高分辨率應(yīng)變測試裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高分辨率應(yīng)變測試裝置，主要由底座、感應(yīng)桿、傳遞桿和電阻式應(yīng)變片組成。該裝置采用不同剛度比和長度比的兩種部件進行一定構(gòu)造的連接組合，通過力學原理將有效距離內(nèi)的變形集中至某一部件上，起到機械放大橋梁應(yīng)變的作用。使用本發(fā)明和相應(yīng)測試方法，結(jié)合發(fā)明人經(jīng)材料力學及結(jié)構(gòu)力學方法推導的基于部件參數(shù)剛度比、長度比的高準確度應(yīng)變求解公式，以實現(xiàn)較高的測試準確度，達到0.01με甚至更高，可廣泛適用于橋梁荷載試驗、健康監(jiān)控及基于動應(yīng)變識別移動荷載等技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說明】
高分辨率應(yīng)變測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于應(yīng)變測試方法，尤其涉及一種高分辨率應(yīng)變測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當今土木工程行業(yè)中，應(yīng)變測量廣泛地應(yīng)用于建筑、鐵路、橋梁、交通、大壩等結(jié) 構(gòu)上。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變測試是工程人員了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、保證結(jié)構(gòu)安全以及進行結(jié)構(gòu)設(shè) 計優(yōu)化的一個重要的環(huán)節(jié)。例如在大跨度橋梁的施工過程以及營運過程的長期健康監(jiān)測 中，對關(guān)鍵截面的應(yīng)力應(yīng)變進行監(jiān)測，為橋梁的施工、營運、加固提供依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全是 橋梁建設(shè)一個必不可少的環(huán)節(jié)。
[0003] 常見的應(yīng)變測試方法有光纖光柵方法、振弦式應(yīng)變測試法、引仲計或數(shù)顯千分表 法、電阻式應(yīng)變測試法等。光纖光柵方法具有抗電磁干擾、較好的絕緣性能、傳輸容量大等 優(yōu)點，缺點是傳感器加工工藝復雜、成本較高，所需外圍設(shè)備較多、設(shè)備昂貴，維護更換工藝 復雜、成本較高，限制了大范圍的推廣和應(yīng)用;振弦式應(yīng)變測試法直接輸出振弦的自振頻率 信號，通過頻率的改變來反映被測構(gòu)件的應(yīng)變大小，振弦式應(yīng)變測試雖然具有抗干擾能力 強、零點飄移小、受溫度影響小、長期穩(wěn)定性好等特點，目前在土木工程應(yīng)變測試中用于較 為廣泛，但僅適用靜態(tài)應(yīng)變測試、不適用于動應(yīng)變測試；引仲計或數(shù)顯千分表法受到標距長 度以及安裝的限制，在力學實驗中運用比較少；電阻式應(yīng)變測試法所用感應(yīng)又稱為電阻應(yīng) 變計，簡稱應(yīng)變片或電阻片，利用電阻片將非電量轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)電子儀器進行放大、顯 示和記錄，所以能獲得較高的放大倍數(shù)，從而達到較高的靈敏度，具有易于實現(xiàn)數(shù)字化、自 動化、成本低廉、對操作技術(shù)要求較低等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)變測試方法，進行 封裝處理后適用于長期監(jiān)測。
[0004] 由于橋梁在車輛荷載作用下的動應(yīng)較小，一般一輛三軸載重汽車引起10個左右的 橋梁動應(yīng)變，小型客車引起的動應(yīng)變更小;外界環(huán)境干擾，如溫度變化、風等會引1-2個橋梁 動應(yīng)變的波動;然而，目前電阻應(yīng)變測試精度為普遍1個應(yīng)變，這系由當前的電路放大系統(tǒng) 技術(shù)水平?jīng)Q定的，因接線工藝及儀器硬件質(zhì)量的差異，電路放大系統(tǒng)也常會引起0-2個應(yīng)變 的噪聲信號；在此背景下，要精準測試橋梁動應(yīng)變、克服環(huán)境及儀器系統(tǒng)噪聲變得十分困 難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高分辨率應(yīng)變測試裝置，該裝置可實現(xiàn)較高 的測試準確度，廣泛適用于橋梁荷載試驗、健康監(jiān)控及基于動應(yīng)變識別移動荷載等技術(shù)領(lǐng) 域。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:高分辨率應(yīng)變測試方法，在橋梁 構(gòu)件表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋或焊接中心間距為L的2個底座，將傳遞桿穿入底座的頂端 開孔，并采用螺帽在底座頂端開孔的兩側(cè)將傳遞桿擰緊;在兩端開孔中心距為1的感應(yīng)桿兩 側(cè)對稱處分別粘貼電阻式應(yīng)變片，并采用防護材料將電阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片 的感應(yīng)桿部分包裹防護；在兩根傳遞桿的相鄰端采用螺栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接擰緊固 定；電阻式應(yīng)變片按照雙應(yīng)變片接法接入應(yīng)變采集機箱，調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿 I / <ζρ J Ν 充分受力，讀取感應(yīng)桿的實測應(yīng)變?yōu)閥;按公式fy計算獲得橋梁構(gòu)件 .2、、ibi: Ly OtjL J 表面待測應(yīng)變?yōu)棣?;其中，S、E、SE分別為傳遞桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度； s、e、Se分別為感應(yīng)桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度；1為感應(yīng)桿兩端部開孔的 中心距離，L為底座中心間距。
[0007] 感應(yīng)桿粘貼電阻式應(yīng)變片后，放入溫度為120°C-150 °C的干燥箱不少于3小時，取 出后立即采用防護材料包裹防護。
[0008] 感應(yīng)桿與傳遞桿的軸向剛度比值A(chǔ) :最:，λ小于0 · 01;感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離1與 底座中心間距L比值小于0.1;公式為η +(/? + 1 - /λφ'，定義f =去(/? + 2 -熾)， ξ為與傳遞桿和感應(yīng)桿的材料、尺寸、應(yīng)變片的接入方法相關(guān)的特征系數(shù)，選取的材料及其 尺寸得出的λ和β，使ξ小于0.1。
[0009] 高分辨率應(yīng)變測試裝置，主要由底座、感應(yīng)桿、傳遞桿和電阻式應(yīng)變片組成;2個底 座的中心間距為L，每一底座的頂端開孔并分別穿插一傳遞桿，在開孔兩側(cè)采用螺帽固定傳 遞桿;兩根傳遞桿相鄰兩端之間設(shè)有兩端開孔中心距為1的感應(yīng)桿，傳遞桿和感應(yīng)桿通過螺 栓固定;感應(yīng)桿兩側(cè)對稱處分別粘貼電阻式應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片按照雙應(yīng)變片接法與應(yīng) 變采集機箱連接，電阻式應(yīng)變片及貼有電阻式應(yīng)變片的感應(yīng)桿部分由防護材料覆蓋保護。 [00 10]感應(yīng)桿的截面面積宜小于5mm2,其開孔中間間距長度一般小于20mm;傳遞桿的截 面面積宜大于105mm 2,單個有效長度應(yīng)大于100mm。
[0011]感應(yīng)桿截面形狀為矩形，其長邊與短邊的比值大于5。
[0012]感應(yīng)桿一般選取彈性模量小于150GPa的合金金屬材料;傳遞桿選取彈性模量大于 200GPa的合金金屬材料、陶瓷材料、碳纖維棒材等;防護材料為環(huán)氧樹脂砂楽;聚合物。
[0013]感應(yīng)桿一般選取鎂鋁合金;傳遞桿選取彈性模量為300GPa、450GPa的高模型碳纖 維或超高模型碳纖維，或彈性模量為450GPa的陶瓷SiC等。
[0014] 針對現(xiàn)有應(yīng)變測試方法存在的測試準確度不足的問題，發(fā)明人建立了一種高分辨 率應(yīng)變測試方法，該法采用不同剛度比和長度比的兩種部件進行一定構(gòu)造的連接組合，通 過力學原理將有效距離內(nèi)的變形集中至某一部件上，起到機械放大橋梁應(yīng)變的作用。據(jù)此， 發(fā)明人還設(shè)計制作了相應(yīng)測試裝置。使用該測試方法和測試裝置，結(jié)合發(fā)明人經(jīng)材料力學 及結(jié)構(gòu)力學方法推導的基于部件參數(shù)剛度比、長度比的高準確度應(yīng)變求解公式，以實現(xiàn)較 高的測試準確度，達到Ο.ΟΙμε甚至更高(常規(guī)應(yīng)變測試方法的準確度僅為Ιμε)，可廣泛適用 于橋梁荷載試驗、健康監(jiān)控及基于動應(yīng)變識別移動荷載等技術(shù)領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā) 明的突出優(yōu)勢在于：
[0015] (1)通過機械放大，將應(yīng)變放大數(shù)十倍至數(shù)百倍，甚至千倍，提高了小應(yīng)變的識別 率和測試精準度；
[0016] (2)放大凸顯了結(jié)構(gòu)應(yīng)變的數(shù)值，而測試系統(tǒng)噪聲未改變，相當于降低了測試系統(tǒng) 的噪聲干擾；
[0017] ⑶測試裝置工具簡單，成本低廉，易于更換；
[0018] (4)可實現(xiàn)基于橋梁動應(yīng)變的橋梁模態(tài)測試分析。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明高分辨率應(yīng)變測試方法的使用狀態(tài)圖及其測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 (垂直于感應(yīng)桿和傳遞桿）。
[0020]圖2是本發(fā)明高分辨率應(yīng)變測試方法的使用狀態(tài)圖及其測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 (垂直于橋梁構(gòu)件表面）。
[0021] 圖3是本發(fā)明高分辨率應(yīng)變測試方法及其裝置的力學原理示意圖
[0022] 圖1和圖2中：1梁構(gòu)件表面，2底座，3傳遞桿，4螺帽，5感應(yīng)桿，6電阻式應(yīng)變片，7防 護材料，8螺栓。
[0023] 圖3中：1傳遞桿，2感應(yīng)桿。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明高分辨率應(yīng)變測試方法的基本原理
[0025] 1.操作步驟
[0026] 如圖1和圖2所示，在橋梁構(gòu)件表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋或焊接中心間距為L的2 個底座，將傳遞桿穿入底座的頂端開孔，并采用螺帽在底座頂端開孔的兩側(cè)將傳遞桿擰緊； 在兩端開孔中心距為1的感應(yīng)桿兩側(cè)對稱處分別粘貼電阻式應(yīng)變片，并采用防護材料將電 阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片的感應(yīng)桿部分包裹防護;在兩根傳遞桿的相鄰端采用螺 栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接擰緊固定；電阻式應(yīng)變片按照雙應(yīng)變片接法接入應(yīng)變采集機箱， 調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿充分受力，讀取感應(yīng)桿的實測應(yīng)變?yōu)棣?;按公式 I f ?ζρ / 'ipl ^ s = i 7 + 叾'計算獲得橋梁構(gòu)件表面待測應(yīng)變￡ ;其中，S、E、SE分別為傳遞桿的截 .? \ SL· L bnL j 面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度;s、e、se分別為感應(yīng)桿的截面面積、材料彈性模量、軸 向變形剛度;1為感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離，L為底座中心間距。
[0027]其中，感應(yīng)桿粘貼電阻式應(yīng)變片后，放入溫度為120°C-150°C的干燥箱不少于3小 時，取出后立即采用防護材料(環(huán)氧樹脂砂漿聚合物)包裹防護。
[0028] 2.公式推導
[0029]如圖3所示，在兩端軸向力F的作用下，感應(yīng)桿和傳遞桿應(yīng)變分別為ε、^，軸力均為 F，感應(yīng)桿的長度、截面面積和彈性模量分別為I、s、e，傳遞桿的長度、截面面積和彈性模量 分別為l^Sj。由此可得式(1)
[0030] see =FJEe'=F，即是
[0031] See = SEe7 (1)
[0032] 由式（1)可得應(yīng)變ε Y的比值，令^，見式(2) r I s. SE I ,. S se A
[0034] 構(gòu)件總長度為L，L= 1+2V，在軸向力F作用下總仲長量AL為式(3)
[0035] Ιε+217 ε7 = AL (3)
[0037] (4)
[0036] 式(3)兩側(cè)同除以L，可得式(4)
[0038]
[0039] (5)
[0040] :即為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，令該平均應(yīng)變數(shù)值為f , 即是F
[0041] (6)
[0042] 、應(yīng)變采集機箱時，實測應(yīng)變是感應(yīng)桿應(yīng)變 的2倍 (7)
[0043]
[0044] 此時令# = + Λ -#2) > ξ為與感應(yīng)桿和傳遞桿截面面積、長度和彈性模量相關(guān) 的特征系數(shù)。
[0045] 式(6)中結(jié)構(gòu)的應(yīng)變f為某一值，當感應(yīng)桿和傳遞桿截面面積、長度和彈性模量參 數(shù)組合滿足特定關(guān)系時，使得特征系數(shù)ξ小于1時，必有S L且感應(yīng)桿和傳遞桿截面面積、 長度和彈性模量為定值時，特征系數(shù)ξ也為定值，當特征系數(shù)ξ為〇 . 1時，f = IOf，即是感應(yīng)桿 的應(yīng)變是結(jié)構(gòu)應(yīng)變的10倍;當特征系數(shù)κ為0.01時，s = IOOf,.即是感應(yīng)桿的應(yīng)變是結(jié)構(gòu)應(yīng)變 的100倍；當采用現(xiàn)有已經(jīng)測試方法無法準確測試結(jié)構(gòu)較小的結(jié)構(gòu)應(yīng)變?7時，采用本發(fā)明由 特定感應(yīng)桿和傳遞桿組合的測試裝置，在感應(yīng)桿上粘貼電阻式應(yīng)變片，可測得比結(jié)構(gòu)應(yīng)變 歹大若干倍的ε，通過特征系數(shù)ξ可換算為常規(guī)方法不可能準確獲得的結(jié)構(gòu)應(yīng)變F。其基本原 理是，通過感應(yīng)桿和傳遞桿的特定組合，利用結(jié)構(gòu)力學和材料力學的變形協(xié)調(diào)原理，也就是 機械的方法把較小的應(yīng)變放大若干倍后展現(xiàn)在特有的部件上，再通過特征系數(shù)ξ反算準確 的結(jié)構(gòu)應(yīng)變I。通俗地說，采用毫米尺去測量1.31mm的長度時，測出的長度數(shù)據(jù)可能是 1.0 mm或1.5mm，不能準確反映真實長度。但當采用10倍、100倍的放大鏡放大后，再采用毫米 尺去測量放大后的圖像，測出的長度數(shù)據(jù)分別為13.0mm、131.0m。此時當知道放大鏡的放大 倍數(shù)分別是10倍、100倍，反算后可求得實際長度分別為1.3mm、l.31mm)。
[0046] 應(yīng)用實例
[0047] 以下通過應(yīng)用實例具體說明本發(fā)明，平行采用傳統(tǒng)方法進行對比測試，其中應(yīng)用 實例參照上述方法操作進行，傳統(tǒng)方法則如下：
[0048] (1)選擇粘貼強度高(剪切強度一般不低于3_4MPa)，電絕緣性能好，化學穩(wěn)定性及 工藝性好的膠。
[0049] (2)選擇應(yīng)變片，用放大鏡對應(yīng)變片進行檢查，保證選用的應(yīng)變片無缺陷和破損。 同批試驗室選用靈敏系數(shù)和阻值相同的應(yīng)變片，采用兆毆表或萬用表對其阻值進行測量， 保證誤差不大于0.5 Ω ;
[0050] (3)定位，初步畫出貼片位置，用砂布或砂輪將貼片的位置打磨平整，混凝土表面 無浮漿，必要時涂底膠處理，待固化后再次打磨，在打磨平整的部位準確畫出測點的縱、橫 中心線及粘貼應(yīng)變片的方向；
[0051] (4)貼片，用鑷子夾脫脂棉球蘸取丙酮或酒精將貼片得位置清洗干凈。用手握住應(yīng) 變片引出線，在其背面均勻涂抹一層膠水，然后放在測點上，調(diào)整應(yīng)變片的位置，使其可準 確定位。在應(yīng)變片上覆蓋小片玻璃紙用手指輕輕滾壓，擠出多余膠水和氣泡。注意不要使應(yīng) 變片位置移動。用手指輕壓l_2min，待膠水初步固化后，即可松手。
[0052] (5)焊接、檢查、干燥固化和應(yīng)變片的防護。
[0053] 應(yīng)用實例1
[0054] 在橋梁構(gòu)件表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋中心間距為166mm的2個底座;直徑18mm的 傳遞桿穿入底座的頂端的開孔，并采用螺帽在底座頂端開孔的兩側(cè)將傳遞桿擰緊;在兩端 開孔中心距為16mm的感應(yīng)桿兩側(cè)對稱分別粘貼電阻式應(yīng)變片，感應(yīng)桿截面為6mmX 0.5mm矩 形;并采用防護材料將電阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片的部分感應(yīng)桿包裹防護;在傳 遞桿的相鄰端采用螺栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接擰緊固定；電阻式應(yīng)變片按照雙應(yīng)變片接法 接入應(yīng)變采集機箱，調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿充分受力。鋼材材料傳遞桿的截面面 積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為254.47mm 2、200GPa、5.0894 X 104kN/mm;鋁合金材料 感應(yīng)桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為3. OOmm2、7IGPa、2.13 X 102kN/mm; 感應(yīng)桿與傳遞桿的軸向剛度比為0.0041852,感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離為與底座中心 間距比為0.09639，傳感器特征系數(shù)ξ0.050084。
[0055] 實測結(jié)果比較見表1。
[0056] 表1應(yīng)用實例1與傳統(tǒng)方法測試結(jié)果 L〇〇58j 應(yīng)用買例2
[0059]在橋梁構(gòu)件表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋中心間距為520mm的2個底座;直徑23mm的 傳遞桿穿入底座的頂端的開孔，并采用螺帽在底座頂端開孔的兩側(cè)將傳遞桿擰緊;在兩端 開孔中心距為IOmm的鋁鎂合金感應(yīng)桿兩側(cè)對稱分別粘貼電阻式應(yīng)變片，感應(yīng)桿截面為4mm X 0.5mm矩形;并采用防護材料將電阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片的部分感應(yīng)桿包裹 防護;在傳遞桿的相鄰端采用螺栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接擰緊固定；電阻式應(yīng)變片按照雙 應(yīng)變片接法接入應(yīng)變采集機箱，調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿充分受力。傳遞桿的截面 面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為415.48mm 2、21OGPa、8.7245 X 104kN/mm;感應(yīng)桿的 截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為2. OOmm2、40GPa、0.80 X 102kN/mm;感應(yīng)桿與 傳遞桿的軸向剛度比為0.0009169,感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離為與底座中心間距比為 0.019231，傳感器特征系數(shù)ξ為0.01007。實施例2方法與傳統(tǒng)方法實測結(jié)果比較見表2 [0060]表2實施例2測試結(jié)果
[0062]~表1和表2中各指標參數(shù)含義如下:
[0063] 理論應(yīng)變:理論計算應(yīng)變，即是理想化的真實應(yīng)變。
[0064]常規(guī)實測應(yīng)變:常規(guī)粘貼電阻式應(yīng)變片的測試結(jié)果，精度僅能達到0.5με。
[0065] 常規(guī)實測應(yīng)變誤差：I理論應(yīng)變-常規(guī)實測應(yīng)變I X 100/理論應(yīng)變
[0066] 本方法實測:采用本方案的裝置實測應(yīng)變，通過機械放大的方方法，將應(yīng)變放大了 100 倍。
[0067] 實測反算應(yīng)變:考慮裝置特征值后的反算應(yīng)變，及結(jié)構(gòu)的高準度、高精確應(yīng)變。
[0068] 實測反算應(yīng)變誤差=I理論應(yīng)變-實測反算應(yīng)變I X 100/理論應(yīng)變。
【主權(quán)項】
1. 一種高分辨率應(yīng)變測試裝置，其特征在于主要由底座、感應(yīng)桿、傳遞桿和電阻式應(yīng)變 片組成;2個底座的中心間距為L，每一底座的頂端開孔并分別穿插一傳遞桿，在開孔兩側(cè)采 用螺帽固定傳遞桿;兩根傳遞桿相鄰兩端之間設(shè)有兩端開孔中心距為1的感應(yīng)桿，傳遞桿和 感應(yīng)桿通過螺栓固定;感應(yīng)桿兩側(cè)對稱處分別粘貼電阻式應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片按照雙應(yīng) 變片接法與應(yīng)變采集機箱連接，電阻式應(yīng)變片及貼有電阻式應(yīng)變片的感應(yīng)桿部分由防護材 料覆蓋保護。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率應(yīng)變測試裝置，其特征在于:所述感應(yīng)桿的截面面積 小于5mm2，其開孔中間間距長度小于20mm;所述傳遞桿的截面面積大于105mm 2，單個有效長 度大于100mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高分辨率應(yīng)變測試裝置，其特征在于:所述感應(yīng)桿截面形狀為 矩形，其長邊與短邊的比值大于5。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高分辨率應(yīng)變測試裝置，其特征在于:所述感應(yīng)桿選取彈性模 量小于150GPa的合金金屬材料;所述傳遞桿選取彈性模量大于200GPa的合金金屬材料、陶 瓷材料、碳纖維棒材;所述防護材料為環(huán)氧樹脂砂漿聚合物。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高分辨率應(yīng)變測試裝置，其特征在于:所述感應(yīng)桿選取鎂鋁合 金;所述傳遞桿選取彈性模量為300GPa、450GPa的高模型碳纖維或超高模型碳纖維，或彈性 模量為450GPa的陶瓷SiC。
【文檔編號】G01B7/16GK105841602SQ201610345053
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】楊濤, 郝天之, 陳齊風, 連金明, 于孟生, 卓小麗, 吳國強
【申請人】廣西交通科學研究院