结构检测的仪器仪表和设备及基本原理.ppt

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1、结构检测的仪器、仪表和设备及基本原理 王柏生1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2机械式百分表3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4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

2、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。5静载试验对仪器、仪表的基本要求静载试验对仪器、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1.252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

3、由法定授权单位进行鉴定，并出具鉴定报告。6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。7应变测量的原理和方法 应变计应变计 结构应变=du/dLu/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。8电阻应变测试原理电阻应变电阻应变：结构应变应变片电阻变化电桥平衡原理电压变化，检

4、测电压的变化可以得到结构应变。应变片的粘贴技术应变片的粘贴技术，是应变片能真实反映结构应变的保障。温度补偿温度补偿：温度补偿片法、工作片自补偿法。9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 10电阻应变计原理电阻应变计原理 11应变计的选用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12

5、0设计，但60600应变计均可使用。当用非120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2060；经化学作用而固化的胶合剂的工作温度约为60200。12电桥平衡13应变片粘贴技术应变片粘贴技术具体的粘贴工艺粘贴工艺如下：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

6、%。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0.050.1mm，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。14应变片粘贴技术应变片粘贴技术4）

7、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50C，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2/15Min。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

8、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。15温度补偿技术 补偿片法补偿片法工作片工作片补偿片补偿片16温度补偿技术工作片法工作片法17千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）18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19振弦式应变传感器式中：f金属弦的振动频率；k1，2；金属丝内部张力；l金属丝长度；金属丝密度。20光纤（光栅）应变传感器 21光纤（光栅）应变检测原理22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

9、的，而反射波长和应变、温度、压力、压强等物理量成线性关系。23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。242526 长水准管 电阻应变式倾角传感器27角位移间接测量角位移间接测量1位移计；2固定支座3机械竖杆；4梁试件28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

10、矩检测仪、扭矩扳手等。有：机械式、电阻应变式、振弦式等等。29油压表 电阻应变式力传感器 30张力仪 数显扭矩扳手 31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。32裂缝检测裂缝出现检测：应变计、声发射仪、导电漆膜等。裂缝深度检测：超声波检测、钻芯。通过应变计或导电漆膜监测裂缝出现33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

11、敏纸、磁带和磁盘等。34记录与显示仪器X-Y记录仪记录仪 X-Y记录仪传动原理 X-Y记录仪使用联接示意图 35记录与显示仪器光线示波器光线示波器：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：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。36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 组合式系统 3

12、7结构试验测试新技术 联网试验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。38结构试验测试新技术自检测智能材料自检测智能材料 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

13、究主要在以下3个领域：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）。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)。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。39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40惯性式传感器的力学原理 41幅频特性曲线当/n1 时42相频特性曲线43加速度传感器的幅频特性当/n1，D1时 44加速度计幅频特性曲线

14、45磁电式速度传感器46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(cms-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0.50.7。47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 48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(510)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。49