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