结构静载试验第4节静载试验仪器设备-课件

结构静载试验第结构静载试验第4 4节静载试验仪器节静载试验仪器设备设备 结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验中结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验中使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试元使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试元件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中观件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中观测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度与测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度与分布、破坏或失稳形态等。分布、破坏或失稳形态等。一、静载试验加载设备一、静载试验加载设备二、试验装置的支座设计二、试验装置的支座设计三、应变测试技术三、应变测试技术四、静载试验用仪器仪表四、静载试验用仪器仪表五、静载试验准备与实施五、静载试验准备与实施六、结构静载试验示例六、结构静载试验示例结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器节静载试验仪器设备设备精品资料4.14.1测量仪表的基本概念测量仪表的基本概念4.24.2结构试验中仪器仪表的选用原则结构试验中仪器仪表的选用原则4.3 4.3 变形测量仪器（位移测试仪表、转角变形测量仪器（位移测试仪表、转角测量仪表）测量仪表）4.44.4力的测量仪器力的测量仪器4.54.5裂缝测量仪器裂缝测量仪器4.64.6温度测量仪器温度测量仪器4.74.7数据采集仪器数据采集仪器测量测量 测量可以广义的理解为试验人员对试验现象的认测量可以广义的理解为试验人员对试验现象的认识的量化过程。识的量化过程。测量技术一般包括：测量技术一般包括：a a 测量方法测量方法 b b 测量仪器仪表测量仪器仪表 c c 测量误差分析测量误差分析 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采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采集和处理的复杂系统。试验人员必须对试验所用的仪器仪表的基本原理集和处理的复杂系统。试验人员必须对试验所用的仪器仪表的基本原理和功能有所了解，才能正确的使用仪器仪表，在结构试验中准确的获得和功能有所了解，才能正确的使用仪器仪表，在结构试验中准确的获得试验数据。试验数据。结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备测量系统基本上由以下几个部分组成测量系统基本上由以下几个部分组成 传感部分传感部分放大部分放大部分显示部分显示部分 传感部分由传感元件或传感器组成，它从试验对象的测传感部分由传感元件或传感器组成，它从试验对象的测点感受信号并传送给放大部分。点感受信号并传送给放大部分。放大部分也称为放大器，它通过各种方式将传感器传来放大部分也称为放大器，它通过各种方式将传感器传来的信号放大并传送至显示部分。的信号放大并传送至显示部分。显示部分将经过放大的机械或电信号通过指针、电子数显示部分将经过放大的机械或电信号通过指针、电子数码管、显示屏等显示。有的仪器将显示部分与记录装置连在码管、显示屏等显示。有的仪器将显示部分与记录装置连在一起。一起。机械式仪表的三部分常组装在一体，电测仪器仪表大多机械式仪表的三部分常组装在一体，电测仪器仪表大多数由三个独立的部分组成数由三个独立的部分组成仪器仪表的基本参数包括主要性能指标，仪器仪表仪器仪表的基本参数包括主要性能指标，仪器仪表运行环境的相关参数（工作电压、温度、湿度）运行环境的相关参数（工作电压、温度、湿度）量程：量程：仪器仪表所能测量的物理量的范围。仪器仪表所能测量的物理量的范围。灵敏度：灵敏度：仪器仪表的输出量的变化仪器仪表的输出量的变化yy与相应输入与相应输入量的变化量的变化xx的比值。的比值。分辨率分辨率:仪器仪表的显示装置所显示的最小变化量仪器仪表的显示装置所显示的最小变化量的测量值。的测量值。准确度：准确度：有时称为精确度或精度，仪器仪表的显示有时称为精确度或精度，仪器仪表的显示值或记录值与被测物理量真实值的符合程度，常用值或记录值与被测物理量真实值的符合程度，常用满量程的相对误差来表示。满量程的相对误差来表示。线性度：线性度：测量系统的实际输入输出特性曲线相对于测量系统的实际输入输出特性曲线相对于理想线性输入输出特性的接近程度。理想线性输入输出特性的接近程度。漂移量漂移量 ：测量系统的输入不变时，系统的输出量测量系统的输入不变时，系统的输出量随时间变化的最大值，有时又称为测量系统的不稳随时间变化的最大值，有时又称为测量系统的不稳定度。定度。结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备结构静载试验对测量仪器的基本原则是：结构静载试验对测量仪器的基本原则是：根据被测物理量的物理性质选择仪器仪表根据被测物理量的物理性质选择仪器仪表的基本功能。的基本功能。预估被测物理量的变化范围选择仪器仪表预估被测物理量的变化范围选择仪器仪表的量程和精度。的量程和精度。选用可靠性程度较高的仪器仪表。可靠性选用可靠性程度较高的仪器仪表。可靠性与精度之间存在矛盾。与精度之间存在矛盾。1 1、结构试验对仪器设备的使用要求、结构试验对仪器设备的使用要求（1 1）具有合适的量程、灵敏度和精度（）具有合适的量程、灵敏度和精度（1%1%）。）。（2 2）安装使用方便，稳定性好，抗干扰能力强。）安装使用方便，稳定性好，抗干扰能力强。（3 3）不影响结构的工作：自重轻，尺寸小。）不影响结构的工作：自重轻，尺寸小。（4 4）同一物理量测量仪器型号尽量相同，避免系）同一物理量测量仪器型号尽量相同，避免系统误差。统误差。（5 5）经济好：价廉耐用，可重复使用，安全可靠。）经济好：价廉耐用，可重复使用，安全可靠。（6 6）按规定存放、使用和标定。）按规定存放、使用和标定。2 2、测量仪器标定、测量仪器标定（1 1）目的：确定仪器设备的灵敏度和精确度，应）目的：确定仪器设备的灵敏度和精确度，应该在试验前或试验前后对仪器设备进行标定。该在试验前或试验前后对仪器设备进行标定。（2 2）标定：）标定：单件标定：单件标定：确定某一件仪器的灵敏度和精确度；确定某一件仪器的灵敏度和精确度；系统标定：系统标定：确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精确度。（实际试验中采用）确度。（实际试验中采用）1 1、位移量测仪器、位移量测仪器 位移反映了结构的整体刚度和工作性能，与应位移反映了结构的整体刚度和工作性能，与应力、应变一样是结构计算和结构性能评定的重要力、应变一样是结构计算和结构性能评定的重要数据。常用的位移测量仪表有各类位移传感器及数据。常用的位移测量仪表有各类位移传感器及其它一些测量仪器及装置。其它一些测量仪器及装置。2 2、其它变形测量仪器、其它变形测量仪器 除应变和位移外，结构试验中转角、曲率等有除应变和位移外，结构试验中转角、曲率等有时也需要进行测量。时也需要进行测量。掌握了基本方法后，还可以自行设计各类测量掌握了基本方法后，还可以自行设计各类测量装置。装置。结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设节静载试验仪器设备备结构静载试验第结构静载试验第4 4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备1 1）各类位移传感器（位移计）各类位移传感器（位移计）常用的位移传感器有机械式百分表、千分表、常用的位移传感器有机械式百分表、千分表、电子百分表、滑阻式位移传感器和差动式位移传电子百分表、滑阻式位移传感器和差动式位移传感器等，如下图。感器等，如下图。这类仪器精度高，可达这类仪器精度高，可达0.01mm 0.01mm 或或0.001mm0.001mm，虽然构造不同，其原理：虽然构造不同，其原理：都是通过机械或电子手都是通过机械或电子手段将测杆感受到的位移放大并显示出来。段将测杆感受到的位移放大并显示出来。几种常用位移传感器构造原理图几种常用位移传感器构造原理图1.1.测杆测杆 2.2.外壳外壳 3.3.弹簧弹簧 4.4.电阻应变片电阻应变片5.5.电阻丝电阻丝 6.6.线圈线圈 7.7.电缆电缆=电阻应变式电阻应变式位移计位移计机械百分表机械百分表=机电百分表机电百分表结构静载试验第结构静载试验第4 4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备 对于大型结构构件如桥梁等，当位移较大、对于大型结构构件如桥梁等，当位移较大、测量精度要求不高时，可用测量精度要求不高时，可用张线式位移传感器张线式位移传感器（图（图3.283.28）、）、连通管连通管（图（图3.293.29）进行测量，也可）进行测量，也可用水准仪、经纬仪及直尺进行测量，其精度不如用水准仪、经纬仪及直尺进行测量，其精度不如上述各类位移传感器，一般在上述各类位移传感器，一般在0.1mm0.1mm1mm 1mm 之间。之间。连通管连通管是一种简单装置，将连通管注水，则各竖是一种简单装置，将连通管注水，则各竖向管水位在一个平面内，试件变形后水位仍在一向管水位在一个平面内，试件变形后水位仍在一个平面内，可利用试件变形前后水位在标尺上的个平面内，可利用试件变形前后水位在标尺上的读数变化，求得试件挠度。读数变化，求得试件挠度。2 2、其它变形测量仪器、其它变形测量仪器结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设节静载试验仪器设备备用液体摆来感受角位移，液面的倾斜将引起电极A、B之间和B、C之间的电阻发生相应改变，把电极A、B和C接人测量电桥，就可以得到与角位移相对应的电压输出。结构静载试验第4节静载试验仪器设备水准管式倾角仪水准管式倾角仪结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备静力试验需要测定的力，主要是荷载和支静力试验需要测定的力，主要是荷载和支座反力，其次有钢丝的张力，还有风压、座反力，其次有钢丝的张力，还有风压、油压、土压力等。测量仪器也有机械式和油压、土压力等。测量仪器也有机械式和电测两种。其品种规格繁多，电测两种。其品种规格繁多，列出一些例子，基本原理不外是列出一些例子，基本原理不外是利用弹性利用弹性元件的弹性变形或应变与其所受外力构成元件的弹性变形或应变与其所受外力构成一定的比例关系而制成的测力装置一定的比例关系而制成的测力装置。机械。机械式测力计利用千分表等测量弹性元件的变式测力计利用千分表等测量弹性元件的变形，电测传感器需要用二次电测仪器如电形，电测传感器需要用二次电测仪器如电子秤、电阻应变仪等测量弹性元件的应变，子秤、电阻应变仪等测量弹性元件的应变，由标定关系得到力值。由标定关系得到力值。结构（尤其是混凝土结构）静力试验、检测中观察裂缝的发结构（尤其是混凝土结构）静力试验、检测中观察裂缝的发生和发展，对于确定开裂荷载，研究结构抗裂性能和破坏过生和发展，对于确定开裂荷载，研究结构抗裂性能和破坏过程有着重要的作用。程有着重要的作用。1 1、开裂：开裂时间和位置。、开裂：开裂时间和位置。1 1）借助放大镜用肉眼观察）借助放大镜用肉眼观察。表面先刷大白浆或涂料。表面先刷大白浆或涂料 2 2）用应变计或导电漆膜交替搭接布置来测量开裂。）用应变计或导电漆膜交替搭接布置来测量开裂。当某处当某处开裂时，该处应变计读数突变或跨裂缝的漆膜出现火花直至开裂时，该处应变计读数突变或跨裂缝的漆膜出现火花直至烧断。烧断。3 3）声发射法：）声发射法：利用材料开裂时发射出声能的现象。将传感利用材料开裂时发射出声能的现象。将传感器布置在试件的表面或内部，通过声波的测量来确定开裂。器布置在试件的表面或内部，通过声波的测量来确定开裂。4 4）裂缝应变计：）裂缝应变计：钢结构断裂试验钢结构断裂试验2 2、裂缝宽度、裂缝宽度:读数显微镜、裂缝标尺读数显微镜、裂缝标尺结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设节静载试验仪器设备备裂缝宽度测量仪器主要有：裂缝宽度测量仪器主要有：（1 1）读数显微镜。）读数显微镜。读数鼓轮上标有刻度，旋动读数读数鼓轮上标有刻度，旋动读数鼓轮，使镜内长线分别处于裂缝两侧边缘并读出两鼓轮，使镜内长线分别处于裂缝两侧边缘并读出两次刻度值。两次读数差即为裂缝宽度。读数显微镜次刻度值。两次读数差即为裂缝宽度。读数显微镜精度一般为精度一般为0.01mm0.01mm，量程可达，量程可达3 38mm8mm。（2 2）裂缝读数卡。）裂缝读数卡。硬质纸片上印有许多宽度不同的硬质纸片上印有许多宽度不同的线条，其宽度为标准宽度，将标准宽度线条与裂缝线条，其宽度为标准宽度，将标准宽度线条与裂缝放在一起，用放大镜比照以测量裂缝宽度。此法放在一起，用放大镜比照以测量裂缝宽度。此法精度较读数显微镜低。精度较读数显微镜低。读数显微镜裂缝标尺结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪节静载试验仪器设备器设备=裂缝宽度观裂缝宽度观测仪测仪裂缝宽度测试裂缝宽度测试=（数字显示）（数字显示）结构静载试验第结构静载试验第4 4节静载试验仪节静载试验仪器设备器设备接触式测温：基于热平衡原理接触式测温：基于热平衡原理非接触式测温：利用热辐射原理非接触式测温：利用热辐射原理 热电偶温度计和热敏电阻温度计。热电偶温度计和热敏电阻温度计。将应变片粘贴在弹性元件上，接成桥路，从而将感将应变片粘贴在弹性元件上，接成桥路，从而将感受到的电信号输出。根据所测力学量不同可做成各种受到的电信号输出。根据所测力学量不同可做成各种传感器，常用的有：传感器，常用的有：1 1、力（载荷）传感器；、力（载荷）传感器；2 2、位移传感器；、位移传感器；3 3、扭矩传感器；、扭矩传感器；4 4、压强传感器；、压强传感器；5 5、加速度传感器；、加速度传感器；应变片式传感器应变片式传感器弹性元件是这类传感器的关键元件，弹性元件是这类传感器的关键元件，因此要求弹性元件：因此要求弹性元件：b b）稳定性好。因而对材料、结构形式，热处理）稳定性好。因而对材料、结构形式，热处理加工等都有一定的要求。加工等都有一定的要求。a）高，弹性范围大。要求弹性元件的最高，弹性范围大。要求弹性元件的最大工作应力处于材料的线弹性范围内。大工作应力处于材料的线弹性范围内。c）为保证灵敏度，要求贴片部位的应变足够大，为保证灵敏度，要求贴片部位的应变足够大，一、测力传感器一、测力传感器根据弹性元件上粘贴应变片处的变形特点，可分为根据弹性元件上粘贴应变片处的变形特点，可分为拉压弹性元件、弯曲弹性元件和剪切弹性元件。拉压弹性元件、弯曲弹性元件和剪切弹性元件。1 1、拉压弹性元件、拉压弹性元件（1 1）柱式弹性元件）柱式弹性元件测拉力或压力的传感器，弹性测拉力或压力的传感器，弹性元件常采用空心圆柱，以便于元件常采用空心圆柱，以便于粘贴应变片和易于热处理、淬粘贴应变片和易于热处理、淬透。为防止失稳，壁厚不易太透。为防止失稳，壁厚不易太薄薄 。应变片在圆筒中部均布，每处贴一纵向片和一横应变片在圆筒中部均布，每处贴一纵向片和一横向片。向片。8 8片应变片组全桥。片应变片组全桥。应变片在圆筒中部均布，每处贴一纵向片和一横应变片在圆筒中部均布，每处贴一纵向片和一横向片。向片。8 8片应变片组全桥。片应变片组全桥。纵向串：纵向串：横向串横向串：各桥臂应变为：各桥臂应变为：应变仪读数应变为：应变仪读数应变为：d=1-2+3-4 圆筒的轴向应变：圆筒的轴向应变：若圆筒截面面积为若圆筒截面面积为A A，则压力，则压力P P与读数应变之间的关系为：与读数应变之间的关系为：由上式可知，压力和应变成线形关系。这仅仅是理论由上式可知，压力和应变成线形关系。这仅仅是理论计算公式。计算公式。实际上截面面积实际上截面面积A A在加载时是变化的在加载时是变化的 ，因，因此每一个传感器的读数应变与力的关系都是要经过严此每一个传感器的读数应变与力的关系都是要经过严格的标定试验确定的。格的标定试验确定的。上述弹性元件受到拉力或压力时很难保上述弹性元件受到拉力或压力时很难保证作用力严格通过柱的轴线，这就使得证作用力严格通过柱的轴线，这就使得弹性元件除了受到轴向力外，还会受到弹性元件除了受到轴向力外，还会受到横向力和弯矩作用。为了消除这种影响，横向力和弯矩作用。为了消除这种影响，在圆筒受载荷端增加两片膜片。在圆筒受载荷端增加两片膜片。（2 2）平板开孔式弹性元件）平板开孔式弹性元件当测量较小载荷时，常选用有小孔的平板作为弹性当测量较小载荷时，常选用有小孔的平板作为弹性元件，将应变片粘贴在孔的边缘。由于孔边产生应元件，将应变片粘贴在孔的边缘。由于孔边产生应力集中，应变比无孔时大得多，可提高测量应变的力集中，应变比无孔时大得多，可提高测量应变的读数。读数。（二）弯曲弹性元件（二）弯曲弹性元件（1 1）悬臂梁式弹性元件）悬臂梁式弹性元件这种弹性元件适用于制这种弹性元件适用于制作小载荷测力传感器。作小载荷测力传感器。在固定端附近上下表面各贴两个应变片，组成全桥，在固定端附近上下表面各贴两个应变片，组成全桥，得读数应变为：得读数应变为：由材料力学可知：由材料力学可知：载荷载荷P P与读数应变的关系为：与读数应变的关系为：问题：当问题：当P P力作用点移动时会产生误差，显然力作用点移动时会产生误差，显然P P与与L L有关。有关。改进后：若改进后：若P P有偏移，两有偏移，两个截面中一个截面弯矩个截面中一个截面弯矩增加，一个截面弯矩减增加，一个截面弯矩减小，且增加量等于减少小，且增加量等于减少量，不会影响读数的大量，不会影响读数的大小。小。（2 2）圆环式弹性元件）圆环式弹性元件1）纯圆环弹性元件：）纯圆环弹性元件：截面截面ABAB的弯矩分别为：的弯矩分别为：组成全桥，得到读数应变与弯曲应变关系为：组成全桥，得到读数应变与弯曲应变关系为：由材料力学可知，若忽略圆环曲率的影响，贴由材料力学可知，若忽略圆环曲率的影响，贴片处的弯曲应变为：片处的弯曲应变为：其中其中 ：b b 是圆环的厚度；是圆环的厚度；h h 是圆环的宽度。是圆环的宽度。（2 2）有加载端的弹性元件）有加载端的弹性元件由于环的两端尺寸加大部分刚由于环的两端尺寸加大部分刚度很大，故可把它看作圆环的度很大，故可把它看作圆环的固定端来进行内力分析。固定端来进行内力分析。截面截面ABAB的弯矩分别为：的弯矩分别为：组全桥，可得到组全桥，可得到P P力与读数应变的关系。力与读数应变的关系。3 3、剪切弹性元件、剪切弹性元件（1 1）梁式剪切弹性元件）梁式剪切弹性元件在梁的中性轴上，各点均为纯剪切应力状态，故沿在梁的中性轴上，各点均为纯剪切应力状态，故沿与轴线成与轴线成 方向粘贴四个应变片，组成全桥，得方向粘贴四个应变片，组成全桥，得到到P P与读数应变的关系为：与读数应变的关系为：特点：当载荷特点：当载荷P P的作用位置由偏移时，中性轴上的剪的作用位置由偏移时，中性轴上的剪应力和应力和 方向上的线应变不会变化，可消除载荷作方向上的线应变不会变化，可消除载荷作用点偏移造成的误差。用点偏移造成的误差。为了尽可能减少弯矩的影响，采用图中结构形式，为了尽可能减少弯矩的影响，采用图中结构形式，使得贴片截面处的弯矩等于零。使得贴片截面处的弯矩等于零。PLP(L-L)LL结构静载试验第结构静载试验第4 4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备1 1、X-YX-Y记录仪记录仪 可直接绘出曲线，精度高，记录速度快，可用静可直接绘出曲线，精度高，记录速度快，可用静载，也可用于低平动载试验。载，也可用于低平动载试验。X-Y记录仪结构静载试验第结构静载试验第4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备1 1）用传感器感受各种物理量，并把它们转换成）用传感器感受各种物理量，并把它们转换成电信号。电信号。2 2）通过）通过A/DA/D转换，把模拟量转变成数字量。转换，把模拟量转变成数字量。3 3）数据的记录、打印输出或存人磁盘文件。）数据的记录、打印输出或存人磁盘文件。信号信号A/D计算机计算机PCI采集卡采集卡USB 采集卡采集卡结构静载试验第结构静载试验第4 4节静载试验仪器设备节静载试验仪器设备 数据采集系统（简称数采系统）可以进行数据采数据采集系统（简称数采系统）可以进行数据采集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、储存、集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、储存、试验控制和人机对话等，它具有采样通道多、采样试验控制和人机对话等，它具有采样通道多、采样数据量大、采样自动化等特点。数采系统不仅适用数据量大、采样自动化等特点。数采系统不仅适用于静力试验，也适用于动力试验。随着软、硬件制于静力试验，也适用于动力试验。随着软、硬件制造技术的发展，呈现出体积小、采样数据量大、测造技术的发展，呈现出体积小、采样数据量大、测量精度高、使用简单、后处理功能强的特点。量精度高、使用简单、后处理功能强的特点。数采系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包数采系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括传感器、数据采集仪和计算机（控制与分析器）三括传感器、数据采集仪和计算机（控制与分析器）三个部分，其工作流程图如图个部分，其工作流程图如图3.343.34。传感器传感器的作用是感受各种试验物理量并把它们转变成的作用是感受各种试验物理量并把它们转变成电信号；电信号；数据采集仪数据采集仪的作用是对所有的传感器通道进行扫描，的作用是对所有的传感器通道进行扫描，将扫描结果进行信号将扫描结果进行信号/物理量转换，然后将这些物理物理量转换，然后将这些物理量数据传给计算机，或者打印、存盘；量数据传给计算机，或者打印、存盘；计算机通过软件系统计算机通过软件系统对数据采集仪进行采样控制，对对数据采集仪进行采样控制，对数据进行实时处理和后处理。数据进行实时处理和后处理。