土木工程量測(cè)技術(shù)

1、2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,土木工程靜載試驗(yàn),土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的目的不僅要了解結(jié)構(gòu)性能的外觀狀態(tài)，更重要的是要取得評(píng)定結(jié)構(gòu)性能的定量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是反映結(jié)構(gòu)性能變化的重要指標(biāo)，只有取得了可靠的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)變化特征，才能對(duì)結(jié)構(gòu)性能作出正確的結(jié)論。要取得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就必須了解各種測(cè)量?jī)x器，正確使用它們。試驗(yàn)量測(cè)技術(shù)：量測(cè)方法、量測(cè)儀器、量測(cè)誤差分析。主要量測(cè)內(nèi)容：位移、撓度應(yīng)力、應(yīng)變、曲率、裂縫、自振頻率、振型、阻尼等。,土木工程靜載試驗(yàn)

2、,2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,,,,,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,（1）量程（2）刻度值（3）精確度（精度）（4）靈敏度（5）分辨率,（6）滯后（7）零位溫漂和滿量程熱漂移（8）線性范圍（9）頻響特性（10）相移特性,P32,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,在選用量測(cè)儀器時(shí)，應(yīng)考慮以下要求：（1）符合量測(cè)所需的量程及精度要求。（2）對(duì)于安裝在結(jié)構(gòu)上儀器或傳感器，要求自重輕、體積小，不影響結(jié)構(gòu)的工作

3、。（3）同一試驗(yàn)中選用的儀器儀表種類應(yīng)盡量少，以便統(tǒng)一數(shù)據(jù)的精度，簡(jiǎn)化量測(cè)數(shù)據(jù)的整理工作和避免差錯(cuò)。（5）選用儀器時(shí)應(yīng)考慮試驗(yàn)的環(huán)境條件。（機(jī)械式和電阻式）,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,為了確定儀器的精確度或換算系數(shù)，確定其誤差，需將儀表指示值和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，這一工作稱為儀器的率定。所有新生產(chǎn)或出廠的儀器都要經(jīng)過率定；正在使用的儀器也必須定期進(jìn)行率定，因?yàn)閮x器經(jīng)長(zhǎng)期使用，其零件總有不同程度的磨損，或者損壞后經(jīng)檢

4、修的儀器，零件的位置會(huì)有變動(dòng)，難免引起示值的改變。儀器除需定期率定外，在重要的試驗(yàn)開始前，也應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行率定。,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,應(yīng)變測(cè)量一般是用應(yīng)變計(jì)測(cè)出試件在一定長(zhǎng)度范圍 （稱為標(biāo)距）內(nèi)的長(zhǎng)度變化 △L，再計(jì)算出應(yīng)變值= △L/L 。應(yīng)變量測(cè)方法和儀器很多，主要有電測(cè)與機(jī)測(cè)兩類，其中電測(cè)法不僅具有精度高、靈敏度高、可遠(yuǎn)距離量測(cè)和多點(diǎn)量測(cè)、采集數(shù)據(jù)快速、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，而且便于將量測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)和計(jì)算機(jī)或微

5、處理機(jī)連接，為采用計(jì)算機(jī)控制和用計(jì)算機(jī)分析處里試驗(yàn)數(shù)據(jù)創(chuàng)造了有利條件。,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,1.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),a.應(yīng)變片的構(gòu)造,b.常用應(yīng)變片實(shí)體,c.正在使用中的應(yīng)變片,應(yīng)變片對(duì)電阻柵金屬材料的要求：電阻柵的靈敏系數(shù)在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)和盡可能大，具有足夠的熱穩(wěn)定性（高溫時(shí)抗氧化性能好）、較高的電阻率、較好的加工性能和焊接性能。,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,2.應(yīng)變片的測(cè)量原理,由電學(xué)

6、可知，金屬導(dǎo)體的電阻與其長(zhǎng)度成正比、與其截面積成反比（電阻絲的應(yīng)變?cè)砣鐖D）。應(yīng)變片的電阻柵同樣遵循這一原理。當(dāng)電阻柵的長(zhǎng)度 、截面積和電阻率變化時(shí)，則有,,,,,,,式中 ——應(yīng)變；K——電阻柵金屬材料的靈敏系數(shù),圖2.16 電阻絲的電阻應(yīng)變?cè)?土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,4.應(yīng)變儀的測(cè)量原理,電阻應(yīng)變儀的測(cè)量原理是通過惠斯登電橋（Wheatstone bridge circuit），將微小電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂?/p>

7、流變化，惠斯登電橋是由4個(gè)電阻R1、R2、R3和R4組成，4個(gè)電阻構(gòu)成電橋的4個(gè)橋臂。,,圖2.17 惠斯登電橋,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,根據(jù)電工學(xué)原理 :,在電橋的B、D端輸出電壓為UBD與電橋的A、C端的輸入電壓UAC的關(guān)系為：,當(dāng)4個(gè)電橋的電阻滿足 時(shí)，電橋的輸出電壓為零，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。,假設(shè)初始狀態(tài)為平衡狀態(tài)，受力后橋臂電阻分別有微小的電阻增量 、 、

8、 和 ，這時(shí)電橋輸出電壓的增量 為:,圖2.17 惠斯登電橋,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,5.溫度補(bǔ)償原理,溫度變化時(shí)應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)變，為了消除溫度變化引起的測(cè)量應(yīng)變誤差，可利用惠斯頓電橋的特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償快不受任何外荷載作用，僅感受溫度變化引起的熱應(yīng)變；當(dāng)補(bǔ)償塊放置在與測(cè)點(diǎn)相同的溫度場(chǎng)中時(shí)，則由補(bǔ)償塊產(chǎn)生的熱應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)的熱應(yīng)變相等，所以，補(bǔ)償應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)?根據(jù)

9、半橋測(cè)量應(yīng)變的公式，則有,此時(shí)，應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變值，已不包括溫度變化引起的熱應(yīng)變。該測(cè)試方法消除了溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，故稱之為溫度補(bǔ)償法。在全橋測(cè)量中，R1和R3為測(cè)量工作應(yīng)變片，R2和R4為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，同樣起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,6.測(cè)量橋路,根據(jù)橋臂上工作應(yīng)變片的數(shù)量，測(cè)量方式主要有全橋電路、半橋電路和1/4橋電路。,全橋電路,全橋電路就是在量測(cè)橋的四個(gè)橋臂上全部接入工作應(yīng)變片，其中相鄰

10、臂上的工作片兼作溫度補(bǔ)償片，現(xiàn)假定選取的四個(gè)橋臂應(yīng)變片的阻值都相等（全等臂電橋），即R1= R2= R3= R4= R，且每個(gè)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) 也相同，則上式變?yōu)椋?半橋電路,半橋電路是有兩個(gè)工作片和兩個(gè)固定電阻組成，則,土木工程靜載試驗(yàn),1/4橋電路,1/4橋電路常用于量測(cè)應(yīng)力場(chǎng)里的單個(gè)應(yīng)變，即只有R1變化，而R2、R3和R4不變化，則,7.多點(diǎn)測(cè)量線路,在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，一般要求應(yīng)變儀具有多個(gè)測(cè)量橋，這樣就可以進(jìn)行多測(cè)點(diǎn)的測(cè)量工作。

11、多點(diǎn)測(cè)量線路主要有工作肢轉(zhuǎn)換法和中線轉(zhuǎn)換法。工作肢轉(zhuǎn)換法每次只切換工作片，溫度補(bǔ)償片為共用片；中線轉(zhuǎn)換法每次同時(shí)切換工作片和補(bǔ)償片，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)自動(dòng)切換測(cè)點(diǎn)而形成測(cè)量橋。,2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,構(gòu)造組成：? 引出線? 覆蓋層? 敏感柵? 基底58,dRR,= Kε,K：靈敏系數(shù)ε：應(yīng)變,單位應(yīng)變引起的相對(duì)電阻變化,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,構(gòu)造組成：

12、? 引出線? 覆蓋層? 敏感柵? 基底,電阻值 R：120Ω。,標(biāo)距 l：即電阻柵的有效長(zhǎng)度。,鋼筋片2×1、3×2等，砼片80×4、100×5等（大于4倍最大粗骨料粒徑，還與應(yīng)變梯度有關(guān)）。,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電阻應(yīng)變片的分類

13、? 按電阻柵的種類分：絲繞式、短接式、箔式、半導(dǎo)體式、焊接式；? 按電阻柵的形狀分：?jiǎn)蜗驊?yīng)變片、應(yīng)變花（雙向、三向）；,? 按基底材料分：紙基、膠基；,? 按使用極限溫度分：低溫、常溫、高溫。60,三向應(yīng)變花,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,3.應(yīng)變片的篩選和粘貼,需注意的幾項(xiàng)原則根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)是否均勻、測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)變變化梯度的大

14、小和被測(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸，確定應(yīng)變片的標(biāo)距（也稱為柵距）；對(duì)于同一測(cè)試構(gòu)件應(yīng)選用相同靈敏系數(shù)的應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，根據(jù)測(cè)量環(huán)境選用不同基底的應(yīng)變片； 應(yīng)變片的篩選有形狀缺陷、斷柵和缺少引線電阻柵，內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點(diǎn)等缺陷的應(yīng)變片等均應(yīng)剔除，并按照應(yīng)變片的阻值大小分組。 應(yīng)變片的粘貼其工藝包括：清除測(cè)點(diǎn)表面雜質(zhì)；劃出應(yīng)變片粘貼的定位線；用膠水粘貼應(yīng)變片接線端子；焊接接線端子并剪去多余的引出線。,,62,電阻應(yīng)變片的粘貼方法,1.檢查

15、和分選應(yīng)變片；,2.粘貼表面測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)備；,3.貼片；,4.固化；,5.粘貼質(zhì)量檢查；,7.防潮處理。,6.導(dǎo)線連接。,,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,具體粘貼實(shí)例,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,5,8,7,6,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,,9,10,11,土木工程靜載試驗(yàn),應(yīng)變片粘貼技術(shù)質(zhì)量的檢查外觀檢查：觀察粘貼層內(nèi)是否有氣泡存在，應(yīng)變片方向與測(cè)試方向是否

16、重合（對(duì)不符合的應(yīng)變片鏟除掉后重新粘貼）； 測(cè)量應(yīng)變片電阻柵的電阻值：發(fā)現(xiàn)測(cè)量阻值與應(yīng)變片原有阻值相差較大時(shí)為不合格，需鏟除重新粘貼； 檢測(cè)電阻柵與被測(cè)結(jié)構(gòu)間的絕緣電阻：該絕緣電阻必須大于20M。,2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,1.手持式應(yīng)變儀,手持式應(yīng)變儀主要有兩片彈簧鋼片連接兩個(gè)剛性骨架組成，兩個(gè)骨架可作無摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。骨架兩端帶有錐形插腳，測(cè)量時(shí)將插腳插入結(jié)構(gòu)表面上預(yù)置的腳座中，結(jié)構(gòu)表面

17、上的兩個(gè)預(yù)置腳座之間的距離為測(cè)量標(biāo)距。試件的應(yīng)變由裝在骨架上的千分表讀出。,圖2.18 手持式應(yīng)變儀1—?jiǎng)傂怨羌埽?—插軸；3—骨架外凸緣；4—千分表測(cè)桿；5—薄鋼片；6—千分表,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,1.千分表測(cè)位移裝置,千分表測(cè)應(yīng)變裝置是一個(gè)自制的應(yīng)變測(cè)量裝置，它有兩個(gè)粘貼在試件上的腳座，分別固定千分表和剛性桿，測(cè)量標(biāo)距可通過調(diào)節(jié)兩個(gè)腳座的距離任意確定。構(gòu)件伸長(zhǎng)（縮短）量由千分表讀出，除以標(biāo)距即算得應(yīng)變。它

18、的特點(diǎn)是裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高、可重復(fù)利用。但由于腳座較長(zhǎng)，不適合測(cè)量有彎曲變形的構(gòu)件。,千分表測(cè)應(yīng)變裝置1—千分表；2—腳座；3—?jiǎng)傂詶U,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,位移是工程結(jié)構(gòu)承受荷載作用后最直觀的反應(yīng)，是反映結(jié)構(gòu)性能的最主要參數(shù)，通過位移測(cè)定，不僅可了解結(jié)構(gòu)的剛度及其變化，還可以區(qū)分結(jié)構(gòu)的彈性和非彈性性質(zhì)。結(jié)構(gòu)任何部位的異常變形或局部損壞都會(huì)在變形上得到反映。,線位移的量測(cè)儀器較多，常用的有百分表、千分表、電

19、子百分表、電阻式位移傳感器、線性差動(dòng)電感式位移傳感器等。,1.機(jī)械式(電子式)百分表和千分表,百分表的表盤按0.01mm刻度，讀數(shù)精度可以達(dá)到0.005mm。量程一般為10mm、30mm和50mm；千分表的構(gòu)造與百分表基本相同，但精密齒輪的放大倍數(shù)不同，其測(cè)量精密度可達(dá)到0.001mm或0.002mm?，F(xiàn)在電子千分表的使用也較多，其量程相比機(jī)械式要大，操作簡(jiǎn)便快捷，讀數(shù)方便準(zhǔn)確，應(yīng)用較廣。,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,機(jī)械

20、式百分表,電子式百分表,2.張拉式位移傳感器,通過鋼絲與被測(cè)物體相連，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，重錘牽引纏繞鋼絲推動(dòng)傳感器指針旋轉(zhuǎn)，然后從傳感器的表盤讀數(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是量程幾乎不受限制，可以用于大變形條件下的位移測(cè)量。傳感器表盤的讀數(shù)精度為0.1mm。在野外條件下采用張拉式位移傳感器時(shí)，應(yīng)注意溫度對(duì)鋼絲長(zhǎng)度的影響，提高測(cè)量精度。,張拉式位移傳感器,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,3.電阻應(yīng)變式位移傳感器,電阻應(yīng)變式位移傳感器的測(cè)桿通

21、過彈簧與一固定在傳感器內(nèi)的懸臂梁連接，在懸臂梁的根部粘貼電阻應(yīng)變片。測(cè)桿移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)彈簧使懸臂受力產(chǎn)生變形，通過電阻應(yīng)變儀測(cè)量電阻應(yīng)變片的應(yīng)變變化，再轉(zhuǎn)化為位移量。,4.滑動(dòng)電阻式位移傳感器,滑動(dòng)電阻式位移傳感器（左圖）的基本原理是將線位移的變化轉(zhuǎn)換為傳感器輸出電阻的變化。與被測(cè)物體相連的彈簧片在滑動(dòng)電阻上移動(dòng)，使電阻 的輸出電壓值發(fā)生變化，通過與 的參考電壓值比較，即可得到 輸出電壓的改變量。,電阻應(yīng)變式位移傳感器,機(jī)械式百分表,1—

22、測(cè)桿；2—彈簧；3—外殼；4—刻度；5—電阻應(yīng)變計(jì)；6—電纜；7—懸臂梁,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,5.線性差動(dòng)電感式位移傳感器,線性差動(dòng)電感式位移傳感器，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)VDT，工作原理是通過高頻振蕩器產(chǎn)生一參考電磁場(chǎng)，當(dāng)與被測(cè)物體相連的鐵芯在兩組感應(yīng)線圈之間移動(dòng)時(shí)，由于鐵芯切割磁力線，改變了電磁場(chǎng)強(qiáng)度，感應(yīng)線圈的輸出電壓隨即發(fā)生變化。通過標(biāo)定，可確定感應(yīng)電壓的變化與位移量變化的關(guān)系。,圖2.25 線性差動(dòng)電感式位移傳感器

23、1—初級(jí)線圈；2—次級(jí)線圈；3—圓形筒；4—鐵芯,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,角位移傳感器附著在結(jié)構(gòu)上，隨結(jié)構(gòu)一起發(fā)生位移。常用的角位移傳感器有水準(zhǔn)式傾角儀和電子式傾角儀。,1.水準(zhǔn)式傾角儀,水準(zhǔn)管1安置在彈簧片4上，一端鉸接與基座6上，另一端被微調(diào)螺絲3頂住。當(dāng)儀器用夾具5安裝在測(cè)點(diǎn)上后，用微調(diào)螺絲使水準(zhǔn)管的氣泡居中；結(jié)構(gòu)變形后氣泡漂移，再扭動(dòng)微調(diào)螺絲使氣泡重新居中，度盤前后兩次讀數(shù)的差即為測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、精

24、度高；缺點(diǎn)是受濕度及振動(dòng)影響大，在陽光下暴曬會(huì)引起水準(zhǔn)管爆裂。,水準(zhǔn)式傾角儀1—水準(zhǔn)管；2—刻度盤；3—微調(diào)螺栓；4—彈簧片；5—夾具；6—基座；7—活動(dòng)鉸,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,2.電子傾角儀,電子傾角儀實(shí)際上是一種傳感器，是通過電阻變化測(cè)定結(jié)構(gòu)某部位的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。若將AB、BC視作惠斯登電橋的兩個(gè)臂，則建立電阻改變量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度 間的關(guān)系就可以用電橋原理測(cè)量和換算傾角 。,小型磁力數(shù)顯電子傾角儀實(shí)物圖,圖2.27

25、 電子傾角儀,土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,力值量測(cè)儀器的基本原理都是用一彈性元件去感受力或液壓，彈性元件在力的作用下，發(fā)生于外力或液壓成對(duì)應(yīng)關(guān)系的變形。常用的力傳感器可分為機(jī)械式、電阻應(yīng)變式和振動(dòng)弦式等不同類型。,機(jī)械式力傳感器的種類很多，其基本原理是利用機(jī)械式儀器測(cè)量彈性元件的變形，再將變形轉(zhuǎn)換為彈性元件所受的力。,圖2.28 環(huán)箍式拉力計(jì),1—指針；2—中央齒輪；3—弓形彈簧；4—耳環(huán)；5—連桿；6—扇形齒輪；

26、7—可動(dòng)接板,握力計(jì),土木工程靜載試驗(yàn),2.3 試驗(yàn)量測(cè)儀器,電阻應(yīng)變式力傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)力儀器。它是利用安裝在力傳感器上的電阻應(yīng)變片測(cè)量傳感器彈性變形體的應(yīng)變，再將彈性體的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換電信號(hào)輸出，并用電子儀器顯示的測(cè)力計(jì)，稱為測(cè)力傳感器，也稱荷載傳感器。根據(jù)荷載性質(zhì)不同，荷載傳感器的形式分為拉伸型、壓縮型和拉-壓型三種,圖2.30 荷載傳感器全橋接線1~4—電阻應(yīng)變片,實(shí)物圖,實(shí)物圖構(gòu)造圖,土木工程靜載試驗(yàn),2.3

27、 試驗(yàn)量測(cè)儀器,對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)，裂縫的發(fā)生和發(fā)展是結(jié)構(gòu)受力的重要特征。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，常見的斷裂發(fā)生在應(yīng)力集中的部位和焊縫部位。,1.觀察方法,貼應(yīng)變片,涂導(dǎo)電漆膜,超聲波檢測(cè),最常用的方法是在試件表面涂白石灰水并待其干燥，試件受荷后，便會(huì)在石灰涂層表面留下裂縫，借助放大鏡用肉眼觀察裂縫的出現(xiàn)。,利用粘貼在混凝土受拉區(qū)的電阻應(yīng)變片，當(dāng)混凝土開裂時(shí)，如果裂縫貫穿電阻應(yīng)變片，該應(yīng)變片的讀數(shù)突變，從而可以判斷開裂部位。,在混凝土試件受