第四章--工程结构试验

第四章试验量测技术与量测仪表一、概述1、在结构试验中，当试件受到的内、外部作用(如力、位移、温度等)，试件必定有反应(如应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度等)。通过对“作用”与“反应”的量测（采集数据），经数据分析处理，能了解试件的工作特性，对结构的性能做出定量的评价。采用正确的量测方法，选用可靠的量测仪器设备，采集到准确、可靠的数据。这就是所谓的试验量测技术。由此可以看出对试验（研究）人员的基本要求是：①依据试验目的，用以往所学的知识（如力学、钢砼、钢结构），确定在什么位置施加作用、测什么参数。②对有关的量测仪表的原理、功能、使用技术有所了解（这样能正确的选用、使用仪器设备）。③用以往所学知识，对获取的量测数据能分析总结并对其可靠性要有论断。二、量测仪表的基本概念P41-421、量测仪表的组成：感受部分、放大部分、显示记录部分。其中：•感受部分：从测点处获得被测信号（应变、位移、电压）并传给放大部分的仪器。一般它与试件是接触的。•放大部分：把感受信号通过各种原器件（杠杆、齿轮、电压、电流、电荷、电感、棱镜等）转换放大后传给显示记录部分的仪器。•显示记录部分：把放大部分传来的信号通过指针或数码管或存储器或磁带记录机等进行指示、显示或记录。2、量测仪表的计量（测读）原理①偏位测定法：利用量测仪器在面板上产生的偏转定出被测值，如手表、百分表等。②零位测定法：用已知标准量抵消未知物理量，如：天秤、静态电阻应变仪。由于面板刻度精确度不可能做得很高，故零位法比偏位法量测更精确，特别是电信号经放大更是如此。3、量测仪器的主要指标（P41-42）1）量程：仪器能测量的最大与最小输入量之间的范围称为仪器的量程或量测范围。2）刻度值：仪器指示装置的最小刻度所指示的测量数值。3）分辨率：使仪器指示值发生变化的最小输入值。4）灵敏度K：单位输入量所引起的仪表指示值的变化。K=输出/输入。对于不同物理量的量测仪器，其灵敏度的单位各不相同，如百分表的灵敏度单位是mm/mm。使用时应查对其说明书。所选用的仪器在量测范围内，K要为常数，即K的输出特性曲线为直线。5）精确度：是指仪表指示值与被测真值的符合程度，简称精度。常以最大量程时的相对误差来表示。例如，一台精度为0.2级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量程的±0.2％。即测定值的最大误差÷量程＜±0.2℅.6）滞后：仪器的输入量从起始值增至最大值的测量过程称为正行程；（输入量由最大值减至起始值的测量过程称为反行程。）同一输入量正反两个行程输出值间的偏差称为滞后。常以满量程中的最大滞后值与满量程输出值之比表示。如下图：||100%mHFSHY7）零位温漂和满量程热漂移：指温度不为20℃时，仪器在零位和满量程时输出随温度的变化情况。一般每台仪器都有一温漂曲线，用该曲线对测试环境的温度进行修正。动力作用量测仪表：8）线性范围（动）：保持仪器的输入量和输出信号为线性关系时，输入量的允许变化范围。在动态量测中，所选用的仪器一定是在线性范围内工作，否则会使量测结果出现较大的误差。9）频响特性（动）：仪器在不同频率下，灵敏度的变化特性。常以频响曲线(一般以对数频率值为横坐标，以相对灵敏度为纵坐标)表示。在进行高频动态量测时，应将使用频率限制在频响曲线的平坦部分以免引起过大的量测误差。对于传感器，提高其自振频率将有助于增加使用频率范围。10）相移特性（动）：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。若相移特性随频率而变化，则对于具有不同频率成分的复合振动将会引起输出电量的相位失真。常以仪器的相频特性曲线来表示其相移特性。在使用频率范围内，输出信号相对于输入信号的相位差应不随频率改变而变化。此外，由传感器、放大器、记录器组成的整套量测系统，还需注意仪器相互之间的阻抗匹配及频率范围的配合等问题。4、数据的量测方法：直接测量法和间接测量法直接测量法：用一个事先按照标准量分度的测量仪表对某一被测的量进行直接测定，从而得出该量的数值。如用尺量长度间接测量法：不直接测量待求量X，而是对与待求量X有确切函数关系的其他物理量Y1，Y2，…Yn的值进行直接测量，然后通过已知函数关系式求待求量X的值，即X=F(Y1，Y2，…Yn)。如量应力5、仪器设备的率定：•对率定时间要求：①按国家计量有关规定，对外用的仪器设备每年将率定或计量一次，否则数据不具备法律效力；②仪器大修后或长期未使用的；③在重要试验开始前（试验室有率定设备的自己可率定）。•目的：减小系统误差方法：①在专门的率定设备上进行②采用和被率定仪器同一等级的“标准”仪器进行比较③利用标准试件率定仪器6、仪表选用原则（P42）–量程及精度要求•最大量测值不超过2/3量程•最小刻度不大于被测值的5%•动态试验：线性范围、频响特性及相频特性–不影响结构的工作•自重、体积及夹具–仪器仪表种类尽量少，精度要相配–考虑环境情况E1、应力量测实际上就是应变量测，这是因为（弹）或通过曲线（非弹）求得。--ε=ΔL/L（平均应变）L：标距2、L取法：•混凝土：≥最大卵石粒径的2～3倍•砖石：大于4皮砖石•木材：≥20cm•钢材：小标距（视应力梯度而定）3、应变测量工具：•电阻应变片•接触式引伸仪（手持式应变仪、应变装置、双杠杆应变仪）（一）、概述三、应变（应力）量测（二）、常用的应变机测仪表图3.2.1手持式应变仪1．手持式应变仪（hand-heldstraingauge）P43--44图3.2.1为手持式应变仪，为主要由两片弹簧钢片连接两个刚性骨架组成，两个骨架可作无摩擦的相对运动。骨架两端带有锥形插脚，测量时将插脚插入结构表面上预置的脚座中，结构表面上的两个预置脚座之间的距离为测量标距。试件的应变由装在骨架上的千分表读出。2．千分表测应变装置（microdialgauge）P43--44图3.2.2是一个自制的应变测量装置，它有两个粘贴在试件上的脚座，分别固定千分表和刚性杆，测量标距可通过调节刚性杆任意确定。构件伸长（缩短）量由千分表读出，除以标距即算得应变。它的特点是装置构造简单，廉价；测量精度较高；可重复利用；由于脚座较长，不适合测量有弯曲变形的构件。图3.2.2自制应变测量装置1-千分表2-脚座3-刚性杆3、杠杆应变仪用专门的夹具把它固定在被测件上，当测点纤维变形带动活动刀口运动推动杠杆放大（放大倍数约1000倍），刻度值1mm，实际相当于0.001mm。（三）、应变电测法P44--481、电阻应变片工作原理：02;21d2KRdRdRRAdAldldAdAldlRdRdAldAAldlAdRdAARdllRdR：是电阻丝发生单位应变时引起电阻率的变化；对选定的电阻丝而言，是常量。即K是常量。LRAd2、电阻应变片构造和性能I.敏感栅：由电阻丝绕成II.基底和盖层：保护、绝缘。基底尺寸代表应变片的外形尺寸III.粘结剂（粘贴电阻丝）IV.引出线①、构造②、分类–按材料：•金属电阻应变片•半导体应变片（灵敏度高，频响好，可做成超小型但温度系数大）•按生产工艺–金属丝式应变片（便宜）–丝绕式（U型）–短接型（H型、无横向效应）–箔式应变片（真反、蠕变小、抗疲、散热、灵高）–薄膜应变片（耐高温800-1000度）–按敏感栅形状•单轴•多轴（应变花）③、技术性能①标距敏感栅在纵轴方向的有效长度②规格L×B③电阻值120Ω④灵敏系数K（2.0）⑤应变极限：与材料和制作、粘贴用胶有关（1％～3%）L⑥机械滞后:⑦温漂：温度不变，应变随时间的变化值；⑧蠕变：温度、荷载不变，应变随时间的变化值；⑨绝缘电阻：指丝与基底间的电阻值；（50M)横向灵敏系数（在垂直主轴方向应变的响应程度）、温度适用范围（取决于胶）、温度特性（热输出）、频响特性详见电阻片说明书3、电阻应变仪的测量电路–应变仪种类（根据工作频率范围）：•静态应变仪（零位测量法）•动态应变仪（偏位测量法）–电阻应变仪组成：•测量电路•放大器•相敏检波器•电源–测量电路的作用：电阻变化→电流（电压）变化•惠斯登电桥•电位计（1）惠斯登电桥U--44332211221214321RRRRRRRRRRRRURRRRoUBDBD则给每个电阻一个变化，4321443322114321--4KURRK--4UBDBDURRRRRRRRURRRR（平衡状态,仪器显示为零）（全桥）对于半桥：)(421KUUBDCD、AD桥臂为仪器内部的标准固定电阻，△R=0用悬梁举例“布片”（2）接桥的桥路类型：•半桥：ABC半边桥臂上，分别接工作片，另外半边桥臂ADC，分别接仪器内部的两个标准精密固定电阻；•全桥：四个臂上，分别接入应变片；•¼桥：AB桥臂上接工作片，BC接温度补偿片；（3）温度补偿技术温度效应的产生：试件与应变片同时受温度作用，但二材料的线膨胀系数不同，故会产生附加的温度应变；消除温度效应常用方法：①温度补偿片法（1/4桥）②工作片互补法；所谓温度补偿片（消除温度效应的电阻片）：•对于1/4桥该片仅受温度作用且粘贴的材料与工艺和工作片相同，必须放在相同的温度场中。•对于半、全桥量测：临桥上的电阻片即是工作片又是补偿片，称为互补偿，此法不适合砼等非均匀材料的量测。这是因为：在非弹性阶段，相同力在不同点（弹与塑）产生的应变不一样。¼桥一片补偿片可进行单点或多点补偿一个应变片多点补偿工作片的数钢结构：20个混凝土：10个–零位读数法•精确•与电压无关–误差来源：•接触电阻•导线电阻•电桥中的电容、电感①右图只要在滑线电阻上标出应变刻度，即可读取使电流计平衡的电阻片量测值（4）仪器的测读方法②双电桥桥路：•一个连接电阻应变片的测量电桥；•一个能输出与测量电桥变化相反的读数电桥，读数电桥的桥臂由可以调节的精密电阻组成；•当试件发生变形，测量电桥失去平衡，捡流计指针发生偏转，调节读数电桥的电阻，使其产生一个与测量电桥大小相等、方向相反的量，使指针重新指向零。（四）、电阻应变片的使用技术1、应变计的粘贴技术①应变片检查分选（缺陷、阻值0.5％）②测点处理③应变计粘贴（粘贴剂见表5-1）④固化处理⑤粘结质量检查⑥导线连接⑦防潮防护（防潮剂见表5-2）2、电阻应变片测量技术的优点：1）应变片尺寸小、重量轻，安装方便。2）测量灵敏度与精度高3）测量应变的范围广。4）可测量应力梯度较大的构件的应变可量应变大点应变5）频率响应好。可测动应变6）可测量特殊环境下的应变。7）可以实行测量结果的数字化和计算机处理。8）可以制成各种传感器。注意：①、只能测量构件表面的应变。②、应变片的测量值反映的是敏感栅下所覆盖面积下的平均值③、是局部测量。（逐点测量）（全场测量：光弹性法。）3、桥路接法举例：采用不同的接桥方法可以达到以下目的：•¼桥接法：消除温度产生的应力、省电阻片、省粘贴工作量•半桥和全桥接法：①消除温度产生的应力；②消除不利因素（作用）影响；③提高测量精度（增大桥臂输出系数）。例：杆件受拉、弯（设上边受拉）。在构件的上下表面各贴一片电阻片R1和R2，在和试件相同的材料上贴温度补偿片R3和R4，并把补偿片置在相同的温度场当中。R1接AB桥，R2接BC桥，半桥测量结果为：12122NMTNMTM•由此可以看出：消除了温度和轴力N的影响，增大了桥臂系数，即桥臂系数由1变成了2。•同理在AB桥接R1，BC桥接R2，DC桥R3，AD桥接R4的全桥测量，结果为：•R1、R2接AB桥，接BC桥接R3、R4，半桥测量结果为：2M12122222NTTNBCCBECBEAECBEAEParctan211111122max22max22max