第三章-结构试验测试技术与量测仪表.pdf
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1、结构试验测试技术与量测仪表1概述结构试验时,所受的外部作用,如力、位移、温度等是输 入数据,而试件的反应如应力、应变、速度、加速度等是输出 数据。这些数据均需准确量测。量测方法如下:人工测量与人工记录:如用直尺测量位移、裂缝宽度。仪器测量与人工记录:如用百分表测量位移,或用应变仪 配应变计或位移计测量应变或位移。仪器测量与仪器记录:如用传感器配X-y记录仪进行测量 和记录,或用传感器、放大器和磁带记录仪进行测量和记录。数据采集测量与记录:计算机系统。2量测仪表的工作原理及分类按功能不同,量测仪表分为:传感器、放大器、显 示器、记录器、分析仪器、数据采集仪或数据采集系统。一、工作原理:传感器:感
2、受各种物理量,并将它们转换为可直接测读的形式。有以下几种:机械式传感器:利用机械原理工作,由以下部分组成:感受机构、转换机构(转换成长度或角度)、显示装置(指针或度盘)、附属装置(外壳、防护罩等)。电测式传感器:利用材料的电学性能和电学原理,把 非电物理量转换成电量变化。由以下部分组成:感受部分、转换部分(如电阻应变计等)、传输部分(如导线等)、附 属部分等。其它传感器:红外线传感器、声波传感器等。放大器:把信号放大的装置。记录器:按一定的方式把数据 记录到某种介质(纸、磁带、光 盘等)上。如光线示波器、磁带 记录仪、磁盘驱动器等。二、量测仪表的分类:按仪器用途分:应变计、位移传感器、测力传感
3、器、倾 角传感器、频率计、测振传感器等;按仪器与结构关系分:附着式、非附着式;接触式、非 接触式;按显示和记录方式分:直读式和自动记录式;模拟式和 数字式。三、量测仪表的技术指标量 程S:仪器可以测量的输入量的范围。刻度值:仪器的最小刻度所代表的被测量。灵敏度K:单位输入物理量引起仪器输出或显示值的变化。是描述仪器、设备、试剂或测试方法对微小外加作用显示出的 敏感程度。分辨率:仪器能测量被测物理量的最小值的能力。精度:指示值与被测值的符合程度。常用满程相对误差 表示。如精度为0.2的仪表,表示测定值的误差不超过最大量程的0.2%。是用来描述物理量的准确程度的量。滞后、零俗潟潦、满量程执潦毯、线
4、性范围、频响擀件、四、量测仪器的选用原则(1)具有合适的量程、灵敏度和精度。(2)安装使用方便,稳定性好,抗干扰能力强。(3)不影响结构的工作:自重轻,尺寸小。(4)同一物理量测量仪器型号尽量相同,避免系统误差。(5)经济好:价廉耐用,可重复使用,安全可靠。(6)按规定存放、使用和标定。3仪表的率定在仪器行业,对仪器的校准测定称为率定。即校准、标定。即将仪器的示值和标准量进行比较的过程。率定的方法:1.用精确度等级更高的专用率定设备率 定;2.用标准仪器(精确度不比被率定设备高,但不常使 用)率定;4应变测量结构试验中常需要量测应力,但直接量测应力目前还 没有好方法,主要是通过量测应变,再换算
5、求得应力。应变:在预定的标准长度范围内,量测长度变化增量 的平均值AL,再通过=AL/L计算求得。标距L的选择:匀质材料宜小;非匀质材料宜大。碎应 大于骨料最大粒径3倍;对砖石结构应大于4皮砖;对木结 构应大于20cli1。测量方法:常用电测法,还有机械法和光测法。、电阻应变计电阻应变片的原理:利用金属丝的电阻值叫着其机械变形而变化的物理特性。P-R=pL 夕电阻率 IA-当金属丝受力变形时,其电阻的变化率为:dR _ dp dl dAR 一公厂工因四=2v=-2该(吁泊松比),而亚非常小,故:A I p华=(1+2v)=Ks,K-灵敏系数,单位应变引起的电阻变化率.电阻应变片的构造:主要由敏
6、感栅、基底、覆盖层、引出电阻应变片的分类:按栅极分:丝绕式、箔式(在薄胶膜上镀合金膜,光刻而成)、半导体式等;按基底材料分:纸基(便宜、易粘贴、不防潮)、胶 基(箔式常用);按敏感栅结构的形状分:单轴(测单轴应变)、多轴(用于应变花)。(i)(a)、(d)、(e)、(h):泊式应变计(b)丝绕式应变计(c)短接式电阻应变计(g)半导体应变计 焊接应变计电阻应变片的技术指标标距:敏感栅在纵轴方向的有效长度L。不是指整个 电阻片的长度,而是指电阻片当中电阻丝栅的长度。0.2mni 100mmo规格:使用面积LxB。电阻值:一般为120。作为标准。灵敏系数:K2.0,可通过分批抽样实测而得。温度使用
7、范围:取决于粘合剂的性质。二、电阻应变仪的测量电路根据电阻变化率公式:dR/R=Ke2.0*(10-6-10-3),该电信号很微弱,直接测量困难,故采用电阻应变仪。电阻应变仪是电阻应变计的专用放大仪器。1电桥基本原理AU惠斯登电桥:如图示:根据基尔霍夫定律:=r,r3-r2r4(均+&)(4+4)当AU二0时,电桥平衡。即R1:R2=R3:R4时,电桥平衡。在应变里一般用两种特定状态达到电桥平衡,一种是 R1=R2=R3=R4,另一种是R1=R2,R3=R4O前一种四个阻值相等,称为等臂电桥。当四个桥臂阻值发生变化ARI、AR2、AR3,AR4时,经推导可得:AU=(a+凶)(尺3+“3)(:
8、2+2)(尺4+”4)u(火+AR1+R?+A7?2)(火3+人及3+火4+Rq)AUAU(KA7?3+火31 尺 42)“()(4+4)URR3 AA A2A7?4 A7?3 A4A7?2-(-1-(火+火2)(火3+火4)R1 火1火3 火3 火1火3右四个应变计规格相同,Ri=R2=R3=R4,K|=K2=K3K4 9则:=(1_&+23 _ 24)-不平衡电桥 由前述可见:g可由输出电压来测量,即输出电压与 四个桥臂应变的代数和呈线性关系。两个相邻桥臂上的应变是相反的,瓦、R3是正的,R2 R4是负的。四个桥臂上都接电阻片就是全桥电路,当R3、R4接固 定电阻,而非电阻应变片时,就是半
9、桥电路,可自动 完成温度补偿,且灵敏度提高;当R2只作为温度补偿 片,而不产生应变时就是1/4桥路。不平衡电桥电路的测定方法也叫偏位测定法,有两个缺点,1,输入电压的不稳定会影响测量的准确性;2,输出电压的测定需 要有较高灵敏度的检测计。可以采用平衡电桥来测定,即采用零 位测定法。平衡电桥原理Ri为工作应变片,R2为温度补偿片,r3=r4=r*,则:构件受力前的平衡条件:RR-与凡=0 构件受力后调整滑线变阻器到D,使检流计归零,其平衡条件:区+-Ar)-R2(R4+Ar)=O2 Ar8-整理后得:KR温度补偿技术用电阻应变片测应变时,当环境温度发生变化时,由 于电阻应变片和试件的温度线膨胀系
10、数不同,就会在应变 片中产生应变;另一方面,随着温度的变化,电阻应变片 的电阻率P也会发生变化。由于这两项原因,使电阻应变 片在没有受到力作用以前就产生了应变,从而电阻值发生 了变化,这就是电阻片的热效应。消除这种热效应的常用 方法就是温度补偿技术。温度补偿技术设温度引起的电阻增量用ARt表示,如果在电路的BC 臂上接一个与工作应变片Ri同样的应变片R2,并将它贴在同 样材料和环境温度但不受力的试件上,贝I:一 U(K+a&)UK。=-!-=-.4 R 4温度补偿应变计必须满足:1)与测量应变计规格相同;2)粘在相同的材料上;3)处在相同的温度场;4)补偿片不能受力。5)多点补偿:一个温度补偿
11、片可供多个测量片使用。一般碎5点,钢结构 10点共用一个补偿片。设置温度补偿应变计接桥方法实测电路轴向受力(1/4桥)轴向(半桥)轴向(全桥)弯曲(半桥)弯曲(全桥)扭转(半桥)工作片互为补偿 灵敏度提高1倍。例题:某结构构件,荷载和电阻应变计布置如图所示,测量时采用全桥桥路,应变仪显示的测量应变值为280度,已知结构材料的泊松比v=0.3。(1)画出测量应变桥路图;(2)简要说明该桥路特点;(3)计算该测点的弯曲应变8W。电阻应变计粘贴技术电阻应变计粘贴技术顺序工作内容方 法要 求1应变片 检查分选外观校查借助放大镜肉眼检查应变片应无气泡、霉斑、锈点,栅极应平 直、整齐、均匀阻值枪查用万用电
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