1、建筑结构试验建筑结构试验 第三章 结构试验的数据采集和测量仪器 第三章第三章 结构试验的数据采集和测量仪器 3-1 概述 3-2 仪器的工作原理 3-3 应变测量仪器 3-4 位移测量仪器 3-5 力值测量仪器 3-6 裂缝测量仪器 3-7 振动测量仪器 3-8 数据采集系统 3-1 概述概述 1.数据采集的方法 1）人工测量、人工记录，如用直尺测量位移、裂缝宽度；2）仪器测量、人工记录，如用百分表测位移；3）用仪器测量、记录，如X-Y函数仪，或用传感器、放大器和磁带记录仪进行测量和记录；4）用数据采集系统进行测量和记录。2.数据采集的原则：同时性和客观性。3.数据采集时的数据流通过程：对试件
2、的作用和试件的反应：力、位移、速度、加速度、应变、应力、温度、裂缝等 传感器（放大器）（放大器）记录器（显示器）3-1 概述 4.仪器设备按功能分：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、数据采集仪。5.仪器设备按工作原理分：1）机械式仪器；2）电测仪器；3）光学测量仪器 4）复合式仪器；5）伺服式仪器（有控制功能）。7.仪器设备按测量用途分：1）测力仪器；2）位移仪器；3）应变计；4）倾角仪器；5）频率计；6）测振仪器。8.仪器设备按与结构的关系分：1）附着式和非附着式；2）接触式和非接触式。3-1 概述 9.测量仪器的技术指标：1）刻度值；2）量 程；3）灵敏度；4）分辨率 5）线性度；
3、6）稳定性；7）重复性；8）频率响应 10.结构试验对测量仪器的要求 1）仪器自重要轻，不应该影响结构的工作；2）具有合适的灵敏度和量程；3）安装使用方便，稳定性和重复性好，有较好的抗干扰能力；4）价廉耐用，可重复使用；5）多功能，多用途。3-3 应变测量仪器应变测量仪器 应变是单位长度内的变形（拉伸、压缩和剪切）平均应变 根据应力与应变之间的转换关系，通过测结构或构件表面、内部应变来得到结构或构件的 应力状态。钢材的拉伸试验中，在其屈服之前，其应力 应变之间存在着线性关系 我们就可以通过测应变来测应力，而应变测试方法比较简单，因为根据应变的定义：?E?3-3 应变测量仪器应变测量仪器 式中：
4、应变 测区长度的变化量 测区的原始长度，称之为标距标距 LL?L?L3-3 应变测量仪器 如在机测中，将 放大后测量；在光测中，将 变化转换光波长的变化；在电阻应变测试技术中，将 转换为传感元件的电阻并进一步转换为电压的变化等等。L?L?L?3-3 应变测量仪器 应变测试的仪器和方法：应变测试的仪器和方法：电阻应变仪 手持应变仪 位移计方法（附着式应变仪）光测法（云纹法、激光衍射法、光弹法）3.3.2 电测法电阻应变测试技术 电测法：利用电的某些特性如电阻、电流、电压、频率等的变化与结构应变之间的转换关系来测定结构的应变。电阻应变测试技术的基本原理 通过粘贴在结构表面上的传感元件（电阻应变片）
5、把所测的结构应变转换为电阻的变化，再通过桥路、仪器把电阻的变化转换为电压的变化并加以放大，由显示器显示出应变值。工作框图：结构应变电阻值应变片桥路 电压应变指数3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术 电阻应变片的特性：电阻应变片的特性：几何尺寸：标距0.2300mm 电阻值：120欧左右 灵敏系数(K)2.0左右 横向敏度(H)应变片主轴方向的应变引起垂直于主轴方向的 应变响应 极限应变应变片的工作限度（2000微应变）绝缘电阻电阻应变片的引出线与结构材料之间的电阻值 （200M欧以上）最大工作电流25100mA（电阻丝通电会发热）机械滞后应变片感受结构的变形会滞后一段时间，
6、解决办 法：反复加载几次。零漂与濡变：零漂是指在恒温、结构不受力情况下应变片指示的应变值随时间而变化用/h表示。原因是受潮、电磁场干拢；濡变结构受荷稳定后，应变片指示的应变继续变化。温度效应应通过桥路补偿或自补偿给予消除 3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术 应变片的选用 选类型、选标矩（大、中、小片）1）构件的材性：均质钢丝、钢板、钢筋、有机玻璃用中小片（标距2、3、5、10mm）；非均质砼标距3倍最大粒径(100、150、300mm)2）结构受力：应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方
7、向未知的复杂应力场用三、四轴片 3）环境、气候、时间秋季、时间短用纸基；春季、时间长用胶基 3.3.2 电测法电阻应变测试技术 电阻应变测试技术的优点：电阻应变测试技术的优点：灵敏度高，可测到1 ；标距小，箔式应变片最小标距可达0.2mm，可测点应力，用于应力集中测试；可远距离测试；可测动、静应变；通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪力）、位移等；3.3.2 电测法电阻应变测试技术 缺点：缺点：测表面应力准确度高，测内部应力需要一定技术；测应力集中不准确；测量系统线路多、易干拢，易受环境（温度、湿度、电磁场）干拢；3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 电阻应变片的构造：电阻应
8、变片由三个部份组成：基底基底（纸张、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等胶膜）敏感栅或电阻丝栅敏感栅或电阻丝栅（康铜、镍、铬等特殊材料制成）引出线引出线 基底起到保护及固定敏感栅的作用，敏感栅或电阻丝栅直接感受结构变形并将结构变形转换为电阻变化，引出线连结到测量桥路上；3.3.2 电测法 电阻应变片 应变片构造1敏感丝栅；2基底；3覆盖层；4引出线43121-4 电测法电阻应变片 3.3.2电测法电阻应变片 电阻应变片的工作原理：电阻应变片的工作原理：利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变效应指的是电阻丝的电阻值随其本身变形（伸长或缩短）而改变的一种物理性质。)24(?ALR?3.3.2 电测法电阻
9、应变片 通过数学分析，对R求微分得：由材料力学可知：整理得：令：Ks 电阻丝的灵敏系数 34(/?AALLRR44(/2/?RR)54(/21/?RR/12(45)SK?3.3.2 电测法电阻应变片 由于电阻应变片是由电阻丝按一定规格绕制而成的，因此电阻应变片同样有如下的电阻变化率与应变的关系：其中K为电阻应变片灵敏系数，一般的电阻应变片的灵敏系数比电阻丝的灵敏系数来得小。64(/?KRR3.3.2 电测法电阻应变片 应变片类型应变片类型 1.绕丝式应变片（U式）构造：由电阻丝绕制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基 特点：制作简单、价格便宜、纸基易受潮、横向灵敏度大 引出线电阻丝电阻丝回
10、弯头3.3.2 电测法电阻应变片 应变片类型应变片类型 2.短接式应变片绕丝式的改进（H式）构造：纵横向电阻丝通过点焊连接 特点：横向灵敏度小、焊点易脱落，不适用于动测 横向短接电阻丝引出线点焊3.3.2 电测法电阻应变片 应变片类型应变片类型 3.箔式应变片短接式应变片的改进 构造：敏感栅由很薄的金属箔片采用光刻技术制成，弯头截面大。箔式应变片3.3.2 电测法电阻应变片 箔式应变片的特点:敏感栅截面为矩形，较圆断面大，粘合面积大不易脱落，传递应变较丝式好;具有较大的散热能力；弯头大，横向效应小可忽略；蠕变、机械滞后小、寿命高；由于采用光刻技术，标距可小到0.2mm，可用于点应力测试。3.3
11、.2 电测法电阻应变片 应变片的组成：单轴片 双轴片 三轴片 四轴片 3.3.2 电测法电阻应变片 单轴片双轴片三轴片片片120片片片四轴片3.3.2 电测法电阻应变片 应变片选用应变片选用 结构材性 均质材料：钢丝、钢板、钢筋用中小片（标距2、3、5、10mm）非均质材料：如混凝土应选用标距长的应变片 结构受力 应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的复杂应力场用三、四轴片 3.3.2 电测法电阻应变片 粘贴工艺 选片测点表面处理贴片干燥固化焊线防护粘贴要求：1）测点基底平整、清洁、干燥；2）粘接剂的
12、电绝缘性、化学稳定性和工艺性能良好；3）蠕变小；4）粘贴强度高，温、湿度影响小；5）同一组应变计规格、型号应相同；6）粘贴牢固，方位准确。3.3.2 电测法静态电阻应变仪 将电阻应变片阻值的变化，转换为电压的变化，并放大后测量。4 电测法静态电阻应变仪 3.3.2 电测法静态电阻应变仪 惠斯登电桥（串并联桥路）惠斯登电桥（串并联桥路）BACDRRRR1243UuDB1II23.3.2 电测法静态电阻应变仪 通过电学分析，可得输出电压：对上式求微分，利用R/R=K并令 R1=R2=R3=R4=R，可得：)74()(43214231?RRRRRRRRUUBD3.3.2 电测法静态电阻应变仪 上式表
13、明，输出电压的变化量与桥路电阻应变的关系，完成了 应变电阻电压的转换，从而可以通过测试电压的变化来测试应变，这就是电阻应变仪工作原理，其中：上式表明：桥路总输出应变等于邻臂应变相减，对臂应变相加。)84(40?UKUBD94(43210?3.3.2 电测法静态电阻应变仪 基本测量桥路：全桥测量法 半桥测量法 每臂双片测量法 3.3.2 电测法电测法半桥测量法半桥测量法 3.3.2 电测法半桥测量法（举例）3.3.2 电测法桥路特性 r?2r?(1)r?电桥，温度补偿：半桥（弯曲桥路），温度互补 半桥（泊松比桥路），温度互补 全桥（弯曲电路），温度互补 全桥（弯曲泊松比），温度互补 全桥（泊松比
14、桥路），温度互补 4r?2(1)r?2(1)r?3.3.3 机测法 定义：利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 常用仪器：手持式应变仪 接触式应变仪 手持式应变仪手持式应变仪 手持式应变仪手持式应变仪 手持式应变仪构造原理1刚性的金属杆；2插轴（尖形）；3薄钢片；4千分表；5-千分表的测杆；6刚性的金属杆213L546平均应变 LL?接触式应变计接触式应变计 接触式应变计测装置1金属夹头；2顶杆；3位移计；4试件12341）平均应变 2）精度高于手持式 LL?千分表千分表 10090807060504030208712365千分表构造图 1短针齿轮；2齿轮弹簧；3长针；4测针5一测杆弹簧；6，
15、7齿轮；8一齿条；9一颈箍；10一顶头910千分表千分表 构造：千分表由测杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等各种零部件组合而形成四个机构：传感机构（千分表中的触杆）转换机构（千分表中的大小齿轮及弹簧）指示机构（千分表中的指针）机体和保护部分 工作原理及特点工作原理及特点 机测法工作原理：将测区长度的变化通过千分表的测杆传递给一组齿轮，通过齿轮将长度的变化进行放大并改变方向，转换为指针在刻度盘上的转动并指示出值，进而计算出应变值。机测法特点：机测法特点：安装便捷，读数方便、准确度高、对环境的适应性强，即一般不受温湿度影响，以及电磁场的干扰，性能可靠，但灵敏度不高，需要人工测读、速度慢、工作量大。3.3
16、.4 光测法 定义：利用光的某些特性如波长的变化与应变之间的转换关系，通过光的波长的变化来实现对应变的测量 传感器：光纤布拉格光栅传感器（fiber optic Bragg grating strain sensor）表面式光纤应变传感器表面式光纤应变传感器 内埋式光纤应变传感器内埋式光纤应变传感器 表面式温度光纤传感器表面式温度光纤传感器 内埋式光纤温度传感器内埋式光纤温度传感器 3.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 单向应力场 钢材 1）采用规范弹模计算：2）利用实测应力应变曲线确定：?E?3.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 混凝土混凝土 1）曲线确定法 2）用初始的弹性模量值计
17、算?E?3.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 混凝土混凝土 3）假设曲线法 020002?hhhahRphphahR?00015.01020200?hLLhLhLhR?3.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 双向应力场双向应力场 1）点应变 双向应力场中，任意角度的应变值：取其极值，可得主应变大小及方向：?cossinsincos22xyyx?2200222?xyyxyx?yxxytg?23.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 双向应力场双向应力场 2）点应力 双向应力场中，任意角度的应力值：取其极值，可得主应力大小及方向：?2sin2cos22xyyxyx?220022xyyxyx?
18、yxxytg?2203.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 双向应力中，应力应变关系双向应力中，应力应变关系 或 )(1yxxE?)(1xyyE?xyxyxyEG?)1(2?)(12yxxE?)(12xyyE?3.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 举例45度应片花的计算 1R2R3R45yxyyxx?904502121213.3.5 应变数据处理应力应变转换关系 举例60度应片花的计算 60R32RR1xyyxxyyxx?434341434341120600?3.4 位移测量仪器 线位移传感器线位移传感器 测量量：结构的反应、结构的作用、支座位移 测量仪器：1）机械百分表（千分表）2）电
19、子百分表（千分表）3）滑阻式传感器 4）差动式传感器 5）直尺 3.5 力值测量仪器 测量仪器：力传感器、液压传感器 所测量：作用力、支座反力 种类：1）钢环拉力计 2）环箍式压力计 3）钢丝张力测力计 4）筒式拉压传感器 5）压力传感器 6）拉力传感器 3.6 裂缝测量裂缝测量 结构和构件的裂缝发生、发展、裂缝位置、分布、长度和宽度是反映结构性能的重要指标。对混凝土和砌体结构，裂缝往往是结构破坏的前兆和标志 裂缝测量的内容：1）开裂；2）宽度测量 发现开裂的方法：发现开裂的方法：1）借助放大镜用肉眼观察借助放大镜用肉眼观察 2）应变计 3）导电漆膜 4）声发射法 1 2 垫板 试验台座 支墩
20、 1 2 F?3.6 裂缝测量 裂缝宽度测量方法：裂缝宽度测量方法：1）读数显微镜 2）裂缝卡 3）裂缝塞尺 4）智能裂缝测宽仪 蓝色为智能判读线，红色为辅助电子刻度标尺 混凝土裂缝深度检测混凝土裂缝深度检测 3.7 振动测量仪器 结构动力响应测量：位移、速度、加速度 结构动力特性测量：频率、阻尼、振型 仪器：测振传感器（拾振器）位移计、速度计、加速度计 压电式加速度传感器的主要技术指标：1）灵敏度 2）安装谐振频率 3）频率响应 4）横向灵敏度比 5）幅值范围 3.8 数据采集系统数据采集系统 数据采集系统由三部分组成：数据采集系统由三部分组成：1）传感器部分 2）数据采集仪部分 3）计算机
21、（控制）部分 数据采集仪部分：数据采集仪部分：1）接线模块和多路开关 2）A/D转换器 3）主机 4）存储器 5）其它辅助部件 数据采集的功能：数据采集的功能：1）对大量数据进行快速采集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、存储、试验控 制和人机对话 2）自动化数据采集和试验控制接线模块和多 路开关 数据采集系统种类：数据采集系统种类：1）大型专用系统 2）分散式系统 3）小型专用系统 4）组合式系统 德国德国HBM 公司产公司产MGCPlus 数据采集系统数据采集系统 测试项目：结构的应力、变形及振动特性测试项目：结构的应力、变形及振动特性 技术指标：位移传感器测量范围0 50mm，加速度测试范围加速度测试范围050g，整体测试分析误差在整体测试分析误差在2%以内以内
