桥梁计量检测设备、仪器、 仪表的性能及使用王俊杰王俊杰 中铁十九局集团第五工程有限公司 2010年02月第一讲 量测仪表基本概念及其主要技术指标1量测仪表的基本组成放大部分作用是将感受部分传来的被测参数，通过各种方式（如机械式 齿轮、杠杆、电子放大线路或光学放大等）进行放大，然后传给记录显 示部分。 记录显示部分将放大部分传来的量测结果，通过指针、电子数码管、屏 幕进行显示，或通过各种记录设备将试验数据或曲线记录下来。感受部分一般都直接与 被测对象接触或直接附 着在被测对象上，用来 感受被测对象的参数变 化。经转换后传给放大 部分。2. 量测仪表的主要技术性能指标 （1）刻度值A：设置有指示装置的仪表，一般都配有分度，刻度值是指分度表上每一最小刻度所代表的被测量的数值。 即仪器的最小分度值。刻度值的倒数为该表的放大率，即 V=1/A。 （2)量程S：是指测量上限和下限的代数差，即仪表刻度盘上的上限值减去下限值。也称为仪器仪表可量测的最大范围。 S=Xmax-Xmin。通常下限Xmin=0，故S=Xmax。 (3)灵敏度K：是指某实际物理量的单位输出增量y与输入增 量x的比值，即K=y/x。或被测量的单位变化引起仪器示值的变化值。单位输入量所引起的仪表示值的变化。（如输 入10个，指针偏转11，则灵敏系数为1.1）（4）分辨率：使仪器仪表示值发生变化饿最小输入量 的变化值。是仪器仪表测量被测物理量最小变化值的能 力。 （5）滞后：在恒定的环境下，某一输入量从起始量程 增至最大量程，再由最大量程减至最小量程，正反两个 行程输出值之间的偏差称为滞后。滞后常用全量程中的 最大滞后值与满量程输出值之比来表示。 （6）精确度（精度）：它是精密度和准确度的综合反 映。是指仪表指示值与被测值的符合程度。常用满量程 的相对误差来表示，仪表精度高，说明随机误差和系统 误差小，误差越小，精度越高，工程应用中，为简单表 示仪表测量结果的可靠程度，可用仪表精确等级A表示 ：A=（gmax/S）100%。gmax最大绝对允许 误差。（7）可靠性：在规定的条件下，（满足规定的技术指标 ）满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性，或者说 构成仪表的元件或部件的功能随时间的增长仍能保持稳定 的程度。 （8）零位温飘和满量程热漂移： 零位温飘：是指当仪表的工作环境不为20时，零位输出 随温度的变化率。 满量程热漂移：是指当仪表的工作环境不为20时，满量 程输出随温度的变化率。它们都是温度变化的函数。 （9）线性范围：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。 （10）线性度：仪表使用时的校准曲线与理论拟合直线的 接近程度。用校准曲线和拟合直线的最大偏差与满量程输 出的百分比表示。在动态量测中，对仪表的线性度应严格 要求，否则对测量结果引起较大误差。3.仪表的量测方法 （1）直接测量法和间接测量法。 直接测量法：用一个事先按标准量分度的测量仪表对某一被测的量进行 直接测定，从而得出该量的数值。间接测量：不直接测量待求量x，而是对与待求量x有确切函数关系的其 他物理量Y1、Y2、Y3Yn进行直接测量,然后通过已知函数关系式求待 求量x的值.即。如测应力： 。 （2）偏位测定法与零位测定法，均属于直接测量法。偏位测定法：当测量仪表是用指针相对于刻度线的偏位来直接表示被测 量的大小时，这种测量方法就是偏位测定法。用偏位法测量时，指针式仪 表内没有标准量具，而只设有经过标准量具标定过的刻度尺，刻度尺的精 度不可能做得很高，故测量精度不高。如百分表、动态应变仪等。零位测定法：是使被测量x和某已知标准量对仪表的指零机构的作用达到 平衡，即两个作用的总效应为零。即。在零位测定法中测量结果的误差主 要取决于标准量的误差，因而测量精度高于偏位法，但操作速度慢。如天 平、静态电阻应变仪等。4.量测仪表的选用原则 （1）仪表性能满足试验的具体要求，如合适的灵敏度、足够 的精度和量程。 精度：应使仪表的最小刻度值（即最大误差）被测值的5%；量程：以选用最大被测值的1.252.0倍为好，或使最大被测值在仪表的2/3量程 范围附近，以防破坏。（2）动态量测仪表其线性范围、频响特性、相移特性等均应 满足试验要求。（3）对于安装在结构上的仪表或传感器，要求体积小、自重 轻，不影响结构的工作性能和受力。 （4）同一试验中选用的仪器仪表种类、规格尽可能少，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）仪器仪表对环境的适应性要强且使用方便，工作可靠和 经济耐用。5.仪器的误差及其消除方法(1)仪器误差（偶然误差和系统误差） 仪器本身的误差属于系统误差范畴，主要是由于仪表在生产 工艺上或设计上的缺陷造成的。 系统误差出现的规律可区分为：（1）定值误差误差大小 和符号保持不变的，如刻度不准确。（2）变值误差较为 复杂，有累进误差和周期误差等。 (2)消除系统误差的方法量测仪表的定期率定 1）仪表率定的概念：为了确定仪表的精确度或换算系数， 定出其误差，需将仪表示值与标准量相比较，这种工作就称 为仪表的率定。2）仪表率定的方法： 在专门率定设备上率定，这种设备能产生一个已知标准量 的变化，把它和被率定仪器的示值作比较，求出被率定仪器 的刻度值。采用和被率定仪器同一等级的“标准”仪器进行比较来率定。 “标准”仪器精度并不高，但不常用，可认为该仪器的度量性 能技术指标可保持不变，准确度已知。这种方法率定结果的 准确性稍差，但不需要特殊的率定设备。比较常用。 利用标准试件率定仪器，将标准试件放在实验机上加载，使 标准试件产生已知的变化量，根据变化量可求出安装在试件 的被率定仪器的误差，此方法准确度不高，但简单，易实现 ，故广泛采用。了解构件内部应力分布情况，特别是结构危险截面的应力分 布及最大应力值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立 结构理论的重要依据。测量的方法主要有：1.应变机测法；2.应变电测法；3.应变 光测法。第二讲 应变（力）测量仪器1应变机测法 1）手持应变仪(接触式 千分表应变仪)主要组成：两个弹簧片连 接两个刚性骨架，两个刚 性骨架可做无摩擦的相对 移动，骨架两端附带有锥 形插轴，进行测量时将锥 形插轴插入结构表面预留 的空穴里。1-刚性骨架；2-插轴；3-骨架外凸缘；4-千分表测杆；5-薄钢片； 6-千分表图3.2 手持应变仪构造示意图1应变机测法 (1）手持应变仪(接触式千分 表应变仪)工作原理如图3.3所示。 图3.3 手持应变仪工作原理示意图其中 a试件表面至脚标孔 穴底的距离；h试件截面高度。1应变机测法 (2）单杠杆应变仪（杠焊式 应变仪）如图3.4所，它由刚性杆 （一端带固定刀口）、杠杆 （一端带活动刀口）和千分 表组成，构件变形后活动刀 口以b点为支点转动，经杠 杆放大后由千分表测出。 1-固定刀口；2-活动刀口；3-千分表；4 -杠杆；5-刚性杆图3.4 单杠杆应变仪1应变机测法 (3）双杠杆引伸仪如图3.5所，杠杆引伸仪是利用 杠杆放大原理而制成的量测应变的 仪器。其构造原理是由活动刀口组 成第一支杠杆，指针为第二支杠杆 ，标距L内长度有变化时，第一支 杠杆活动刀口旋转，推动第二支杠 杆转动，经第二支杠杆放大后，读 数指示在刻度盘上。 图3.5 双杠杆引伸仪H1H3H4LZH2Lx工作原理为：仪器的放大率 : 试件的应变为： 2应变电测法 电测应变仪主要有振弦式、电磁感应式、压电式、电容式等。用电 阻应变片测应变是其中最基本、最常用的应变传感器。(1) 电测法概念在量测过程中，常将某些物理量发生的变化，先变换为电量的变 化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法或非电量的量测 技术。 (2) 应变电测法的概念 在结构试验中，因结构受到外荷载或受温度及约束等原因而产生 应变，应变为机械量，用量电器量测非电量，首先必须把非电量转 换为电量的变化，然后才能用量电器量测，量测由应变引起的电量 的变化称为应变电测法。 例如： 电阻应变片 测量电路 放大电路 指示器 或记录仪2应变电测法 (3) 应变电测法的优点1）灵敏度和准确度高，测量范围大=10-61110010-6；2）变换元件体积小、质量轻；3）对环境适应性好，可在高温、高压及水中进行；4）适用性好。 (4) 电阻应变片的工作原理 图3.6 金属丝的电阻应变原理其中k0称为电阻丝的灵敏系数，它是由电阻丝的材料系数c和泊松比v确定。 3钢弦式传感器 (1)钢弦式传感器的工作原理钢弦式传感器是以被张紧的钢弦作为敏感元 件，利用其固有频率与张拉力的函数关系，根 据固有频率的变化来反映外界作用力的大小。 钢弦式传感器的结构和工作原理如图3.22所示。振弦固定在上、下两夹块之间，用固紧螺钉固紧， 给弦加一定的初始张力T。在弦的中间固定着软铁块，永久磁铁和线圈构成弦的激励器，同时又兼作弦的 拾振器。夹块和膜片相连而感受压力P。由图3.22可知,若使弦按固有频率振动，必须首先给弦以激励力，振弦是依靠线圈中的电流脉冲所产 生的电磁吸引力来产生激励作用。线圈中将产生与 弦的振动同频率的交变电势输出。这样通过测量感 应电势的频率即可检测振弦张力的大小。 1-夹具；2-振弦；3-永久磁铁；4-线圈； 5-螺钉；6-软磁铁；7-膜片。 图3.22 钢弦式传感器结构原理图3钢弦式传感器 工程中常用的钢弦式传感器有：钢弦式应变传感器、钢弦式压力传感器、钢弦式荷载传感器和钢弦式位移传感器。 （2）钢弦式应变传感器图3.23 钢弦式应变传感器钢弦式应变传感器测试技术具有以下较为突出的特点： （1）分辨率高，测量结果精确、可靠。目前常用的钢弦应变传感器分辨率 可达到0.1。 （2）不易受温度和电磁场等的影响，特别是野外测量时抗干扰性能好。 （3）易于实现测试过程中的全自动化数据采集、多点同步测量、远距离测 量和遥控检测。 （4）现场操作方便，测试方法易于掌握。3钢弦式传感器 （2）钢弦式应变传感器钢弦式应变传感器测试技术优点虽然很突出，但也存在以下较为明显的不 足之处： （1）应变计标距较大，一般为100200mm，不能用于测量应力梯度较大 的应变，也不能用于测量较小尺寸构件的应变，如小比例的模型试验。 （2）响应速度较慢，不能用于动态和瞬态应变测量。 （3）量程范围较小，一般为-1500+1500,不能用于大应变的测量。 （4）测试元件及仪器成本较高。钢弦式应变传感器工作原理是：在微幅振动条件下，钢弦的自振频率与钢 弦应力有如下关系：上式可变换为：常数 从上式可发现，钢弦应力与其自振频率的平方成正比，常数可通过标定求得 。经过标定得到应变频率关系： 3钢弦式传感器 （2）钢弦式应变传感器钢弦式应变传感器分为钢弦式表面应变传感器、钢弦式钢筋应力传感器和钢 弦式内部应变传感器。 1）钢弦式表面应变传感器图3-22 钢弦式表面应变传感器 图3-23 国产钢弦应变读数仪3钢弦式传感器 （2）钢弦式应变传感器2）钢弦式内部应变传感器图3-22 钢弦埋入式应变传感器 图3-23 进口钢弦应变读数仪(1）应变片的构造（以丝绕式为例） 1-敏感栅；2-引出线；3-粘合剂；4-覆盖层；5-基底 图3.7电阻应变片的构造(2）电阻应变片的分类 按丝栅材料分类： a)半导体应变片（体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体 应变片）。 b)金属应变片体型应变片箔式应变片（=0.0020.005mm金属箔）、丝式 应变片=0.0150.05mm（丝绕式、短接式） 、金属薄膜应变片 第四讲 电阻应变仪及测量电路与应变片的粘贴1、电阻应变片(2）电阻应变片的分类按基底材料分类：a)纸基应变片；b)胶基应变片；c)金属片基应变片；d)临时基