到軸向力外，還會受到橫向力和彎矩作用。為了消除這種影響，在圓筒受載荷端增加兩片膜片。,（2）平板開孔式彈性元件,當測量較小載荷時，常選用有小孔的平板作為彈性元件，將應變片粘貼在孔的邊緣。由于孔邊產(chǎn)生應力集中，應變比無孔時大得多，可提高測量應變的讀數(shù)。,（二）彎曲彈性元件,（1）懸臂梁式彈性元件,這種彈性元件適用于制作小載荷測力傳感器。,在固定端附近上下表面各貼兩個應變片，組成全橋，得讀數(shù)應變?yōu)椋?由材料力學可知：,載荷P與讀數(shù)應變的關系為：,問題：當P力作用點移動時會產(chǎn)生誤差，顯然P與L

13、有關。,改進后：若P有偏移，兩個截面中一個截面彎矩增加，一個截面彎矩減小，且增加量等于減少量，不會影響讀數(shù)的大小。,（2）圓環(huán)式彈性元件,1）純圓環(huán)彈性元件：,截面AB的彎矩分別為：,組成全橋，得到讀數(shù)應變與彎曲應變關系為：,由材料力學可知，若忽略圓環(huán)曲率的影響，貼片處的彎曲應變?yōu)椋?其中 ： b 是圓環(huán)的厚度； h 是圓環(huán)的寬度。,（2）有加載端的彈性元件,由于環(huán)的兩端尺寸加大部分剛度很大，故可把它看作圓環(huán)的固定端來進行內(nèi)力分析。,截面AB的彎矩分別為：,組全橋，可得到P力與讀數(shù)應變的關系。,3、剪切彈性元件,（1）梁式剪切彈性元件,在梁的中性軸上，各點均為純剪切應力狀態(tài)，故沿與軸線成 方向

14、粘貼四個應變片，組成全橋，得到P與讀數(shù)應變的關系為：,特點：當載荷P的作用位置由偏移時，中性軸上的剪應力和 方向上的線應變不會變化，可消除載荷作用點偏移造成的誤差。,為了盡可能減少彎矩的影響，采用圖中結構形式，使得貼片截面處的彎矩等于零。,PL,P(L-L),L,L,4.7 數(shù)據(jù)采集儀器（系統(tǒng)）,1、X-Y記錄儀 可直接繪出曲線，精度高，記錄速度快，可用靜載，也可用于低平動載試驗。,X-Y記錄儀,2、計算機數(shù)據(jù)采集器,1）用傳感器感受各種物理量，并把它們轉換成電信號。 2）通過A/D轉換，把模擬量轉變成數(shù)字量。 3）數(shù)據(jù)的記錄、打印輸出或存人磁盤文件。,PCI采集卡,USB 采集卡,3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（簡稱數(shù)采系統(tǒng)）可以進行數(shù)據(jù)采集、處理、分析、判斷、報警、直讀、繪圖、儲存、試驗控制和人機對話等，它具有采樣通道多、采樣數(shù)據(jù)量大、采樣自動化等特點。數(shù)采系統(tǒng)不僅適用于靜力試驗，也適用于動力試驗。隨著軟、硬件制造技術的發(fā)展，