橋梁檢測評定與加固技術(shù)（第2版） 課件 第3章 橋梁檢測設(shè)備與傳感器

第三章橋梁檢測設(shè)備與傳感器南京林業(yè)大學(xué)江蘇·南京一般工具與設(shè)備位移、線形、裂縫及缺陷測量技術(shù)應(yīng)變、溫度與荷載測量技術(shù)基于應(yīng)變測試的衍生傳感器測振傳感器數(shù)據(jù)采集分析儀目錄橋梁檢測車是一種能夠為橋梁檢測人員提供作業(yè)平臺的專用汽車，具備移動靈活，使檢測人員能安全、快速、高效地進行作業(yè)，對交通影響小的特點根據(jù)專用工作裝置不同，主要分為吊籃式和桁架式兩種一般工具與設(shè)備橋梁檢測車吊籃式橋梁檢測車桁架式橋梁檢測車吊籃式橋梁檢測車（折疊臂式橋梁檢測車）其特點是：結(jié)構(gòu)小巧，受橋梁結(jié)構(gòu)制約少；可有線/無線操作，工作靈活但作業(yè)面積較小，載重量小，可容納人數(shù)較少，檢測過程中作業(yè)幅度小，作業(yè)效率相對較低吊籃式橋梁檢測車吊籃式橋梁檢測車按使用形式分類：車載式（也稱自行式）和拖掛式優(yōu)點：采用通道式工作平臺，實施檢測方便、操作方便、交通影響小、工作機動靈活、作業(yè)效率高、安全可靠性高

按使用形式分類：分為車載式（也稱自行式）和拖掛式車載式橋檢車拖掛式橋檢車桁架式橋梁檢測車鋼筋位置探測儀鋼筋探測儀原理：基于電磁場理論，內(nèi)置的線圈和混凝土內(nèi)鋼筋構(gòu)成一個相互作用的電磁模型

發(fā)射線圈產(chǎn)生強磁場，接收線圈接收磁場與鋼筋相交時的感應(yīng)電流變化，放大和濾波處理后，轉(zhuǎn)換成與鋼筋位置、直徑等相關(guān)的電信號，經(jīng)過計算分析確定鋼筋的位置、直徑等主機探頭鋼筋位置探測儀鋼筋探測儀組成：探頭、主機及相關(guān)附件作用：直觀顯示鋼筋分布、顯示鋼筋位置以及保護層厚度影響因素：與混凝土結(jié)構(gòu)緊密接觸、混凝凝土含水率、密度和鋼筋浸潤程度等主機探頭鋼筋銹蝕儀鋼筋銹蝕儀是指采用電化學(xué)方法檢測混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的設(shè)備，通過對腐蝕電位的測量可以判斷鋼筋的銹蝕程度混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)原理，大致分為陽極反應(yīng)、電子傳輸、陰極反應(yīng)及銹蝕物形成四個階段鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)原理鋼筋銹蝕儀鋼筋銹蝕儀鋼筋銹蝕儀檢測需要在混凝土表面貼附參比電極（如銅/硫酸銅電極或銀/氯化銀電極），以及輔助電極（惰性金屬電極）通過連接參比電極、輔助電極和被測鋼筋，形成一個三電極體系，可測得到鋼筋表面與鋼筋銹蝕儀探頭間的電位差鋼筋銹蝕程度與測量的電位差之間存在一定關(guān)系，通過電位的變化規(guī)律，即可以實現(xiàn)對鋼筋銹蝕程度的判斷鋼筋銹蝕儀原理：利用高頻電脈激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波在混凝土中傳播后被接收換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號顯示在示波屏上。可評估混凝土內(nèi)部缺陷類型、大小及其力學(xué)性能組成：主要由主機和換能器組成功能：可以檢測聲時、聲速，并觀察聲波波形、讀取波幅非金屬超聲波檢測儀檢測流程非金屬超聲波檢測儀非金屬超聲波檢測儀位移、線形、裂縫及缺陷測量技術(shù)機械式位移測量儀器機械式位移測量儀器包括百分表、千分表、拉線式位移計、張線式位移測量技術(shù)等，這些儀表和測量技術(shù)原理為機械原理百分表千分表最小刻度值為0.01mm量程通常為5mm或10mm大量程達30~50mm允許誤差0.01mm最小刻度值為0.001mm量程通常有1mm或3mm允許誤差0.001mm注意事項：應(yīng)選用剛度較大的支架，在使用時方向應(yīng)保持垂直，并且與被測結(jié)構(gòu)完全分離；選擇合適的測量范圍，使用之前保證指針擺動正常并進行標(biāo)定支架組成現(xiàn)場架設(shè)1―夾頭2―金屬桿件3―活動鉸4―底座采用特制的夾具將位移計安裝于結(jié)構(gòu)表面，通過測量標(biāo)距范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)表面的伸長量換算得到平均應(yīng)變位移計常被用來測定混凝土結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變，常用的測量標(biāo)距為10~20cm，具有精度高、量程大、大標(biāo)距等特點位移計應(yīng)變量測裝置應(yīng)變測量l——測量標(biāo)距，即兩個固定基座中心之間的距離Δl——兩個固定基座中心的距離的變化量1―金屬夾頭2―頂桿3―位移計4―試件百分表、千分表配以水準(zhǔn)管可以測定轉(zhuǎn)角測量時將水準(zhǔn)管一端鉸接于基座，另一端固定在測微計微調(diào)螺絲下方，將儀器用夾具裝在測點后，調(diào)節(jié)微調(diào)螺絲使水準(zhǔn)管的氣泡居中，使水準(zhǔn)管水平特點：精度高、尺寸小、受溫度影響大，不宜受陽光暴曬轉(zhuǎn)角測量水準(zhǔn)管式傾角儀測量原理拉線式位移計的位移傳感器是位移傳感器在結(jié)構(gòu)上的精巧集成。它結(jié)合了角度位移測量和直線位移測量的優(yōu)點，可以將機械位移量轉(zhuǎn)換成可計量的、成線性比例的電信號其主要用于橋梁、邊坡、裂縫、建筑、地鐵以及軟基處理沉降的監(jiān)測測量，可長期自動化監(jiān)測拉線式位移計

測試方法拉線式位移計張線式位移測量是通過測量張緊鋼絲的位移變化間接測量橋梁結(jié)構(gòu)位移，適用于凈空高度較大的橋梁結(jié)構(gòu)張線式位移測量裝置張線式位移量測裝置注意事項：為保證測量精度，可選用低線膨脹系數(shù)、低松弛的鋼絲；可加裝水平向限位裝置保證鋼絲僅在垂直方向發(fā)生位移；若難安置位移計，可設(shè)置定滑輪將細(xì)鋼絲轉(zhuǎn)向至容易測試位置激光位移計是一種高可靠性的非接觸式精確測量儀器，可實現(xiàn)對距離、位移、外形尺寸和表面輪廓等參數(shù)的實時測量根據(jù)測量原理分：激光三角測量和激光回波信號分析激光位移計分類：根據(jù)入射激光束方向與被測物體表面法線方向的角度關(guān)系，可將激光位移計分為斜入射式和直入射式兩種精度：采取三角測量法的激光位移傳感器最高線性度可達1μm，分辨率更是可達到0.1μm的水平適用：激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量基于激光三角測量原理：由線激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射線激光束，該線激光束垂直入射被測物體表面，在物體表面產(chǎn)生的漫反射光束，經(jīng)由成像系統(tǒng)后匯聚在CMOS上，內(nèi)置的數(shù)字信號處理器即可計算出傳感器和被測物體之間的距離基于激光三角測量直入射式激光位移計結(jié)構(gòu)原理橋梁檢測應(yīng)用基于激光回波分析原理：在激光成像時，線激光束有發(fā)散角，對一定距離處目標(biāo)進行成像探測時會形成成像光斑，成像光斑的子目標(biāo)對激光回波會產(chǎn)生貢獻，回波在CMOS接收光敏面上疊加，形成合成回波，通過特定算法提取與處理回波信號，即可實現(xiàn)目標(biāo)的成像適用：較遠(yuǎn)距離的外形和表面輪廓測量磁致伸縮傳感器是以非接觸方式進行位置測量的傳感器，主要元件包括波導(dǎo)絲、電子倉、浮球等測量原理：磁致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)優(yōu)點：高精度、高響應(yīng)、低遲滯、非接觸、壽命長、穩(wěn)定性高、安裝方便，無需定期標(biāo)定和維護磁致伸縮位移計結(jié)構(gòu)原理磁致伸縮位移計工程應(yīng)用傾角儀又被稱為角度儀，其基于電容傳感技術(shù)，利用輸出電壓與所處平面的轉(zhuǎn)角大小成正比測量待測點的傾角變化，能夠測量橋梁結(jié)構(gòu)相應(yīng)測點的豎向轉(zhuǎn)角和撓度特點：不需要設(shè)置固定參考點，受外界環(huán)境干擾?。痪哂辛己玫牡皖l性和良好的瞬態(tài)反應(yīng)能力，靈敏度高；能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁靜撓度和動撓度；成本低傾角儀傾角儀橋梁檢測應(yīng)用連通管位移監(jiān)測連通管位移監(jiān)測分為基于液位的連通管位移監(jiān)測和基于液壓的連通管位移監(jiān)測基于液位的連通管位移監(jiān)測原理：連通管特點：檢測成本較高，液體易受凍而導(dǎo)致測量精度降低基于液位的連通管位移檢測原理組成：液體、管道以及傳感器等特點：不受多方位變形、現(xiàn)場惡劣環(huán)境影響，讀數(shù)穩(wěn)定，精度高，在耐久性和經(jīng)濟性等方面具有較明顯的優(yōu)勢應(yīng)用：橋梁結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測、基礎(chǔ)沉降監(jiān)測基于壓力的連通管位移監(jiān)測基于壓力的連通管位移監(jiān)測原理基于液位的連通管位移監(jiān)測測點布置動撓度檢測儀主要由測試頭、CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器、控制器、靶標(biāo)、標(biāo)定器、聚焦鏡頭、三角架等部分組成，采用圖像法測量，可滿足各種橋梁動撓度、振動位移測量應(yīng)定期維修或更換關(guān)鍵部件；測量環(huán)境發(fā)生較大變化、對測量精度有特別要求、長時間未使用時，需對檢測儀進行校準(zhǔn)動撓度檢測儀橋梁動撓度檢測圖像法動撓度檢測水準(zhǔn)儀是借助水平視線觀察豎立在兩點上的標(biāo)尺讀數(shù)，測定兩立點間高差，由已知點高程推算出未知點的高程，計算出橋梁待測點的撓度值的橋梁位移和線形測量常用測量儀器利用水準(zhǔn)測量原理測定待測點高程常采用高差法水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)儀及配套設(shè)備水準(zhǔn)儀的上部結(jié)構(gòu)利用水準(zhǔn)尺可知A點的高程HA，在A、B兩點豎直方向上安放兩根水準(zhǔn)尺，通過水準(zhǔn)儀可以分別讀出A、B兩點的讀數(shù)為a

和b水準(zhǔn)儀測高程高差法hAB=a-bHB=HA+hABHB=HA+a-b未知點B點的高程HB為:A、B兩點之間高差hAB為:精密光學(xué)水準(zhǔn)儀指精度高于±1mm/km的光學(xué)水準(zhǔn)儀與一般光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，其特點是能夠精密地整平和準(zhǔn)確地讀取讀數(shù)，我國水準(zhǔn)儀系列中DS?等均屬于精密水準(zhǔn)儀。精密光學(xué)水準(zhǔn)儀主要用于高精度測量工程光學(xué)水準(zhǔn)儀精密光學(xué)水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀又稱數(shù)字水準(zhǔn)儀，是以自動安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和讀數(shù)器（CCD線），并采用條碼標(biāo)尺和圖像處理電子系統(tǒng)構(gòu)成的光機電測一體化的水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀的照準(zhǔn)標(biāo)尺和調(diào)焦仍需目視進行，具有讀數(shù)客觀、測量精度高的特點電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀整體圖電子水準(zhǔn)儀局部圖全站儀全站儀的全稱是全站型電子監(jiān)測儀，是集電子經(jīng)緯儀、光電測距儀和數(shù)據(jù)記錄裝置于一體的測量儀器，其與計算機通信結(jié)合，利用專用軟件可測算水平角、豎直角、距離、坐標(biāo)全站儀徠卡TS02智能全站儀全站儀需要配合棱鏡使用，但用免棱鏡全站儀不需要棱鏡按測距模式分類：相位比較式、脈沖式、脈沖相位比較式相位比較式測距模式測距精度高、脈沖式測程遠(yuǎn)；脈沖相位比較式是這幾年的新科技成果，測程遠(yuǎn)而且測距精度高免棱鏡測距時會受激光束限制，對角落或深色表面物件測距效果不理想徠卡TS442R免棱鏡全站儀免棱鏡全站儀應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS主要是利用空中衛(wèi)星進行定位，實現(xiàn)橋梁線形及位移測量，由空間星座部分、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備部分組成，利用GNSS技術(shù)可以觀測至少4顆GNSS衛(wèi)星全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)有：全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）俄羅斯的格羅納斯（GLONASS）系統(tǒng)歐盟的伽利略（GALILEO）系統(tǒng)中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）GNSS的特點GNSS接收機的體積小，功耗低，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、通視條件不佳情況下的三維坐標(biāo)高精度測量GNSS不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此其費用低GNSS測量工作作業(yè)時間短GNSS測量GNSS的特點GNSS接收機自動化程度高，操作簡便智能化高，接收機可進行自動觀測和記錄目前常用GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)全球覆蓋，衛(wèi)星分布均勻，可以在任何時間、任何地點連續(xù)觀測，一般不受天氣狀況影響GNSS測量確定混凝土結(jié)構(gòu)的開裂荷載、裂縫寬度與分布形態(tài)，對研究結(jié)構(gòu)的抗裂性能、變形性能及破壞過程均有十分重要的價值裂縫出現(xiàn)前，借助于放大鏡用肉眼觀察裂縫出現(xiàn)后，采用讀數(shù)顯微鏡或采用振弦式裂縫計量測裂縫寬度的發(fā)展變化裂縫觀測裂縫探測儀讀數(shù)顯微鏡：讀數(shù)顯微鏡是由光學(xué)透鏡與游標(biāo)刻度玻片等組成的復(fù)合儀器，其最小刻度值要求不大于0.05mm裂縫卡：用印刷有不同寬度線條的裂縫標(biāo)準(zhǔn)寬度板（裂縫卡）與裂縫對比量測裂縫讀數(shù)顯微鏡裂縫卡讀數(shù)顯微鏡及裂縫卡數(shù)顯式裂縫測寬儀是采用高精密度光學(xué)鏡頭及大面陣高靈敏度CCD，配以超高亮度照明裝置，通過高精度視覺系統(tǒng)獲得裂縫圖像的儀器可實現(xiàn)裂縫觀測，并對裂縫圖像進行處理，獲得裂縫寬度和長度信息，實現(xiàn)對裂縫遠(yuǎn)距離、非接觸式、高精度、高效率的測量

數(shù)顯式裂縫測寬儀數(shù)顯式裂縫測寬儀雷達探測儀工作原理雷達探測儀雷達探測儀是基于雷達原理的檢測儀器。應(yīng)用：測距、測速和缺陷檢測基本組成：發(fā)射天線、接收天線，雷達發(fā)射前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)與數(shù)字信號處理器等雷達探測儀位移測試測距、測速測距原理是通過雷達發(fā)射器對目標(biāo)發(fā)射單頻微波，回波被雷達接收器接收，基于2次回波信號與發(fā)射波的相位差實現(xiàn)對目標(biāo)的位移測量測速原理是雷達利用自身和目標(biāo)之間的頻率多普勒效應(yīng)，從而從干擾雜波中檢測和跟蹤目標(biāo)雷達探測儀缺陷測試缺陷檢測缺陷檢測原理是利用不同介質(zhì)對于雷達信號的反饋信號不同及電磁波信號在構(gòu)件內(nèi)部傳播時電磁波運動特點當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷，缺陷處介質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)差異大，電磁波反射強烈，且波形不連續(xù)，雷達探測儀檢測圖上能直觀識別構(gòu)件內(nèi)部的缺陷位置、形狀及范圍，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在缺陷，反射波較弱，波形連續(xù)聲吶探測儀利用聲波在水下的傳播特性，通過發(fā)射聲波并接收反射回來的聲波，分析處理聲波信號，達到對水下目標(biāo)的探測、定位和通信的目的構(gòu)成：發(fā)射機、換能器、接收機、顯示器、定時器、控制器聲吶探頭及成像聲吶探測儀應(yīng)用：測定水下物體的位置、形狀、大小以及距離等參數(shù)優(yōu)勢：掃描速度快、工作效率高；便攜性好，體積小、質(zhì)量輕；能實現(xiàn)全水域、全天候掃描，不受環(huán)境影響；清晰度高、分辨率高河床及橋梁基礎(chǔ)掃描結(jié)果要測量橋梁結(jié)構(gòu)在各種作用下的應(yīng)力情況，必須先測定其應(yīng)變變形，通過材料已知的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系推算出應(yīng)力值應(yīng)變量測原理：應(yīng)變的量測，通常是在預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)長度范圍

L（稱標(biāo)距）內(nèi)，量測長度變化增量的平均值

ΔL，由

ε=ΔL/L

可求得

ε

注意事項：對于應(yīng)力梯度較大的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中的測點，L

的選擇原則應(yīng)盡量小。對某些非均質(zhì)材料組成的結(jié)構(gòu)，L

應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜≈捣秶攀鰬?yīng)變、溫度與荷載測量技術(shù)手持式應(yīng)變計是一種機械式應(yīng)變測量儀器，每次測量前，需要在標(biāo)準(zhǔn)針距尺上標(biāo)讀，再在試物上測讀，比較兩者之間的差數(shù)，即為所求變形量組成：金屬支架、位移計和伸縮調(diào)整裝置特點：便于攜帶，適用于橋梁結(jié)構(gòu)的長期變形測量手持式應(yīng)變計手持式應(yīng)變儀yb-25型手持式應(yīng)變儀電阻應(yīng)變測量技術(shù)是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件上，應(yīng)變片隨構(gòu)件一起變形，通過測量應(yīng)變片電阻值變化，再換算成電壓變化信號，得到所需測量的應(yīng)變值的一種測量技術(shù)構(gòu)成：電阻應(yīng)變片由直徑為0.02~0.05mm的康銅絲或鎳鉻絲繞成柵狀夾在兩層絕緣薄片中（基底）制成電阻應(yīng)變片（計）電阻應(yīng)變片的構(gòu)造1―敏感絲柵2―基座3―覆蓋層4―引出線ρ—金屬絲的電阻率

A—金屬絲的截面面積L—金屬絲的長度電阻應(yīng)變片中，每段確定長度和截面的金屬絲有一個電阻值R當(dāng)金屬絲受到拉力（壓力）時，長度會增長（縮短），截面面積會減少（增大），電阻值也會發(fā)生相應(yīng)的變化電阻應(yīng)變片受力示意圖R=ρL/A采用數(shù)學(xué)的極限思想電阻R的微分表達式：金屬絲伸長△L時，電阻變化率為：將dA/A代入，略去高階項，得：K0—表示應(yīng)變靈敏系數(shù)，一般約為2.0

電阻應(yīng)變片的特點：靈敏度高；標(biāo)距小，粘貼方便；質(zhì)量小，可用于動態(tài)應(yīng)力分析；易實現(xiàn)自動、多點、同步測量，方便操作；但測量時導(dǎo)線多，易受溫度電磁場影響各項所代表的意義K0：每單位應(yīng)變所造成的相對電阻變化率。反映金屬絲材料電阻的效應(yīng)，也可表示電阻應(yīng)變片輸出信號與輸入信號在數(shù)量上的關(guān)系1+2μ：由幾何尺寸改變引起，金屬導(dǎo)體以此為主(dρ/ρ)/ε：表示是由材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化，半導(dǎo)體材料以此為主實驗室常用應(yīng)變片：金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片和應(yīng)變花金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片最常用的形式為絲繞式。其敏感元件是絲柵電阻絲，絲式應(yīng)變片尺寸從幾毫米到幾百毫米不等，阻值為50~400Ω。絲式應(yīng)變片常用金屬材料是康酮、鎳鉻合金、鐵鎳鉻合金等金屬式應(yīng)變片粘貼效果常用應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的敏感元件是通過光刻技術(shù)和腐蝕工藝變成絲狀的一種金屬箔柵。其尺寸分布不均勻，阻值一般為60-1000Ω性能上的特點：散熱條件好，逸散功率大，允許較大電流、耐蠕變和漂移的能力強，易做成任意形狀，但工藝較復(fù)雜直角應(yīng)變花單應(yīng)變直角應(yīng)變花箔式應(yīng)變片應(yīng)變片組成應(yīng)變片成品半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片是根據(jù)壓阻效應(yīng)制造的應(yīng)變片，壓阻效應(yīng)是指對一塊半導(dǎo)體材料（如多晶硅Poly-Silicon，簡稱P-Si）的某一軸向施加一定的荷載而產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化其突出特點是它的靈敏系數(shù)比一般的應(yīng)變片高出50倍以上（可達140），可以使輸出信號大大增強，其缺點是溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性不及金屬應(yīng)變片應(yīng)變花是一種具有兩個或兩個以上不同軸向敏感柵的電阻應(yīng)變片，用于確定平面應(yīng)力場中主應(yīng)變的大小和方向常見的應(yīng)變花有直角應(yīng)變花和等角應(yīng)變花，它們在一個公用的基底上重疊地粘貼3個相互絕緣的電阻絲，也可以用3個單獨的應(yīng)變片代替應(yīng)變花三軸Δ-T應(yīng)變花

三軸60°應(yīng)變花三軸45°應(yīng)變花應(yīng)變片的選用應(yīng)變片形式的選用主要依據(jù)于應(yīng)變測量的目的、被測試件的材料、應(yīng)力狀態(tài)以及測量精度測試點應(yīng)力狀態(tài)是一維應(yīng)力的結(jié)構(gòu)：選用單軸應(yīng)變片測試點應(yīng)力狀態(tài)是二維應(yīng)力的結(jié)構(gòu)：選用直角應(yīng)變花，并使其中一條應(yīng)變柵與主應(yīng)力方向一致若主應(yīng)力方向未知：就必須使用三柵或四柵的應(yīng)變花三軸45°應(yīng)變花實例三軸應(yīng)變花實例

各種柵長應(yīng)變片的最高工作頻率注：表中是在鋼材上正弦應(yīng)變信號測得的數(shù)據(jù)，L=λ/20，λ=C/f。其中，C為應(yīng)變傳播速度，對于鋼和鋁C=5000m/s，f為正弦應(yīng)變頻率應(yīng)變片尺寸的選用應(yīng)考慮應(yīng)力分布、動靜態(tài)測量、應(yīng)變大小等因素若材質(zhì)均勻、應(yīng)力梯度大，應(yīng)采用柵長小的應(yīng)變片對于材質(zhì)不均勻而強度不等的材料或應(yīng)力分布變化較緩和的構(gòu)件，應(yīng)選用柵長較大的應(yīng)變片對于沖擊荷載或高頻動荷作用下的應(yīng)變測量，還要考慮應(yīng)變片的響應(yīng)頻率應(yīng)變片柵長（mm）12510202550可測頻率

f（kHz）250125502512.5105

(a)打磨(b)清洗(c)粘貼應(yīng)變片粘貼流程應(yīng)變片的粘貼步驟和防護選擇的構(gòu)件表面待測點需經(jīng)打磨，用砂輪磨平欲測的對象，用細(xì)鐵砂紙拋光并達到光潔用浸有丙酮或酒精的藥棉清洗欲測部位表面，清除油垢灰塵，保持清潔在應(yīng)變片背面涂粘貼劑，應(yīng)變片十字線對準(zhǔn)測量部位十字交叉線，蓋上薄膜紙。擠出氣泡和膠水，用同樣的膠粘貼引線端子電阻應(yīng)變測量的橋路組合由機械應(yīng)變引起的電阻應(yīng)變計阻值的變化通常很小。若用R=120Ω、k=2.0的電阻應(yīng)變計測量鋼結(jié)構(gòu)（Es=2.0×105MPa）的應(yīng)變，當(dāng)某點應(yīng)力為100MPa，應(yīng)變計電阻值的變化ΔR為如果要測量相對誤差為1%，那么測量電阻變化的儀器的刻度值要不大于0.001Ω；若以0.001Ω的精度測量1MPa的應(yīng)力，誤差太大，這樣產(chǎn)生對測量靈敏度要求高且要求量程大的矛盾

由于將應(yīng)變等機械量轉(zhuǎn)換為電阻的變化，這種變化是很微弱的，固需要用高精度的測量電路—電橋測量電路惠斯頓電橋是一種常見的電阻—電壓轉(zhuǎn)換裝置，它能把應(yīng)變計電阻的微小變化轉(zhuǎn)換為適合放大和處理的電壓電橋線路原理惠斯頓電橋當(dāng)B、D開路）時：

如果

R1R2=R3R4，則：

全等臂電橋時：

R1=R2=R3=R4K=K1=K2=K3=K4排除溫度影響的措施，叫溫度補償基本原理：用一片與工作片阻值、靈敏系數(shù)和電阻溫度系數(shù)都相同的應(yīng)變計，使處于同一溫度場但不受力，電橋連接時工作片和補償片處在相鄰橋臂中，對電橋輸出的影響互相抵消掉，從而起到溫度補償作用補償片可采用單點補償多點的辦法，具體補償多少點要根據(jù)被測物的材料特性、測點位置及環(huán)境條件決定溫度自補償：知道補償片與工作片所感受應(yīng)變之間的比例關(guān)系時，可采取適當(dāng)?shù)臉蚵方臃ň湍芷鸬綔囟妊a償?shù)淖饔?，有時還能提高電橋的靈敏度。這一方法稱為溫度自補償溫度補償在滿足特殊要求的條件下，選擇測量電橋組合形式時，要優(yōu)先選用輸出電壓較高、能實現(xiàn)溫度互補償且便于分析的組合把不同數(shù)量的應(yīng)變計接入電橋構(gòu)成所謂1/4橋、半橋和全橋等，其中最常用的是半橋和全橋橋路組合電阻應(yīng)變測量橋路組合1/4橋橋路組合方式單點測量時，R1為電阻片電阻，其余三個為精密電阻（無電阻變化），則有:半橋橋路組合方式將半橋接上電阻片，另半橋為精密電阻(ΔR3=ΔR3=0)則有:

全橋橋路組合方式測量電橋的4個電阻全由電阻片組成，即有：

振弦式（鋼弦式）應(yīng)變計是通過“弦”的振動頻率變化間接測量應(yīng)變的設(shè)備，由兩端座、振弦、信號傳輸電纜等組成振弦式應(yīng)變計的計算公式如下：振弦式應(yīng)變計

K——振弦式應(yīng)變計標(biāo)定系數(shù)；F0——應(yīng)變計初始狀態(tài)模數(shù)值，模數(shù)值為頻率值平方的千分之一；Fi——應(yīng)變計i時刻測量模數(shù)值；T0——應(yīng)變計初始狀態(tài)感受的溫度；Ti——應(yīng)變計i時感受的溫度；b1——應(yīng)變計的溫度補償修正系數(shù)；b2——待測物體溫度膨脹系數(shù)由力學(xué)原理知，鋼弦的共振頻率與弦線所承受的拉力具有相關(guān)關(guān)系，測得鋼弦的振動頻率可求待測物理量位移，可推算其相應(yīng)變形振弦式傳感器構(gòu)造簡單，線性范圍寬，測試結(jié)果穩(wěn)定、可靠，受溫度影響小、抗干擾能力強，適用中長期觀測，廣泛應(yīng)用于橋梁施工監(jiān)控及健康監(jiān)測和橋梁荷載試驗的應(yīng)變測試典型振弦式應(yīng)變計振弦式應(yīng)變計結(jié)構(gòu)原理光纖傳感技術(shù)是利用光纖敏感材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造將被測參量轉(zhuǎn)換為光纖中相應(yīng)光信號的新一代傳感技術(shù)光纖布拉格光柵傳感器是通過光纖內(nèi)部寫入的光柵，反射或透射布拉格波長，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的絕對測量布拉格光纖光柵傳感器測試原理光纖光柵傳感器布拉格波長的變化反映的是外界參量的變化。光纖光柵的反射或透射波長光譜取決于光柵周期和介質(zhì)的有效折射率。光纖布拉格中心波長可表達為

如果光柵周圍的溫度或應(yīng)力發(fā)生變化使FBG產(chǎn)生變形，將導(dǎo)致光柵柵距、周期及纖芯折射率變化，使得FBG反射光波中心波長改變，應(yīng)變作用下引起的中心波長漂移ΔλBS可表示為Δε—軸向應(yīng)變Pe—有效彈光系數(shù)

溫度作用下引起的中心波長漂移ΔλBT可表示為ΔλBT=λB（α+ξ）ΔTα——熱膨脹系數(shù)ξ——熱光系數(shù)FBG傳感器中心波長總漂移量ΔλB可由上式疊加表示為ΔλB=λB(1-Pe)Δε+λB(α+ξΔT)

Kε——應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù)，Kε=1-PeKT——溫度傳感靈敏度系數(shù)，KT=α+ξ

布拉格光纖光柵（FBG）包括纖芯、包層和保護層，纖芯用來傳輸光波，包層用來提高纖芯傳輸效率，降低傳輸損耗，保護層提供保護作用，避免纖芯和包層被腐蝕和外力作用損傷布拉格光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖FBG傳感器的工作實質(zhì)是將光在傳感區(qū)域受到的環(huán)境信息號轉(zhuǎn)換、傳輸并儲存為可以辨別的數(shù)字信息傳感過程中，光波由傳輸通道進入FBG傳感器，傳感器在應(yīng)力、溫度場的作用下，對光波進行調(diào)制，再攜帶應(yīng)力、溫度場信號光波通過反射進入接受通道被探測器接受解調(diào)并輸出FBG傳感器測試方案工作原理FBG傳感器的安裝方式分為內(nèi)部埋入式和外表粘貼式內(nèi)部埋入式適用于在建或?qū)⒁d建的大型工程，可監(jiān)測施工過程中材料內(nèi)部變化過程或者建成后結(jié)構(gòu)使用期間的狀態(tài)外表粘貼式適用于已經(jīng)存在的工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入式外表粘貼式磁通量傳感器基于鐵磁性材料磁彈效應(yīng)原理制成，其構(gòu)件是傳感器的一部分，通過直接感應(yīng)構(gòu)件的磁特性變化測量應(yīng)力應(yīng)用：斜拉橋斜拉索的索力測試，系桿拱橋的吊桿和系桿的索力測試，懸索橋纜索體系的索力測試，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的體外索和預(yù)應(yīng)力筋的張力測試，錨桿的索力測試磁通量荷載傳感器原理圖

實物圖

測試應(yīng)用基于應(yīng)變測試的衍生傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變計為敏感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號的器件電阻式應(yīng)變式表面?zhèn)鞲衅魈攸c：精度高，測量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化，但對于大應(yīng)變有較大的非線性，輸出信號較弱組成：敏感元件、傳感元件和測量電路電阻式應(yīng)變式荷載傳感器通過測量彈性體應(yīng)變來換算荷載為減少荷載偏心可能帶來的誤差，一般在彈性體上布置8片應(yīng)變片，并配合全橋互補接法測量橋路。其結(jié)構(gòu)形式有圓柱式、環(huán)式、懸臂梁式及輪輻式等三維視圖實物圖電阻式應(yīng)變式荷載傳感器振弦式傳感器是以振弦式應(yīng)變計為敏感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換為敏感元件頻率的器件振弦式裂縫傳感器原理：被測結(jié)構(gòu)物變形帶動裂縫傳感器變化，通過支座傳給振弦產(chǎn)生應(yīng)力變化，進而改變振弦的振動頻率，測結(jié)構(gòu)物裂縫的變形量，同時可測埋設(shè)點的溫度特點：可測結(jié)構(gòu)物裂縫變形，可重復(fù)使用振弦式傳感器振弦式裂縫傳感器振弦式荷載傳感器以被拉緊的鋼弦作為敏感元件，元件的固有頻率與拉緊力的大小有關(guān)，輸入力信號，輸出頻率信號應(yīng)用：橋梁拉索、吊桿、錨桿等荷載測量特點：具有較強的抗干擾能力，零漂小、溫度特性好、結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、性能穩(wěn)定振弦式荷載傳感器振弦式傳感器（a）裂縫傳感器（b）荷載傳感器由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變敏感，光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量與電阻應(yīng)變式傳感器、振弦式傳感器相似，它利用光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對位移、荷載、裂縫、加速度等的間接測量光纖光柵式傳感器（a）位移傳感器（b）荷載傳感器測振傳感器又稱換能器或拾振器。測振傳感器固定在振動體上與其一起振動；通過測量慣性質(zhì)量相對于傳感器外殼的運動，就可測得振動體的振動信號轉(zhuǎn)換方式：磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式等傳感器的作用敏感作用，對被測對象某種物理量（如位移、速度、加速度或力）敏感，并完成對該被測量信號的拾取變換作用，將被測非電量變換成電量輸出然后輸至“二次”儀表進行放大及記錄、顯示或分析測振傳感器概述測振傳感器分類按被測物理量分：加速度傳感器及速度傳感器按在工作時與被測對象是否接觸分：接觸式與非接觸式傳感器按信號轉(zhuǎn)換形式分：結(jié)構(gòu)型和物性型測振傳感器原理示意圖1―測振方向2―振動體3―測振傳感器c―阻尼系數(shù)k―勁度系數(shù)m―質(zhì)量u―電壓注意事項傳感器的質(zhì)量小于被測系統(tǒng)有效質(zhì)量的1/10預(yù)估計測試頻率范圍確定最大振動加速度數(shù)值

加速度傳感器常見的加速度傳感器有壓電式加速度傳感器、電阻應(yīng)變式加速度傳感器和電容式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)制成壓電效應(yīng)是晶體材料受到壓力并產(chǎn)生機械變形時，在相應(yīng)的兩個表面出現(xiàn)異信號，外力去掉后，晶體重新回到不帶電的狀態(tài)，測量壓電晶體的電荷量得到所測振動的加速度ENDEVCO壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電加速度傳感器的特點：尺寸小，重量輕，對被測結(jié)構(gòu)的影響小、頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性與抗干擾性能比較好，應(yīng)用較為廣泛

原理圖實物圖電阻應(yīng)變式加速度傳感器由質(zhì)量塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成具有靈敏度高，低頻效應(yīng)好，還可以測量直流信號，但體積較大，在實際的工程應(yīng)用中需要硅油提供大的阻尼力的特點電阻應(yīng)變式加速度計結(jié)構(gòu)原理圖電阻應(yīng)變式加速度傳感器電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極固定，另一個變化電極是彈性膜片原理：利用慣性質(zhì)量塊在外加速度的作用下與被檢測電極間的空隙發(fā)生改變，引起等效電容的變化來測定加速度特點：測量精度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)原理圖實例圖電容式加速度傳感器速度傳感器

磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成。利用傳感器電壓輸出與相對運動速度V成正比進行測量。其靈敏度高、性能穩(wěn)定、輸出阻抗低，頻率響應(yīng)范圍有一定的寬度磁電式速度傳感器制造原理磁電式速度傳感器實物圖電阻應(yīng)變儀是電阻應(yīng)變計的專用放大儀器。由放大器和測量電路組成，它通過貼應(yīng)變片來測應(yīng)力應(yīng)變它按頻率響應(yīng)范圍可分為靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀、動態(tài)電阻應(yīng)變儀和超動態(tài)電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集分析儀類別測量應(yīng)變信號測量頻率范圍(Hz)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀靜態(tài)應(yīng)變0~15靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀單點動態(tài)應(yīng)變測量<200動態(tài)電阻應(yīng)變儀周期或非周期動態(tài)應(yīng)變多通道<5000超動態(tài)電阻應(yīng)變儀爆炸、高速沖擊<100各類應(yīng)變儀的測量頻率范圍注意事項應(yīng)變儀的工作頻率應(yīng)大于被測量的物理量的頻率應(yīng)變儀的最大量程應(yīng)大于被測應(yīng)變的最大值，并使其輸出不超過最大線性輸出量應(yīng)變儀輸出形式應(yīng)與記錄儀相適應(yīng)，并注意阻抗匹配對于靜態(tài)測量，應(yīng)根據(jù)測試精度要求和測試量來選擇儀器的分辨率和測量點數(shù)靜態(tài)電