建筑结构试验第4章课件-结构试验量测技术教学提纲.ppt

建筑结构试验第4章课件-结构试验量测技术一、数据的量测与采集一、数据的量测与采集数据采集数据采集是是用各种仪器和装置，对数据进行测量和记录；采集到的数据是数据处理的原始资料。1.1.数据采集方法：数据采集方法：人工测量，人工记录；仪器测量，人工记录；仪器测量，仪器记录；用自动化数据采集系统进行测量、记录、处理。2.2.原则原则同时性-要求一次采集得到的所有数据是同一时刻受到的作用于试件的反应，这些同一时刻的数据才能正确的反映和描述某一时刻试件的作用和试件反应之间的关系。客观性-要求按照客观事实进行数据采集，并把所有关于试验实际情况的数据都加以测量、记录，使采集得到的数据能够客观、完整地反映和描述整个试验过程。3.3.数据采集的仪器分类数据采集的仪器分类按功能和使用情况分传感器：将感受的各物理量（力、位移、应变等）按一定规律转换成可以直接测读形式；或者是转换成电信号然后传输给后续仪器；放大器：传感器输出的电信号很微弱，将传感器传来的信号进行放大，使之可以被显示和记录。必须与传感器、记录器和显示器相匹配；显示器：将信号用可见的形式显示出来；记录器：将数据记录以利长期保存；分析仪器：对采集的数据进行分析处理；数据采集仪：用于自动扫描和采集，可作为数据采集系统的执行机构；数据采集系统：一种集成式仪器，包括传感器、数据采集仪、和计算机或其他记录器、显示器等，可用来进行自动扫描、采集及数据处理。按工作原理分机械式仪器：利用机械传动、放大和指示电测仪器：利用机电转换，将机械量转换为电量光学测量仪器：利用光学转换、放大和显示复合式仪器：由两种或几种原理的组合伺服式仪器：带有测量和控制功能的组合按测量用途分应变计：用来测量应变位移传感器：用来测量线位移测力传感器：用来测量荷载、压力倾角传感器：用来测量倾角或转角频率计：测量结构振动的频率裂缝传感器：测量混凝土的裂缝测振传感器：测量结构振动的位移、速度和加速度按与结构试件的关系分附着式和非附着式接触式和非接触式按显示和记录方式分直读式和自动记录式模拟式和数字式4.2 4.2 测量仪表的基本特征测量仪表的基本特征一、测量仪表的技术指标一、测量仪表的技术指标量程（量测范围）：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。最小分度值（刻度值）：仪器的指示或显示装置所能指示的最小测量值。灵敏度：被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示装置示值的大小。分辨率：仪器测量被测物理量最小变化值的能力。稳定性：当被测物理量数值不变，仪器在规定的时间内保持示值与特性参数不变的能力。滞后：在恒定的环境条件下，仪器在整个量测范围内，从起始值到最大值来回输出中的最大偏差值或该值与最大量程的百分比。精确度（精度）：仪表的指示值与被测值的符合程度，常用满程相对误差表示。可靠性：在规定条件下满足给定误差极限范围内连续工作的可能性，或说构成仪表元件的功能随着时间增长仍能保持稳定的程度。量程：0100 最小分度值：0.1精确度：当前测量值65.7，实际精确值 65.5，则精确度=（65.7-65.5）/100=0.2%灵敏度：200mm/100=2mm/滞后：将该温度计置于冰水混合物中煮开再降为冰水混合物，如显示1，则称该温度计的滞 后为1656566660 0100100200mm二、结构试验对测量仪器的要求和仪器标定二、结构试验对测量仪器的要求和仪器标定1.要求测量仪器不应影响结构的工作，要求自重轻、尺寸小，尤其是对模型试验，还要考虑仪器的附加质量和仪器对结构的作用力。测量仪器具有合适的灵敏度和量程。安装使用方便，稳定性和重复性好，有较好的抗干扰能力。价廉耐用、可重复使用，安全可靠，维修容易。在达到上述要求下，尽量要求多功能、多用途。2.标定含义-为了确保测量仪器的使用精确度和灵敏度，保证测试仪器测量数据的误差不超出规定的范围，进行仪器示值与标准值校对工作的过程。测量仪器的标定分为 强制性检验 经常性自检标定按两种情况进行单件标定-可以确定某一件仪器的灵敏度和精确度。系统标定-对仪器系统进行系统标定，可以确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精确度。系统误差-仪器本身的误差属于系统误差，可能是仪器在生产工艺上或设计上的缺陷造成的；也可能是使用日久导致的零件磨损变形等。消除系统误差的方法-事先找出仪器存在的误差及其变化规律，并对其建立各种修正公式或曲线等。在专门的率定设备上进行，该设备的准确度要比被率定仪器的准确度高一级。采用和被率定设备同一等级的“标准仪器进行比较率定。利用标准试件率定4.3 4.3 应变测量仪器应变测量仪器外力下，结构内部产生应力，不同部位的应力值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立结构理论的重要依据。目前，一般先测应变，再间接测定应力。应变（单位长度内的变形）是结构试验中最重要的参数之一，往往还是其他物理量的量测基础。应变量测原理应变量测原理-量测应变通常是在预定的标准长度范围内（标距）L内量测长度变化增量的平均值L，由=L/L求得平均应变。标距标距L L的选择原则的选择原则尽量小-对均质材料或局部应力集中且应力梯度较大时宜选小标距应变计。对非均质材料且应力梯度较小的宜选用大标距应变计，如对混凝土应取骨料最大粒径的3倍；砖石结构应取4皮砖等。测量应变的仪器和方法测量应变的仪器和方法 电阻应变仪 手持式应变仪 位移计法 光测法一、应变电测法一、应变电测法1.1.应变电测原理应变电测原理将一种特制的电阻应变片作为传感元件，粘贴在被测构件上，当构件由于受到外荷载作用而发生变形时，应变片与结构一起变形，致使应变计的电阻值发生相应变化（在一定范围内，应变片电阻变化与构件发生的应变成比例关系）。根据测得的电阻变化，通过电阻应变仪可获得构件上被测点的应变值。在弹性范围内，通过胡克定律又可将该点的应变转换为该点的应力值。2.2.应变片特点应变片特点（1 1）优点）优点应变片尺寸小、重量轻灵敏度高（普通应变片最小读数为1-5（1*10-6mm应变称为一个微应变）应变测量范围广（一般可达20000-30000，特质的可达200000）对环境适应性强，若对应变片采取特殊措施，可用于高温、低温、水下、高压、强磁场和腐蚀等环境。自动化程度高，可以远距离传输电信号适用性好，可测量多种物理参数（静应变、动应变、位移、速度、加速度、振幅及压力等）。在一定工作范围内，电阻变化率与应变成线性关系。（2 2）缺点）缺点选点布置，难以得到应力及应力场全貌只适于结构表面的应力测试，且只在L内平均应变值连接时间长会有零飘（粘合剂不稳定或对周围环境敏感）粘贴工艺技术性强不可重复使用3.3.应变计的粘贴技术应变计的粘贴技术4.4.应变计的构造及技术指标应变计的构造及技术指标（1 1）构造）构造敏感栅:是应变片将应变变换成电阻变化量的敏感部分。由金属或半导体材料组成的单丝或栅状体。其形状和尺寸直接影响应变片的性能。尺寸用栅长和栅宽表示，即规格。基底和盖层:起定位和保护作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘。粘结剂:是一种具有绝缘性能的粘结材料引出线:与电阻丝连接在一起，通过测量导线介入应变测量桥。（2 2）主要技术指标）主要技术指标标距:敏感栅在纵轴方向的有效长度，应变值是在标距内的平均应变，应根据试件测点处应变梯度的大小来选择标距。电阻值:应与应变仪中的测量电路配套，一般取120灵敏系数:出厂前抽样测试确定，表示单位应变引起应变计的相对电阻变化。应使应变计的灵敏系数与应变仪相同，否则应做修正。5.5.应变计的分类应变计的分类6.6.电阻应变计工作原理电阻应变计工作原理应变测量的原理-物理学和数学知识K0为电阻应变片的灵敏系数为电阻丝材料的泊松比两边取对数两边微分结论结论：电阻变化率与机械应变呈线性关系.实现了电量与非电量的转化.7.7.电阻应变仪的测量电桥电阻应变仪的测量电桥惠斯登电桥基本原理 应变仪仪器面板上有四个接线柱，分别是A、B、C、D，其中AC是输入端，BD是输出端。ABR1 BCR2 CDR4 DAR3电路平衡时：A到D电压降等于A到B电压降：C到D电压降等于C到B电压降：电路平衡时，输出电压为0(UBD=0),所以I1=I2，I3=I4代入上式 有R2R3=R1R4成立（电桥平衡条件）1/4电桥：R1R1+R1电桥中只有一个桥臂AB上为工作片，桥臂BC上为补偿片，另二个桥臂为固定电阻。半桥：R1R1+R1，R2R2+R2电桥中二个桥臂上为工作片，另二个桥臂为固定电阻。全桥：R1R1+R1，R2R2+R2R3R3+R3，R4R4+R4电桥中的四个桥臂上均为工作片。1/4电桥：R1R1+R1 UBD=UAB+UAD=I1(R1+R1)-I3R3 =(R1R4-R2R3+R1R4)*U/(R1+R2)*(R3+R4)当取R=R1=R2=R3=R4(等臂电桥),将 代入上式 输出电压：UBD=U/4K11/4电桥：UBD=U/4K1半桥：UBD=U/4K(1-2)全桥：UBD=U/4K(1-2+3-4)结论：当RR时，惠斯登桥路的输出电压与四个桥臂应变的代数和成线性关系。相邻桥臂的应变符号相反，相对桥臂的应变符号相同。平衡电桥原理偏位测定法利用桥路不平衡输出进行测量的电桥称为“不平衡电桥”，对应测量方法称为“偏位测定法”。该法适用于动态应变测量。零位测定法通过测量可变电阻值来测量应变的方法，该法适用于静态应变测量。8.温度补偿技术温度效应用电阻应变片测量应变时，除了能感受试件应变外，还由于环境温度的变化，同样也能通过应变片的感受而引起应变仪的示值变化，这种变化称为“温度效应”。“温度效应”的原因温度补偿方法-消除“视应变”外设补偿片法工作片R1,试件上贴补偿片R2，补偿块上贴（R1=R2）R3和R4是机器内部的两个固定电阻PtR1Pt1=P+tR20t1=0+t结论：UBD=U/4K(1-2)=UK/4P测量结果仅为构件受力P后产生的应变P该接线方式对输出无放大作用，温度产生的应变t 自动消除。具体补偿几片由被测试件材性、测点位置及环境等因素确定单片单补1个工作片，1个补偿片。如砼单片多补多个工作片，1个补偿片。如钢结构材料导热性好，应变片相应散热快；实桥野外试验，必须注意温度场不同（桥体上方、下方、迎风或背风），宜出现数据回零差，重复性差及零飘等。工作片互补 当某些构件存在应变符号相反，比例关系一致，温度环境相同的2个或4个测点，可将这些应变片按照符号不同，分别接在相应的邻臂上，它们既是工作应变片，又互为温度补偿。互补半桥法互补全桥法桥臂特性应用提高灵敏度测拉除弯测弯除拉注意事项：注意事项：应变仪显示的应变值，正负总以AB桥臂上接的应变片为准，AB间接受拉片，读数为正值，反之为负值。横向应变（泊松效应）-P惠斯登电桥一定有四个桥臂，其中固定电阻一般是仪器里设定的。桥臂输出放大系数A，外荷载下实际应变为实测值仪除以桥臂系数A。灵敏系数与电桥的有源工作数目n有关，n大则K大。在选择测量电桥组合形式时，要优先选输出电压高，能实现温补并便于分析的桥路组合。二、机测法测应变二、机测法测应变（一）手持式应变仪（一）手持式应变仪适用：手持式应变仪常用于持久的现场应变测量，是建筑结构专用测量应变的仪器，可适用于非常恶劣的应变测试环境，测量结构混凝土表面应变具有足够的精度。1.1.工工作原理作原理 在标距两端粘贴两个脚标，通过测量结构变形前后两个脚标之间距离的改变，求得两点间的平均应变。2.2.使用方法使用方法根据试验的要求确定和选择应变仪的测量标距。在测量标距的两个端点处各粘贴一个脚标，脚标要求粘贴牢固；在结构变形前，使用手持式应变仪测量两脚标的距离为L；结构变形后，使用手持式应变仪再次测量两脚标的距离为L；变形前后的读数差即为标距两端的相对位移，3.3.特点特点（二）位移计工作原理与操作手法与手持式应变仪基本相同，测一条直线上两点间相对位移，其测量精度高于手持式。适用范围广，标距可以任意选择，广泛应用与大多数实际结构或足尺构件的应变测量。不同于手持式在与位移计一直固定在脚标上。4.4 4.4 位移测量仪器位移测量仪器一、线位移传感器一、线位移传感器结构线位移包括结构的反应和对结构的作用及支座位移，是某一点相对于另一点的位移，及测点相对于位移传感器支架固定点的位移。1.工作原理：用一个可以滑动的测杆来感受线位移，然后，把这个位移量用各种方法转换成表盘读数或各种电量表示出来。2.分类（1）百分表、千分表、挠度计百分表（刻度值为0.01mm）或千分表（刻度值为0.001mm）是直读式位移计，测点的位移是通过测杆上下移动带动齿条及齿轮组将测量值放大，最后利用指针的旋转表示位移量的大小。电子百分表的外形与机械百分表相似，其内部将测量的位移量转换成悬臂梁固定端的变形量，利用电阻应变测量技术对梁的变形进行测量来反映位移的大小，也可进行直读。在实际的位移测量中百分表和电子百分表是固定在磁性表座上，磁性表座吸在位移参照物的支架或支座上。滑线阻式位移传感器组成：测杆、滑线电阻和触头等工作原理：利用应变电桥进行测量。在仪器内设置四个无感电阻R1、R2、R3、R4，触点将滑线电阻分为了R1和R2，工作时将R1和R2分别接入电桥，预调平衡后输出电压为0，当试件产生位移时，测杆随之移动，带动触点在电阻丝上滑动，从而R1和R2产生增量+R和-R，由相邻桥臂电阻增量相减得：采用这样的半桥接线时，输出量与电阻增量成正比，即于应变（位移）成正比。特点：结构简单、输出信号大，但因由活动触点，寿命受磨损影响。应变梁式位移传感器组成：测杆、悬臂梁、应变片和弹簧工作原理：将弹簧与悬臂梁串联，在悬臂梁的根部分别贴2片，组成全桥电路。悬臂端与弹簧相连，当试件产生位移时，测杆随之移动，弹簧使悬臂梁弯曲，悬臂梁上的应变片产生应变，通过电阻应变仪测得应变与试件位移之间的关系。可见，采用全桥接法且贴片符合图示位置时，桥路输出灵敏度最高，应变放大了4倍。特点：分辨率高、反应速度快，但精度和稳定性受应变片粘贴质量影响。二、角位移测量二、角位移测量角位移传感器附着在结构上，随着结构一起发生位移变化，通常是以重力作用线为参考系，测量传感元件与之偏离的程度。工作原理工作原理：以重力作用线为参考，以感受元件相对于重力线的某一状态为初值。当传感器随测量截面发生角位移后，其感受元件相对于重力线的状态也随之改变，把这个变化量用各种方法转换成表盘读数或各种电量。（1）杠杆式测角器主要指受力结构的节点、截面或支座截面将刚性杆1固定在试件2测点上，结构变形带动刚性杆1转动，用位移计测出3、4两点的位移，即可算出转角。（2）水准管式倾角仪（3）水准式角度传感器 用液体摆来感受角位移，液面的倾斜将引起电极A、B之间和B、C之间的电阻改变，把电极A、B、C接入测量电桥，就可以得到与角位移相对应的电压输出。可以把传感器固定在参考截面或参考物体上，通过测量该截面上控制点相对于参考截面或参考物体的位移，就可以得到该截面相对于另一个截面或某一物体的角位移。4.5 4.5 力的量测力的量测一、基本原理一、基本原理用弹性元件感受力或液压，当弹性元件发生变形后，用机械装置把变形按规律放大并显示。二、分类二、分类 机械式：机械传感器 电测式：应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、电感式传感器三、荷载和反力测定三、荷载和反力测定应变式荷载传感器(拉伸型、压缩型及通用型)原理 弹性元件在外力应变电阻变化电压变化，测量输出电压即可反映力的数值。构造 核心部件（圆筒状弹性刚体）外罩-保护应变片 螺纹接口-便于设备与试件连接核心部件：是一个厚壁筒，壁筒上贴有电阻片将机械变形转换为电量。壁筒横截面大小取决于材料最大允许应力。选用力学性能稳定的材料做筒壁；选择稳定性好的应变片和粘合剂；应定期标定已检查荷载应变的线性性能和标定常数。按荷载性质不同分为拉伸型、压缩型、通用型R R1 1R R6 6R R7 7R R8 8R R4 4R R3 3R R2 2R R5 5BACDR R1 1R R4 4R R3 3R R2 2R R6 6R R5 5R R8 8R R7 7（3）标定 将荷载传感器与电阻应变仪全桥联接；用已知荷载的压力机对荷载传感器分级施压；每级已知荷载均会有一个应变值与其对应（Ni-i)；观察（Ni-i)线性关系，每单位力应变值（即荷载传感器标定值）。四、拉力与压力的测定四、拉力与压力的测定4.6 4.6 裂缝量测裂缝量测裂缝量测的主要内容：1.开裂：即开裂的时刻和位置 放大镜法 应变计搭接法或导电漆膜法 声发射法2.度量：即裂缝的长度和宽度 读数显微镜 裂缝卡尺此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢