结构试验中位移测试的若干新技术综述

摘 要：位移测试是土木工程结构试验中的重要环节。随着材料、测量、计算机网络等技术的发展，传统测试方法的局限性变得日益明显，难以满足结构工程技术进一步发展的需要，由此产生了一些新的位移测试技术。文章主要介绍了几项当前被广泛研究和关注的新技术，包括工具式表面位移传感器应用技术、和数字图像相结合的摄影测量技术以及分布式应变测试技术。

关键词：位移测试；工具式表面位移传感器；摄影图像技术；分布式位移测试技术

1 结构试验的意义及类型

所谓工程结构试验是指通过试验测定结构在各种作用下的相关数据，从而反映结构或构件的工作性能、承载能力和安全度，为结构的安全使用和相关理论的建立提供重要依据。这种实验以评定结构性能作为最终目的，必须通过对结构构件的试验，验证或修正分析方法，提出构件的强度或变形公式。同时按整个试验目的的要求，确定试验测试项目。测试项目主要是工程结构在荷载的作用下的各种变形，主要分为两类：一类是整体变形，反映结构的整体工作状况，如梁的挠度、转角、支座偏移等；另一类是局部变形，反映结构的局部状况，如混凝土的位移、裂缝、钢筋滑移等。

2 位移测试的原理及传统方法的局限性

位移测试是结构试验中非常重要的试验内容，通过测试结构有关部位的位移，可以了解其在荷载作用下的应力分布情况、内力情况，从而了解结构的性能和承载能力等。因此，一般情况下结构试验都要进行位移测试。下面就目前常见的几种位移测试的优劣作一比较。

（1）手工接触测量。传统的位移量测方法主要是利用专业测量仪进行手工接触测量。例如：基坑开挖时，对边坡位移的测量。这种量测方法需要数台水准仪和全站仪等，定期对边坡控制点进行大地坐标测量，并比较所测得的坐标值，从而得出边坡位移的情况，但因需要布测大量的数据，工作量较大，效率较低。

（2）传感器应用。a.电阻位移测试。对于时间在1、2天内的室内研究性试验通常采取电阻位移测试。其对试件影响小、可以自动采集，价廉物美。但是存在易受环境影响、位移片粘贴要求高、不能进行长期位移测试（采用传感器可以）等缺点。b.千分表位移测试。对于大型构件短期的位移测试通常采用千分表位移测试。这种方法操作简便、可重复使用，同时不受电磁场等影响。但是太阳照射程度会影响测试数据，同时必须在附近观测。c.振弦式位移传感器。对于室外长期的位移测试通常采用振弦式位移传感器。该传感器性能稳定、安装方便、可用于长期检测。但价格高，体积相对较大容易受碰撞，同时位移数据不能直接读出，需要经过换算。d.光纤（光栅）位移传感器。对于室外、大型结构（如桥梁等）的位移测试可以采用光纤（光栅）位移传感器。该传感器灵敏度和分辨率高，响应速度快；体积小，重量轻，结构简单灵活，外形可定制，安装方便；抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀容易实现对被测信号的远距离检测，实现遥测网和光纤传感网；稳定性好、可用于长期测试，但价格昂贵。

（3）非接触摄影测量。现在位移测试非接触量测方法主要采用摄影测量。摄影方式主要采用两种，一种是在高精度全站仪上安装数字相机，进行全方位摄影，另一种是用2-3台数字相机同时进行摄影。

摄影测量中需要采用专业的昂贵设备，如果采用普通相机进行观测，其精度并不高。同时操作比较复杂，对专业人员的依赖比较大。

3 位移测试新方法

3.1 工具式表面位移传感器应用技术

3.1.1 优化改进的二维位移测试技术。采用极坐标增量表达方式对测点位移进行输出，能够同时对测点平面内两个方向的变形进行测量，而且两个方向的变形互不影响，都能够达到比较高的精度。可以应用于悬臂柱试验中试件柱顶测点二维运动轨迹的测量、框架柱底端节点的运动轨迹测量、试件在荷载作用平面外微量位移的测量、加载中试件截面微量扭转的测量。

3.1.2 工具式表面位移传感器。在梁板柱节点等原型结构和模型结构的静态、动静态和低频动态试验等结构试验项目中运用工具式表面位移传感器。在传感器设计中采用弹性元件，线切割加工成型并经热处理，成高精度自补偿传感器，用金属粘贴式电阻位移计作为变换敏感元件，经过严格的工厂化的粘贴、加压、加温固化、多层防潮密封的处理，接线组成全桥电路。该传感器输出灵敏度高，可与直接粘贴式电阻位移计的灵敏度相当，且长期稳定性和线性好，构造简单。安装方便，可重复使用，从而改善了结构试验测试条件，提高了工作效率和性价比。

3.2 基于图像技术的位移测量

3.2.1 基于单摄像机的二维数字图像方法。以数字摄影测量和图像处理为基础来进行位移的测量。首先在现场标识出控制点和待测点，后用高分辨率数码相机从现场获取图像，然后将所得图像输入计算机进行处理，或者用解析法取得数据成果，通过程序计算得到最终结果数据。这种方法可以对像片进行自动化处理上，并利用计算机对图像进行分析和处理，进而获得结果数据。

3.2.2 和数字图像相结合的三维刚移测试方法。利用理想的针孔摄像机模型，模拟由三维刚移引起的变形后的散斑图像、采用基于仿射变换的全局坐标位移模式，根据相关迭代法，得到全场仿射变换参量的初值，并对全场位移初值进行估计；在此基础上，采用基于仿射变换的位移模式进行迭代优化；最终得到匹配点的仿射变换坐标。

这种测试方法光学装置和标定程序简单；实验及试样的预处理过程简单；测试范围与图像的放大倍率相关，量程较大；测试精度较高；实时动态，自动化程度较高。但目前精度低于双目测试技术，且只能实现有限变形的测试。

3.3 分布式位移测试技术和网络新技术

分布式位移测试技术充分运用光纤作为数据采集和传输手段，比金属传感器有更强的耐久性，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，近几年来在土木工程健康监测领域有较快的发展。光纤传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点；容易实现长距离、分布式监测；光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积较小、重量较轻，便于布设安装；同时可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，还可实现对监测对象的全方位监测，提高监测的成功率。

随着互联网技术的应用和发展，运用网络新技术可以实现远程异地观测和控制，能够在试验、计算、理论、数据库和模型模拟等方面实现分工协同合作。

4 结束语

为了正确评定结构性能，必须确定合理实验方法获得准确数据，关键是提高精确度、降低操作难度，提高其性价比。

参考文献

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