土木工程结构试验设备使用与介绍

  交流电桥，电桥平衡状态数字显示，内设低通滤波器工作条件：环境和温度0～40℃，相对湿度30%～85%

  压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们一般使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。我们大家都知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新再回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能会产生出电的效应，这是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围以内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，可承受高温和相当高的湿度，所以已得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外界的力的作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要使用在在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构相对比较简单、体积小、重量轻、常规使用的寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可拿来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也能够适用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可拿来测量大的压力，也可拿来测量微小的压力。压电式传感器也大范围的应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不一样的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

  应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生明显的变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。箔式电阻应变片是一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。

  建筑结构试验是研究和发展土木工程结构新材料，新体系，新施工工艺以及探索结构计算分析与设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术创新等方面起着重要的作用。他的任务是通过对结构受作用后的性能进行观测，对测量参数（如位移，应力，振幅，频率等）做多元化的分析，从而对结构的工作性能作出评价，对结构的承载能力作出正确估计，并为验证和发展结构的计算理论提供较为可靠地依据。

  由此可见，工程结构试验最终归结到试验对象设计技术，加载技术，测试技术和数据处理和分析技术等几大关键技术，工程结构实验就是综合运用各种技术，灵活进行学科交叉，以试验方式得到能反映结构或构件工作性能，承载能力和安全性能的数据，以此为结构的安全使用和设计理论的发展提供重要依据。

  介于土木工程结构试验课程的重要性，所以我们要充分掌握实验设备的原理以及使用方法，下面就挑几个重要的设备作适当的介绍：

  时间是检验真理的唯一标准，理论的预言也一定要通过时间来证实，而实验是最有效的实践。试验技术能够向人们揭示新的事实，提出新的问题，导致新的假设和新的学说的出现。能这样说：“科学的发展，往往都是以技术（包括试验技术）的突破为转机的。”工程结构理论的发展和结构试验也是密不可分的，近代工程结构理论的发展在很大程度上得益于结构试验技术的发展。

  按材料分：金属式体型——丝式、箔式、薄膜型；半导体式体型——薄膜型、扩散型、外延型、PN结型按结构分：单片、双片、特殊形状按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下；

  将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，经过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。即：

  由于油缸内油压的不断增高，就迫使活塞及活塞上面的重物一起向上运动。打开回油阀，油缸内的高压油便流回储油腔，于是重物与活塞也就一起下落。

  专用液压千斤顶使专用的张拉机具，在制作预应力混凝土结构物件时，对预应力钢筋施加张力。专用液压千斤顶多为双作用式。常用的有穿心式和锥锚式两种。穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分所组成。它的特点是：沿拉伸机轴心有一穿心孔道，钢筋(或钢丝)穿入后由尾部的工具锚锚固。

  液压千斤顶又称油压千斤顶，是一种采用柱塞或液压缸作为刚性顶举件的千斤顶。简单起重设备一般只备有起升机构，用以起升重物。构造简单、重量轻、便于携带，移动方便。通用液压千斤顶适用于起重高度不大的各种起重作业。它由油室1、油泵2、储油腔3、活塞4、摇把5、油阀6等主要部分所组成。工作时，只要往复扳动摇把，使手动油泵不断向油缸内压油，

  其中，R：应变片原电阻值Ω（欧姆）ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化Ω（欧姆）K：比例常数(应变片常数)ε：应变不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。这样，应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。但是由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻变化也是极其微小的。要精确地测量这么微小的电阻变化是十分艰难的，一般的电阻计无法达到一定的要求。为了对这种微小电阻变化做测量，个人会使用带有惠斯通电桥的专用应变测量仪。

  三向位移计TRIVEC是一种高精度便携式仪器，用来测量沿着垂直测线分布的三方向位移量（在土层、岩石层和混凝土钻中）。

  沿测线以线法测量位移量，可提供岩石和土壤中被测区域或结构的性状，及结构和基础之间的相互作用信息。使用三向位移计、滑动测微计和滑动变形仪，可以在土壤或岩石、地基、地下连续墙及其它岩土结构中以米为间距精确测量位移和断面变形。便携式的和模块化的测量系统由探头、电缆、导杆、读出单元、数据处理单元和校准装置组成。模块化的系统结构使得所有组成部件能来优化组合。探头采用球锥定位原理来测量测管上的标记，而且传感器精度很高，在每次测量前后进行定期校准，可达到非常高的测量精度和长期稳定性。球锥定位原理：探头的球状顶端和环形锥状的测量标记，确保测量时探头的长度精确为1米。三向位移计测量沿垂直测线的位移矢量的三个正交分量Δx,Δy和Δz。Δx和Δy的测量精度为±0.04mm/m，Δz的测量精度为±0.002mm/m。

  1.静态电阻应变仪大多数都用在实验应力分析及静态强度研究中测量结构及材料任意点的应变。

  将应变仪与平衡箱二者合为一体，携带方便，是大中专院校实验室做应力测试的必备仪器。配上相应的传感器，可以测力、压力、扭矩、位移、温度等物理量，是在研究设计中作非破坏性试验的静态应变及上述各种物理量的测量分析的一种重要工具。

  小千斤顶有外壳、大活塞、小活塞、扳手、油箱等部件组成。工作原理是扳手往上走带动小活塞向上，油箱里的油通过油管和单向阀门被吸进小活塞下部，扳手往下压时带动小活塞向下，油箱与小活塞下部油路被单向阀门堵上，小活塞下部的油通过内部油路和单向阀门被压进大活塞下部，因杠杆作用小活塞下部压力增大数十倍，大活塞面积又是小活塞面积的数十倍，有手动产生的油压被挤进大活塞，有帕斯卡原理知大小活塞面积比与压力比相反。这样一来，手上的力通过扳手到小活塞上增大了十多倍(暂按15倍)，小活塞到大活塞力有增大十多倍(暂按15倍)，到大活塞（顶车时伸出的活动部分）力量=15X15=225倍的力量了，假若手上用每20公斤力，就可以产生20X225=4500公斤（4.5吨）的力量。工作原理是 如此。当用完后，有一个平时关闭的阀门手动打开，油就靠汽车重量将油挤回油箱。