混凝土内应力测量的应变砖传感器设计与应用.pdf

1 0 6 传感器与微系统( T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s ) 2 0 1 4年 第 3 3卷 第 l l 期 D OI ： 1 0 ． 1 3 8 7 3 ／ J ． 1 0 0 0 - 9 7 8 7 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - - 0 1 0 6 - - 0 3 混凝土内应力测量的应变砖传感器设计与应用 黎小毛 ，彭映成 ，汪 明，郭 弦 ( 西北核技术研究所 ， 陕西 西 安 7 1 0 0 2 4 ) 摘要：针对混凝土内应力传感器匹配误差问题 ， 设计制作埋人式应变砖传感器 ， 将混凝土作为传感器一 部分整体进行标定， 从而减少实际测量中匹配误差的影响。传感器设计中考虑温度和干扰补偿 ， 并对应变 计进行良好防护以确保2 0 MP a 压力下传感器绝缘性能良好。进行 5 0 k N静态加载试验， 得到加载力同传 感器输出的函数关系和非线性误差。经过激波管动态加载试验， 得出应变砖固有频率大于3 0 k H z ， 可用于 动态加载的混凝土内应力测量。 关键词：混凝土；内应力测量；应变砖 中图分类号：T P 2 1 2 ． 9 ； T U4 3 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 -97 8 7 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - - 0 1 0 6 - - 0 3 De s i g n a n d a p pl i c a t i o n o f s t r a i n b r i c k s e n s o r f o r i nt e r na l s t r e s s m e a s u r e m e n t o f c o n c r e t e L I Xi a o - ma o，PENG Yi n g - c h e n g，W ANG Mi ng，GUO Xi a n ( I n s t i t u t e o f N o r t h w e s t N u c l e a r T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ai mi n g a t pr o bl e m o f c o nc r e t e i n t e r na l s t r e s s ma t c h i n g e r r o r o f s e ns o r ， de s i g n e mb e d de d t y p e s t r a i n bric k s e n s o r ， whi c h ma k e c o n c r e t e a s a pa r t o f t h e who l e s e n s o r t o c a l i b r a t e，S O a s t o r e d uc e i n flu e n c e o f ma t c h i n g e r r o r i n a c t ua l me a s u r e me n t ．Te mpe r a t ur e a nd i n t e r f e r e nc e c o mpe ns a t i o n i s c o ns i d e r e d i n d e s i g n o f s e ns o r ，a n d s t r a i n g a u g e i s we l l p r o t e c t e d t o e n s u r e t h a t t h e s e n s o r h a s g o o d i n s u l a t i n g p r o p e rt y u n d e r 2 0 MP a s t r e s s ． 5 0 k N s t a t i c l o a d i n g e x p e r i me n t i s c a r r i e d o u t t o g e t t h e f u n c t i o n r e l a t i o n b e t w e e n l o a d i n g f o r c e a n d o u t p u t o f s e n s o r， a n d n o n l i n e a r e rro r ． T h r o u g h d y n a mi c l o a d i n g e x p e ri me n t s o f s h o c k t u b e ，i t i s d e ri v e d t h a t n a t u r a l f r e q u e n c y o f s t r a i n b r i c k i s g r e a t e r t h a n 3 0 k Hz ， a n d c a n b e u s e d f o r me a s u r e me n t o f i n t e r n a l s t r e s s o f c o n c r e t e wi t h d y n a mi c l o a d i n g ． Ke y WO r ds： c o nc r e t e；i n t e r na l s t r e s s me a s u r e men t ；s t r a i n bric k 0 引 言 在工程测量中， 常需要监测混凝土内部应力状况， 尤其 对于大坝 、 高楼等大型混凝土结构， 监测内部应力可为结构 的安全稳定评估提供数据。对于混凝土内部应力测量， 目 前最常用的办法是将传感器埋设在混凝土中， 由传感器在 应力作用下的输出来获取相应的应力值。由于传感器本身 物理和力学性质与混凝土不完全匹配引起匹配误差 ， 从而 使传感器附近的应用场发生变化 ， 影响了测量结果。汪恩 清、 杨吉祥等人开展了埋入式传感器的静态和动态匹配误 差 研究 ， 并提 出了匹配误差理 论解析 公式 和匹配 系数 J 。 然而传感器匹配情况还与埋入时传感器结合程度、 混凝土 含水率 、 环境温度等相关， 且理论解析中的部分参数需要具 体实验中测得， 从而增加匹配误差计算的难度。 混凝土静态压力测量中， 石振明等人应用了一种振弦 式应力计测量混凝土的应力， 但其测量值与实际值比较偏 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 3 - 3 1 小 j 。光纤传感器作为一种新型传感器开始应用于混凝 土 内 部应 变 的 测 量 ， 需 解 决 准 确 定 位 埋 设 和 防 护 的难 题 j 。混凝土动态压 力测量 通常采用 光纤 、 应 变计、 P V D F等传感器 ， 在传感器的设计与应用中需重点关注 传感器的动态匹配和频率响应 。 针对传感器匹配误差问题， 本文设计制作了一种埋入 式应变砖传感器。将混凝土作为传感器的一部分， 进行静 态和动态加载标定试验 ， 由于传感器测量输 出结果已经包 含了匹配误差， 从而在实际测量中可减少匹配误差的影响。 1 应变砖传感器设计 制作 1 ． 1 传感器制作与防护 由于混凝土内部颗粒不均匀 ， 如果将应变计直接埋入 混凝土测量内应力离散性大， 且难以对准所需要的测力方 向。设计“ 工” 字型应变砖式内应力传感器， 传感器的两端 为直径2 5 mm的受力圆盘， 用钢柱连接起来 ， 并在钢柱的中 第 l l 期 黎小 己， 等 ： ? 昆凝土内应力测量的应变砖传感器设计 与应用 l 0 7 央位置粘贴应变汁。传感器设计示意图见图1 。 图 1 应变砖传感器设计示意图 Fi g 1 Di a g r a m o f s t r a i n br i c k de ig n 传感器的受力圆盘和钢柱选用 4 5 #钢， 其泊松比和线 膨胀系数 与混凝 土相 近 ， 可 以减少测 量 中的 匹配误 差。在 连接钢柱的中央位置粘贴 4只应变计， 组成惠斯登全桥 ， 其 中， R l ， R 3为轴向粘贴的工作片， R 2， R 4为径向粘贴的温度 和干扰信号补偿片。将“ 工” 字型结构埋入混凝土块 内， 制 成砖块形状， 其整体尺寸为( 长 宽 高) ： 3 5 mm x 3 5 F i l m X 7 0 mm。相对于应变平直接埋入方式， “ 工” 字型应变砖传感 器具有以下优势 ： 1 ) 压力的受力面积增大 ， 对普通素混 凝土 而言 ， 受力 圆盘直径 大于混 凝土 颗粒 直径 l 0倍 以上 ， 从 而 减少 了混凝土 内部颗粒 不均 匀带来 的测 量影 响。2 ) 4只应 变计位置固定， 采用2只工作片和 2片补偿片的方式， 相对 单只工作片提高了测量灵敏度 ， 且具有温度和干扰补偿的 功能。3 ) 传感器的测量方向和对准位置调整相对较容易。 传感器中选用的应变计为 B A 1 2 0 - 4 A A， 由于传感器浇 注在混凝土 内． 应变计处在潮湿和受压 的环境下 ， 需进 行合 理防护以保证其绝缘性。采用防潮和防压相结合的防护方 式 ， 在 粘贴好的应变计上刷涂 2～ 3遍 N l型防潮 胶(日本东 京测器研究所生产 ) ， 2 4小 时 N 1 胶 固化后再 在其 L面刷涂 环氧树脂胶 ， 防护方式见 图 2 。 珥善 赣 图 2 应变计防护方式 Fig 2 P r o t e c t i o n me t h o d o f s t r a i n g au g e 其中 N 1 胶用于绝缘和防水， 凝固后仍然是一种软胶， 可对 承受 的应力有效 缓 冲和转 移 。环 氧树脂 固化后坚 硬 ， 其材料力学参 数与混凝土相近 ， 可 保护应变计和 N 1胶层不 受压力损坏。实验表明： 这种应变计防护方式可在 2 0 M P a 的压 力下 确保 应变计绝缘性能 良好 。 1 ． 2传感器 固有频率计算 影响传感器动态测量性能的参数有传感器的固有频 率 ， “ 工” 字型传感器未埋入混凝土前为一个连接圆柱与 2个圆盘的组合体 ， 则传感器的固有频率为 r 1 | K ／ √ ’ 式中K． 为结构的刚度； 为结构的质度。其【{ ll K =K 。 + ， M = 1 + ， ( 2 ) 式中K ， K 2 分别为连接圆柱和圆盘的刚度， M ， 肘 分别为 连接 圆柱 和圆盘 的质量。 在固体力学中’ 冈 0 度 K和质量 M的计算公式如下 = 百E A ， ( 3) 式中E为材料的弹性模量 ， 钢取 2 ． 0 5l 0 “P a ； A为刚体 的截面积； 为刚体的长度。 将式( 2 ) 、 式( 3 ) 代入式( 1 ) 中， 并结合图 1中的尺寸数 据， 计算得出“ 工” 字型传感器未浇入传感器的固有振动频 率为 8 7 k H z 。一般来说， 传感器的固有频率需高于信号频 率3倍， 因而， 传感器可测信号频率约为3 0 k H z 。 传感器浇入混凝土制成混凝土砖后， 其固有频率要降 低 ， 由于混凝 土的密 度 、 刚度等 不 易测量 ， 且 传感器 与混凝 土的结合紧密程度难以预料， 因而， 混凝土砖的固有频率难 以用理论公式计算 。为取得混凝 土砖 动态加载 下的 固有 频 率 ， 可 用动态加载的方式进行标定 。 2 应变砖传感器静态标定试验 为研究传感器在混凝土中的应力测量情况 ， 保证测试 结果与实际保持一致， 故要将传感器砖预埋在混凝土中制 作成传感器砖。因传感器的弹性模量、 泊松比、 线膨胀系数 与混凝土的不同， 在传感器的附近可能产生一定程度的应 力集 中， 从 而导 致和应 变计测 量 值和受 力 圆盘感受 的压 力 不一定完全匹配 。为考核 应变 砖 在加载 过 程 中的线 性度 、 重复性等参数， 并得到应变计测 应变与加载应力的线性 关系 ， 在压力试 验机 _ 【 二 进行静态加载试 验 ， 加 载试验示 意图 见图 3 —I 图 3 应变砖静态加载示意图 Fi g 3 S c h e m a t i c di a g r a m o f s t a t i c l o a di n g o f s t r a i n b r i c k 压力机加载前 ， 对膻 变仪 i刷平 衡 ， 使得初 始应 变测量值 归零 。监测 压力机正程加压和 回程卸压过 程 中应变 计的测 量值。为考核应变砖传感器是否可以重复使用， 对传感器 进行 2次加载 ， 测量结果 见图 4 。 由上图可以分析 ： 1 ) 从 整体趋 势来 看 ， 线性 度 良好 ， 正 程和回程线性度 基本一致 ， 其 中加载力在 5- 3 0 k N以下线 性度略好。第2次加载试验的获得的结果斜率基本一致． 说明传感器的可重复测量性能良好。2 ) 根据第 1次加载的 数据 ， 直线拟合传感 器的应变测量 值 与加 载力 Y ( 单位 为 k N) 的关系为： Y=6 ． 5 8 +9 ． 5 0 。3 ) 第2次加载测量有一个 旃 1 0 8 传 感 器 与 微 系 统 第 3 3卷 5 00 4 00 呈 3 0 0 20 0 l O O O 加载力 ／ k N 图4应变砖静态加载测量 结果 Fi g 4 M e a s u r e me n t r e s u l t s o f s t a t i c l o a d i n g o f s t r a i n b r i c k 初始应变 ， 原 因是前一次加载混凝土压实 后 ， 内部 应力没有 完全卸载掉 。实际测量 过程 中 ， 关 注 的是应变 砖埋 入混凝 土后的应力变化， 因而初始应变值可以用仪器平衡设置的 方式归零。4 ) 应变砖的受力端面为5 0 mm x 5 0 mm的正方 形， 可以计算当加载力为 5 0 k N时， 应变砖的端面应力约为 2 0 MP a 。而应变计测量应变为3 ． 4 0 X1 0 一， 按照胡克定律， 可计算 出传感器的受 力钢 柱应力 达 7 1 ． 4 MP a ， 说 明应变砖 内进行了应力重新分配。 应变砖内的应力分配情况复杂， 由于“ 工” 字钢和混凝 土弹性模量、 刚度 、 密度等差异， 导致两种材料的阻抗不匹 配， 从而使得应变砖内一部分位置应力减弱， 一部分地方应 力集 中。但不管应变 砖 内应 力如 何重新 分配 ， 只 要受力 钢 柱上 的测得应变值与应变砖测量端面 的载荷 在一定加载 范 围内能线性对应起来 ， 就 可根据 线性关 系 由应变 测量值 推 算 出应变砖端面所承受的应力 。 对 6块同样尺寸的应变砖进行静态加载试验， 得到测 量结果见 图 5 。 6 OO 5 0O 4 o0 蟊 3 0 0 2 0 0 1 00 O 加 载 力 ／ k N 图 5 多个应变砖应变测量结果对比 F i g 5 Co mp a r i s o n o f me a s ur e m e nt r es u l ts o f m ult i p l e s t r a i n b r i c k s 由图5可分析： 1 ) 6只应变砖传感器线性度良好， 其非 线性误差在 5％以内。2) 尽管 6块应变砖的制作方式 、 “ 工” 字钢结构、 外形尺寸等都一样， 但测量曲线的斜率略有 不同， 说明同样加载力作用下不同应变砖的“ 工” 字钢柱上 测得的应变值存在差异。分析其原因可能与应变砖的尺寸 误差、 “ 工” 字钢浇铸位置相关。3 ) 由于测量 曲线斜率的差 异， 每只应变砖传感器在应用于现场测量前都应该进行静 态加载试验 ， 以获取应 变砖 加载 力与测 量应 变之 间的线 性 关系。 3 应变砖传感器动态加载试验 激波管作为一种能提供理想阶跃压力激励信号的试验 装置， 广泛应用于压力传感器的动态参数校准。激波管形 成的激波波阵面压力接近理想的阶跃波， 传感器在激波的 激励下按固有频率产生衰减振荡 ， 其波形由测量系统记录 下来， 从而得到传感器的动态响应特性。在激波管末端外 接装有应变砖的壳体， 并用法兰连接， 连接示意图见图6 。 图6应变砖与激波管连接 示惹 图 Fi g 6 Co n ne c t i o n dia g r a m o f s t r a i n b r i c ks a n d s h o c k t u be 激波管中的压力传感器用来测量激波压力， 同时给应 变砖的应变测量提供触发信号。应变砖 内的应变计测量导 线通过壳体端面预留小孔引出， 并接入应变放大器和存储 示波器。激波管动态加载试验主要 目的是获得应变砖传感 器的动态性能指标， 包括传感器的固有频率、 上升时间、 动 态灵敏度等。 对应变砖传感器进行 3次加载试验， 得到测量数据见 表 1 。应变砖中的应变计组桥方式为惠斯通半桥方式 ， 即 2只工作片 ， 2只补偿片 。设置应变放大 器桥压 为 2V， 放大 倍 数为 1 0 0 0倍 。 表 1 激波管加载应变砖测量结果 Ta b 1 M e a s ur e m e nt s r e s ul t s o f s h o c k t ub e l o a d i n g s t r a i n br i c k s 由表中数据可知， 在激波压力的动态记载作用下， 应变 砖传感器固有频率为3 3 k H z ， 其信号上升时间约为4 0 s ， 动 态灵敏 度平 均为 2 5 ． 9 MP a ／ V。采用相 同激波压 和相同测试 仪器参数， 对另外 5只应变砖传感器进行激波管加载试验， 得 出它 们 固有 频率 在 3 0—4 0 k H z ， 信 号 上 升 时 间在 3 0— 4 5 s 。 4 结论 1 ) 将混凝土作为传感器的一部分整体设计制作 ， 在标 定加载试验中测量结果包含匹配误差， 从而减少实际测量 应用中匹配误差的影响。 2 ) 采用 2只工作片和 2只补偿片结合 的惠斯登电桥， 对温度和干扰信号进行有效补偿， 并对应变计进行 良好防 护 ， 确保应变计在 2 0 MP a 压力下传感器绝缘性能良好。 3 ) 通过传感器静态标定试验获得加载力同传感器输出 的函数关系， 被标定的应变砖传感器非线性误差在 5％以 内。 4 ) 激波管动态加载试验 中得到传感器的固有频率在 3 0 k H z以上 ， 信号上升时间在4 5 s以内。 ( 下转第 1 1 2页 ) 1 1 2 传 感 器 与 微 系 统 第 3 3卷 ” 始 j糸揽 { J 】 “ 艺 l ’ I建 ． 嘲 络 l 登 全 錾 —] ● Y } 小教搬 外 I I 通过G P 发 l I 暂机 I I 兰 竺 ) 图8协调器节点流程 图 Fi g 8 Pr o g r a m flo w c h ar t o f c o o r d i na t o r n o d e 4 实验结果与分析 为了对系统设计进行验证 ， 笔者用调试好的系统对南 京玄武湖部分区域进行 了水质监测。出于成本考虑， 设置 了5个传感器节点， 检测 日期为 2 0 1 3年 1 2月 1 2日上午 1 0 ： 0 0 。各节点检测到的数据可以定时发送短信到检测者 的手机， 表 2为某一个时刻收到的水质数据结果。经测量， 传感器节点接收数据时的电流为3 8 mA， 发送数据时的电流 为5 8m A， 休眠时的电流仅为 1 ． 4 A， 采用 A A干电池可供 节点工作时间长达3 ～ 4个月。 表 2实验检 测结果 Tab 2 Ex p e r i me n t a l t e s t r e s u l t s 5 结论 本文从硬件和软件上都将低功耗作为前提， 设计了一 种基于 WS N s - S MS的低功耗综合水质检测系统。将低功耗 芯片 MS P 4 3 0与 C C 2 4 3 0和S MS 模块相结合， 并应用轮转查 询式的 Z — S t a c k协议栈实现节点通信， 从而大大降低了节点 耗电。经过实际检测， 结果表明： 系统工作稳定， 通信距离 可达 8 0 0 i n 左右， 节点工作 电流不超过 6 Om A， 满足应用需 求 。 参考文献 ： [ 1 ] 敖 俊 宇． 基 于 Z i g B e e的 水 质 监 测 无 线 传 感 器 网络 的研 究[ D ] ． 南昌： 南昌大学 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 陈军 ， 盛 占石 ， 陈照章 ， 等 ． 基 于 GP R S的水质 自动监 测系统 的设计[ J ] ． 传感器与微系统 ， 2 0 0 9， 2 8 ( 7 ) ： 7 7--7 9 ． [ 3 ] 郭荣祥 ， 陈树树． 基于 AR M处理器 与 G P R S技术 的水 厂监控 系统[ J ] ． 微型机 与应用 ， 2 0 1 0， 2 9 ( 1 9 )： 6 6-6 9 ． [ 4 ] 刘继忠 ， 敖俊宇 ， 黄翔． 基 于 Z i g B e e的水质监 测无线 传感 器网络节点[ J ] ． 仪表技术与传感器 ， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 6 4--6 8 ． [ 5 ] 张珏 ， 李 波． 用 于水 质监 测 的无 线传 感 器 网络 节 点设 计 [ J ] ． 自动化技术与应用 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 9 ) ： 3 8-4 1 ． [ 6 ] 裴 素萍 ， 吴 必瑞． 基 于物 联 网的 土壤 含 水率 监测 及 灌 溉 系 统 [ J ] ． 农 机化研究 ， 2 0 1 3 ( 7 ) ： 1 0 6--1 0 9 ． [ 7 ] 程春荣 ， 毛祥根， 武利珍． 基于 Z i g B e e技术的水质监测系 统 [ J ] ． 电子器件 ， 2 0 0 9 ， 3 2 ( 5 ) ： 9 4 2--9 4 5 ． [ 8 ] 梁光胜， 刘丹娟， 郝福珍． 基于 C C 2 4 3 0 的 Z i g B e e 无线网络节 点设计 [ J ] ． 电子设计工程 ， 2 0 1 0， 1 8 ( 2 ) ： 1 5--1 8 ． [ 9 ] 常晓敏． 水质监测系统 的研究 与设计 [ D] ． 太原 ： 太原理工 大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 1 O ]宋超 ， 李欣 ， 董静 薇． 基于 T C 3 5 i 和 MS P 4 3 0 F 1 4 9的无线 数据采集系统 [ J ] ． 哈尔滨理工 大学学报 ， 2 0 0 7 ， 1 2 ( 2) ： 1 0 3— 1 O 6 ． 作者 简介 ： 姚达雯 ( 1 9 8 9一) ， 江苏常 州人 ， 硕 士研究 生 ， 主要 从事 仪器 科 学与计算机测控方向研究。 、 0} 、 ) 、 0 、 0 j 、 t ≥ ≯ t 0 - ( 上接第 1 0 8页 ) 参考文献 ： [ 1 ] 汪恩清 ， 丁世敬 ． 土应力传感器动态 匹配误 差理论研究 [ J ] ． 岩土力学 ， 1 9 9 9， 2 0 ( 3 ) ： 7 8-8 3 ． [ 2 ] 杨吉祥 ， 余 尚江 ， 陈显 ． 镱应力传感器在混凝土 中的匹配特 性试验研 究[ J ] ． 传感器与微系统 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 1 )： 3 0-- 3 2 ． [ 3] 石振明 ， 管 圣功 ， 陈锡锋 ．侧 限 条件对振 弦式应 力计在 混凝 土应力 量测 中 的影 响性 研 究 [ J ] ．工 程 地质 学 报 ， 2 0 1 1 ． 1 9 ( 4) ： 4 8 7--4 9 1 ． [ 4 ] 周雪芳， 梁 磊． 埋入式 F B G混凝土应变传感器特性研 究 [ J ] ． 传感器与微系统 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 4--1 7 ． [ 5 ] 李士彬 ， 朱慈勉 ， 汤红卫 等．光纤传 感器在 预应力 混凝 土结 构 中的应用 [ J ] ． 青岛理工大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 4 4- 4 7 ． [ 6 ] 杨军 ， 刘志海 ， 梁 艺军等．混 凝土 内部应 变光纤 测量结 果 及分析 [ J ] ．实验力学 ， 2 0 0 0， 1 2 ( 4 )： 4 2 1-- 4 2 6 ． [ 7 ] 巫绪涛 ， 胡时胜 ， 田杰．P V D F应力测量 技术及在混凝 土冲 击实验 中的应用 [ J ] ．爆炸与冲击 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 5) ： 4 1 l--4 1 5 ． [ 8] 余 尚江 ， 陈显 ， 杨吉祥． 冲击荷载下基于埋人式光纤 光栅传 感器 的混 凝 土 动 态 应 变 测 试 [ J] ．振 动 与 冲击 ， 2 0 1 1 ， 3 O( 1 1 ) ： 1 1 2-1 1 6 ． [ 9 ] 储海宁， 冯波． 关于混凝土应力测量问题的探讨[ c ] ∥中国 水力发 电工程学会大坝 安全监测专 委会 年会暨 学术交 流会 论文集 ， 杭州 ， 2 0 1 2： 2 3 0--2 3 5 ． 作者简介 ： 黎小毛( 1 9 7 9一)， 男 ， 湖南未 阳人 ， 硕 士研究 生 ， 工 程师 ， 主要 研究方向为光电信息获取 与处理 。