混凝土应变计转换系数的测试方法研究.pdf

凰应用技术 凰 用孜不 混凝土应变计转换系数的测试方法研究 钟文斌 ( 广州计量检测技术研究院) 摘要 ：建筑工程检测领域常用混凝土应变计检测混凝土的结构应力应变，混凝土应变计的转换系数是影响 检测结果准确度的重要参量。本文通过对振弦式应变计和电阻应变片式应变计的结构和检测原理进行分析，分别 给出了对应的应变计转换系数测试方法，并列举了部分用到的标准器具。 关键词：应变计；测试方法；振弦；电阻应变片 1引言 在建筑工程检测领域， 常常需要对混凝土或混凝 土结构物的内、外部应力、位移等的变化进行测量， 以研究其在不同环境下的结构性能， 或监测其在使用 过程中的特性变化。近年来，混凝土应变计检测技术 的不断发展，使其应用越来越广泛，混凝土结构性能 的检测也变得越来越方便。同时，以混凝土应变计的 测量结果来判断混凝土结构性能也变得越来越普遍。 在这种背景下，混凝土应变计的测量准确性就显得越 来越重要。 2混凝土应变计的种类及工作原理 混凝土应变计是检测混凝土结构物位移变化的 常用仪器， 根据功能和使用环境不同具有多种多样的 外形形式，但其工作原理都相似 ，即通过传感元件把 被测物的位移变化转换成电信号的变化， 再通过对电 信号的测量和计算得到被测物的位移变化量。 在建筑 工程检测领域，常用的应变计从传感元件分类，有振 弦式混凝土应变计和电阻应变片式应变计两种。 振弦式混凝土应变计为振弦式结构，由特殊材料 制成的钢弦为传感元件， 在传感器两端分别固定钢弦 的两个端点，并以一定的张力把钢弦张紧，在钢弦中 部安放由电磁线圈组成的拾振器。当钢弦受到外部拾 振器电磁线圈短脉冲信号的激励时， 会按其固有频率 发生振动， 振动频率信号通过拾振器反馈到输出端【 1 。 当应变计两端点的距离发生变化时， 钢弦的固有频率 也会随之发生变化， 通过测量拾振器反馈信号的频率 值，就可以测量出应变计两端点的位移变化 。振弦 式应变计如图 1 所示。由于其结构及工作原理能适应 较恶劣的环境，并能实现远距离信号传输，被广泛应 用于埋入式测量和结构物现场测量。 但由于钢弦的灵 敏度不高，使其测量精度受到一定的限制 。 图 1振弦式应变计 电阻应变片式应变计是以电阻应变片为转换元 件的传感器， 其电阻应变片贴附在专门设计的弹性应 变体上，当弹性应变体受力产生变形时，会使贴附在 上面的应变片也随之发生变形， 从而导致电阻应变片 的电阻值发生变化。 其电阻变化通过桥式电路转换成 输出电压的变化，通过测量输出电压的变化量，就可 以测量出应变计两端点的位移变化量。电阻应变片式 应变计如图 2 所示，由于其技术成熟，具有测量精度 高、测量范围广、结构简单等优点，但相对于振弦式 应变计，抗干扰能力和远程测量性能都略显不足，较 适合实验室测量试验或现场条件较好的测量情况。 无论是哪种应变计， 其主要功能都是把被测位移 量转换成 电信号，再通过二次仪表把被测位移量还 原。在还原过程中，被测位移量是通过电信号量值与 传感器的转换系数经过一定的计算后显示出来的， 所 以应变计转换系数的准确性是决定测量结果准确性 2 0 1 2 年第3 期自动化与信息工程 3 3 的关键参数。按照目前对应变计的使用要求，应变计 的转换系数需要每年标定一 ，以保证其数值的准 确。 但 由于国内目前还没有出台针对该类仪器的转换 系数的检定规程或测试方法， 所以寻找一种科学的转 换系数测试方法显得尤为重要。 图 2 电阻应变 片式应变计 3振弦式应变计转换系数的测试方法 振弦式应变计的主要转换方式是把位移的变化 转换成钢弦振动频率的变化，根据它的钢弦物理特 性， 其应变的变化量与振动频率的平方的变化量成正 比【6 】 即： t = k ( ) ( 1 ) 式 ( 1 ) 中， 为应变量； k 为应变计的转换系数； 为钢弦的初始振动频率 ( H z )； 为钢弦长度变化 后的振动频率 ( H z )。 对于振弦式应变计，其应变量的计算公式为： f 一 L ( 2 ) 式 ( 2 )中， 为位移的变化量 ( mm)；L为 应变计标距 ( mm)。 从式 ( 1 )、式 ( 2 )可得应变计的转换系数 k的 计算公式为： = L l 0 ( 3 ) j 一 x 3 ) 振弦式应变计标距 在出厂时已经固定为某一 己知长度值，此值由生产厂给出，从式 ( 3 )可知， 只要测量出应变计两端的位移变化量 和位移变化 前后钢弦的频率输出值，即可计算出应变计的转换系 数 】 。 为能更方便地测试应变计的转换系数， 本文设计 了一台专门用于应变计转换系数测试的应变计标定 器， 其结构如图3所示。 主要由应变计固定夹持机构、 丝杆移动机构、干分表指示装置和台架组成。在测试 时先把被测试应变计的两端分别夹持固定在标定器 的固定端和移动端，并调整干分表对零，此时先读取 并记录应变计的初始输出频率值 ；接着通过旋动丝 杆转盘和读千分表读数， 在应变计的一端施加_ 。 定的 位移 三，此时再读取并 记录应变计的输 出频率 值 ，通过公式 ( 3 )计 算， 即可得出应变计的转 换系数 k值。 在实际测试 工作中， 通常在应变计的 测量范围内按平均分布 取多组的 厶和 测量点 ( 一般为 5 个点)，通过 多点的计算， 取平均值作 为应变计的转换系数 k 值的测量结果。 图 3标定器 4电阻应变片式应变计转换系数的测试方法 由前面介绍可知，电阻应变片式应变计一般由桥 式测量电路组成。 桥式电路是被广泛应用于传感器测 量的电子电路，由于具有较好的线性特性和标准的弓 l 线接口， 一般可直接通过连接静态电阻应变仪来测量 其输出的应变量 I 5 。因此，在电阻应变片式应变计 的位移变化量测量中，测量公式一般为： A L =k占 ( 4) 式 ( 4 )中， 为位移的变化量 ( r n m)； F 为 静态应变仪实测的应变量。 从式 ( 4 )可得转换系数 k的计算公式为： 尼：AL ( 5 ) 由式 ( 5 )可知，要测量电阻应变片式应变计的 转换系数 k ， 需要先测量出位移变化量 ， 再测量出 其相应的应变量 ，即可计算出转换系数 k 值。 因此，在实际测量工作中，除了应用上述的标定 台架外，还需要一台测量应变用的静态电阻应变仪， 其精度应为 0 1 级或以上，如图 4所示。电阻应变片 钟文斌：混凝土应变计转换系数的测试方法研究 式应变计的转换系数测试安装准备过程与振弦式应 变计类似，在固定好应变计的两端和调整好千分表对 零后， 把应变 计 的输 出 电 路连 接 到静 态 电阻应 变 仪上， 并在静 态应 变 仪上 把 当前应 变 值清零。 一切 准备就绪后， 旋动 标 定器 图 4静态 电阻应变仪 的丝杆转盘，读取千分表给定一定的位移量 厶，同 时读取静态应变仪上的对应应变测量值 ， 通过公式 ( 5 )的计算，即可得出应变计的转换系数 k值。在 实际测试工作中， 通常也是在应变计的测量范围内按 平均分布取多组的 厶和 测量点( 一般为 5个点) ， 通过多点的计算，取平均值作为应变计的转换系数 k 值的测量结果。 5结束语 随着建筑工程和土木专业领域的不断发展和人 们对建筑物的安全性能要求的不断提高， 结构应变的 检测应用越来越多，并且很多检测结果都用于工程项 目质量的判定和验收， 检测结果的准确性就显得尤为 重要。 应变计的转换系数作为应变计使用中的一个重 要参数，其准确与否与测量结果有直接的关系。在 目 前国家还没有 出台针对应变计转换系数的相应测试 标准方法的情况下， 本文通过对 目前广泛使用的两种 应变计的结构和测量原理的分析， 分别总结出相应的 应变计转换系数的计算及测试方法，以及对测试方法 中使用的计量标准器作了相应的介绍， 对于应变计更 科学、准确地使用有一定的参考价值。 参考文献 1 】K ANG J i n g f u， WA N G J i n h u i S tr a m Mo n i t o ri n g a n d S t r e s s A n a l y s i s o f a P o s t - P r e s tr e s s e d T u n n e l L i n e r J T r a n s a c t i o n s o f T i anj i n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 6 2 6 8 2 江修， 张焕春， 经亚枝 振弦式传感器的频率敏感机理与应用 J 】 传感技术， 2 o 0 3 ( 1 2 ) ： 2 2 2 4 3 】中华人民共和国交通部 J J G ( 交通) 0 3 5 2 0 0 4 水运工程 钢 弦式钢筋计检定规程 S 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 4 白泰礼， 邓铁六， 谢军， 等 振弦式传感器的精确数学模型及其 应用 J 】 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ( 2 4 ) ： 6 5 6 9 5 5 王化祥， 张淑英 传感器原理及应用 M 天津： 天津大学出版 社， 1 9 9 9 6 陈常松， 颜东煌， 陈政清， 等 混凝土振弦式应变计测试技术 研究 J 中国公路学报, 2 0 0 4 ( 1 ) ：3 3 3 7 7 】 G A O P e i w e S h ri n k a g e a n d E x p ans i v e S tr a i n o f C o n c r e t e w i t l l F l y As h andE x p a n s i v e Ag e n t J J o u r n a l o f Wu h an U niv e i ty o f T e c h n o l o g y ( Ma t e r i a l s S c i e n c e E d i t i o n ) ， 2 0 0 9 ( I ) ： 1 5 4 - 1 5 7 Re s e a r c h o n Te s t M e t h o d s o f Co n c r e t e S t r a i n Ga u g e Co n v e r s i o n Fa c t o r Zh o n g W e n bi n ( G u a n g z h o u I n s t i t u t e o f Me a s u r i n g a n d T e s t i n g T e c h n o l o g y ) Ab s t r a c t ： Th e c o n c r e t e s t r a i n g a u g e i s u s e d t o t h e c o n c r e t e s t r e s s s t r a i n d e t e c t i o n i n c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g T h e c o n c r e t e s t r a i n g a u g e c o n v e r s i o n c o e f fic i e n t i s a l l i mp o r t a n t p a r a me t e r d e t e c t i o n a c c u r a c y T h i s a r t i c l e g i v e s t h e t e s t me t h o d s o f c o r r e s p o n d i n g s t r a i n g a u g e c o n v e r s i o n c o e f fi c i e n t a n d s o me s t an d a r d i n s t r u me n t s wi t h a n a l y s i s o f t h e v i b r a t i n g wi r e s t r a i n g a u g e a n d r e s i s t anc e s t r a i n ga u ge K e y W o r ds ：S t r a i n Ga u g e ； T e s t Me t h o d s ； Vi b r a t i n g W i r e ； Re s i s t a n c e S t r a i n Ga u g e 作者简介 ： 钟文斌，男，1 9 7 9 年 1 2月生，工程师，主要从事机电一体化仪器的研究、设计、检验。 2 0 1 2 年第3 期自动化与信息工程 3 5