土木工程测试

土木工程测试思维导图、既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象、敏感栅由直线段和圆弧段组成，若该应变片承受轴向拉应变，各直线段电阻将增加,但圆弧段应变从轴向拉应变过渡到横向压应变，使得应变片总电阻增量减小。

土木工程测试

• 传感器
  • 被测量——>输出信号
  • 分类
    • 被测量-位移传感器
    • 变换原理-电阻式
    • 能量关系：转换/控制
    • 物理现象：物性/结构
  • 命名
    • 四级修饰词+特征+原理+被测量+主题词
  • 传感器转换原理的物理效应
    • 电阻应变效应
    • 热点效应
    • 压电效应
  • 常用类型传感器的原理与特点
    • 电阻式：被测量【变形】<-->电阻
    • 振弦式：被测量【应力】<-->频率
    • 热电偶式：被测量【温度】<-->热电势
      • 4个基本定律
        • 均质导体定律
        • 中间导体定律
        • 中间温度定律
        • 参考电极定律
    • 光纤光栅式：被测量【变形、温度】<-->中心波长
    • 压电式传感器：被测量【压力】-->电量
  • 系统主要性能指标【静态】
    • 线性度
    • 灵敏度
    • 分辨力
    • 回程和重复误差
    • 精度
    • 测量范围
    • 飘移
    • 负载阻抗
  • 选择原则
    • 灵敏度
    • 准确度
    • 线性范围
    • 稳定性
    • 测量方式
    • 匹配性
    • 响应特性
• 电阻应变测试技术
  • 原理：被测量-应变-电阻-电参量
    • 传感器
      • 荷重传感器
      • 液压传感器
    • 应变仪
      • 电阻-->电压或电流
  • 电阻应变片
    • 原理：电阻应变效应
      • 被测量-应变-电阻
    • 结构
      • 敏感栅
        • 将应变量转换成电量的关键部分
        • 要求：电阻率大，应变电阻系数大，温度电阻系数小，压延性好
        • 材料：铜镍、镍铬、铁铬铝等高阻合金、半导体
      • 基底
        • 定位，传递变形
        • 要求：绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，热稳定，温度应变小
        • 材料：纸基、胶基、纸浸胶基
      • 盖层
        • 保护敏感栅
        • 要求和材料与基底类似
      • 粘结剂
        • 固定敏感栅
        • 要求：硬化后需具有一定的电绝缘性能
        • 材料：环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇缩醛等
      • 引线
        • 从敏感栅引出电信号
        • 镀锡（铱、银）软铜线
        • Φ0.15-0.3mm
    • 分类
      • 按敏感栅制造方式
        • 丝式
          • 直径0.012~0.05mm合金丝，专用制栅机
          • 丝绕式和短接式
          • 栅长不小于2mm
        • 箔式
          • 直径0.003~0.006mm厚合金箔，光刻
          • 栅长最小可达0.2mm
          • 横向效应小、允许工作电流大、应变极限高(20000μ)
          • 广泛使用
        • 薄膜式
          • 真空蒸发或溅射等使敏感栅在基底上形成薄膜、再光刻
          • 敏感栅与基底附着力强，蠕变和滞后小
          • 可用于高温
      • 按敏感栅结构
        • 单轴
          • 单向应变
        • 多轴(应变花)
          • 同点不同方向应变
          • 复杂应变状态
        • 复合
          • 同一基底上将多个敏感栅排列成所需形状，且连接成电路回路
          • 主要用于制作传感器。
      • 按工作温度
        • 低温 ＜-30℃
        • 常温 -30~60℃
        • 中温 60~350℃
        • 高温 ＞350℃
    • 应变片工作特性
      • 尺寸
        • 栅长、栅宽、使用面积
        • 大栅长、小栅宽
      • 电阻值
        • 未安装、不受外力、室温条件下的电阻值
        • 单片阻值：单个应变片的标定电阻值
        • 标准名义阻值 ：人为规定的生产标准
        • 平均名义阻值：一批应变片抽样标定，电阻值取平均、求公差
      • 灵敏系数
        • 轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻相对变化与真实应变的比值
        • 与金属丝灵敏系数有差异
        • 影响因素：敏感栅灵敏系数(主要)，敏感栅结构形式、几何尺寸、基底和粘接剂特性
        • 由厂商抽样标定
      • 横向效应
        • 既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象
        • 敏感栅由直线段和圆弧段组成，若该应变片承受轴向拉应变，各直线段电阻将增加,但圆弧段应变从轴向拉应变过渡到横向压应变，使得应变片总电阻增量减小。
      • 温度误差
        • 测量现场环境温度变化引起的附加测量误差
        • 主要影响因素：电阻温度效应、敏感栅和试件线膨胀系数不同
        • 温度补偿以消除温度影响
      • 机械滞后
        • 恒温时，在加、卸载过程中同一实际应变对应应变片指示应变的差值
        • 主要是敏感栅、基底和粘接剂在承受机械应变之后留下的残余变形所致
        • 正式测量前预加卸载循环若干次
      • 零漂和蠕变
        • 零漂：恒温，试样无机械应变，应变片指示应变随时间变化
        • 蠕变：恒温，试样恒机械应变，应变片指示应变随时间变化
      • 应变极限
        • 恒温，试样加载至应变片指示应变与试样实际机械应变相对误差达10%时，该机械应变即为应变片的应变极限
      • 绝缘电阻
        • 引线与试样间的电阻值
        • 绝缘电阻过小会引起应变片零漂
        • 选用绝缘性能好的粘接剂和基底材料
      • 疲劳寿命
        • 试件在恒幅交变应力作用下，应变片连续工作至产生疲劳损坏时的循环次数
        • 一般可达10^6~10^7次
      • 最大工作电流
        • 允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流
        • 通常为几十mA
    • 选择
      • 实践应力应变状态
        • 应变性质
          • 长期动荷载作用，疲劳寿命长
          • 动态测试，栅长小
          • 塑性范围内，应变极限高
        • 应力状态
          • 一维，单轴；二维，直角应变花
          • 复杂状态，多栅(三或四)应变花
        • 应力分布
          • 小梯度非均质，大基长
          • 大梯度均质，小基长
      • 试件材料特点
        • 均质 ☼ 小基长
        • 非均质 ☼ 大基长
      • 环境条件
        • 温度
          • 正确选用敏感栅、粘结剂和基底材料
        • 湿度
          • 胶基底，采取防潮措施
          • 受潮，零漂、灵敏度降低
      • 测量仪器
        • 阻抗匹配，按仪器规定阻值选取
        • 供桥电流匹配，最大工作电流大于供桥电流
    • 黏贴工艺
      • 应变片检查
        • 外观检查、电阻值检查
      • 表面处理
        • 刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、烘干
      • 贴片与固化
        • 画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶
      • 黏贴质量检查
        • 外观、电阻值、绝缘电阻、连接电阻应变仪检查
      • 连接导线
        • 导线固定、导线焊接
      • 防潮处理
        • 凡士林、石蜡、703等
  • 测量电路
    • 电阻应变仪的重要组成部分
      • 作用：将应变片电阻变化转换为电压（或电流）变化
    • 电位计式电桥
    • 惠斯通电桥
      • 输出电压变化与桥臂电阻变化关系
      • 平衡电桥
        • 全等臂电桥
          • R1 = R2 = R3 = R4
        • 输出对称电桥
          • R1=R2 R3=R4
        • 电源对称电桥
          • R1=R4 R2=R3
      • 加减特性
        • 邻臂相减，对臂相加
        • 加减特性的作用
          • 消除测量时环境温度变化引起的误差
          • 增加读数应变，提高测量灵敏度
          • 复杂应力作用下，测出某一应力分量引起的应变
  • 应力应变测量
    • 应变测试仪器
      • 作用
        • 电阻应变片组成测量电桥
          • 对电桥输出电压进行放大、转换
            • 以应变量值显示或根据后续处理需要传输信号
      • 静态、动态
    • 布片原则
      • 合理性
        • 危险点
          • 应力集中、极值应变
        • 受力规律
          • 大梯度密、小梯度疏
        • 应力测试避开应力应变非线性区
      • 精确性
        • 结构对称性
        • 电桥加减特性
      • 可靠性
        • 已知点验证
    • 接桥方法
      • 全桥
        • 应变片接入电桥四臂
      • 半桥
        • 应变片接入电桥邻臂，另两臂为精密无感电阻
    • 温度补偿方法
      • 应变片自补偿
        • 对应变片的敏感栅材料和制造工艺上采取措施，使温度导致的敏感栅电阻变化=0
        • 常用于中、高温
      • 桥路补偿
        • 通过布片和接桥的方法来消除温度影响
        • 分为补偿块补偿法和工作片补偿法
          • 工作片补偿
          • 补偿片补偿
    • 简单应用
      • 温度补偿
      • 复杂应力测试
      • 1、布片 2、接桥 3、读数与待测应变关系
• 动态测试与分析技术
  • 动态测试的响应特性
    • 动力测试主要内容
      • 动载特性
        • 作用力及特性
        • 振源
      • 动力特性
        • 自振特性 动力特性参数
      • 动力反应
        • 振动水平(振幅、频率)及性状
      • 结构疲劳
        • 疲劳特性 多次重复荷载作用下的疲劳强度
    • 响应特性：动态测试时输出与输入的关系
      • 取决于系统和输入信号特性，从时域和频域分析
      • 时间响应：输出信号滞后于输入信号
      • 频率响应：输出信号的幅值、相位等参数随输入信号频率变化而变化
    • 传感器的响应特性参数
      • 时域：上升时间、响应时间、峰值时间、过调量、衰减比等
      • 频域：时间常数、固有频率、相位误差等
  • 不失真测试条件
    • 线性时不变系统
    • 不失真条件
      • 相频特性
        • 相频特性曲线是过原点，斜率为-t0的直线
      • 幅频特性
        • 幅频特性曲线是一条平行于横轴的直线
    • 重要特性
      • 叠加性
      • 保频性
        • 输出频率=输入频率
  • 动载试验
    • 量测仪器
      • 系统组成
        • 输出部分
        • 放大部分
        • 显示记录部分
        • 数据处理部分
    • 动载试验加载方法
      • 惯性力加载
        • 离心力加载
        • 冲击力加载
      • 电磁加载
      • 液压加载
    • 设备
      • 拾振器
        • 常用拾振器：磁电式、压电式
      • 放大器
      • 记录器
      • 数据处理仪
  • 结构动力特性与动力反应的试验测定
    • 结构动力特性
      • 结构本身所固有的振动方式，其表现为结构的固有频率、振型和阻尼等动力参数
    • 动力特性试验方法
      • 自由振动法
        • 诱发自由振动，由自振曲线求基本频率、阻尼比
        • 周期、阻尼系数准确,只能测基本频率
        • 激振方法：突然加(卸)载法
      • 共振法
        • 激振器变频激振，结构产生共振(干扰力频率=结
        • 构固有频率)，分析结构动力特性
      • 脉动法
        • 环境影响使结构产生微弱振动，测定结构脉动反应波形以确定结构动力特性。
    • 动力反应
      • 动态参数
        • 振幅、频率、(加)速度、变形、动应变等
      • 动力系数
        • 动力系数的测定
          • 结构动力系数：动挠度与静挠度的比值
        • 有轨移动荷载作用
          • 移动荷载缓慢通过，所测定最大挠度作为静挠度
          • 移动荷载以各种速度通过，采集各次振动位移曲线，得出最大动挠度
        • 无轨移动荷载作用
          • 一次高速通过
          • 最大值为动挠度，中线最大值为静挠度
  • 结构疲劳试验
    • 疲劳概念
• 土木工程无损检测
  • 无损检测的概念
    • 目的：推定结构构件的材料强度和内部缺陷
    • 特点：非破坏性
      • 不破坏构件材料及内部结构
      • 不结构承载性能，不危及结构安全
    • 途径：测定与结构材料性能有关的物理量
    • 原理：综合利用力、声、电、磁或射线等的原理、技术和方法
  • 应用
    • 施工过程中工程质量检测
    • 建筑物改造时原建筑物鉴定
    • 受损结构检测
    • 重要工程验收检测
    • 预制构件产品质量鉴定
    • 力学性能、缺陷损伤检测
  • 回弹、超声回弹法
    • 原理
      • 回弹法
        • 混凝土表面硬度与其强度相关
        • 回弹仪回弹值反映硬度
        • 建立回弹值与强度关系
    • 测强曲线
      • 碳化深度
    • 测试方法
      • 测区测点布置
        • 回弹法
          • 回弹值测量
            • 测区选定
              • ☆代表性、随机抽检、非浇筑面、表观质量较好
            • 测区数
              • ☆长度≥3m，测区≥10个
              • ☆长度<3m，高度<0.5m，测区≥5个
            • 测点数
              • ☆每测区均布16测点，每点弹1次
            • 尺寸
              • ☆测区20cm×20cm，相邻测区≤2m，相邻测点≥2cm
          • 碳化深度测量
            • 氢氧化钙+酸性物质=碳酸钙，其厚度即碳化深度
            • 浓度为1~2%的酚酞酒精溶液指示(碳化不变色，未碳化变紫红色)
            • 代表性测区测量，测点≥30%测区数
            • 测3次，精确到0.25mm。取平均，精确至0.5mm
        • 超声回弹法
          • 测区布置见回弹法
          • 先回弹，后声波
          • 每测区对测3点
          • 优先对测、角测
    • 强度推定
      • 回弹法
        • 数据使用
          • 碳化深度
          • 回弹值
  • 超声波法
    • 超声波法
      • 超声波：频率高于声波(20Hz－20 kHz)的弹性波
      • 弹性波：振动在弹性介质中的传播
      • 超声波法：人工向介质内发射超声波，测量接收超声波信号的声学参数，以探查介质内部的力学参数和缺陷分布的方法
    • 波速影响因素
      • 弹性参数
      • 结构面
      • 物理力学性质
      • 应力状态
      • 风化程度
      • 含水率
      • 温度
    • 换能器原理
      • 换能器是声电能量的转换器件，俗称探头
      • 一般利用压电材料的压电效应原理工作
      • 发射换能器是将超声测试仪输出的电信号转换成超声信号，其原理是逆压电效应
      • 接收换能器是将接收到的超声信号转换为电信号，输入到超声测试仪的输入系统中
    • 测试方法：透射、反射、折射
  • 探地雷达
    • 原理
      • 电磁波反射、信号强弱和到达时间
• 典型物理量测试
  • 力、位移及其相关量测量
    • 力本身无法直接测量
      • 测量实现：物体受力后形状、运动状态或能量变化
    • 依据：静力效应和动力效应
      • 静力效应：物体受力后产生相应变形
      • 动力效应：一定质量物体受力后，动量变化
    • 土木常需测量：土压力、孔隙水压力、钢筋轴力、结构内应力等
    • 土压力计的埋设方法
      • 直接埋设法、预留孔法、混凝土内埋设法
  • 传感器标定及其要求
    • 压力计和应变计的刚度要求
    • 传感器的选择
      • 输入输出线性好
      • 灵敏度高
      • 滞后、偏移误差小
      • 动态特性好
      • 功耗小
      • 对测试对象影响小
      • 抗干扰能力强
      • 重复性好，有互换性
      • 抗腐蚀性好，能长期使用
      • 易维修和校准
    • 标定
      • 试验建立传感器输入输出关系，确定传感器输出特性曲线（标定曲线）
      • 方法
        • 标准输出设备→非电量标准值
        • 标准测试系统→未知的非电量
      • 要求
        • 条件相似
        • f＜30Hz时只需静标定
        • 减小偶然误差(重复标定、提高精度)
• 土木工程测试数据的处理方法
  • 测量误差：测得的数值与真值的偏差
  • 随机误差：环境波动等因素引起的误差
  • 系统误差：一组测量中常保持同一数值和符号的误差，由测试方法缺陷、系统性能、环境等引起
  • 粗大误差：由于设计错误或接线错误、操作者粗心大意看错、读错、记错等原因造成的误差
• 测试技术的工程应用
  • 建筑工程
  • 基坑工程
  • 隧道工程
  • 井筒工程