土木工程量测技术.ppt

2.3 试验量测仪器,土木工程静载试验,土木工程结构试验的目的不仅要了解结构性能的外观状态，更重要的是要取得评定结构性能的定量数据，试验数据是反映结构性能变化的重要指标，只有取得了可靠的数据和结构变化特征，才能对结构性能作出正确的结论。要取得可靠的试验数据，就必须了解各种测量仪器，正确使用它们。 试验量测技术：量测方法、量测仪器、量测误差分析。 主要量测内容：位移、挠度应力、应变、曲率、裂缝、自振频率、振型、阻尼等。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,,,,,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,（1）量程 （2）刻度值 （3）精确度（精度） （4）灵敏度 （5）分辨率,（6）滞后 （7）零位温漂和满量程热漂移 （8）线性范围 （9）频响特性 （10）相移特性,P32,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,在选用量测仪器时，应考虑以下要求： （1）符合量测所需的量程及精度要求。 （2）对于安装在结构上仪器或传感器，要求自重轻、体积小，不影响结构的工作。 （3）同一试验中选用的仪器仪表种类应尽量少，以便统一数据的精度，简化量测数据的整理工作和避免差错。 （5）选用仪器时应考虑试验的环境条件。（机械式和电阻式）,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,为了确定仪器的精确度或换算系数，确定其误差，需将仪表指示值和标准量进行比较，这一工作称为仪器的率定。 所有新生产或出厂的仪器都要经过率定； 正在使用的仪器也必须定期进行率定，因为仪器经长期使用，其零件总有不同程度的磨损，或者损坏后经检修的仪器，零件的位置会有变动，难免引起示值的改变。 仪器除需定期率定外，在重要的试验开始前，也应对仪器进行率定。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,应变测量一般是用应变计测出试件在一定长度范围 （称为标距）内的长度变化 △L，再计算出应变值= △L/L 。 应变量测方法和仪器很多，主要有电测与机测两类，其中电测法不仅具有精度高、灵敏度高、可远距离量测和多点量测、采集数据快速、自动化程度高等特点，而且便于将量测数据信号和计算机或微处理机连接，为采用计算机控制和用计算机分析处里试验数据创造了有利条件。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,1.电阻应变片的结构,a.应变片的构造,b.常用应变片实体,c.正在使用中的应变片,应变片对电阻栅金属材料的要求：电阻栅的灵敏系数在尽可能大的应变范围内保持常数和尽可能大，具有足够的热稳定性（高温时抗氧化性能好）、较高的电阻率、较好的加工性能和焊接性能。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,2.应变片的测量原理,由电学可知，金属导体的电阻与其长度成正比、与其截面积成反比（电阻丝的应变原理如图）。应变片的电阻栅同样遵循这一原理。当电阻栅的长度 、截面积和电阻率变化时，则有,,,,,,,式中 ——应变； K——电阻栅金属材料的灵敏系数,图2.16 电阻丝的电阻应变原理,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,4.应变仪的测量原理,电阻应变仪的测量原理是通过惠斯登电桥（Wheatstone bridge circuit），将微小电阻变化转变为电压或电流变化，惠斯登电桥是由4个电阻R1、R2、R3和R4组成， 4个电阻构成电桥的4个桥臂。,,图2.17 惠斯登电桥,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,根据电工学原理 :,在电桥的B、D端输出电压为UBD与电桥的A、C端的输入电压UAC的关系为：,当4个电桥的电阻满足 时，电桥的输出电压为零，这种状态称为平衡状态。,假设初始状态为平衡状态，受力后桥臂电阻分别有微小的电阻增量 、 、 和 ，这时电桥输出电压的增量 为:,图2.17 惠斯登电桥,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,5.温度补偿原理,温度变化时应变片会产生热应变，为了消除温度变化引起的测量应变误差，可利用惠斯顿电桥的特性进行温度补偿。补偿快不受任何外荷载作用，仅感受温度变化引起的热应变；当补偿块放置在与测点相同的温度场中时，则由补偿块产生的热应变与测点的热应变相等，所以，补偿应变片测得的应变为 根据半桥测量应变的公式，则有,此时，应变仪显示的应变值，已不包括温度变化引起的热应变。该测试方法消除了温度对应变测量的影响，故称之为温度补偿法。在全桥测量中，R1和R3为测量工作应变片，R2和R4为温度补偿应变片，同样起到温度补偿的作用。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,6.测量桥路,根据桥臂上工作应变片的数量，测量方式主要有全桥电路、半桥电路和1/4桥电路。,全桥电路,全桥电路就是在量测桥的四个桥臂上全部接入工作应变片，其中相邻臂上的工作片兼作温度补偿片，现假定选取的四个桥臂应变片的阻值都相等（全等臂电桥），即R1= R2= R3= R4= R，且每个应变片的灵敏系数 也相同，则上式变为：,半桥电路,半桥电路是有两个工作片和两个固定电阻组成，则,土木工程静载试验,1/4桥电路,1/4桥电路常用于量测应力场里的单个应变，即只有R1变化，而R2、R3和R4不变化，则,7.多点测量线路,在进行实际测量时，一般要求应变仪具有多个测量桥，这样就可以进行多测点的测量工作。多点测量线路主要有工作肢转换法和中线转换法。工作肢转换法每次只切换工作片，温度补偿片为共用片；中线转换法每次同时切换工作片和补偿片，通过转换开关自动切换测点而形成测量桥。,2.3 试验量测仪器,构造组成： ♦ 引出线 ♦ 覆盖层 ♦ 敏感栅 ♦ 基底 58,dR R,= Kε,K：灵敏系数 ε：应变,单位应变引起的 相对电阻变化,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,构造组成： ♦ 引出线 ♦ 覆盖层 ♦ 敏感栅 ♦ 基底,电阻值 R：120Ω。,标距 l：即电阻栅的有效长度。,钢筋片2×1、3×2等，砼片80×4、100×5等（大于4倍最大粗骨料粒径，还与应变梯度有关）。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,电阻应变片的分类 ♦ 按电阻栅的种类分：丝绕式、短接式、箔式、半导体式、焊接式； ♦ 按电阻栅的形状分：单向应变片、应变花（双向、三向）；,♦ 按基底材料分：纸基、胶基；,♦ 按使用极限温度分：低温、常温、高温。 60,三向应变花,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,3.应变片的筛选和粘贴,需注意的几项原则 根据被测结构的材质是否均匀、测点附近应变变化梯度的大小和被测结构的尺寸，确定应变片的标距（也称为栅距）； 对于同一测试构件应选用相同灵敏系数的应变片进行应变测量，根据测量环境选用不同基底的应变片； 应变片的筛选 有形状缺陷、断栅和缺少引线电阻栅，内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的应变片等均应剔除，并按照应变片的阻值大小分组。 应变片的粘贴 其工艺包括：清除测点表面杂质；划出应变片粘贴的定位线；用胶水粘贴应变片接线端子；焊接接线端子并剪去多余的引出线。,,62,电阻应变片的粘贴方法,1.检查和分选应变片；,2.粘贴表面测点准备；,3.贴片；,4.固化；,5.粘贴质量检查；,7.防潮处理。,6.导线连接。,,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,具体粘贴实例,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,5,8,7,6,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,,9,10,11,土木工程静载试验,应变片粘贴技术质量的检查 外观检查：观察粘贴层内是否有气泡存在，应变片方向与测试方向是否重合（对不符合的应变片铲除掉后重新粘贴）； 测量应变片电阻栅的电阻值：发现测量阻值与应变片原有阻值相差较大时为不合格，需铲除重新粘贴； 检测电阻栅与被测结构间的绝缘电阻：该绝缘电阻必须大于20M。,2.3 试验量测仪器,,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,1.手持式应变仪,手持式应变仪主要有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。,图2.18 手持式应变仪 1—刚性骨架；2—插轴；3—骨架外凸缘；4—千分表测杆；5—薄钢片；6—千分表,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,1.千分表测位移装置,千分表测应变装置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两个脚座的距离任意确定。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、测量精度较高、可重复利用。但由于脚座较长，不适合测量有弯曲变形的构件。,千分表测应变装置 1—千分表；2—脚座；3—刚性杆,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,位移是工程结构承受荷载作用后最直观的反应，是反映结构性能的最主要参数，通过位移测定，不仅可了解结构的刚度及其变化，还可以区分结构的弹性和非弹性性质。结构任何部位的异常变形或局部损坏都会在变形上得到反映。,线位移的量测仪器较多，常用的有百分表、千分表、电子百分表、电阻式位移传感器、线性差动电感式位移传感器等。,1.机械式(电子式)百分表和千分表,百分表的表盘按0.01mm刻度，读数精度可以达到0.005mm。量程一般为10mm、30mm和50mm；千分表的构造与百分表基本相同，但精密齿轮的放大倍数不同，其测量精密度可达到0.001mm或0.002mm。现在电子千分表的使用也较多，其量程相比机械式要大，操作简便快捷，读数方便准确，应用较广。,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,机械式百分表,电子式百分表,2.张拉式位移传感器,通过钢丝与被测物体相连，当被测物体发生位移时，重锤牵引缠绕钢丝推动传感器指针旋转，然后从传感器的表盘读数最大的优点是量程几乎不受限制，可以用于大变形条件下的位移测量。传感器表盘的读数精度为0.1mm。在野外条件下采用张拉式位移传感器时，应注意温度对钢丝长度的影响，提高测量精度。,张拉式位移传感器,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,3.电阻应变式位移传感器,电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一固定在传感器内的悬臂梁连接，在悬臂梁的根部粘贴电阻应变片。测杆移动时，带动弹簧使悬臂受力产生变形，通过电阻应变仪测量电阻应变片的应变变化，再转化为位移量。,4.滑动电阻式位移传感器,滑动电阻式位移传感器（左图）的基本原理是将线位移的变化转换为传感器输出电阻的变化。与被测物体相连的弹簧片在滑动电阻上移动，使电阻 的输出电压值发生变化，通过与 的参考电压值比较，即可得到 输出电压的改变量。,电阻应变式位移传感器,机械式百分表,1—测杆；2—弹簧；3—外壳；4—刻度； 5—电阻应变计；6—电缆；7—悬臂梁,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,5.线性差动电感式位移传感器,线性差动电感式位移传感器，简称为LVDT，工作原理是通过高频振荡器产生一参考电磁场，当与被测物体相连的铁芯在两组感应线圈之间移动时，由于铁芯切割磁力线，改变了电磁场强度，感应线圈的输出电压随即发生变化。通过标定，可确定感应电压的变化与位移量变化的关系。,图2.25 线性差动电感式位移传感器 1—初级线圈；2—次级线圈；3—圆形筒；4—铁芯,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,角位移传感器附着在结构上，随结构一起发生位移。常用的角位移传感器有水准式倾角仪和电子式倾角仪。,1.水准式倾角仪,水准管1安置在弹簧片4上，一端铰接与基座6上，另一端被微调螺丝3顶住。当仪器用夹具5安装在测点上后，用微调螺丝使水准管的气泡居中；结构变形后气泡漂移，再扭动微调螺丝使气泡重新居中，度盘前后两次读数的差即为测点的转角。其优点是尺寸小、精度高；缺点是受湿度及振动影响大，在阳光下暴晒会引起水准管爆裂。,水准式倾角仪 1—水准管；2—刻度盘；3—微调螺栓； 4—弹簧片；5—夹具；6—基座；7—活动铰,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,2.电子倾角仪,电子倾角仪实际上是一种传感器，是通过电阻变化测定结构某部位的转动角度。若将AB、BC视作惠斯登电桥的两个臂，则建立电阻改变量与转动角度 间的关系就可以用电桥原理测量和换算倾角 。,小型磁力数显电子倾角仪实物图,图2.27 电子倾角仪,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,力值量测仪器的基本原理都是用一弹性元件去感受力或液压，弹性元件在力的作用下，发生于外力或液压成对应关系的变形。常用的力传感器可分为机械式、电阻应变式和振动弦式等不同类型。,机械式力传感器的种类很多，其基本原理是利用机械式仪器测量弹性元件的变形，再将变形转换为弹性元件所受的力。,图2.28 环箍式拉力计,1—指针； 2—中央齿轮；3—弓形弹簧；4—耳环； 5—连杆； 6—扇形齿轮；7—可动接板,握力计,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,电阻应变式力传感器是目前应用最广泛的一种测力仪器。它是利用安装在力传感器上的电阻应变片测量传感器弹性变形体的应变，再将弹性体的应变值转换电信号输出，并用电子仪器显示的测力计，称为测力传感器，也称荷载传感器。根据荷载性质不同，荷载传感器的形式分为拉伸型、压缩型和拉-压型三种,图2.30 荷载传感器全桥接线 1~4—电阻应变片,实物图,实物图构造图,土木工程静载试验,2.3 试验量测仪器,对于混凝土结构和砌体结构，裂缝的发生和发展是结构受力的重要特征。对于钢结构，常见的断裂发生在应力集中的部位和焊缝部位。,1.观察方法,贴应变片,涂导电漆膜,超声波检测,最常用的方法是在试件表面涂白石灰水并待其干燥，试件受荷后，便会在石灰涂层表面留下裂缝，借助放大镜用肉眼观察裂缝的出现。,利用粘贴在混凝土受拉区的电阻应变片，当混凝土开裂时，如果裂缝贯穿电阻应变片，该应变片的读数突变，从而可以判断开裂部位。,在混凝土试件受拉区表面涂上一种专用导电漆膜，干燥后两端接入电路。当混凝土裂缝宽度达到0.001~0.005mm时，导电漆膜会出现火花直至烧断，以此判断裂缝出现。,基于发声原理，采声传感器捕捉材料开裂时发射声能所形成的声波，经信号转换后，识别裂缝出现的部位。,肉眼观察,