土木工程结构试验3章1

土木工程结构试验

第3章 量测仪器与采集系统

Chapter 3 Instrumentation and Date Acquisition System

第3章 量测仪器与采集系统

Chapter 3 Instrumentation and Date Acquisition

System

目录 Contents

3.1 概述（introduction） ................................................................................................ 23

3.1.1 量测仪器的组成（components of instrumentation） ........................................... 23

3.1.2 量测仪器的工作原理（theory of instrumentation） ............................................ 23

3.1.3 量测仪器的主要性能指标（instrumentation indices）........................................ 23

1．量程（range）............................................................................................. 23

2．刻度值（scale interval） .............................................................................. 23

3．分辨率（resolution） ................................................................................... 23

4．灵敏度（sensitivity） .................................................................................. 23

5．精确度/精度（accuracy） ............................................................................ 23

6．滞后（lag） ................................................................................................ 24

7．线性范围（linear range）............................................................................. 24

8．频响特性（frequency response characteristics） ............................................. 24

9．相移特性（phase shift characteristics） ......................................................... 24

3.1.4 量测仪器的选用原则（selection of instruments） .............................................. 24

3.1.5 仪器的率定（equipment calibration）............................................................... 25

3.2 应变量测（strain measurement） ............................................................................... 25

3.2.1 机测引伸仪（mechanical strain gauge）............................................................ 25

1．手持式应变仪（hand-held strain gauge） ...................................................... 25

2．千分表测应变装置（micro dial gauge） ........................................................ 26

3.2.2 电阻应变计（resistance strain gauge）.............................................................. 26

3.2.3 电阻应变仪（electrical resistance strain instrument） ......................................... 28

1．电阻应变仪的组成（components of electrical resistance strain gauge） ............ 28

2．电阻应变仪的原理（principle of electrical resistance strain gauges） ............... 28

3．测量电路（measurement circuit） ................................................................. 29

4．多点测量线路（multipoint measurement circuit） .......................................... 29

5．温度补偿（temperature compensation） ........................................................ 29

3.3 位移量测（displacement measurement） .................................................................... 31

3.3.1 线位移传感器（linear displacement sensor）..................................................... 31

1．机械式百分表和千分表（mechanical dial gauges）........................................ 31

2．张拉式位移传感器（stretching displacement sensor） .................................... 31

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3．电阻应变式位移传感器（electrical resistance displacement sensor）................ 32

4．滑动电阻式位移传感器（sliding electrical resistance displacement sensor） ..... 32

5．线性差动电感式位移传感器（linear variable differential transformer, LVDT） . 32

3.3.2 角位移传感器（angular displacement sensor） .................................................. 32

1．水准式倾角仪（inclinometer）..................................................................... 32

2．电子倾角仪（electric inclinometer） ............................................................. 33

3.3.3 光纤位移传感器（fiber optic displacement sensor）........................................... 33

1．光纤的结构和传输原理（structure and principle of optical fiber） ................... 33

2．光纤的性能的几个重要参数（optical fiber indices）...................................... 34

3．光纤传感器类型（types of fiber optic sensor） .............................................. 35

4．反射式光纤位移传感器（reflection fiber-optic displacement sensor） .............. 35

3.4 力值量测（force measurement） ................................................................................ 36

3.4.1 机械式力传感器（mechanical force sensor）..................................................... 37

3.4.2 电阻应变式力传感器（electrical resistance strain sensor） ................................. 37

3.4.3 振动弦式力传感器（vibrating wire sensor） ..................................................... 38

3.5 裂缝量测（crack detection） ..................................................................................... 38

3.5.1 量测裂缝的方法(crack detection methods) ......................................................... 38

1．肉眼观察（visual inspection）...................................................................... 38

2．贴应变片（surface bond strain gauge） ......................................................... 39

3．涂导电漆膜（conductive coating） ............................................................... 39

4．超声波检测（ultrasonic inspection） ............................................................. 39

3.5.2 裂缝宽度量测仪器（instrumentation for measuring crack width） ....................... 39

1．读数显微镜（microscope）.......................................................................... 39

2．裂缝读数卡（crack reading chart） ............................................................... 39

3.6 温度量测(temperature measurements )......................................................................... 40

3.6.1 热电偶温度计(thermocouple) ........................................................................... 40

3.6.2 热敏电阻温度计(thermistor)............................................................................. 40

3.6.3 光纤温度传感器(fiber optic temperature sensor) ................................................. 41

3.7 振动参数的量测（dynamic characteristics measurements） .......................................... 41

3.7.1 拾振器的基本原理（theory of vibration sensor） ............................................... 41

3.7.2 测振仪器（vibration measurement）................................................................. 46

1．磁电式速度传感器（magneto electrical speed sensor） ................................... 46

2．压电式加速度传感器（piezoelectric acceleration sensor） .............................. 46

3．放大器和记录仪器（amplifier and recording apparatus） ................................ 47

3.8 数据采集系统（data acquisition system） ................................................................... 48

3.8.1 数据采集系统的组成（components of data acquisition system） ......................... 48

3.8.2 数据采集系统的分类（classification of data acquisition system）........................ 49

1．大型专用系统（large-scale data acquisition system）...................................... 49

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2．分散式系统（distributed acquisition system） ................................................ 49

3．小型专用系统（small acquisition system） .................................................... 49

4．组成式系统（combo acquisition system） ..................................................... 49

3.8.3 数据采集的过程（data acquisition process） ..................................................... 49

本章小结（summary）.................................................................................................... 50

思考题（problems） ....................................................................................................... 50

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量测仪器从最简单的逐个读数、手工记录数据的仪表，到计算机快速、连续自动采集数据并进行数据处理的复杂系统，种类繁多，原理各异。本章重点阐述常用量测仪器的原理、功能和使用要求。

3.1 概述（introduction）

3.1.1 量测仪器的组成（components of instrumentation）

不论是一个简单的量具还是一套高度自动化的量测系统，尽管在外形、内部结构、量测原理及量测精度等方面有很大差别，但作为量测仪器，都应具备感受、放大和显示记录三个的基本部分。

其中感受部分直接与被测对象相连，感受被测参数的变化并转换和传递给放大部分。放大部分将感受部分传来的被测参数通过各种方式（如机械式的齿轮、杠杆、电子放大线路或光学放大等）进行放大。显示记录部分是将放大部分传来的量测结果通过指针、电子数码器、屏幕等显示出来，或通过各种记录设备将试验数据或曲线记录下来。

机械式仪器的感受、放大和显示记录三部分都在同一个仪器内。而电测仪器三部分常常是分开的，分别为传感器、放大器和记录仪器。

3.1.2 量测仪器的工作原理（theory of instrumentation）

土木工程结构试验所用量测仪器一般采用偏位测定法和零位测定法两种量测方法。偏位测定法是根据量测仪器产生的偏转或位移定出被测值，百分表、双杠杆应变仪及动态电阻应变仪都属于偏位法。零位测定法是用已知的标准量去抵消未知物理量引起的偏转，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即为被测物理量，称重天平就是零位测定法的例子，常用的静态电阻应变仪也属零位测定法。一般来讲，零位测定法比偏位测定法更精确，尤其当采用电子仪器将被测量和标准量的差值放大后，可达到很高的精度。

3.1.3 量测仪器的主要性能指标（instrumentation indices）

1．量程（range）

仪器能测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称为仪器的量程或量测范围。

2．刻度值（scale interval）

仪器指示装置的最小刻度所指示的测量数值。

3．分辨率（resolution）

使仪器指示值发生变化的最小输入变化值。

4．灵敏度（sensitivity）

单位输入量所引起的仪表指示值的变化。对于不同用途的仪器，灵敏度的单位也各不相同，如百分表的灵敏度单位是mm/mm，测力传感器的灵敏度单位是 /N。有些仪器的灵敏度还有另外的含义，使用时应查对其说明书。

5．精确度/精度（accuracy）

仪表指示值与被测真值的符合程度。精确度高的仪表意味着随机误差和系统误差都很

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小。常以最大量程时的相对误差来表示精度，并以此来确定仪器的精度等级。例如，一台精度为0.2级的仪表，意思是测定值的误差不超过最大量程的±0.2％。

6．滞后（lag）

仪器的输入量从起始值增至最大值的测量过程称为正行程；输入量由最大值减至起始值的测量过程称为反行程。同一输入量正反两个行程输出值间的偏差称为滞后。常以满量程中的最大滞后值与满量程输出值之比表示。

除上述性能外，对于动力试验量测仪器的传感器、放大器及显示记录仪器等各类仪器需考虑下述特性。

7．线性范围（linear range）

保持仪器的输入量和输出信号为线性关系时，输入量的允许变化范围。在动态量测中，对仪器的线性度应严格要求，否则将使量测结果引起较大的误差。

8．频响特性（frequency response characteristics）

仪器在不同频率下灵敏度的变化特性。常以频响曲线（一般以对数频率值为横坐标，以相对灵敏度为纵坐标）表示。在进行高频动态量测时，应将使用频率限制在频响曲线的平坦部分以免引起过大的量测误差。对于传感器，提高其自振频率将有助于增加使用频率范围。

9．相移特性（phase shift characteristics）

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叫相移。若相移特性随频率而变化，则对于具有不同频率成份的复合振动将会引起输出电量的相位失真。常以仪器的相频特性曲线来表示其相移特性。在使用频率范围内，输出信号相对于信号的相位差应不随频率改变而变化。

此外，由传感器、放大器、记录器组成的整套量测系统，还需注意仪器相互之间的阻抗匹配及频率范围的配合等问题。

3.1.4 量测仪器的选用原则（selection of instruments）

试验用的量测仪器，应符合现行规范中精度等级的规定，并应有主管计量部门定期检验的合格证书，在选用量测仪器时，应考虑下列要求：

（1）符合量测所需的量程及精度要求。在选用仪器前，应先对被测值进行估算。一般应使最大被测值控制在仪器的2/3量程范围附近，以防仪器超量程而损坏。同时，为保证量测精度，应使仪器的最小刻度值不大于最大被测值的5％。

（2）动态试验量测仪器，其线性范围、频响特性以及相移特性等都应满足试验要求。

（3）对于安装在结构上的仪器或传感器，要求自重轻、体积小，不影响结构的工作。特别要注意夹具安装设计是否合理正确，不正确的夹具安装将使试验结果带有很大的误差。

（4）同一试验中选用的仪器种类应尽可能少，以便统一数据的精度，简化量测数据的整理工作和避免差错。

（5）选用仪器时应考虑试验的环境条件，例如在野外试验时仪器常受到风吹日晒，周围的温、湿度变化较大，宜选用机械式仪器。此外，应从试验实际需要出发，选择仪器的精度，切忌盲目选用高精度、高灵敏度的仪器。一般来说，测定结果的最大相对误差不大于5％即满足要求。

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3.1.5 仪器的率定（equipment calibration）

为了确定仪器的精确度或换算系数，确定其误差，需将仪表指示值和标准量进行比较，这一工作称为仪器的率定。率定后的仪器按国家规定的精确度划分等级。

用来率定仪器的标准量应是经国家计量机构确认，具有一定精确度等级的专用率定设备产生的。率定设备的精确度等级应比被率定的仪器高。常用来率定液压试验机荷载度盘示值的标准测力计就是一种专用率定器。当没有专用率定设备时，可以用和被率定仪器具有同级精确度的“标准”仪器相比较进行率定。此外，还可以利用标准试件来进行率定，即把尺寸加工非常精确的试件放在经过率定的试验机上加载，根据此标准试件及加载后产生的变化求出安装在标准试件上的被率定仪器的刻度值。此法的准确度不高，但较简便，容易做到，所以常被采用。

为了保证量测的精确度，仪器的率定是一件十分重要的工作。所有新生产或出厂的仪器都要经过率定，正在使用的仪器也必须定期进行率定，因为仪器经长期使用，其零件总有不同程度的磨损，或者损坏后经检修的仪器，零件的位置会有变动，难免引起示值的改变。仪器除需定期率定外，在重要的试验开始前，也应对仪器进行率定。

3.2 应变量测（strain measurement）

应变量测一般是用应变计测出试件在一定长度范围L（称为标距）内的长度变化 L，再计算出应变值 L/L。测出的应变值实际是标距范围L内的平均应变。因此，对于应力梯度较大的结构或混凝土等非匀质材料，都应注意应变计标距L的选择。结构的应力梯度较大时，应变计标距应尽可能小；但对混凝土结构，应变计的标距应大于2～3倍最大骨料粒径；对砖石结构，应变计的标距应大于4皮砖；在作木结构试验时，一般要求应变计标距不小于20cm；对于钢材等匀质材料，应变计标距可取小一些。

应变量测方法和仪器很多，主要有电测与机测两类，其中电测法不仅具有精度高、灵敏度高、可远距离量测和多点量测、采集数据快速、自动化程度高等特点，而且便于将量测数据信号和计算机或微处理机联接，为采用计算机控制和用计算机分析处理试验数据创造了有利条件。

3.2.1 机测引伸仪（mechanical strain gauge）

常用机测引伸仪有以下几种：

1．手持式应变仪（hand-held strain gauge）

图3.2.1为手持式应变仪，为主要由两片弹

簧钢片连接两个刚性骨架组成，两个骨架可作无

摩擦的相对运动。骨架两端带有锥形插脚，测量

时将插脚插入结构表面上预置的脚座中，结构表

面上的两个预置脚座之间的距离为测量标距。试

件的应变由装在骨架上的千分表读出。 图3.2.1 手持式应变仪

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2．千分表测应变装置（micro dial gauge）

图3.2.2是一个自制的应变测量装置，

它有两个粘贴在试件上的脚座，分别固定千

分表和刚性杆，测量标距可通过调节刚性杆

任意确定。构件伸长（缩短）量由千分表读

出，除以标距即算得应变。

它的特点是装置构造简单，廉价；测量

精度较高；可重复利用；由于脚座较长，不

适合测量有弯曲变形的构件。 图3.2.2 自制应变测量装置 1-千分表 2-脚座 3-刚性杆

3.2.2 电阻应变计（resistance strain gauge）

电阻应变计，又称电阻应变片，是电阻应变量测系统的感受元件。常见的电阻应变片见图3.2.3。

纸基丝绕式电阻应变片构造如图3.2.4所示。在拷贝纸或胶薄膜等基底与覆盖层之间粘

图3.2.5金属丝的电阻应变原理

贴合金敏感栅（电阻栅），端部加引出线组成。

由物理学可知，金属电阻丝的电阻R与长度l和截面面积A有如下关系：

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R＝ l

Ａ （3.2.1）

式中 —电阻率， ；

l—电阻丝长度，m；

A—电阻丝截面积，mm。 2

当电阻丝受到拉伸或压缩后，如图3.2.5所示，相应的电阻变化可由式3.2.1两边进行微分后即得：

dR R

ldl R

AdA R

d （

A）dl （ l

A）dA （2lA）d （3.2.2）

上式两端同除以R，有：

dR

R dl

l dA

A dρ

ρ （3.2.3）

如果设电阻丝的泊松比为v，则有：

2DdDdAdDdl 2 2v 2v （3.2.4） 2ADl D

4

dl

l将式3.2.4和 代入式3.2.3，得：

d

dRd (1 2v) (1 2v) （3.2.5） R

令K0 d / (1 2v)，则：

dR

R K0 （3.2.6）

式中 K0－电阻应变计的单丝灵敏系数，对确定的金属或合金而言为常数。

式3.2.6说明电阻丝感受的应变和它的电阻相对变化成线性关系，当金属电阻丝用胶贴在构件上与构件共同变形时，可由式3.2.6测得试件的应变。

式3.2.6也可以用电阻应变片的灵敏系数K来表示：

dR

R K （3.2.7）

这里需要指出的是：金属单丝的灵敏系数K0与相同材料做成的应变片的灵敏系数K稍有不同。由于应变片的丝栅形状对灵敏度的影响，电阻应变片的灵敏系数值一般比单根电阻丝的灵敏系数K0小，K由试验求得。

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式3.2.7的意义不仅在于揭示了电阻变化率与机械应变之间确定的线性关系，更重要的是它建立了机械量与电量之间的相互转换关系。

电阻应变片主要有下列几项性能指标：

（1）标距L

电阻丝栅在纵轴方向的有效长度。

（2）电阻值R

通常，电阻应变片的电阻值为120 。当使用非120 应变计时，应按电阻应变仪的说明进行修正。

（3）灵敏系数K

电阻应变片的灵敏系数K取值范围在1.9～2.3之间，通常，K＝2.0。

其它还包括应变极限、机械滞后、疲劳寿命、零飘、蠕变、绝缘电阻、横向灵敏系数、温度特性、频响特性等性能。

应变片出厂时，应根据每批电阻应变片的电阻值、灵敏系数、机械滞后等指标对其名义值的偏差程度分成若干等级；使用时，根据试验量测的精度要求选定所需电阻应变片的等级。

电阻应变片的粘贴技术详见附录B。

3.2.3 电阻应变仪（electrical resistance strain instrument）

1．电阻应变仪的组成（components of electrical resistance strain gauge）

电阻应变仪是把电阻应变量测系统中放大与指示（记录、显示）部分组合在一起的量测仪器，主要由振荡器、量测电路、放大器、相敏检波器和电源等部分组成，把应变计输出的信号进行转换、放大、检波以及指示或记录。

2．电阻应变仪的原理（principle of electrical resistance strain gauges）

电阻应变仪的测量原理是通过惠斯登电桥（Wheatstone

bridge circuit），将微小电阻变化转变为电压或电流变化，惠

斯登电桥是由4个电阻R1、R2、R3和R4组成，如图3.2.6

所示，4个电阻构成电桥的4个桥臂。根据电工学原理，在

电桥的B、D端输出电压为UBD与电桥的A、C端的输入电

压UACB R1 A R4 R3

R2 的关系为： BDU UR1R3 R2R4AC R1 R3 R2 R4 （3.2.8）

当4个电桥的电阻满足式3.2.9时，电桥的输出电压为

零。这种状态称为平衡状态。

R1

R2 R4R3 （3.2.9）

假设初始状态为平衡状态，受力后桥臂电阻分别有微小的电阻增量 R1、 R2、 R3和 R4，这时电桥输出电压的增量 UBD为

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R3R4 R3R1R2 R1 R2 R4 UBD＝ ) ( 22RRR3R4（R R）（R R）12234 1 ） U AC （3.2.10）

3．测量电路（measurement circuit）

根据桥臂上受试验对象的应变变化而改变的电阻应变片（工作应变片）的数量，测量方式主要有：全桥电路、半桥电路和1/4桥电路。

（1）全桥电路（full bridge）

全桥电路就是在量测桥的四个桥臂上全部接入工作应变片，其中相邻臂上的工作片兼作温度补偿片，现假定选取的四个桥臂应变片的阻值都相等（全等臂电桥），即R1＝R2＝R3＝R4＝R，且每个应变片的灵敏系数K也相同，则上式变为：

UBD＝UAC4ΔR1

R1 ΔR2R2 ΔR3R3 ΔR4R4＝）KU4AC( 1 2 3 4) （3.2.11）

（2）半桥电路（half bridge）

半桥电路是由两个工作片和两个固定电阻组成，则

UBD＝UAC4 R1

R1 R2R2＝）KU4AC( 1 2) （3.2.12）

（3）1/4桥电路（quarter bridge）

1/4桥电路常用于量测应力场里的单个应变，即只有R1变化，而R2、R3和R4不变化，

则

UBD＝UAC R1R14＝KU

4AC 1 （3.2.13）

4．多点测量线路（multipoint measurement circuit）

进行实际测量时，一个测点显然是不可取的，因而要求应变仪具有多个测量桥，这样就可以进行多测点的测量工作。多点测量线路主要有工作肢转换法和中线转换法。工作肢转换法每次只切换工作片，温度补偿片为公用片；中线转换法每次同时切换工作片和补偿片，通过转换开关自动切换测点而形成测量桥。

5．温度补偿（temperature compensation）

由于环境温度变化的影响，通过应变片的感受，可引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。而电阻丝通常为镍铬合金丝，温度变动1℃，将产生相当于钢材应力为14.7N/mm的示值变动，这一量不能忽视，必须设法加以消除。消除温度效应的方法称为温度补偿。温度补偿可采用温度补偿片法、工作片互补法和温度自补偿片法三种。

（1）温度补偿片法

试验时，选一个与试件材质相同的温度补偿块粘贴补偿片（应变片规格、粘贴工艺，温度环境与工作片相同），用相同的导线接在桥路工作臂的邻臂上，如图3.2.7所示。根据电桥邻臂输出相减的原理，达到温度效应所产生的应变得以消除的目的。这个粘贴在温度补偿块2

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上，只发生温度效应的应变片，称为温度补偿片，这种方法称为温度补偿片法。通常，1个温度补偿片可以补偿1个工作应变片，也可以补偿多个工作应变片，分别称为单点补偿和多点补偿。对导热性较好的材料，应变片通电后散热较快，可以采用1个补偿片补偿10个工作应变片，如钢材；而混凝土等材料散热性能差，1个补偿片连续补偿的工作应变片不宜超过5个，最好使用单点补偿。

（2）工作片互补法

某些被测结构或构件存在着应变符号相反、

比例关系已知和温度条件相同的2个或4个测点

时，可以将这些应变片按照符号不同，分别接在

相应的邻臂上，这样，在等臂的条件下，这些工

作应变片互为温度补偿片，可消除温度效应的影

响，如图3.2.8所示。但工作片互补法不适用于

混凝土等非匀质材料。

以上两种方法都是通过桥路连接方法实现

温度补偿的，又统称为桥路补偿法。

（3）温度自补偿应变片法

温度自补偿（Self Temperature Compensating）片，简称STC片。现有的STC片的基本型式分为两单元片、一单元片和通用型温度补偿片三种。

两单元温度自补偿片由两组金属丝栅串联组成。其中一组有负的电阻温度系数，另一组有正的电阻温度系数。调整两组丝栅的长度，使其净电阻温度系数能抵消由于应变片贴在特定材料上因膨胀系数不一致而引起的电阻变化。这种应变片是为具有相应膨胀系数的材料专门设计的。

一单元温度自补偿片中电阻丝栅的制做，要求其使特定电阻所引起的电阻变化，恰好与因应变片与试件的线胀系数不同而引起的阻值变化大小相等，符号相反。

通用型STC温度自补偿片是一种单元片，两个单元的相对效应可以通过改变外电路来谓整。图3.2.9为这种应变片的电路，其中RG和RT互为工作片和补偿片，RLG和R

LT为各

R4R3PAR1BR2D

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自的导线电阻，RB为可变电阻，加以调节可给出预定的最小应变。

输入

输入

输出

输出

（

a） （b）

图3.2.9 普通温度自补偿片

（a）两单元温度自补偿片STC；（b）电路图 RT ＝ 补偿电阻； RG－工作电阻； RLT－补偿臂导线电阻； RLG－工作臂导线电阻； RB－镇流电阻器

3.3 位移量测（displacement measurement）

位移是工程结构承受荷载作用后最直观的反应，是反映结构性能的最主要参数，通过位移测定，不仅可了解结构的刚度及其变化，还可区分结构的弹性和非弹性性质。结构任何部位的异常变形或局部损坏都会在变形上得到反映。

3.3.1 线位移传感器（linear displacement sensor）

线位移量测仪器很多，常用的有百分表，千分表、电子

百分表，电阻式位移传感器，线性差动电感式位移传感器等。

1．机械式百分表和千分表（mechanical dial gauges）

机械式百分表外观如图3.3.1所示。当滑动的测杆跟随

被测物体运动时，带动百分表内部的精密齿轮转动，精密齿

轮机构将微小的直线运动放大为齿轮的转动，从百分表的表

盘就可读出线位移量。百分表的表盘按0.01mm 刻度，读数

精度可以达到0.005mm。百分表的量程一般为10mm、30mm

和50mm。百分表通过百分表座安装，安装时应注意保证百

分表测杆运动方向平行，被测物体表面一般应与百分表测杆

垂直。千分表的构造与百分表基本相同，但精密齿轮的放大图3.3.1 机械式百分表

倍数不同，其测量精密度可达到0.001mm或0.002mm，量程一般不超过2mm。

2．张拉式位移传感器（stretching displacement sensor）

张拉式位移传感器（如图3.3.2）通过钢丝与被测物体

相连，钢丝缠绕在张拉式位移传感器的转轴上，钢丝的另

一端悬挂一重锤。当被测物体发生位移时，重锤牵引缠绕

钢丝推动传感器指针旋转，然后从传感器的表盘读数。这

种位移传感器最大的优点是量程几乎不受限制，可以用于

大变形条件下的位移测量。传感器表盘的读数精度为

0.1mm

。在野外条件下采用张拉式位移传感器时，应注意

3.3.2张拉式位移传感器

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温度影响钢丝长度的变化，从而影响测量精度。

3．电阻应变式位移传感器（electrical resistance displacement sensor）

电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一固定在传感器内的悬臂梁相连（如图

3.3.3），在悬臂梁的根部粘贴电阻应变片。测杆移动时，带动弹簧使悬臂梁受力产生变形，通过电阻应变仪测量电阻应变片的应变变化，再转换为位移量。

图3.3.3电阻应变式位移传感器

1－测杆；2－弹簧；3－外壳；

4－刻度；5－电阻应变计；

6

－电缆

图3.3.4滑动电阻式位移传感器 图3.3.5线性差动电感式位移传感器 1－测杆；2－弹簧；3－外壳； 4－电阻丝；5－电缆 1－初级线圈；2－次级线圈； 3－圆形筒；4－铁芯

4．滑动电阻式位移传感器（sliding electrical resistance displacement sensor）

滑动电阻式位移传感器见图3.3.4，的基本原理是将线位移的变化转换为传感器输出电阻的变化。与被测物体相连的弹簧片在滑动电阻上移动，使电阻R1输出电压值发生变化，

通过与R2的参考电压值比较，即可得到R1输出电压的改变量。

5．线性差动电感式位移传感器（linear variable differential transformer, LVDT）

线性差动电感式位移传感器，简称为LVDT，其构造如图3.3.5所示。LVDT的工作原理是通过高频振荡器产生一参考电磁场，当与被测物体相连的铁芯在两组感应线圈之间移动时，由于铁芯切割磁力线，改变了电磁场强度，感应线圈的输出电压随即发生变化。通过标定，可确定感应电压的变化与位移量变化的关系。 3.3.2 角位移传感器（angular displacement

sensor）

角位移传感器附着在结构上，随着结构一起

发生位移。常用的角位移传感器有水准式倾角仪

和电子倾角仪。

1．水准式倾角仪（inclinometer）

图3.3.6为水准式倾角仪的构造。水准管1

安置在弹簧片4上，一端铰接于基座6上，另一

端被微调螺丝3顶住。当仪器用夹具5安装在测

点上后，用微调螺丝使水准管的气泡居中，结构

图3.3.6 水准式倾角仪 1－水准管；2－刻度盘；3－微调螺丝； 4－弹簧片；5－夹具；6－基座；

7－活动铰

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变形后气泡漂移，再扭动微调落实使气泡重新居中，度盘前后两次读数的差即为测点的转角。仪器的最小读数可达1〞～2〞，量程为3°。其优点为尺寸小、精度高。缺点是受湿度及振动影响大，在阳光下曝晒会引起水准管爆裂。

2．电子倾角仪（electric inclinometer）

电子倾角仪实际上是一种传感器。它通过电阻变化测定结构某部位的转动角度。仪器的构造原理如图3.3.7所示。其主要装置是一个盛有高稳定性的导电液体的玻璃器皿，在导电液体中插入三根电极A、B、C并加以固定。电极等距离设置且垂直于器皿底面，当传感器处于水平位置时，导电液体的液面保持水平，三根电极浸入液内的长度相等，故A、B极之间的电阻值等于B、C极之间的电阻值，即R1＝R2。使用时将倾角仪固定在试件测点上，

试件发生微小转动时倾角仪随之转动。因导电液面始终保持水平，因而插入导电液体内的电极深度必然发生变化，使R1减小 R，R2增大 R。若将AB、BC视作惠斯登电桥的两个臂，则建立电阻改变量 R与转动角度 间的关系就可以用电桥原理测量和换算倾角 ， R＝K 。

3.3.3 光纤位移传感器（fiber optic displacement sensor）

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光

R1R2

R4R3图3.3.7 电子倾角仪构造原理

纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀等优点。本节介绍了光纤的结构、传输原理、光纤传感器类型，以及反射式光纤位移传感器的原理和应用。光纤传感器的详细内容详见相关资料。

1．光纤的结构和传输原理（structure and principle of optical fiber）

（1）光纤结构

光导纤维，简称光纤，目前基本采用石英玻璃，有不同掺杂。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯的折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。

光纤结构主要由中心—纤芯，外层—包

层，护套—尼龙塑料三部分组成，见图3.3.8。

（2）光纤的传输原理

光在空间是直线传播的，在光纤中光被限

制在光纤中，并能随光纤传递到很远的距离。

图3.3.9 给出了光纤传光示意图，光纤的传播

N1N2图3.3.8光纤结构

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是基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤，进入光纤后入射到纤芯（光密介质）与包层（光疏介质）交界面，一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但是当光线在光纤端面中心的入射角 减小到某一角度 c称时，光线全部反

射。光被全反射时的入射角 c称临界角，只要 c，光在纤芯和包层界面上，经若干次

全反射向前传播，最后从另一端面射出。

N3

N2

N0N1

N1

N2 c

图3.3.9 光纤传光示意图

为保证全反射，必须满足全反射条件 c。由斯乃尔（snell）折射定律可导出光线由

折射率为N0处介质射入纤芯时，实现全反射的临界入射角为：

c arcsin(1N0N1 N2) (3.3.1) 22

对外介质为空气时，N0＝1，则：

c arcsin(N1 N2) (3.3.2) 22

可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几

何尺寸无关。

2．光纤的性能的几个重要参数（optical fiber indices）

（1）数值孔径（NA）

临界入射角 c的正弦函数定义为光纤的数值孔径。

NA sin c 1N0N1 N2 (3.3.3) 22

空气中：

NA N1 N2(N1 N2) (3.3.4) 22

NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2 c张角之内的入射光

才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大，光信号畸变越大，要选择适当。

（2）光纤模式（V）

光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：

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V 2

0(NA) (3.3.5)

式中 －纤芯半径；

0－入射波长。

模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号成为分不同时间到达的多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是 值小即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模）。

（3）传播损耗（A）

光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用率减率A（dB/km）表示：

A 101g(I1/I2)

l (3.3.6)

在一根率减率为10dB/km的光纤中，表示当光纤传输1km后，光强下降到入射时的1/10；3dB/km光纤相当1km后，光强率减到入射时的一般。目前光纤传播损耗可达0.16dB/km。

3．光纤传感器类型（types of fiber optic sensor）

光纤目前可以测量70多种物理量，光纤的类型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。

（1）功能型（function type fiber optic sensor）FF又称传感型

功能型光纤传感是利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接受处理后，可以得到被测信号的变化。

（2）非功能型（non- function fiber-optic sensor）NFF又称传光型

非功能型光纤传感的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。

4．反射式光纤位移传感器（reflection fiber-optic displacement sensor）

我们常常将机械量转换成位移来检测，利用光纤可实现无接触位移测量。光纤位移测量原理见图3.3.10。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上，两束光纤在被测物体附近汇合。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。

反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同，如：半分式、共轴式、混合式，混合式灵敏度高，半分式测量范围大。

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图3.3.10 反射式光纤位移传感器

图3.3.11给出了反射式光纤位移传感器工作原理和位移输出曲线，由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴被测物体时，发射光纤中的光信号不能反射到接受光纤中，接收光敏元件无光电信号；

当被测物体逐渐远离光纤时，距离d减小，发射光纤照亮被测物体的表面积B1越来越大，接收光纤照亮的区域B2越来越大；

当整个接收光纤被照亮时，输出达到最大，相对位移输出曲线达到光峰值；

被测体继续远离时，光强开始减弱，部分光线被反射，输出光信号减弱，曲线下降进入“后坡区”。

前坡区—输出信号的强度增加快，这一区域位移输出曲线有较好的线性关系，可进行小位移测量，如微米级测量；

后坡区—信号随探头和被测体之间的距离增加而减弱，该区域可用于距离较远，而灵敏度、线性度要求不高的测量；

光峰区—信号有最大值，其大小决定于被测表面的状态，光峰区域可用于表面状态测量，如工件的光洁度或光滑度。

d

图3.3.11 反射式光纤位移传感器工作原理和位移输出曲线

3.4 力值量测（force measurement）

结构静载试验需要测定的力主要有荷载与支座反力，其次有预应力施力过程中钢丝或钢

绞线的张力，还有风压、油压、土压力等。力值量测仪器的基本原理都是用一弹性元件去感

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受力或液压，弹性元件在力的作用下，发生与外力或液压成对应关系的变形。常用的力传感器可分为机械式、电阻应变式、振动弦式等不同类型。

3.4.1 机械式力传感器（mechanical force sensor）

机械式力传感器的种类很多，其基本原理是利用机械式仪器测量弹性元件的变形，再将变形转换为弹性元件所受的力。图3.4.1为环箍式拉力计，它由两片弓形钢板组成一个环箍。在拉力作用下，环箍产生变形，通过一套机械传动放大系统带动指针转动，指针在度盘上的示值即为外力值。图3.4.2是另一种环箍式拉压测力计。它用粗大的钢环作“弹簧”，钢环在拉压力作用下的变形，经过杠杆放大后推动位移计工作。位移计显示值与环箍变形关系应预先标定。这种测力计大多只用于测定压力。

图3.4.1 环箍式拉力计

1－指针；2－中央齿轮；3－弓形弹簧；

4－耳环；5－连杆；6－扇形齿轮；

7－可动接板 图3.4.2 环箍式拉压测力计 1－位移计；2－弹簧；3－杠杆； 4、7－上、下压头；5－立柱；6－钢环； 8－拉力夹头

3.4.2 电阻应变式力传感器（electrical resistance strain sensor）

电阻应变式测力传感器是目前应用最广泛的一种测力仪器。它是利用安装在力传感器上的电阻应变片测量传感器弹性变形体的应变，再将弹性体的应变值转换电信号输出，并用电子仪器显示的测力计，称为测力传感器，也称荷载传感器。根据荷载性质不同，荷载传感器的形式分为拉伸型、压缩型和拉—压型三种。各种荷载传感器的外部形状基本相同，其核心部件是一个厚壁筒。壁筒的横断面取决于材料允许的最大应力。在筒壁上贴有电阻应变片以便将机械变形转换为电量变化。如图3.4.3所示，在筒壁的轴向和横向布置应变片，并按全桥接入电阻应变仪工作电桥，根据桥路输出特性可得UBD

输出放大系数A 2(1 )，提高了其量测灵敏度。

荷重传感器的灵敏度可表达为每单位荷重下的应变，与设计的最大应力成正比，与最大负荷能力成反比。即灵敏度K0为

K0 UAC4K (1 ) 2，此时电桥 AP A

PE （3.4.1）

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式中 P、 —荷重传感器的设计荷载和设计应力；

A—桥臂放大系数；

E—荷重传感器材料的弹性模量。

可见，对于一个给定的设计荷载和设计应力，传感器的最佳灵敏度由桥臂放大系数A的最大值和E的最小值确定。

UBDUBD

UACUAC图3.4.3 荷载传感器全桥接线

1～8－电阻应变片

荷载传感器可以量测荷载、反力以及其他各种外力，且构造很简单，用户也可根据实际需要自行设计和制作。但应注意，必须选用力学性能稳定的材料作筒壁，选择稳定性好的应变片及粘合剂。传感器投入使用后，应当定期标定以检查其荷载应变的线性性能和标定常数。

3.4.3 振动弦式力传感器（vibrating wire sensor）

振动弦式力传感器的测试原理与电阻应变式力传感器的测量原理基本相同。在振动弦式力传感器中，安装了一根张紧的钢弦，当传感器受力产生微小的变形时，钢弦张紧程度发生变化，使得其自振频率随之变化，测量钢弦的自振频率，就可以通过传感器的变形得到传感器所受到的力。

采用液压系统加载时，还可以采用间接测量测力方法，例如，采用压力传感器测量液压系统的工作压力，将测量的工作压力乘以加载油缸活塞的有效面积，就可以得到加载油缸对试体所施加的力。

3.5 裂缝量测（crack detection）

对于混凝土结构和砌体结构，裂缝的发生和发展是结构受力的重要特征。对于钢结构，常见的断裂发生在应力集中的部位和焊缝部位。

3.5.1 量测裂缝的方法(crack detection methods)

1．肉眼观察（visual inspection）

最常用的方法是在试件表面涂白石灰水并待其干燥，试件受荷后，便会在石灰涂层表面

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留下裂缝，借助放大镜用肉眼观察裂缝的出现；

2．贴应变片（surface bond strain gauge）

利用粘贴在混凝土受拉区的电阻应变片，当混凝土开裂时，如果裂缝贯穿电阻应变片，该应变片的读数突变，从而可以判断开裂部位；

3．涂导电漆膜（conductive coating）

在混凝土试件受拉区表面涂上一种专用导电漆膜，干燥后两端接入电路。当混凝土裂缝宽度达到0.001～0.005时，导电漆膜会出现火花直至烧断，以此判断裂缝出现。

4．超声波检测（ultrasonic inspection）

基于发声原理，采用声传感器捕捉材料开裂时发射声能所形成的声波，经信号转换后，识别裂缝出现的部位。

3.5.2 裂缝宽度量测仪器（instrumentation for measuring crack width）

1．读数显微镜（microscope）

图3.5.1为读数显微镜的构造示意图，读数鼓轮上标有刻度，旋动读数鼓轮，使镜内长线分别处于裂缝量测边缘并读出两次刻度值。两次读数差即为裂缝宽度。

2．裂缝读数卡（crack reading chart）

图3.5.2给出了用印有许多宽度不同线条的裂缝读数卡示意图，其宽度为标准宽度，将标准宽度线条与裂缝放在一起，用放大镜比照以量测裂缝宽度。

图3.5.1读数显微镜

1－目镜组；2－分滑板弹簧；3－物镜；

4－微调螺丝；5－微调鼓轮；6－可动下分划板；

7－上分划板；8－裂缝；9－放大后的裂缝；

10－上下分滑板刻度线；11－下分划板刻度长线 图3.5.2裂缝读数卡示意图

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3.6 温度量测(temperature measurements )

温度是一个基本的物理量。实际结构的应力分布、变形性能和承载能力都可能与温度发生十分密切的关系。常温作用下，温度应力常常使混凝土结构出现裂缝。较为典型的是新浇灌的大体积混凝土产生水化热，热加工厂房常年的高环境温度，这使得温度成为结构设计中必须考虑的因素之一。因此，结构试验中，有时也有温度测量的要求。

测温的方法很多，从测试元件与被测材料是否接触来分，可以分为接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是基于热平衡原理，测温元件与被测材料接触，两者处在同一热平衡状态，具有相同的温度，如水银温度计和热电偶温度计。非接触式测温是利用热辐射原理，测温元件不与被测材料接触，如红外温度计。以下主要介绍温度量测仪器中的热电偶温度计、热敏电阻温度计和光纤测温传感器。

3.6.1 热电偶温度计(thermocouple)

热电偶的基本原理如图3.6.1所示，它由两种不同材料的金属导体A和B组成一个闭合回路，当节点1的温度T不同于节点2的温度T0时，闭合回路中产生电流或电压，其大小

可由图中的电压表测量。实验表明，测得的电压随温度T的升高而升高。由于回路中的电压与两节点的温度T和T0有关，故将其称为热电势。一般说来，在任意两种不同材料导体首

尾相接构成的回路中，当回路的两接触点温度不同时，在回路中就会产生热电势，这种现象称为热电效应。由于热电势是以两节点存在温差为前提，因而也称为温差电势，这两种不同导体的组合就称为热电偶，A和B称为热电极。在混凝土结构内部进行温度测试时，常用直径较小的铠装热电偶。实用热电偶测温电路一般由热电极、补偿导线、热电势检测仪表三部分组成。

热电偶温度计一般适用于500℃

以上的高温度量测，在结构防火抗火

试验中，通常使用热电偶温度计。对

于中、低温环境，使用热电偶测温就

不一定合适，因为温度较低时，热电

偶输出的热电势很小，影响测量精度，

参考端(冷端)也很容易受环境影响而

导致补偿困难。 图3.6.1 热电偶原理 A、B－导体；1、2－节点

3.6.2 热敏电阻温度计(thermistor)

当温度较低时，可采用金属丝热电阻或热敏电阻温度计。常用的金属测温电阻有铂热电阻和铜热电阻，这种电阻可以将温度的变化转换为电阻的变化，因此温度的测量转化为电阻的测量。类似于应变的测量转化为电阻应变片的电阻测量，可以采用电阻应变仪测量热电阻的微小电阻变化。热敏电阻是金属氧化物粉末烧结而成的一种半导体，与金属丝热电阻相同，其电阻值也随温度而变化，一般热敏电阻的温度系数为负值，即温度上升时电阻值下降。热敏电阻的灵敏度很高，可以测量0.001～0.0005

℃的微小温度变化，此外，它还有体积小，

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