1、2.3 試驗量測儀器,土木工程靜載試驗,土木工程結構試驗的目的不僅要了解結構性能的外觀狀態(tài)，更重要的是要取得評定結構性能的定量數據，試驗數據是反映結構性能變化的重要指標，只有取得了可靠的數據和結構變化特征，才能對結構性能作出正確的結論。要取得可靠的試驗數據，就必須了解各種測量儀器，正確使用它們。試驗量測技術：量測方法、量測儀器、量測誤差分析。主要量測內容：位移、撓度應力、應變、曲率、裂縫、自振頻率、振型、阻尼等。,土木工程靜載試驗

2、,2.3 試驗量測儀器,,,,,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,（1）量程（2）刻度值（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,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,在選用量測儀器時，應考慮以下要求：（1）符合量測所需的量程及精度要求。（2）對于安裝在結構上儀器或傳感器，要求自重輕、體積小，不影響結構的工作

3、。（3）同一試驗中選用的儀器儀表種類應盡量少，以便統(tǒng)一數據的精度，簡化量測數據的整理工作和避免差錯。（5）選用儀器時應考慮試驗的環(huán)境條件。（機械式和電阻式）,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,為了確定儀器的精確度或換算系數，確定其誤差，需將儀表指示值和標準量進行比較，這一工作稱為儀器的率定。所有新生產或出廠的儀器都要經過率定；正在使用的儀器也必須定期進行率定，因為儀器經長期使用，其零件總有不同程度的磨損，或者損壞后經檢

4、修的儀器，零件的位置會有變動，難免引起示值的改變。儀器除需定期率定外，在重要的試驗開始前，也應對儀器進行率定。,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,應變測量一般是用應變計測出試件在一定長度范圍 （稱為標距）內的長度變化 △L，再計算出應變值= △L/L 。應變量測方法和儀器很多，主要有電測與機測兩類，其中電測法不僅具有精度高、靈敏度高、可遠距離量測和多點量測、采集數據快速、自動化程度高等特點，而且便于將量測數據信號和計算機或微

5、處理機連接，為采用計算機控制和用計算機分析處里試驗數據創(chuàng)造了有利條件。,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,1.電阻應變片的結構,a.應變片的構造,b.常用應變片實體,c.正在使用中的應變片,應變片對電阻柵金屬材料的要求：電阻柵的靈敏系數在盡可能大的應變范圍內保持常數和盡可能大，具有足夠的熱穩(wěn)定性（高溫時抗氧化性能好）、較高的電阻率、較好的加工性能和焊接性能。,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,2.應變片的測量原理,由電學

6、可知，金屬導體的電阻與其長度成正比、與其截面積成反比（電阻絲的應變原理如圖）。應變片的電阻柵同樣遵循這一原理。當電阻柵的長度 、截面積和電阻率變化時，則有,,,,,,,式中 ——應變；K——電阻柵金屬材料的靈敏系數,圖2.16 電阻絲的電阻應變原理,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,4.應變儀的測量原理,電阻應變儀的測量原理是通過惠斯登電橋（Wheatstone bridge circuit），將微小電阻變化轉變?yōu)殡妷夯螂?/p>

7、流變化，惠斯登電橋是由4個電阻R1、R2、R3和R4組成，4個電阻構成電橋的4個橋臂。,,圖2.17 惠斯登電橋,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,根據電工學原理 :,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的關系為：,當4個電橋的電阻滿足 時，電橋的輸出電壓為零，這種狀態(tài)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 、 、

8、 和 ，這時電橋輸出電壓的增量 為:,圖2.17 惠斯登電橋,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,5.溫度補償原理,溫度變化時應變片會產生熱應變，為了消除溫度變化引起的測量應變誤差，可利用惠斯頓電橋的特性進行溫度補償。補償快不受任何外荷載作用，僅感受溫度變化引起的熱應變；當補償塊放置在與測點相同的溫度場中時，則由補償塊產生的熱應變與測點的熱應變相等，所以，補償應變片測得的應變?yōu)?根據

9、半橋測量應變的公式，則有,此時，應變儀顯示的應變值，已不包括溫度變化引起的熱應變。該測試方法消除了溫度對應變測量的影響，故稱之為溫度補償法。在全橋測量中，R1和R3為測量工作應變片，R2和R4為溫度補償應變片，同樣起到溫度補償的作用。,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,6.測量橋路,根據橋臂上工作應變片的數量，測量方式主要有全橋電路、半橋電路和1/4橋電路。,全橋電路,全橋電路就是在量測橋的四個橋臂上全部接入工作應變片，其中相鄰

10、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），即R1= R2= R3= R4= R，且每個應變片的靈敏系數 也相同，則上式變?yōu)椋?半橋電路,半橋電路是有兩個工作片和兩個固定電阻組成，則,土木工程靜載試驗,1/4橋電路,1/4橋電路常用于量測應力場里的單個應變，即只有R1變化，而R2、R3和R4不變化，則,7.多點測量線路,在進行實際測量時，一般要求應變儀具有多個測量橋，這樣就可以進行多測點的測量工作。

11、多點測量線路主要有工作肢轉換法和中線轉換法。工作肢轉換法每次只切換工作片，溫度補償片為共用片；中線轉換法每次同時切換工作片和補償片，通過轉換開關自動切換測點而形成測量橋。,2.3 試驗量測儀器,構造組成：? 引出線? 覆蓋層? 敏感柵? 基底58,dRR,= Kε,K：靈敏系數ε：應變,單位應變引起的相對電阻變化,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,構造組成：

12、? 引出線? 覆蓋層? 敏感柵? 基底,電阻值 R：120Ω。,標距 l：即電阻柵的有效長度。,鋼筋片2×1、3×2等，砼片80×4、100×5等（大于4倍最大粗骨料粒徑，還與應變梯度有關）。,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電阻應變片的分類

13、? 按電阻柵的種類分：絲繞式、短接式、箔式、半導體式、焊接式；? 按電阻柵的形狀分：單向應變片、應變花（雙向、三向）；,? 按基底材料分：紙基、膠基；,? 按使用極限溫度分：低溫、常溫、高溫。60,三向應變花,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,3.應變片的篩選和粘貼,需注意的幾項原則根據被測結構的材質是否均勻、測點附近應變變化梯度的大

14、小和被測結構的尺寸，確定應變片的標距（也稱為柵距）；對于同一測試構件應選用相同靈敏系數的應變片進行應變測量，根據測量環(huán)境選用不同基底的應變片； 應變片的篩選有形狀缺陷、斷柵和缺少引線電阻柵，內有氣泡、霉斑、銹點等缺陷的應變片等均應剔除，并按照應變片的阻值大小分組。 應變片的粘貼其工藝包括：清除測點表面雜質；劃出應變片粘貼的定位線；用膠水粘貼應變片接線端子；焊接接線端子并剪去多余的引出線。,,62,電阻應變片的粘貼方法,1.檢查

15、和分選應變片；,2.粘貼表面測點準備；,3.貼片；,4.固化；,5.粘貼質量檢查；,7.防潮處理。,6.導線連接。,,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,具體粘貼實例,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,5,8,7,6,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,,9,10,11,土木工程靜載試驗,應變片粘貼技術質量的檢查外觀檢查：觀察粘貼層內是否有氣泡存在，應變片方向與測試方向是否

16、重合（對不符合的應變片鏟除掉后重新粘貼）； 測量應變片電阻柵的電阻值：發(fā)現(xiàn)測量阻值與應變片原有阻值相差較大時為不合格，需鏟除重新粘貼； 檢測電阻柵與被測結構間的絕緣電阻：該絕緣電阻必須大于20M。,2.3 試驗量測儀器,,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,1.手持式應變儀,手持式應變儀主要有兩片彈簧鋼片連接兩個剛性骨架組成，兩個骨架可作無摩擦的相對運動。骨架兩端帶有錐形插腳，測量時將插腳插入結構表面上預置的腳座中，結構表面

17、上的兩個預置腳座之間的距離為測量標距。試件的應變由裝在骨架上的千分表讀出。,圖2.18 手持式應變儀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,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,1.千分表測位移裝置,千分表測應變裝置是一個自制的應變測量裝置，它有兩個粘貼在試件上的腳座，分別固定千分表和剛性桿，測量標距可通過調節(jié)兩個腳座的距離任意確定。構件伸長（縮短）量由千分表讀出，除以標距即算得應變。它

18、的特點是裝置構造簡單、測量精度較高、可重復利用。但由于腳座較長，不適合測量有彎曲變形的構件。,千分表測應變裝置1—千分表；2—腳座；3—剛性桿,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,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，通過位移測定，不僅可了解結構的剛度及其變化，還可以區(qū)分結構的彈性和非彈性性質。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。,線位移的量測儀器較多，常用的有百分表、千分表、電

19、子百分表、電阻式位移傳感器、線性差動電感式位移傳感器等。,1.機械式(電子式)百分表和千分表,百分表的表盤按0.01mm刻度，讀數精度可以達到0.005mm。量程一般為10mm、30mm和50mm；千分表的構造與百分表基本相同，但精密齒輪的放大倍數不同，其測量精密度可達到0.001mm或0.002mm?，F(xiàn)在電子千分表的使用也較多，其量程相比機械式要大，操作簡便快捷，讀數方便準確，應用較廣。,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,機械

20、式百分表,電子式百分表,2.張拉式位移傳感器,通過鋼絲與被測物體相連，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，然后從傳感器的表盤讀數最大的優(yōu)點是量程幾乎不受限制，可以用于大變形條件下的位移測量。傳感器表盤的讀數精度為0.1mm。在野外條件下采用張拉式位移傳感器時，應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,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,3.電阻應變式位移傳感器,電阻應變式位移傳感器的測桿通

21、過彈簧與一固定在傳感器內的懸臂梁連接，在懸臂梁的根部粘貼電阻應變片。測桿移動時，帶動彈簧使懸臂受力產生變形，通過電阻應變儀測量電阻應變片的應變變化，再轉化為位移量。,4.滑動電阻式位移傳感器,滑動電阻式位移傳感器（左圖）的基本原理是將線位移的變化轉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電阻上移動，使電阻 的輸出電壓值發(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。,電阻應變式位移傳感器,機械式百分表,1—

22、測桿；2—彈簧；3—外殼；4—刻度；5—電阻應變計；6—電纜；7—懸臂梁,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,5.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，工作原理是通過高頻振蕩器產生一參考電磁場，當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，可確定感應電壓的變化與位移量變化的關系。,圖2.25 線性差動電感式位移傳感器

23、1—初級線圈；2—次級線圈；3—圓形筒；4—鐵芯,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,角位移傳感器附著在結構上，隨結構一起發(fā)生位移。常用的角位移傳感器有水準式傾角儀和電子式傾角儀。,1.水準式傾角儀,水準管1安置在彈簧片4上，一端鉸接與基座6上，另一端被微調螺絲3頂住。當儀器用夾具5安裝在測點上后，用微調螺絲使水準管的氣泡居中；結構變形后氣泡漂移，再扭動微調螺絲使氣泡重新居中，度盤前后兩次讀數的差即為測點的轉角。其優(yōu)點是尺寸小、精

24、度高；缺點是受濕度及振動影響大，在陽光下暴曬會引起水準管爆裂。,水準式傾角儀1—水準管；2—刻度盤；3—微調螺栓；4—彈簧片；5—夾具；6—基座；7—活動鉸,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,2.電子傾角儀,電子傾角儀實際上是一種傳感器，是通過電阻變化測定結構某部位的轉動角度。若將AB、BC視作惠斯登電橋的兩個臂，則建立電阻改變量與轉動角度 間的關系就可以用電橋原理測量和換算傾角 。,小型磁力數顯電子傾角儀實物圖,圖2.27

25、 電子傾角儀,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,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關系的變形。常用的力傳感器可分為機械式、電阻應變式和振動弦式等不同類型。,機械式力傳感器的種類很多，其基本原理是利用機械式儀器測量彈性元件的變形，再將變形轉換為彈性元件所受的力。,圖2.28 環(huán)箍式拉力計,1—指針；2—中央齒輪；3—弓形彈簧；4—耳環(huán)；5—連桿；6—扇形齒輪；

26、7—可動接板,握力計,土木工程靜載試驗,2.3 試驗量測儀器,電阻應變式力傳感器是目前應用最廣泛的一種測力儀器。它是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，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。根據荷載性質不同，荷載傳感器的形式分為拉伸型、壓縮型和拉-壓型三種,圖2.30 荷載傳感器全橋接線1~4—電阻應變片,實物圖,實物圖構造圖,土木工程靜載試驗,2.3

27、 試驗量測儀器,對于混凝土結構和砌體結構，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。,1.觀察方法,貼應變片,涂導電漆膜,超聲波檢測,最常用的方法是在試件表面涂白石灰水并待其干燥，試件受荷后，便會在石灰涂層表面留下裂縫，借助放大鏡用肉眼觀察裂縫的出現(xiàn)。,利用粘貼在混凝土受拉區(qū)的電阻應變片，當混凝土開裂時，如果裂縫貫穿電阻應變片，該應變片的讀數突變，從而可以判斷開裂部位。,在混凝土試件受