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结构检测的仪器

时间:2010-10-03


结构检测的仪器、仪表和设备 及基本原理
王柏生

仪器仪表的基本组成
? 基本组成:感受部分、放大部分、显示或 记录部分 ? 感受部分:起到感知被测物理量的作用 ? 放大部分:将感知的物理量放大并转换成 仪器检测量 ? 显示或记录部分:将仪器检测量显示或记 录

机械式百分表

结构检测仪器分类
? 机械式、电测、光测等,还有结合的 ? 测应变、测位移、测裂缝、测力(荷 载)、压力(水、油、气)、温度、 振动(加速度、速度、位移)、硬度 等等 ? 无损检测类、微损检测类、破损检测 类

主要技术(性能)指标
? 量程(量测范围):所能量测的最小至最大的量 值范围。 ? 最小分度值(刻度值、分辨力):仪器、仪表所 能指示或显示的被测量值最小的变化量。 ? 精确度(精度):仪器、仪表量测指示值与被测 值的符合程度,常用满量程相对误差表示。 ? 灵敏度:被测量发生单位变化引起仪器、仪表指 示值的变化值。

静载试验对仪器、仪表的基本要求
? 结构静载试验对仪器、仪表的基本要求是: ? 1.性能指标必须满足试验的具体要求,如:量程和精度 要足够,灵敏度要合适,并不是越高越好。精度要求最大 测试误差不超过5%,而量程建议采用最大被测值的 1.25~2倍; ? 2.重量轻、体积小,要求不影响结构的工作性能和受力 情况; ? 3.读数快、自动化程度高、使用方便; ? 4.对环境的适应性要强,并且携带方便、可靠耐用; ? 5.定期鉴定,并有记录;对生产鉴定性试验,使用的仪 器、仪表必须由法定授权单位进行鉴定,并出具鉴定报告。

测试仪器的标(检)定
? 所有结构测试仪器都需要检定、校准 或标定; ? 定期、不定期,使用前、后等等; ? 按照规范要求、计量认证要求。 ? 例:回弹仪,新使用前、超6000次、 率定不合格时要鉴定,使用前要率定; 油压千斤顶,使用前要标定。

应变测量的原理和方法
? 应变计 结构应变ε=du/dL≈⊿u/⊿L,从数学上, ⊿L越小越精确,实际上,材料不均匀性要 求⊿L足够大,因此: 对钢结构,材料均匀性好,可采用小 标距应变计; 对混凝土结构,非均质材料,应采用 较大标距应变计,一般要求标距大于3倍的 最大粗骨料直径。

电阻应变测试原理
? 电阻应变:结构应变→应变片电阻变 化→电桥平衡原理→电压变化,检测 电压的变化可以得到结构应变。 ? 应变片的粘贴技术,是应变片能真实 反映结构应变的保障。 ? 温度补偿:温度补偿片法、工作片自 补偿法。

电阻应变片

(a)、(d)、(e)、(f)、(h)-箔式电阻应变计;、(b)—丝绕式电阻应变计; (c)—短接式电阻应变计;(g)—半导体应变计; (i)焊接电阻应变计

dR ? K? R

电阻应变计原理
L R?? A dR d ? dL dA ? ? ? R ? L A
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应变计的选用
? 应变计的选用通常应注意以下几项主要技术指标: ? (1)标距l 指敏感栅在纵轴方向的有效长度,根据应变 场大小和被测材料的匀质性考虑选择。 ? (2)宽度a 敏感栅的宽度。 ? (3)电阻值R 一般应变仪均按120Ω设计,但60~600Ω 应变计均可使用。当用非120Ω应变计时,测定值应按仪 器的说明加以调整。 ? (4)灵敏系数K 电阻应变片的灵敏系数,在产品出厂前 经过抽样试验确定。使用时,必须把应变仪上的灵敏系数 调节至应变片的灵敏系数值,否则应对结果作修正。 ? (5)温度使用范围 它主要取决于胶合剂的性质。可溶性 胶合剂的工作温度约为-20℃~+60℃;经化学作用而固 化的胶合剂的工作温度约为-60℃~+200℃。

电桥平衡


?U BD

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U ? K ? ?1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? 4 ? 4

?U BD

U ? K (?1 ? ? 2 ) 4

应变片粘贴技术
? 具体的粘贴工艺如下:
? 1)应变片检查分选,可采先用放大镜进行外观检查,要求应变 片无气泡、霉斑、锈点,栅极平直、整齐、均匀;然后用万用 表检查,应无短路或短路情况,阻值误差不应超过0.5%。 ? 2)测点处理,先检查测点表面状况,要求测点平整、无缺陷、 无裂缝等;然后采用砂纸或磨光机进行打磨,要求表面平整、 无锈、无浮浆等,光洁度达到▽5;再用棉花蘸丙酮或酒精清洗, 要求棉花干擦时无痕迹;必要时(如混凝土结构)还打底,可 采用环氧树脂,要求胶层厚度在0.05~0.1mm,硬化后用0号砂 纸磨平;最后用铅笔等给测点画十字定位,纵线与应变方向一 致。 ? 3)粘贴应变片,先用镊子加住应变片引出线,在背面上一层薄 胶,测点上也敷上薄胶,对准位置放上片子;然后在应变片上 盖一小片玻璃纸,用手指沿一个方向滚压,挤出多余胶水;最 后用手指轻压至胶具有一定强度,松手后应变片不会产生滑动。

应变片粘贴技术
? 4)固化处理,不同的粘贴胶需要不同的固化时间,对有些胶, 在气温较低、湿度较大时需要进行人工加温,可采用红外线灯 或电热吹风,但加热温度不应超过50?C,受热应均匀。 ? 5)粘贴质量检查,先用放大镜检查外观,应变片应无气泡、粘 贴牢固、方位准确;再用万用表检查是否短路或断路以及电阻 值有无变化等,并检查应变片与试件的绝缘度情况等,也可以 接入应变仪检查零点漂移情况,要求不大于2με/15Min。 ? 6)导线连接,在应变片引出线底下贴胶布等绝缘材料,使引出 线不与试件形成短路;再用胶固定端子或用胶布固定导线,以 保证轻微拉动导线时引出线不被拉断;然后用电烙铁焊接导线 与引出线,要求焊点饱满、无虚焊。 ? 7)最后进行防潮处理,要求应变片全部被防潮剂覆盖,余 5mm左右,并采用适当措施进行必要的防护,防止机械损坏。

温度补偿技术
? 补偿片法
补偿片 工作片



?U BD

U ? K(?1 ???) ?? ] [ ? 4

温度补偿技术
? 工作片法

?U BD

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U ? K ?1 2

千分表应变测试
测试应变=千分表读数差/标距L ? 分辨力=1 /1000L (L用毫米单位)

振弦式应变传感器
? 根据弦的自振频率变化来反映结构应变

振弦式应变传感器

? ? ? ? ?

式中:f—金属弦的振动频率; k—1,2……; σ—金属丝内部张力; l—金属丝长度; ?—金属丝密度。

光纤(光栅)应变传感器

光纤(光栅)应变检测原理

光纤(光栅)传感器的原理
? 通过拉伸和压缩光纤光栅,或者改变温度,可以 改变光纤光栅的周期和有效折射率,从而达到改 变光纤光栅的反射波长的目的,而反射波长和应 变、温度、压力、压强等物理量成线性关系。

位移量测
? 结构试验中常用的有:百分表(机械式)、 电子百分表、电阻式位移计、差动电感式位 移计、水准仪、经纬仪,全站仪、倾角仪、 连通水管位移测试装置、GPS。 ? 大部分需要辅助装置,如:表架、基准架、 基准点等等。 ? 有些适合于大型、大跨度结构,或野外检测。

图2.5.15 几种常用的位移计构造图
百分表 电子百分表(电阻应变式位移传感器) 滑阻式位移传感器 差动式位移传感器原理

1-测杆;2-弹簧;3-外壳;4-指针;5-齿轮;6-刻度;7-电阻应变 计;8-电缆;9-电阻丝;10-线圈

长水准管

电阻应变式倾角传感器

△1
角位移间接测量 1-位移计;2-固定 支座 3-机械竖杆;4-梁 试件

ι

γ

△2
△1-△2

γ =

ι

力的检测
? 力传感器,可用于检测试验荷载、预应力 值、抗拔力、粘结力等。 ? 压力检测仪表:检测油压、水压、气压等 压力表,检测土压力传感器等。 ? 张力检测仪表:张力仪、索力检测仪。 ? 扭矩检测:扭矩检测仪、扭矩扳手等。 ? 有:机械式、电阻应变式、振弦式等等。

油压表

电阻应变式力传感器

张力仪

数显扭矩扳手

裂缝检测
? 裂缝宽度检测:读数显微镜、数字式裂缝 宽度检测仪。

裂缝检测
? 裂缝出现检测:应变计、声发射仪、导电 漆膜等。

通过应变计或导电漆膜监测裂缝出现

? 裂缝深度检测:超声波检测、钻芯。

记录与显示仪器
? 数据的记录方式有两种:模拟式和数字式。 从传感器(或通过放大器)传送到记录器 的数据一般都是模拟量,模拟式记录就是 把这个模拟量直接记录在介质上,数字式 记录则是把这个模拟量转换成数字量后再 记录在介质上。模拟式记录的数据一般都 是连续的,数字式记录的数据一般都是离 散的。记录介质有普通记录纸、光敏纸、 磁带和磁盘等 。

记录与显示仪器
? X-Y记录仪

X-Y记录仪传动原理

X-Y记录仪使用联接示意图

记录与显示仪器
? 光线示波器:也是一种常用的模拟式记录 器,主要用于振动测量的数据记录,它将 电信号转换为光信号并记录在感光纸或胶 片上,得到的是试验变量与时间的关系曲 线。 ? 磁带记录仪:是一种常用的较理想的记录 器,可以用于振动测量和静力试验的数据 记录,它将电信号转换成磁信号并记录在 磁带上,得到的是试验变量与时间的变化 关系。

数据后处理

数据采集系统
? 数据采集系统由三个 部分组成:传感器部 分、数据采集部分和 计算机(控制和分析 器)部分 。 ? 大型专用系统 ? 分散式系统 ? 小型专用系统

打印输出 实时屏幕图像显示 计算机 存入文件 计算处理 从数据采集仪读入数据

打印输出,存入磁盘 放入内存 数据采集仪 系数换算 转换 扫描采集 把物理量转变为电信号 传感器 感受各种物理量 结构试验的原始数据;力、线位移、 角位移、应变和温度等物理量

? 组合式系统

结构试验测试新技术
? 联网试验技术 ? 利用计算机网络实现土木工程试验或者监 测资源的共享和远程数据处理。运用联网 技术可以实现远程异地观测和控制。能够 在试验、计算、理论、数据库、和模型模 拟等方面实现分工,目前这一领域的研究 也比较活跃。美国国家科学基金利用网络 技术建立起美国地震工程模拟系统,我国 也已开始这方面的研究工作。

结构试验测试新技术
? 自检测智能材料
? 智能混凝土结构是一种能感知自身状态变化并发出信号进 行自我调节、自我修复的拟生命系统,可以有效地解决混 凝土的强度监测问题,具有损伤、裂缝实时监测功能的同 时具有快速自修复的功能,以保证工程结构的安全使用。 土木工程领域智能材料的研究主要在以下3个领域:① 结 构健康监测(将智能材料集成在土木工程结构中,利用其 构成的网络对结构的裂缝、变形、损伤、疲劳、温度、腐 蚀等状态进行实时监测)。② 结构的自增强、自适应(裂 缝的主动控制、裂缝自愈合、温度自调节、变形控制等)。 ③ 结构的减振控制。目前应用的智能材料主要有:光纤、 形状记忆合金、压电材料、碳纤维混凝土等。

振动检测
? 振动传感器→放大器→动态数据采集仪→ 记录、分析、显示(电脑) ? 振动传感器:相对式(需要基准)、绝对 式(惯性式,普遍采用) ? 惯性式传感器的力学原理

x ? X 0 sin ?t

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惯性式传感器的力学原理
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? ? arctg

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幅频特性曲线
当?/?n>>1 时

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相频特性曲线

加速度传感器的幅频特性
? 当?/?n<<1,D<1时
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加速度计幅频特性曲线

磁电式速度传感器

磁电式速度传感器的主要技术指标
? 灵敏度,振动方向感受到单位振动速度时, 传感器的输出电压[mV/(cm· s-1)]。 ? 频率响应,传感器机械系统和机电转换都 有频响问题,定义灵敏度随所测振动频率 不同而变化的规律为传感器的频率响应。 ? 阻尼比,通常设计为0.5?0.7 。

振动检测
? 压电式加速度传感器

(a)基座压缩型 (b)单端中心压缩型(c)环型剪切型 1?外壳;2?质量块;3?压电晶体;4?输出接头

压电式加速度传感器的主要技术性能
? 灵敏度,振动方向感受到单位振动加速度时,传 感器的输出电荷或电压。 ? 安装谐振频率是指将传感器(用螺栓牢固安装在一 个有限质量m(目前国际公认的标准是体积为1in3 质量为180g)的物体上的谐振频率。传感器的安装 谐振频率对传感器的频率响应有很大影响。 ? 频率响应,灵敏度随所测振动频率不同而变化的 规律为传感器的频率响应。 ? 幅值范围(动态范围),灵敏度保持在误差范围(5 %~10%)时的输入加速度幅值量级范围称为幅值 范围,也就是传感器保持线性的最大可测范围。


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