电阻应变量测仪器.

第四章量测仪器与数据采集系统一、概述(作业1)二、应力（应变）量测（电阻应变片的使用）(作业2)三、位移量测（及其它变形量测）四、力的量测(作业3)五、裂缝量测六、温度量测七、振动参数的量测八、数据系统简介一、概述•结构试验的目的：一是要得到对结构性能的宏观印象，更主要是取得确定结构性能的定量数据。只有可靠的数据才能作为判定结构性能或建立计算理论的的依据。•精确可靠数据的取得依赖于量测。量测是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，是判断事物质量指标的的重要手段。各个领域科学技术的发展是与量测技术的不断完善提高分不开的。•量测技术的组成：包括：⑴、量测方法，⑵、量测工具，⑶、量测误差分析三部分。各专业领域都有自己的量测内容和相应的量测方法和量测工具。一、概述•工程结构专业的主要量测内容：有外部条件（主要是外荷载和支座反力等）、结构变形（位移、应变、曲率等）、裂缝、内力（应力）及自振频率、振型、阻尼等动力特性。•工程结构专业的主要量测工具：量测工具从逐个读数、手工记录的简单仪表到利用计算机自动采集、处理数据的复杂量测系统，种类繁多，原理不一。试验人员除应理解被测参数的性质和要求外，还应了解量测仪表的原理、功能和技术指标。1、量测仪表的基本组成：各种量测仪表其内部结构、量测原理、量测精度等有很大的差别，但都必须具备三个基本组成部分：一、概述感受部分放大部分显示记录部分机械式量测仪表：一般三部分在同一仪表内（如百分表）；电测仪表：三部分往往是三个分开的仪器（传感器、放大器、记录仪或显示器）一、概述量测仪表各部分的作用：感受部分的作用：直接与被测对象联系，感受被测参数的变化并将此变化传给放大部分；放大部分的作用：将感受部分传来的被测量通过各种方式进行放大。显示记录部分的作用：将放大部分传来的量测结果通过指针或电子数码管、屏幕等进行显示或通过记录设备将试验数据或曲线记录下来。一、概述2、量测仪表的基本量测方法结构试验用量测仪表一般采用两种量测方法：偏位测定法----根据量测仪表放大部分产生的偏转或位移定出欲测定的物理量。零位测定法----用已知的标准量去抵消未知物理量对仪表产生的偏转，使被测量和标准量对仪器指示装置的效应经常保持相等，指示装置指零时的标准量既为被测物理量。一般零位测定法比偏位测定法更精确(尤其是电子仪器)。一、概述3、量测仪表的主要性能指标①、量程：仪表最大输入量与最小输入量之间的范围。②、刻度值：指示装置的最小刻度代表的被测量的数值。③、分辨率：使仪器输出量产生能观察出变化的最小被测量。④、灵敏度：单位输入量引起的仪表输出值的变化。不同的仪表,灵敏度的单位各不相同（如百分表的灵敏度为：mm/mm)。⑤、精确度：仪器指示值与被测值的符合程度(也称精度),常以最大量程时的相对误差表示。如精度为0.2级的仪表,其测定值的误差不超过最大量程的±0.2%。一、概述⑥、滞后：同一输入量正反两个行程输出值间的偏差。常以全量程中的最大滞后值与满量程输出值之比表示。正行程：输入量从起始量增至最大量程的测量过程。反行程：输入量从最大量程减至起始量的测量过程。⑦、线性范围：保持仪器的输入量和输出量为线性关系时，输入量的允许变化范围。⑧、频响特性：仪器在不同频率下灵敏度的变化特性。常以频响特性曲线表示。对动力试验用量测仪表，其性能指标还有：一、概述⑨、相移特性：振动参量经传感器转换成电信号或经放大、记录后在时间上产生的延迟。由传感器、放大器、记录仪器组成的整套量测系统，应注意它们之间的阻抗匹配及频率范围的配合等。⑩、零位温漂：指当仪表的工作环境温度不为20℃时，零位输出随温度的变化率。满量程热漂移：指当仪表的工作环境温度不为20℃，满量程输出随温度的变化率。一、概述4、量测仪表的选用选用量测仪表时应考虑下列要求：⑴、符合量测所需的量程及精度要求。一般应使最大被测值在仪表量程的2/3附近；为保证量测精度，应使仪表的最小刻度值≯5%的最大被测值。⑵、动力试验用量测仪表，其线性范围、频响特性和相移特性等都应满足试验要求。⑶、安装在试验结构上的仪表，要求自重轻、体积小，不影响结构的工作。夹具设计、安装要合理。⑷、同一试验中选用的仪表种类应尽可能少，以便统一数据的精度。⑸、选用仪表时应考虑试验的环境条件，切忌盲目选用高精度、高灵敏度仪表。各类仪表各有优缺点,选用仪表时应首先满足试验的主要要求.一、概述5、仪表的率定1、概念：为了确定仪表的精度或换算关系，定出其误差，需将仪表示值和标准量进行比较，称为仪表的率定（也称标定）。2、率定设备：用来率定仪表的标准量是经国家计量机构确认、具有一定精度等级的专用率定设备产生的。率定设备的精度等级应比被率定的仪器高。当没有专用率定设备时，也可用和被率定仪器具有同级精度的“标准”仪器比较进行率定；还可以用标准试件进行率定。一、概述3、率定的重要性：仪器的率定十分重要。所有新出厂的仪器都要经过率定；正在使用的仪器必须定期进行率定；除定期率定外，在重要的试验开始前，最好对仪表进行一次率定。未经率定的仪器所量测的数据不具有合法性！！返回第四章作业（1）1、量测技术包括哪三部分？2、工程结构试验的主要量测内容有哪些？3、量测仪表由哪三部分组成？各部分的作用是什么？4、量测仪表的主要性能指标有哪些？5、量测仪表的选用原则是什么？6、什么是仪表的率定？返回钢尺1测量长度应×0.99钢尺2测量长度应×1.01返回返回机械式百分表量测系统应变（应力）量测系统电阻应变片静态电阻应变仪试件返回返回机械式百分表返回位移传感器拉压力传感器倾角传感器返回各种放大器位移计（百分表）——偏位测量机械式百分表偏位读数位移计（百分表）——偏位测量读数1：12.51mm读数2：11.06mm本次加载产生的位移=12.51-11.06=1.45mm返回返回托盘天平采用零位读数法YJ-5静态电阻应变仪二、应力（应变）量测（一）、概述1、应力量测的重要性：应力量测是结构试验中的重要量测内容，了解应力沿构件的分布情况，特别是了解结构危险截面处的应力分布及最大应力值，对于建立强度计算公式或验证设计是否合理、计算方法是否正确，都有很直接的价值。利用所测应力资料还可直接了解结构的工作状态和强度储备。2、应力（应变）量测的方法：一般借助于量测应变，然后由σ—ε曲线或公式换算为应力。量测应变的方法：用应变计测出试件在一定长度L范围内的平均应变：LPP△LPPLL二、应力（应变）量测•应变计标距L的选择：对匀质材料构件：当应力变化梯度大时，L应尽可能小，当应力变化梯度小时，L可以大些，对非匀质材料构件：砼：L＞2~3倍最大骨料粒径砖砌体：L＞6皮砖木：L≥200mm用应变计量测的应变值是应变计标距L范围内的平均应变，因此对应力变化梯度较大的构件或非匀质材料，应特别注意应变计标距L的选择：3、应变计的种类及电阻应变片的优点：二、应力（应变）量测•应变计的种类：应变计的种类很多，各具特点，归纳起来主要有三大类：1）机械式应变计：双杠杆应变仪；接触式引伸仪；杠杆式千分表应变仪2）电测式应变计:电阻应变片；差动电阻式应变计；振弦式应变计等。3）光测式应变计：光纤光栅应变计；密栅云纹膜；衍射图形应变计等其中最常用的是电阻应变片和接触式引伸仪(手持式应变仪)。长期多次量测时一般用振弦式应变计和光纤光栅应变计。•电阻应变片的优点:二、应力（应变）量测、可以将非电参量（应变）转换为电参量，从而将电测法引入结构试验、精度高、灵敏度高、可远距离、多点及快速采集数据和自动纪录、为用计算机控制、分析和处理试验数据创造了条件、重量轻、体积小；价格低、利用应变片加上一些弹性元件，可以制成量测各种参量（如：力、位移、倾角、曲率等）的传感器。因此：主要学习应变片的原理及应用。•电阻应变片的缺点:受温度影响较大；长期、多次检测时误差较大(二)、电阻应变片1、电阻应变片的工作原理AlR电阻丝的电阻值：当电阻丝的长度变化（伸长或缩短）时，相应的电阻变化为：dRdAARdllRdRdAldAAldlA)()()(2dAdAldlRdR两边除以R得：)21(,2,cdAdAldl以代入上式得四、应力（应变）量测取)21(21)21(2ccRdR0)21(21Kc则0KRdR上式既是利用电阻丝量测应变的理论根据。且该式说明电阻丝感受的应变和它的电阻相对变化成线性关系。对电阻应变片：KRdR二、应力（应变）量测上式中：υ—材料的泊桑比；c—与材料有关的常数所以K0或K也为常数2、电阻应变片的构造和性能：四、应力（应变）量测•构造：应变片由基底、丝栅、覆盖层和引出线构成。•性能指标：主要有⑴、标距L——应变片在纵轴方向的有效长度⑵、电阻值R⑶、灵敏系数K——K值一般由抽样试验法确定（1.9~2.3）⑷、应变极限——应变片保持线性输出时所能量测的最大应变值。一般为（1~3）%左右。⑸、温度特性——指电阻丝的电阻随温度而变化以及电阻丝和被测试件材料因温度线膨胀系数不同引起阻值变化所产生的虚假应变，又称应变片的热输出。（一般靠接入温度补偿片消除）二、应力（应变）量测⑹、横向灵敏系数——是应变片对垂直于其主轴方向应变的响应程度。（横向灵敏系数越小越好）⑺、使用面积⑻、机械滞后——试件加载和卸载时应变片（△R/R）—ε特性曲线不重合的程度。⑼、疲劳寿命——应变片反复使用的次数（104~107）。⑽、零飘——在恒定温度环境中应变片的电阻值随时间的变化⑾、蠕变——在恒定的荷载和温度环境中，应变片电阻值随时间的变化⑿、绝缘电阻——电阻丝与基底间的电阻值（500~50000M）三、电阻应变仪1、电阻应变仪的组成当结构产生机械变形时，应变片感受到其变形并产生的电阻相对变化△R/R仅有2×10-3~2×10-6，对如此微弱的电信号必须依靠放大器放大后才能检测出来。电阻应变仪既是应变片的专用放大仪器。二、应力（应变）量测电阻应变仪根据其工作频率范围的不同可分为：电阻应变仪由测量电路、放大器、相敏检波器、指示器、电源等组成。静态电阻应变仪自身带有读数和指示装置，当量测测点较多时，需配用预调平衡箱。动态电阻应变仪上只有粗略的指示表头，量测时需另接纪录仪器。静态电阻应变仪动态电阻应变仪2、电阻应变仪的测量电路测量电路的作用是将应变片的电阻变化转换为电压或电流的变化，一般用惠斯登电桥实现。A、惠斯登电桥：由4个电阻R1、R2、R3、R4作为4个桥壁组成电路二、应力（应变）量测UACBDR1R2R3R4UBD电桥平衡：若4321RRRR则当对角端A、C输入电压U时，另两对角端B、D的输出电压UBD=0，此时称为电桥平衡。若4321RRRR则UBD≠0若R1、R2、R3、R4为贴在试件上的应变片，切初始满足：则当试件产生应变ε引起△R/R变化后，将破坏桥路的平衡，导致B、D端有△UBD的输出二、应力（应变）量测4321RRRRURRRRRRRRRRRRUBD)()(4433221122121若R1=R2，R3=R4则)(444332211RRRRRRRRUUBD以△R/R=Kε代入上式得：)(44321KUUBD上式将力学参量ε和电学参量△UBD联系在一起,表明通过量测电桥输出电压的变化可以得出应变片感受到的试件的应变。△UBD代表4个应变片所量测的应变值的代数和。（应特别注意应变值的符号，若为压应变应以（-ε）代入）。电桥的（加减）特性：对臂相加、邻臂相减二、应力（应变）量测)(421KUUBDB、测量电桥测量电桥的桥臂可以由2个电阻应变片和2个固定电阻组成——半桥量测。此时测量电桥的桥臂也可以由4个电阻应变片组成——全桥量测。此时)(44321KUUBD温度补偿：利用电桥的加减特性，恰当地接入温度补偿片（与工作片完全相同，粘贴在与试件相同的材料上，处于相同温度环境中，但不受力的应变片），或利用