第二章 常用检测仪器

第二章常用检测仪器设备2.1概述量测技术、仪器设备、测试元件是轨道交通设施检测的重要技术保障，检测仪器设备的科学性、准确性直接关系到轨道交通设施检测试验能否达到预期的目的。新的量测仪器不断出现，从最简单的逐个测读、手工记录的仪表，到应用电子计算机快速连续采集和处理的量测系统，种类繁多，原理各异。检测试验人员除应对被测参数的性质和要求应有深刻理解外，还必须对有关测量仪器的原理、功能和要求有详细的了解，然后才有可能正确选择仪器并熟练掌握使用方法和技术，达到满意的效果。第二章常用检测仪器设备仪器设备分类：（1）按工作原理分：机械式仪器——纯机械传动、放大、指示。电测仪器——利用机电变换，并用电量显示。光学测量仪器——利用光学原理转换、放大、显示。复合式仪器——有两种以上工作原理复合而成。伺服式仪器——带有控制功能的仪器。（2）按仪器用途分：应变计——钢弦传感器、电阻应变片。位移传感器——百分表、千分表。测力传感器——钢环拉力计。倾角传感器——长水准式倾角测试仪。频率计——索力仪、部分应变仪。测振传感器——INV-306大容量数据采集与处理系统。第二章常用检测仪器设备（3）按仪器与结构的关系分：附着式与手持式接触式与非接触式绝对式与相对式由于电测式仪器仪表在自动化、精度、体积等方面具有优越性，所以得到广泛应用。从发展的角度看，量测仪器目前发展的趋势主要体现在数字化和集成化两方面。国内已开发了多种数据采集与处理软件。仪器设备分类：第二章常用检测仪器设备1、应力应变：（1）应变片→静态应变仪→计算机（2）钢弦→自动采集箱→计算机（3）差动电阻应变计→数字电桥（4）光纤应变传感器→静态光纤应变仪2、变形（挠度、位移、沉降、转角）（1）百分表、千分表→人工读数、记录（2）电阻应变式位移计→静态应变仪→计算机（3）光电式桥梁挠度仪（4）滑线电阻、差动变压器式位移计、连通管式挠度计→专用测量装置（5）倾角仪结构静力试验主要测试内容和测试方法：第二章常用检测仪器设备3、裂缝（1）塞尺、宽度卡→人工读数、记录（2）读数显微镜→人工读数、记录（3）千分表→人工读数、记录（4）裂缝宽度传感器→静态应变仪→计算机4、力（1）电阻应变式力传感器→静态应变仪→计算机（2）弦式力传感器→钢弦读数仪5、温度（1）热敏电阻温度传感器→电阻表（2）数字式温度传感器→计算机（单片机）结构静力试验主要测试内容和测试方法：第二章常用检测仪器设备1、动应力（1）应变片→动态应变仪→数据采集仪→计算机2、变形（挠度、位移、沉降、转角）（1）电阻应变式位移计→动态应变仪→数据采集仪→计算机（2）光电式桥梁挠度仪（3）滑线电阻、差动变压器式位移计→专用测量装置→计算机3、振动（振幅、速度、加速度）（1）电磁式拾振器→放大器→数据采集仪→计算机（2）压电式加速度计→电荷放大器→数据采集仪→计算机4、裂缝裂缝宽度传感器→动态应变仪→数据采集仪→计算机结构动力试验主要测试内容和测试方法：第二章常用检测仪器设备⑴刻度值A：设置有指示装置的仪表，一般都配有分度，刻度值是指分度表上每一最小刻度所代表的被测量的数值。即仪器的最小分度值。刻度值的倒数为该表的放大率，即。⑵量程S：是指测量上限和下限的代数差。也称为仪器仪表可量测的最大范围。⑶灵敏度K：是指某实际物理量的单位输出增量与输入增量的比值。或被测量的单位变化引起仪器示值的变化值。单位输入量所引起的仪表示值的变化。（如输入10个με，指针偏转11με，则灵敏系数为1.1）量测仪表的主要技术性能指标：第二章常用检测仪器设备⑷分辨率：使仪器仪表示值发生变化的最小输入量的变化值。是仪器仪表测量被测物理量最小变化值的能力。⑸滞后：在恒定的环境下，某一输入量从起始量程增至最大量程，再由最大量程减至最小量程，正反两个行程输出值之间的偏差称为滞后。滞后常用全量程中的最大滞后值与满量程输出值之比来表示。引起滞后的原因是由于机械仪表中有内摩擦或仪表元件吸收能量引起的。⑹可靠性：在规定的条件下，（满足规定的技术指标）满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性，或者说构成仪表的元件或部件的功能随时间的增长仍能保持稳定的程度。量测仪表的主要技术性能指标：第二章常用检测仪器设备⑺精确度（精度）：它是精密度和准确度的综合反映。是指仪表指示值与被测值的符合程度。常用满量程的相对误差来表示，仪表精度高，说明随机误差和系统误差小，误差越小，精度越高，工程应用中，为简单表示仪表测量结果的可靠程度，可用仪表精确等级A表示。⑻零位温飘和满量程热漂移：零位温飘：是指当仪表的工作环境不为20℃时，零位输出随温度的变化率。满量程热漂移：是指当仪表的工作环境不为20℃时，满量程输出随温度的变化率。量测仪表的主要技术性能指标：第二章常用检测仪器设备⑼线性范围：保持仪器输入量和输出信号为线性关系时，输入量的允许变化范围。⑽线性度：仪表使用时的校准曲线与理论拟合直线的接近程度。用校准曲线和拟合直线的最大偏差与满量程输出的百分比表示。在动态量测中，对仪表的线性度应严格要求，否则对测量结果引起较大误差。⑾频响特性：指仪器在不同频率下的灵敏度的变化特性，常以频响曲线表示，（对数频率值为横坐标，相对灵敏度为纵坐标）。⑿相移特性：振动参量经传感器转换成电信号或经放大、记录后，在时间上产生的延迟叫相移，常以仪器的相频特性曲线来表示相移特性。量测仪表的主要技术性能指标（动态量测仪表）：第二章常用检测仪器设备2.2机械式仪表百分表、千分表、挠度计都是接触式位移计。三者的外形相似，工作原理相同，但检测的精度和量程不一样。百分表、千分表的量程较小，前者刻度值为0.01mm，后者的刻度值为0.001mm。挠度计的量程较大，刻度值常为0.05mm。特点：使用方便、不受电磁干扰，体积小，但需人工测读，工作强度大，人员不能到达的地方或架子上有人时不适用，一般只能用于静态测量，不适合动态测试。第二章常用检测仪器设备百分表、千分表：图2-1百分表1-测杆；2-小齿轮；3-扇形齿轮；4-中央齿轮；5-长针；6-弹簧；7-轴颈；8-躯体；9-扇形齿轮；10-螺旋形弹簧图2-2百分表构造示意图12345697810第二章常用检测仪器设备张线式位移计：671-钢丝；2-滑轮；3-刻度轮；4-摩擦轮；5-指针；6-环形标尺，7-摩擦力调整螺丝；8-放大率调整螺丝；9-重锤图2-3挠度仪工作原理34856219图2-4挠度仪构造图81263745692145张线钢丝直径一般选用0.3~0.5mm，一端连在桥梁结构的测点上，另一端悬吊适当的重物，百分表通过夹具和钢丝相连接，结构受荷载作用后产生位移，引起钢丝上下移动，钢丝则带动位移计测杆移动，随指针转动即可测读位移变化量。第二章常用检测仪器设备手持式引伸仪：手持式应变仪1-结构；2-金属测头；3-手持引伸仪插足；4-空穴；5-粘结剂图2-6测点粘结金属测头1-插足；2-薄钢片；3-刚性金属片；4-位移计图2-5手持式引伸仪123431L12345第二章常用检测仪器设备测角器：1-平板；2-弹簧；3-水准器；4-活铰；5-测微螺丝；6-刻度圆盘；7-球形铰；8-承环；9-转轴；10-夹子图2-7水准管式倾角仪41235678910L第二章常用检测仪器设备第二章常用检测仪器设备应变式位移计第二章常用检测仪器设备滑线式电阻尺线性差动电感式位移计第二章常用检测仪器设备2.3应变检测仪器设备电阻应变片的工作原理是基于电阻丝具有应变效应，即电阻丝的电阻值随其变形而发生改变。电阻丝感受的应变和它的电阻相对变化成线性关系，当构件受力变形时，敏感元件的截面、长度等尺寸将随构件的变形而变形，因而其电阻值也将发生相应的变化。我们只要用精密仪器测出电阻应变片电阻的变化率，即可得出构件应变的大小，从而求出其承受的应力。第二章常用检测仪器设备应变片的构造（以丝绕式为例）①电阻丝丝栅：是应变片的主要元件，一般由康铜镍铬合金制成。②基底：起定位作用，使电阻丝与被测构件之间绝缘，基底尺寸代表应变片的外形尺寸。常用的材料：硝化纤维（纸基）、聚酰亚胺、特殊环氧树脂、金属薄膜等。③覆盖层：保护电阻丝免受划伤，并避免丝栅短路。④引出线：用于连接导线的过渡部分，一般采用镀银、镀锡或镀合金的软铜线制成，与端子、电阻丝焊在一起。⑤粘结剂：把丝栅、基底和覆盖层牢固地粘成一个整体，或将应变片、基底粘贴在试件表面。是基于电阻丝具有应变效应，即电阻丝的电阻值随其变形而发生改变。第二章常用检测仪器设备应变片的分类按丝栅材料分类：①半导体应变片：体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片②金属应变片：体型应变片（箔式应变片、丝式应变片）、金属薄膜应变片按基底材料分类：纸基应变片、胶基应变片、金属片基应变片、临时基底应变片。按温度场分类：低温应变片（≤-30℃）、常温应变片（-30~60℃）中温应变片（60~350℃）、高温应变片（≥350℃）。第二章常用检测仪器设备第二章常用检测仪器设备应变片的选择（1）标距：根据结构特点和材料，在应变场变化大处或用于传感器上时，应选用小标距的应变片，如钢结构常用5~20mm。在不均匀材料上应选用大标距的应变片，如混凝土材料常用80~150mm。（2）应变片电阻：目前大部分应变仪按120Ω应变片设计，选用时注意与应变仪相一致，否则要按仪器的使用说明书予以修正。（3）灵敏系数：常用的应变片灵敏系数在k=2.0左右，使用时必须调整应变仪的灵敏系数功能键，使之与应变片的灵敏系数一致，否则应对结果修正。第二章常用检测仪器设备应变片的选择（4）基底种类：较为常见的有纸基和胶基两种。常温下的一般测试可用纸基应变片；对于野外试验及长期稳定性要求较高的试验，宜用胶基应变片。（5）敏感栅材料：康铜丝材料的温度稳定性较好，适用于大应变测量。（6）特殊环境和要求的选用特种应变片，如低温应变片、高温应变片、裂纹扩展片、疲劳寿命片等。第二章常用检测仪器设备应变片的贴片技术1.试件表面处理2.定位、贴片3.焊接导线4.质量检查5.固化及防潮处理第二章常用检测仪器设备工作顺序工作内容操作方法要求外观检查借助放大镜肉眼检查无气泡、霉点、外观平直1检查分选阻值检查用0.1Ω精度万用表检查无短路、断路，同一测区应变片阻值相差小于0.5Ω初步定位确定测点的大致位置比应变片周边宽3~5cm的测区测点检查检查测点处的表面状况平整、无缺陷、无裂缝打磨磨光机或1号砂纸打磨平整、无锈、无浮浆清洗脱脂棉蘸丙酮或无水乙醇清洗用干脱脂棉擦时无污染2测点检查准确定位准确画出测点的纵横中心线纵线应与拟测的主应变方向一致上胶用合适的小灰刀在测点均匀涂上预先调制好的一层薄胶应变片的定位标志应于十字中心线对准挤压将应变片放在定位线上，盖上塑料薄膜，用手指沿一个方向挤压，挤出多余的胶胶层应尽可能薄，挤压时应注意保持应变片不滑移加压根据粘胶特性，在应变片上稳压一段时间应达到粘胶的初凝时间3粘贴粘贴端子接线端子靠近应变片引出线用贴片胶粘贴胶达到强度后无松动、脱落自然干燥粘胶达到强度4固化处理人工固化粘胶达到初凝时间后用红外线灯照射或电吹风吹热风加热温度不超过50℃，受热均匀外观检查借助放大镜肉眼检查位置准确、无气泡、粘贴牢固阻值检查用万用表检查无短路、断路5粘贴质量检查绝缘检查用欧姆表检查绝缘电阻达到200MΩ以上引出线绝缘应变片引出线底下涂粘贴胶或贴胶布引出线不能短路导线焊接用电烙铁、焊锡把应变片引出线和测量导线焊接在接线端子上焊点应圆滑、无虚焊6导线连接固定导线用粘胶或胶布固定测量导线轻微摇动导线不影响焊点7防潮防护焊接完成，用万用表检查测量导线连接应变仪的一端，应略大于应变片阻值（含导线电阻）后，在应变片和接线端子涂上防潮胶涂胶面积应大于应变片周边宽约1cm。特殊环境还应增加防机械损伤的缓冲层第二章常用检测仪器设备电桥的测试原理主要有四种桥路：1.单臂1/4桥；2.相邻两臂半桥；3.相对两臂半桥；4.全桥；第二章常用检测仪器设备平衡电桥原理：在实际测量中，应变片的阻值总有偏差，接触电阻和导线的电阻也有差异，使电桥产生不平衡。为了满足实际测量的需求，应