挠度、应力、应变的几种测试方法

光电成像挠度测量系统示意图
优缺点：具有非接触、测量距离远、测量精度高的 优点,不仅可用于桥梁建设中的施工监控,还可进行 长期在线监测,具有非常广阔的应用前景。可以实现 二维动、静挠度检测，与计算机相连可使记录分析 实现自动化。 徐耀宇等人利用北京光电所生产的BJQN-4 型光 电桥梁挠度检测仪在金刚桥的成桥试验中测量桥梁 的动挠度, 取得很好的效果 ; 潘权等利用光电测试系 统在东营黄河公路大桥进行动载试验测试动挠度曲 线, 从而分析了桥梁的动态性能。
应变片电测技术作为一种无损检测方法可用来了解建筑物 结构的工作状态,从而在各类砼工程结构中得到了广泛应用。
2、光纤光栅测量
原理：裸光纤光栅传感器是一种未经封装的传感元件，它以裸光
纤为载体，通常由纤芯和外面的保护层组成。其中纤芯的直径仅 为0.125 mm，光线在其内部进行全反射传播。当芯层折射率受 到周期性调制后，即成为Bragg 光栅，如图 所示。
挠度、应力应变测 试方法
目录
挠度测试方法 应力应变测试方法
结束语
挠度测试
一、挠度定义
挠度——弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的 线位移称为挠度，用y表示。简言之就是指梁、桁架等 受弯构件在荷载作用下的最大变形，通常指竖向方向y 轴的,就是构件的竖向变形。 挠曲线——如图，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条 在梁的纵对称面内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲 线。
应力应变测试方法
1、电阻式应变片测量
2、光纤光栅测量
3、数显千分表测量
4、振弦传感器测量
5、光弹性测量
1、电阻式应变片测量
电阻式应变片：电阻式应变片又称为电阻应变计,简称应变片 或电阻片,它是非电量电测中最重要的变换器。 原理：是用电阻应变计测量结构的表面应变， 再根据应变— 应力关系确定构件表面应力状态的一种试验应力分析方法。 测量时，将电阻应变片粘贴在零件被测点的表面。当零件在 载荷作用下产生应变时，电阻应变计发生相应的电阻变化,用 应变仪测出这个变化，即可以计算被测点的应变和应力。
三、挠度测试方法
1、百分表法
2、倾角仪测量挠度法
3、连通管液位式挠度测量法
4、光电成像挠度测量方法
5、全站仪挠度测量法
6、GPS挠度测量法
1、百分表法
百分表：一种精度较高的比较量具, 它只能测出相 对数值,不能测出绝对数值, 主要用于测量形状和位 置误差, 测量精度为0. 01 mm。 原理：被测尺寸引起的测杆微小直线移动,经过齿轮 传动放大,变为指针在刻度盘上的转动,从而读出被测 尺寸的大小。 优缺点:该法安装与使用方便, 读数可靠, 不受环境影 响。但该法需要搭设工作支架和观测脚手架, 而且观 测人员多, 不能自动记录,观测读数费时, 仅适用于桥 下可搭设支架的桥梁工程，不适合应用于大跨度缆 索桥梁挠度测量中。
缺点：利用GPS进行桥梁挠度测量。GPS虽然能实现动态实时、
自动测量，但该系统价格昂贵，且测量精度较低，测点少、受 外界干扰大，一般只能对大跨度桥梁进行测量，因此在使用范 围上有一定的局限性。在测量大跨度桥梁时，易受桥梁缆索的 遮挡影响，造成GPS接收机接收不到部分卫星信号，以及载荷 变化造成天线气泡易偏离，使观测结果误差过大。在虎门大桥 的监测系统中以及香港青马大桥上就使用了GPS进行挠度监测。
应力应变测试 在当今土木工程行业中,应力应变测量广泛地应用于建筑、 铁路、桥梁、交通、大坝等结构上。结构的应力应变测试 是工程人员进行结构设计优化,了解结构受力状态以及保证 结构安全的一个很重要的环节。例如在大跨度桥梁的施工 过程以及营运过程的长期健康监测中,对关键截面的应力应 变进行监测,为桥梁的施工、营运、加固提供依据,确保结构 安全是桥梁建设一个必不可少的环节。如何才能快速、准 确地测量出我们所关心的结构的应力应变,是每一个工程人 员十分关心的问题。
5、全站仪法挠度测量
原理：利用全站仪内置的三角高程测量程序，直接观测测站点
和目标点之间的高差，由于测站点保持不动，则加载前后的两 次高差之差即为目标点的挠度变化量。
优缺点：全站仪法具有准备工作简单，操作方便的优点，不
受纵坡大小的影响，测程也比水准仪法测量要远。因此，全 站仪法比较适合一些挠度变形量较大的大桥或特殊大桥的挠 度测量。但受自然条件限制较大。全自动全站仪测量的方法 在上海卢浦大桥和江阴长江大桥等的监测系统中使用过。 。
6、GPS挠度测量
鉴于人造卫星定位系统(Global Positioning System or GPS)具有高效、 快速、全天候、全自动等优点，因此可以引进GPS进行桥梁的挠度测量。 同时直接测量桥梁的独立三维实时位移，增强对桥梁结构健康监测的可 靠度。目前，GPS测量主要有3种模式:静态、准动态和动态，各种测量 模式的观测时间和测量精度有明显的差异。在通常情况下，静态测量的 精度最高，一般可达毫米级的精度，但其观测时间一般要1h以上。准动 态和动态测最的精度一般较低，大量的实测资料表明，在观测条件较好 的情况下，其观测精度为厘米级。因此，对于大挠度桥梁的检测，由于 挠度值较大，应用GPS观测还是可以考虑的。 动态GPS监测挠度的特点: (1)由于GPS是接收卫星运行定位，所以大桥上各测点只要能接收到6颗 以上GPS卫星基准站传来的GPS差分信号，即可进行RTK差分定位，各 监测站得到的是相互独立的观测值。 (2) GPS定位受外界大气影响小，可以在暴风雨和大雾中进行监测。 (3) GPS测量位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星到完成RTK差 分位移都是由仪器自动完成，所测结果自动存人监控中心。 (4) GPS定位速度快，精度高。
4、振弦传感器测量
振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一 种非电量电测的传感器。振弦传感器直接输出振弦的自振 频率信号,通过频率的改变来反映被测构件的应变大小。 振弦传感器具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘 移小、受温度影响小、性能稳定可靠、使用寿命长等特点。
5、光弹性测量
原理：光弹性法是利用光学原理进行应力应变测量中具有代表性
优缺点：电阻应变测试技术的优点: 1) 灵敏度( 1 ∀!) 和准确
度( 约1 %~ 3 %) 高, 数据稳定可靠; 2) 尺寸小、重量轻, 测 试技术简单, 可以应用于静、动态测量; 3) 便于多点测量, 易 于集中, 测量数据便于记录, 且能远距离传输。 电阻应变测试技术的缺点: 1) 对于应力集中部位的测量不够 准确; 2) 一般只能测量构件表面应变, 难于显示其内部应变; 3) 输出信号较小, 动态测量时, 接线往往需要采取屏蔽措施 以防止干扰。
通过光纤光栅解调仪监测光栅反射光的波长，并通过相应的 程序对测试数据进行计算、分析和处理，就能获得光纤光栅传感 器处的应变值。 光纤光栅测试方法特点： 1）光纤光栅传感器以光纤作为信号载体，传感器体积小、重量轻， 容易满足被测结构件对狭小空间的安装需求；另一方面，在使用 传感器密集的地方，从尺寸和重量上进行比较，几乎没有其他传 感器可以与光纤光栅传感器进行媲美。 2）属于光学测量方法，抗电磁干扰，适合用于长距离信号传输。 3）光学信号入射和反射线的输入输出回路仅为一根直径0.25 mm 的光纤， 能够极大地简化测试系统结构。 4）理论上，一根光纤上可以连续制作几十个传感器（被测对象变 形越小，可以连续制作的传感器也越多），便于构成分布式传感 系统。
4、光电成像挠度测量方法
原理：桥梁挠度光电成像测量系统主要由发光靶标和光电数字
摄像机两部分组成· ，发光靶标固定在桥梁梁体的待测部位,光电 数字摄像机则通常固定在桥梁的桥墩上,如图所示· 光电数字摄像 机的成像光学系统,将发光靶标成像在数字摄像机的光敏面上· 当 桥梁在载荷的作用下发生位移Δy时,发光靶标亦随桥梁从A点移 动到B点产生Δy的位移,这就导致发光靶标在摄像机像面上所成 像点的位置相应地从A′移动到B′点产生Δy′的变化量。
y=f(x)
二、挠度测试的现状
挠度测试广泛应用于桥梁工程中，桥梁的挠度 变形是桥梁健康状况评价的重要参数, 因此成为桥 梁检测试验和健康监测的重要指标。桥梁挠度的测 量主要是对桥跨在恒载和活载情况下的挠度进行测 量。因此在桥梁检测、危桥改造以及新桥验收等方 面都需要准确测量桥梁的静、动态挠度值。大跨度 桥梁挠度测量系统应该具有如下特点： (1)、能够进行多点的长期在线、自动测量； (2)、受桥梁现场的尘埃、雾气和湿度的影响小； (3)、具有较大的测量范围和较高的测量精度； (4)、有较高的采样频率，以满足动态挠度测量的需 要。
的方法之一，而其他方法，如激光全息干涉法、散斑干涉法和云 纹干涉法等由于视场测量范围较小，一般在1 μm 到1 mm 之间， 常用于实验室而很难满足工程现场的测量需求。
光弹性方法的优点：1）属于非接触测量方法，具有电测方
法不能达到的全场测量优势，既可以测量表面应力，也可测 量内部应力。 2）该方法直观，能够清晰地反映应力集中现象，不仅很容易 找到应力集中的部位， 而且可以确定应力集中系数。
3、数显千分表测量
数显千分表是利用数字测量显示技术,对测量杆所感测到 的直线位Βιβλιοθήκη Baidu进行读数的一种精密测量器具。它可以进行任意 的起始值设置,进行绝对测量、相对测量,可满足特殊要求。数 显千分表是近年来发展较快的高技术产品,它读数直观、测量 精度高、测量范围大、功能齐全、以数字形式给出测量结果、 无人为读数误差。它的这些特点让它在土木、机械行业受到 重视,特别在高精度、批量大、检测速度快的场合显示出它的 优越性。
仿真流程图
3、连通管液位式挠度测量
基本原理：根据连通管的基本原理,将一个面积相对较大的容器放置在
桥墩固定不变的位置上,连通管固定在桥体侧壁上。如图所示,假设液 位离玻璃管顶部的高度为h1,当桥梁在某点发生竖向变形(挠度变化)Δh 时,安置在该点的连通管也随之在竖直方向下移Δh,因沿桥轴向上所有 连通管的液位保持不变,液位离该点玻璃管顶部的高度从h1变化到h,可 以看出Δh=h1-h. (1)。
即液位在玻璃管内的上升量就是该点的结构下沉量(挠度值),通过 读取有刻度玻璃管中液位的变化值,就得到了桥梁在该点的挠度值。
连通管式光电液位监测系统
优缺点：连通管法采用全封闭式,因此,其具有不受结构多方位变 形及桥梁现场日光、雨、雾影响等特点。然而,因采用该方法只 能人工测量,人工测量毕竟采用人工读数,且费时、费力,只适用 于桥梁短期静态挠度测量。在上海徐埔大桥、大佛寺长江大桥 等就采用了连通管方法来测量桥梁挠度。
目前除了传统的机械式的百分表以外, 还研制了电子位移计, 数显式百分表以及光栅式百分表。千分表的测量精度为0. 001 mm, 常用的量程有1 mm 和3 mm, 其结构及测试挠度的方法与 百分表类似, 千分表只不过是多了一组放大齿轮。
2、倾角仪测量挠度
原理：利用结构有限元模型计算单位荷载在不同位置 作用时的挠度曲线以此挠度曲线作为基准位移模式， 而真实挠度为基准位移模式的线性组合；组合系数的 确定采用对倾角测试数据进行最小二乘拟合的方法， 有效的减小了测试误差的影响。 优点：倾角仪法具有精度高、价格低廉、测量范围广 性能稳定和方便安装与维护等优点。 适用范围：采用倾角仪测量桥梁挠度不需现场测量基 准及不受日光、雨、雾等影响, 测量范围较大, 可实 现一维/ 二维测量, 适合大、中型刚构结构桥梁的挠 度测量。对各倾角仪之间的相位差、倾角仪的瞬态 反应、倾角仪零漂等的要求较高。已在北京、九江、 哈尔滨、大庆、乌鲁木齐等地的多座公路桥梁挠度 测量中得到应用。
光弹性方法的缺点：
1）工艺比较复杂，测量周期比较长； 2）通常需要使用环氧树脂材料在被测结构表面进行平面和曲 面贴片处理；对于一些大型构件，需要按比例制作3D 光弹性 模型，制作工艺相对复杂； 3）需要将被测对象置于偏振光环境中，光学系统相对复杂。
结束语
各种测量手段在不同的场合显示出了不一样 的优越性。因此在实际工程中,选择测量方法时 应该因地制宜,根据现场实际情况来做出合理的 选择,才能达到最佳的测量效果。相信随着科技 的发展和进步,各种集成化、自动化、高精度、 高速度、高稳定性、适用范围更广的测量设备 和测试手段将更好的为我们服务。