本實用新型屬于應(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)：
：在當(dāng)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)。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、引伸計或數(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(fù)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(fù)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(biāo)距長度以及安裝的限制，在力學(xué)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。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??；外界環(huán)境干擾，如溫度變化、風(fēng)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(dāng)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(zhǔn)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。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型要解決的技術(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(zhǔn)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：
。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(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l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)棣拧?；按公式計算獲得橋梁構(gòu)件表面待測應(yīng)變?yōu)棣牛黄渲?，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；l為感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離，L為底座中心間距。感應(yīng)桿粘貼電阻式應(yīng)變片后，放入溫度為120℃-150℃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。感應(yīng)桿與傳遞桿的軸向剛度比值λ小于0.01；感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離l與底座中心間距L比值β小于0.1；公式為定義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。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l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。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105mm2，單個有效長度應(yīng)大于100mm。感應(yīng)桿截面形狀為矩形，其長邊與短邊的比值大于5。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)氧樹脂砂漿聚合物。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。針對現(xiàn)有應(yīng)變測試方法存在的測試準(zhǔn)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(xué)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(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)方法推導(dǎo)的基于部件參數(shù)剛度比、長度比的高準(zhǔn)確度應(yīng)變求解公式，以實現(xiàn)較高的測試準(zhǔn)確度，達到0.01με甚至更高(常規(guī)應(yīng)變測試方法的準(zhǔn)確度僅為1με)，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，本實用新型的突出優(yōu)勢在于：(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(zhǔn)度；(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(dāng)于降低了測試系統(tǒng)的噪聲干擾；(3)測試裝置工具簡單，成本低廉，易于更換；(4)可實現(xiàn)基于橋梁動應(yīng)變的橋梁模態(tài)測試分析。附圖說明圖1是本實用新型中高分辨率應(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)。圖2是本實用新型中高分辨率應(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)。圖3是本實用新型中高分辨率應(yīng)變測試方法及其裝置的力學(xué)原理示意圖圖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。圖3中：1傳遞桿，2感應(yīng)桿。具體實施方式本實用新型高分辨率應(yīng)變測試方法的基本原理1.操作步驟如圖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l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)棣拧?；按公式計算獲得橋梁構(gòu)件表面待測應(yīng)變ε；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；l為感應(yīng)桿兩端部開孔的中心距離，L為底座中心間距。其中，感應(yīng)桿粘貼電阻式應(yīng)變片后，放入溫度為120℃-150℃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。2.公式推導(dǎo)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、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l、s、e，傳遞桿的長度、截面面積和彈性模量分別為l′、S、E。由此可得式(1)seε＝F，SEε′＝F，即是seε＝SEε′(1)由式(1)可得應(yīng)變ε、ε′的比值，令見式(2)ϵϵ′=SEse=1λ---(2)]]>構(gòu)件總長度為L，L＝l+2l′，在軸向力F作用下總仲長量ΔL為式(3)lε+2l′ε′＝ΔL(3)式(3)兩側(cè)同除以L，可得式(4)lLϵ+2l′Lϵ′=ΔLL---(4)]]>令將式(2)帶入式(4)得式(5)βϵ+L-lLλϵ=ΔLL---(5)]]>感應(yīng)桿和傳遞桿長度范圍內(nèi)的平均應(yīng)變即為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，令該平均應(yīng)變數(shù)值為即是式(5)化簡后得式(6)(β+λ-βλ)ϵ=ϵ‾---(6)]]>當(dāng)電阻式應(yīng)變片按照雙應(yīng)變片接法接入應(yīng)變采集機箱時，實測應(yīng)變是感應(yīng)桿應(yīng)變的2倍，則有式(7)12(β+λ-βλ)ϵ=ϵ‾---(7)]]>此時令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)。式(6)中結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)槟骋恢?，?dāng)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(dāng)特征系數(shù)ξ為0.1時，即是感應(yīng)桿的應(yīng)變是結(jié)構(gòu)應(yīng)變的10倍；當(dāng)特征系數(shù)κ為0.01時，即是感應(yīng)桿的應(yīng)變是結(jié)構(gòu)應(yīng)變的100倍；當(dāng)采用現(xiàn)有已經(jīng)測試方法無法準(zhǔn)確測試結(jié)構(gòu)較小的結(jié)構(gòu)應(yīng)變時，采用本實用新型由特定感應(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(zhǔn)確獲得的結(jié)構(gòu)應(yīng)變其基本原理是，通過感應(yīng)桿和傳遞桿的特定組合，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)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(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)變通俗地說，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1.0mm或1.5mm，不能準(zhǔn)確反映真實長度。但當(dāng)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(dāng)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、1.31mm)。應(yīng)用實例以下通過應(yīng)用實例具體說明本實用新型，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：(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(xué)穩(wěn)定性及工藝性好的膠。(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0.5Ω；(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(zhǔn)確畫出測點的縱、橫中心線及粘貼應(yīng)變片的方向；(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(zhǔn)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1-2min，待膠水初步固化后，即可松手。(5)焊接、檢查、干燥固化和應(yīng)變片的防護。應(yīng)用實例1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6mm×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254.47mm2、200GPa、5.0894×104kN/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3.00mm2、71GPa、2.13×102kN/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。實測結(jié)果比較見表1。表1應(yīng)用實例1與傳統(tǒng)方法測試結(jié)果荷載等級12345678910理論應(yīng)變1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0常規(guī)實測應(yīng)變11.53.04.55.06.57.58.09.09.5本方法實測20396180102120143162182196實測反算應(yīng)變1.001.953.064.015.116.017.168.119.129.82應(yīng)用實例2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10mm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×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415.48mm2、210GPa、8.7245×104kN/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2.00mm2、40GPa、0.80×102kN/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表2實施例2測試結(jié)果荷載等級12345678910理論應(yīng)變(με)1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0常規(guī)實測應(yīng)變(με)1.52.03.04.55.56.06.58.09.511常規(guī)實測應(yīng)變誤差(％)50.00012.510.00.07.105.610.0本方法實測(με)1022042893935005756987788991005實測反算應(yīng)變(με)1.032.052.913.965.035.797.037.839.0510.12實測反算應(yīng)變誤差(％)3.02.53.01.00.63.50.42.10.61.2表1和表2中各指標(biāo)參數(shù)含義如下：理論應(yīng)變：理論計算應(yīng)變，即是理想化的真實應(yīng)變。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。常規(guī)實測應(yīng)變誤差：|理論應(yīng)變-常規(guī)實測應(yīng)變|×100/理論應(yīng)變本方法實測：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。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(zhǔn)度、高精確應(yīng)變。實測反算應(yīng)變誤差＝|理論應(yīng)變-實測反算應(yīng)變|×100/理論應(yīng)變。當(dāng)前第1頁1 2 3