第三节静载试验仪器设备Word格式.docx

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妾。

位移针可装在各种表架上，通常用颈箍夹住羡的轴颈，也可用其他方式将表壳或轴颈固定在某一个定点，测吁可直接顶住试件测点。

应用位移计量挠度与变位时，应注意下列问题：

（1）作为固定位移计的不动点支架必须有足够的刚性。

采用磁性或万能百分表架时，表架连杆不可挑出大长。

因为位移汁测杆顶住测点时，有一定的反力压在连杆上，如果连杆或支架为柔性较大，就会在该压力作用下产生变形。

这样，当结构变形付，仪表就不动或跳动，反映不出测点的真正位移值。

（2）位移计测杆与所量测的位移方向完全一致。

＝测点表面需经一定处理，如在混凝土、木材等表面粘贴小块玻璃片或金属薄片等，以避免结构变形后，由于测点垂直于百分表测杆方向的位移，而使位移计产生误差。

这种误差有时会很大。

如果上述方式还不足以消除误差，则不应将位移测杆直接顶住测点，而须采用其他方式。

（3）位移计使用前后要仔细检查测杆上下活动是否灵活。

由于灰尘落人或表架颈拧过紧等都会影响杆上下运动的灵活性。

5．用位移计测应变

应变，就是结构上某区段纤维长度的相对变化（ε=ΔL/L）。

应变仪就是用来测定这个长度变化的仪器。

采用特制的夹具将位移计安装在结构表面测定应变，具有精度高、量程大的特点。

当应变值变化范围很大或需用大标距测定应变时，采用这种装置是非常合适的。

固定位移计和顶杆的夹具，可用钢、铜或铝合金等制成，按照选定的标距以粘贴或预埋的方式固定在结构需量测应变的部位上。

粘贴是最常用的固定方式。

在混凝土结构上贴夹具时，应先将混凝土表面用砂轮打磨，除去泥灰再用细砂布略为磨光，用丙酮等擦净夕随后用胶粘剂将夹具按选定的标距粘上，待胶粘剂固化后，即可安装位移计进行量测。

位移计应变量测装置主要用于量测结构构件的轴向应变。

常用的量测标距对混凝土为10-20m，对砖石砌体则更大。

对受荷载后会发生曲率变化的构件，不宜用位移计应变量测装置来测定其表面的应变。

因为位移计测杆与构件表面之间有一段距离，当构件发生曲率变化时，所测得的应变有时是虚应变（又称视应变），同时顶杆与位移计测杆接触点发生移动影响量测。

因此，仅当构件截面变形满足平截面假定，且曲率变化很小时，才能从所测得的虚应变值，推算出实际应变。

二、手持式应变仪

当需要在现场较长期连续地观测结构的应变时，一般的应变仪不适用，手持式应变仪则比较适用。

此仪器的主要部分是千分表，它固定在一根金属杆上，其测杆则自由地顶在另一金属杆的突出部分上、两金属杆之间用两片富有弹性的薄钢片相连，因而能平行地相对移动，每根金属杆的一端带有一个尖形插轴，两插轴间的距离L即仪器的标距。

后二次读数差即为结构在区段L内的变形ΔL，除以标距L即得杆件的应变值。

仪器的各部分合理地选用不同膨胀系数的金属制造，因而使仪器读数受仪器本身的温度影响得到最大限度的消除。

仪器不是固定在测点上，而是读数对才安上去。

因此，为了保证仪器工作稳定可靠，标距两端的小孔必须钻得和仪器的插轴钢尖相吻合。

因测量时仪器钢尖和测孔之间的按触稳定与否，直接影响到量测的准确性，如果测孔打得不标准，将使钢尖和测孔的接触极不稳定，增大读数误差，甚至无法读取稳定的读数。

关于测孔的制作方法建议如下

（1）钢结构可在杆件上直接钻孔。

（2）圬工或木质构件则可粘贴特制的钢脚标（用环氧树脂粘接剂粘贴）。

使用此种仪器，尚有一温度影响问题，即在长期量测过程中，初读数和加载数不可能在同一温度条件下读取，因此在量测读数中不仅包含了受载应变ε。

而且还包含了混度应变εt，为了从读数中扣除温度部分的影响，就要在量测过程中进行“温度补偿”。

一般较常用的温度补偿办法是采用与结构同一材料的“补偿块”，和杆件放在一起，同时取得读数，从“补偿块”上取得的读数为单纯的温度应变，并将此应变作为结构的温度应变εt。

但是，补偿块与结构两者体积差别极为悬殊，两者对气温变化的敏感程度差别很大，由于补偿块体积小，能在短时间内跟上气温的变化，而结构表现为极大“滞后”。

因此在气温变化较大时（例如白天尸照情况下）实际上无法起到补偿作用。

为了达到补偿目的，根据量测的实践，建议采取“横向温度补偿法”。

在布置测应变的测点的同时，在垂直方向布置测点。

量测时应注意：

手持式应变仪操作简单；

但量测的精度会随操作人员和每次操作方式的改变而改变，所以，量测时不宜更换使用者；

要使仪器与试件表面垂直；

每次对仪器施加的压力要尽量相等，并使仪器插足时应在同一孔穴等，以减小量测误差。

三、水准管式倾角仪

水准管式倾角仪的构造，其原理是利用高灵敏度的永准管乘测定结构节点、截面或支座处转角。

水准管安置在弹簧片上，一端铰接于基座弹簧片便另一端上升，但被测微计的微调螺丝顶住。

将仪器用夹具装在测点后，用微调螺丝使水准管的气泡调平居中，结构变形后气泡漂移，再转动微调螺丝使气泡重新居中；

度盘上前后二次读数差即代表该测点的转角。

这种仪器最小读数有的可达1”-2”，量程为30。

这种仪器的优点为尺寸小，精度高，使用简便。

缺点是受外界温度影响很大，且不宜受阳光爆晒，以免水准管爆裂。

四、电阻应变仪

用电阻式应变仪测试桥梁结构应变时需用应变仪和电阻

应变片（应变计）配合使用。

1．电阻应变片

电阻应变片又称电阻应变计，简称应变片或电阻片。

它是非电量电测中最重要的变换器。

应变片电测法与其他测试方法比较，有如下的一些优点。

①灵敏度高。

由于利用电阻片将非电器转换电器，再经电子仪器进行放大、显示和记录，

所以能获得很高的放大倍数，从而达到很高的灵敏度。

电阻应变仪可以精确地分辨出1x10-6应变，这个应变的量级对于钢材而言相当于0.2MPa的应力。

②电阻片尺寸小且粘贴牢固。

这个特点十分重要。

当前某些工程结构（如船体、桥梁、飞机、衍架等）进行全面的应力分析时，往往要测量数十点甚至数百点的应力，电阻片很容易大量粘贴使用。

对于结构十分紧凑以至其他测量仪表（如杠杆引伸仪）根本无法安装的情况下，电测法就能发挥很大的作用。

尺寸大小另一个重要意义在于可以用来测量局部应力。

现在电阻片的标距甚至可以小于1mm，这对于应力集中厦的测量比较合适。

③电阻片质量小。

这是一个突出的优点。

它使得电测不仅可以作静态应力的测量，而且

可以在动态应力分析方面发挥独特作用。

对一系列重要的动力学参数（如加速度、振幅、频率。

冲击力及爆炸压力等）能够比较精确地进行实验研究。

同时应变片的基长可以制作得很短，并且有根高的频率响应能力、、因此在应变梯度较大的构件上测量时仍能获得一定的准确度。

在高频动应变测量中具有很好的动态响应。

④可以在高温（800-100℃）、低温（-100-70℃）、高压（上万个大气压）、高速旋转（几

千转／mm-几万转／mm）、核幅射等特殊条件下成功的使用。

此外，由于应变片输出是电信号，就易于实现测量数字化和自动化。

应变片已在实验应力分析、断裂力学、静、动态试验、宇航工程中都有广泛的用途。

应变片电测法在用于对结构物表面应变测量时的主要缺点是：

粘贴工作量大，重复使用困难等。

为克服这些缺点，人们利用电阻应变片的工作原理通过某种转换器间接地测定出被测量的数值。

这种转换器称为电阻式应变传感器。

（1）电阻应变片的构造

绕线式应变片主要由敏感元件、基底、覆盖层和引出线等几部分组成。

①敏感丝栅是应变片的主要元件，一般由康酮、镍铬合金制成。

②基底和覆盖层起定位和保护应变片几何形状的作用，也起到与被测试试件之间电绝缘作用。

纸基常用厚度0.015-0.02mm机械强度高、绝缘性能好的纸张制作。

胶基则用性能稳定、绝缘度高、耐腐蚀的聚合胶制成。

其它有特殊要求的应变片，可采用不同的材料做成基底。

③引出线是用以连接导线的过渡部分，一般用直径约为0.15-0.30mm的金属丝。

④粘结剂把丝栅基底和覆盖层牢固地粘结成一个整体。

（2）电阻应变片的分类：

、

应变片的种类很多，至今各种规格的应变片已有二万多种。

根据不同的方法，有如下的分类。

此外，按敏感栅的长度分，有大标距应变片和小标距应变片；

按敏感栅形状分，有单轴应变片和应变花。

还有各种特殊用途的应变片如防磁应变片、防水应变片、埋人式应变片、层式应变片、可拆式应变片、疲劳寿命片、测压片、无基底式应变片、大应变片、裂缝探测片、温度自补偿应变片等。

①金属丝式应变片

金属丝式应变片最常用的形式为丝绕式，又称为圆角线栅式。

它的制造设备和

技术都较简便，但横向灵敏度较箔式应变片为大（横向灵敏度会给测量带来一定的误差）。

丝式应变片常用的金属材料是康酮、镍铬合金、铁镍铬合金和铂铱金等。

②箔式应变片

箔式应变片是由照相、光刻技术腐蚀成丝。

它在性能上的优点是散热条件好，逸散功率

大，可以允许较大电流、耐蠕变和漂移的能力强，易做成任意形状，但它工艺较复杂，箔片的材料主要为康酮、镍铬合金等。

在两向应力状态时，需要测出一点的两个或三个方向的应变，才可求出此测点的主应力的大小和方向。

这就要使用粘贴在了个公共基底上，按一定方向布置的2-4个敏感栅组成的

电阻应变片。

这种应变片叫做电阻应变花、应变花或多轴应变片。

对于箔式应变片组成的应变花，因其横向效应系数极小，故不考虑修正问题。

对于由半圆头丝绕式应变片组成的应变花，如果对测试结构要求不很严格的话，也不必考虑修正。

④半导体应变片

半导体应变片的外形。

它的优点是灵敏度高、频率响应好、可以做成小型和超小型应变片。

半导体应变片的出现为应变电测技术的发展开创了新的途径。

它的缺点是温度系数大，稳定性不及金属应变片等。

（3）金属应变片的工作原理

金属应变片的工作原理在于导体的“电阻应变效应”。

所谓电阻应变效应是指导体或半导体在机械变形（伸长或缩短）时，其电阻随其变形而发生变化的物理现象金属导体产生电阻应变效应，主要是因为电阻丝的几何尺寸改变引起阻值的变化.

（4）电阻应变片的选用

选用应变片时应根据应变片的初始参数及试件的受力状态、应变梯度、应变性质、工作条件、测试精度要求等综合考虑。

对于一般的结构试验，采用120Ω纸基金属丝应变片就可满足试验要求。

其标距可结合试件的材料来选定，如钢材常用5-20mm，混凝土则用40-150mm，石材用20-40mm。

对于有特殊要求的，可选择特种应变片，如低温应变片、高温应变片、疲劳寿命片、裂纹探测片、应力片以及高压、核辐射、强磁场等条件下使用的应变片。

（5）电阻应变片的粘贴技术

①粘结剂

粘贴应变片用的粘结剂成为应变胶试件应变传递到应变片的敏感栅上。

同时，其线性滞后、零飘、蠕变等特性在一定程度上还影响着应变片的一些工作性能。

对应变胶的性能要求是：

粘结强度高（剪切强度一般不低于3-4MPa），电绝缘性能好，化学稳定性及工艺性好等。

在特殊条件下，还要考虑一些其他要求，例如耐高温、耐老化、耐介质（油、水、酸和碱等）、耐疲劳等。

目前常用的应变胶分为有机胶和元机胶两类。

常温下用有机胶，无机胶则用于高温应变片的粘贴。

常规桥梁试验粘贴应变片的应变胶一般为快干胶和热固性树脂胶等。

501快干胶和502快干胶是借助于空气中微量水分的催化作用而迅速聚合固化产生粘结强度的。

该类胶粘结强度能满足桥梁应变测试要求，但随生产厂家产品质量和存放时间长短，粘结强度差别很大，只能在低温、干燥和避光的条件下保存。

环氧树脂胶是靠分子聚合反应而固化产生粘结强度的。

它有较高的剪切强度和防水性能，电绝缘性能好。

它的主要成份是环氧树脂，并酌量加入固化剂和增韧剂等配制而成。

环氧树脂胶可以自制，其配方是：

环氧树脂100%

邻苯二甲酸二丁脂5％-20％

乙二胺6%-7％

注意：

乙二胺有毒，须通风操作。

②应变片的粘贴技术

应变片的粘贴是应变电测技术中一个很关键的环节，粘贴质量的好坏直接影响测量的结果。

有时可能因某些主要测点的应变片失效，导致测量工作失败。

因此，必须掌握粘贴技术，保证测量结果的准确性和可靠性。

粘贴时应掌握下列技术环节。

选片用放大镜对应变片进行检查，保证选用的应变片无缺陷和破损。

同批试验选用灵

敏系数和阻值相同的应变片，采用兆欧表或万用表对其阻值进行测量，保证误差不大于0.5Ω。

定位先初步画出贴片位置、用砂布或砂轮机将贴片位置打磨平整，钢材光洁度达到

3-

5.混凝土表面无浮浆，必要时涂底胶处理，待固化后再次打磨。

在打磨平整的部位准确画出测点的纵、横中心及贴片方向。

贴片用镊子夹脱脂棉球蘸酒精（或丙酮）将贴片位置清洗干净。

用手握住应变片引出线，在其背面均匀涂抹一层胶水，然后放在测点上，调整应变片的位置，使其可准确定位。

在应变片上覆盖小片玻璃纸，用手指轻轻滚压、挤出多余胶水和气泡。

注意不要使应变片位置移动。

用手指轻按1-2min，待胶水初步固化后即可松手。

粘贴质量较好的应变片，应是胶层均匀，位置准确。

干燥固化干燥才能固化，当气温较高，相对湿度较低的短期试验，可用自然干燥，时间一般1-2d。

人工干燥：

待自然干燥12小时后、用红外线灯烘烤，温度不要高于50℃；

还要避免骤热）烘干到绝缘电阻符合要求时为止。

应变片的防护在应变片引线端贴上接线端子，把应变片引线和连接导线分别焊在接线端子上，然后立即涂防护层，以防止应变片受潮和机械损伤，受潮会影响应变片的正常工作，故防潮就显得十分重要。

应变片受潮的程度不易直接测量，一般用应变片和结构表面的绝缘电阻值来判断。

绝缘电阻值高能保证测量精度，但要求过高会高增加防潮难度和工作量。

一般静态测量绝缘电阻应大于200mΩ，动态测量可以稍小于200MΩ，长期观测和高精度要求的测量应大于500MΩ。

（1）测量电路

测量电路是应变仪的重要组成部分，其作用是将应变片的龟阻变化转换为电压（或电流）的变化。

在特殊情况下，应根据测量的目的和具体要求自行设计测量电路。

应变片电测一般采用两种测量电路，一种是电位计式电路，一种是桥式电路，通常采用惠斯登电桥。

电位计式电路，常在冲击测量等场合使用，而且其阻值变化与输出电压的关系不是线性关系，在特定情况下可以满足试验要求。

本节只讨论桥式电路原理及测试办法。

桥式电路也称应变电桥，其测量电路能精确地测量极其微小的电阻变化。

例如我们假设

用阻值R=l20Ω、灵敏系数K＝2的应变片测量某一网结构，若钢材的弹模E=2x105MPa，当某点应力为100MPa时，根据电阻应变片的阻值与应变的关系即

如要求测量精度为1％，那么测量电阻变化的应变刻度就要求不大于0.001Ω，这就产生了测量灵敏度要求高而量程又要求大的矛盾。

在桥式电路中，采用惠斯登电桥就解决了这一矛盾。

惠斯登电桥具有四个电阻，其中任一个都可以是应变片电阻，电桥的对角接人输入电压，另一对角来测量输出电压。

电桥的一个特点是，四个电阻达到某一关系时，电桥输出为零，这样我们就能应用很灵敏的检流计来测量输出。

由于这一特点使电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

根据电桥的测量电路，对应变电桥的测量方法有下列几种。

①单点测量

单点测量时，组成测量电桥的四个电阻中，Rl为电阻片电阻，其余三个为精密电阻（无电阻变化），则

②半桥测量

其方法是将半桥接电阻片，另半桥为精密电阻（ΔR3=ΔR4=0），则

③全桥测量

其方法是组成测量电桥的四个电阻全由电阻片组成，即

根据应变电桥测量电路的分析，所建立的这些基本关系式表明了电桥的输出与桥臂电阻（由测量的接片需要可为电阻片和精密电阻组桥）的相对增量ΔR／R或应变ε成正比的关系。

由此也可看出，电桥的增减特性：

相邻的输出符号相反，电桥输出具有相减特性；

相对两臂符号相同，电桥输出具有相加特性。

根据电桥的这些特性，我们就可以采用不同的测量（电阻片接线）方法进行选择。

（2）电阻应变仪

电阻应变仪按使用内容不同，分为静态应变仪、动态应变仪和静动态应变仪。

下面介绍常用两种静态电阻应变仪。

①国产YJS-14型静态数字应变仪

YJS-14型静态数字应变仪是一种静态应变自动测量装置，能自动平衡（或不需平衡）。

自动换点、自动测量、数字显示和自动打印，并可与计算机联机进行数据处理。

YJS-14型主要由五个部分组成。

a.转换器它在控制器控制下将各测点依次接人桥路，以便进行测量。

b.电阻应变仪由桥压线性放大器和数字电压表组成。

测点经自动切换装置接人，信号

经过载保护单元鉴别后进入放大器，经线性放大、解调和滤波成为直流信号送人积分型A／D转换器转换成8-4-4-1码数字量。

c.运算器由贮存和运算两单元组成。

贮存单元用来保存测量前由于桥路初始不平衡而引起的数据信息，并在运算时迅速提供给运算单元，配合测量过程进行特定的加法、减法和乘法运算。

d．控制器包括采样控制和数字钟两部分。

它以不同的速率发出测量指令，通过应变仪和运算器，对各类测点进行定时、定点、定区间的测量和修正。

e.输出装置分为打印输出和信息输出两种。

根据需要可由专用插口与纸带穿孔器、数字磁带机或同电子计算机联接。

YJS-14型数字应变测量装置的工作过程就是把应变测点组成惠斯登桥路。

电桥的初始不平衡采用初始值存贮的办法，即把每一个测点的初始不平衡值通过放大和A／D转换器转换成数字信号，记人对应序号内存中。

在测量时，测量信号也转换成数字信息送人运算器，运算器从内存中取出对应测点的转换或测量区段的选择）均由控制器控制。

YJS-14型数字应变测量装置最多可联四台转换器，每台100点共400点。

仪器测点电阻值按120Ω设计，但对60-1000Ω的应变片也适用，其非线性影响由运算器逐点在测量中修正。

可任意控制转换测点位置，可任意选定转换或启动方式（自动或手动转换，定时自动启动或手动启动）。

测点转换速度为每点0.15s、0.25s、0.45s、0.85s、1.65s、3.25s、6.45s共七档。

分辨率，A级为2微应变／字；

B级为1微应变／字。

灵敏系数K值在1.5-3之间可调。

最大量程为0至±

l9998微应变。

②日本产7V08数据采集仪

7V08型数据采集仪是应变仪的换代产品，也是80年代较先进的产品之一。

该仪器是由

单板机组成的一个计算机控制系统，可由键盘或面板触摸功能键直接输出数据或程序，主要是通过接口来输出模拟信号（电压、电流、应变、温度等），并通过A／D转换来完成存储、记录、转换、运算和输出。

其测试过程如下：

该系统按线扫描箱采用直流电桥，因此，分布电容等不影响电桥平衡。

在测试现场用接线箱连接，在100mm内连接电缆可与应变仪连接，测试数据记录和一次计算可进行程序控制或按键控制。

7V08型数据采集仪最大测点为1000点，扫描速度可由程序选择（不小于100点／11.2秒）。

整个测试文件编制、测试曲线绘制等均可用程序调用。

计算机除直接配备热敏打印机输出或磁盘记录外，还配备了国际通用标准的RS-232接口、GP-1B接口等。

因此，该机引人国内后较受欢迎，测试计算都可使用。

3．电阻应变测量的温度补偿

用应变片测量应变时，它除了能感受试件受力后的变形外，同样也能感受环境温度变化，

并引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这称为温度效应。

温度变化从两方面使应变片的电阻值发生变化。

第一是电阻丝温度改变Δt（℃），其电阻将会随之而改变ΔRβ。

ΔRβ=β1RΔt

式中：

β1一一电阻丝的电阻温度系数（１/℃）

　　　R一一应变片的变原始电阻值（Ω）

第二是因为材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等，但二者又粘合在一起，这样温度改变Δt（℃）时，应变片中产生了温度应变，引起一附加的电阻的变化ΔRα。

Kt一一贴好的应变丝对温度应力的灵敏系数，；

αj一一试件材料的线膨胀系数（1/℃）

α——电阻丝的线膨胀系数（1/℃）。

因此，总的温度效应是二者之和：

β——占好的应变片总的电阻温度系数。

温度效应的应变值为：

这个εt称视应变。

当采用镍铬合金丝做成的应变片进行测量时，温度变动1℃，会在钢材（E=2.1xl05MPa）中产生相当于1.5MPa左右的应力示值变动，这是不能忽视的，必须加以消除。

消除温度效应的应变值主要是利用惠斯登电桥桥路的特性进行，称为温度补偿。

如图5-17所示，在电桥的BC臂上接一个与测量片R1同样阻值的温度补偿应变片R2（简称补偿片）。

测量应变片R1（简称工作片）贴在受力构件上，它既受应变作用又受温度作用，故R1是由两部分组成。

即：

ΔR1=ΔRε+ΔRt

补偿片R2贴在一个与试件材料相同并置于试件附近，具有同样温度变化条件但不承受

外力作用的小试块上，它只有ΔR2=ΔRt的变化。

此时，电桥对角线上的电流计的反应为ΔR1-ΔR2＝ΔRε，测得结果仅是试件受力后产生应变值，而温度效应所产生的视应变就消除了。

在实际工作中，为保证补偿效果，对补偿片的设置应考虑如下因素。

（1）补偿片与工作片应该是同批产品，具有相同电阻值、灵敏系数和几何尺寸。

（2）贴补偿片的试块材料应与试件的材料一致，并应做到热容量基本相等。

如是混凝土材料，则需同样配合比和在同样条件下养护。

（3）补偿片的贴片、干燥、防潮等处理工艺必须与工作片完全一致。

（4）连接补偿片的导线应与连接工作片的导线同一规格。

同一长度，并且相互平列靠近布置或捆扎成束。

（5）