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钢筋应力计工艺说明

一、说明
在建筑工程强震观察及建筑结构试验长久测量中，钢筋应力、应变是了解力学性能关键参量。强震观察及长久测量着眼点是数据长久稳定和可靠性，并能真实反应物理及力学状态改变。在钢筋应力应变长久测量中能够采取方法和器材虽多，但现在适于房屋建筑结构并不多，除振弦式钢筋应力计外，中国尚无比较可靠方法。自接收强震观察及结构试验中钢筋应力、应变测量问题任务以来，努力争取以应变片技术去处理这一问题。原因是，伴随中国应变片电测技术应用水平和仪器生产技术日益提升和普及，为钢筋应力长久测量发明了良好条件，多年来我们积累了部分应变式传感器加工制造、工艺处理和使用经验，有一定技术基础。

在国外（如美国和日本），因为应变式传感器技术过关，多种力学参量全部有对应传感器产品可供工程测量及试验选择，如日本“共和电业”（株）就有BF-A型钢筋应力传感器系列产品，其规格和技术性能以下 
型 号
BF-10A
BF-13A
BF-16A
BF-19A
BF-22A
量 程（千克/厘米 ）
2400
2400
2400
2400
2400
分辨率（千克/厘米 ）
0．8
0．8
0．8
0．8
0．8
灵敏度（千克/伏特 ）
1．5
1．5
1．5
1．5
1．5
非 线 性（%满量程）
±2
±2
±2
±2
±2
供 桥 电 压（伏特）
2~10
2~10
2~10
2~10
2~10
输入/输出阻抗（Ω）
350
350
350
350
350
工作温度范围 （℃）
-10~+60
-10~+60
-10~+60
-10~+60
-10~+60
钢 筋 直 径（毫米）
12．7
15．9
19．1
22．2
25．4
长 度（毫米）
700
700
700
700
700
从产品广告说明和外观照片来看，BF-A型钢筋应力传感器就是用相当于中国二级钢筋经过应变片工艺 处理应力型传感器。因为制成了传感器，力学性能基础满足长观察通常要求。
我们研制生产应变式钢筋计规格和技术指标是：
型 号：
GYJ-16-35型
规 格
16~35毫米
应 力
2800~3000千克/厘米
分 辨 力
0．8~1．2千克/厘米
非 线 性
±2％满量程
温度对电桥零点影响
﹤0﹒1％满量程/℃
供桥电压
2～5伏特
输入／输出阻抗
120欧姆
工作温度范围
-5℃～+50℃
传感器长度
0．5~0．7米

二、钢筋应力计结构
对钢筋应力计结构，从工程实用性来看，努力争取结构简单、可靠、成本低、使用方便。从应力计结构设计要求：使传感体形状简单、易加工，应变片工艺处理简单，长久电气力学性能稳定。为此选择国产Ⅱ级或Ⅲ级钢筋，稍事加工处理即可。传感体采取圆柱形结构，表面经车加工，外用铝或钢保护罩,全传感器只有三种四个机械零件，图1所表示。

传感体直径设计，按最少影响钢筋应力角度出发选择：
φd=k·ΦdD k——加工系数0．80~0．95 ΦD——传感体公称直径

通常来说对于小于φ15钢筋，取k=0．80，φ15~φ25，
取k=0．85~0．90，φ25~φ35，取k=0．90~0．95
加工长度L=4~5ΦD

传感器长度L选择值为0．5~0．7米长，细直径短些，粗直径长些。在这么长度下，工程实际利用时，即使用焊接（接触焊、电弧焊）方法和实测钢筋连接，也不会因热传导温升，影响传感器电气性能。

保护罩作用是为灌注环养树脂及保护应变片和引出线不受机机械损伤之用。研制时用硬鋁材料，成本高些，大量生产时可用薄壁铁管制成，经防腐处理即可。
传感体应力δ按2200~2400千克/厘米2设计，弹性模量取E—=2．0x106千克/厘米2。钢筋应变为

因为应变电桥采取全桥，贴片方法用二片纵向应变片（工作片），二片横向片（赔偿片）。传感器在仪器上读出应变e读为

e读=2（1+μ）e μ=泊桑比 取值0．25
=2(1+0．25) ×1200
=2700μe

三、工艺处理

1)     传感体时效处理
为消除钢材轧制、机械加工引发内应力和提升弹性体力学性能，将加工好传感体放入烘箱内，在案180℃～200℃下时效处理6～8小时。
时效处理后，用200～300号金相砂纸按45O方向交叉打磨，经清洗洁净后保留，以备粘贴应变片之用。
2)     应变片处理和选择
应变片采取材3×5毫米规格箔式应变片，基底是聚乙烯醇缩甲乙醛。购入应变片按电阻值分选后放入烘箱在165℃～175℃固化处理4～6小时。这是因为，购入应变计通常基底固化不充足、阻值不稳。经予固化处理后胶膜和阻值全部稳定下来了。
用10～40倍放大镜或显微镜选择应变片，去除栅丝不匀，焊点不良，外观不佳应变片。
用精度1/1000电桥或数字欧姆表，选择应变片阻值，使每四片为一组应变片阻值，最大差值不超出±0．05欧姆。选出应变片按阻值编号，分组包装保留，以备贴片。

3)     贴片及工艺处理
塗底胶，传感体经加温40℃～50℃后，快速用毛刷淋掛方法塗1～2层聚乙烯醇缩甲乙醛底胶，在20℃～25℃室温下干燥半小时，确定胶膜均匀无气泡后，送入烘箱按以下工艺固化处理：
80℃±5℃ 保温1小时
120℃±5℃ 保温2小时
170℃±2℃ 保温2～3小时
烘箱内断电自然冷却到60℃以下即可取出。

贴片：在传感体中部贴片，四片应变片相对位置可用涤纶胶带法固定之，图2所表示。先在白纸上画好应变片粘贴位置展开图，上面罩以一条涤纶胶带，胶膜朝上。用比栅丝面积略大聚四氟乙烯薄膜贴在胶带对应粘贴位置上。将应变片反贴（栅丝面朝下），在对应位置上使应变片基底一部份（边缘）和涤沦胶膜相粘贴，这么应变片相对位置不变。在应变片基底面上均匀塗上贴片胶。
将传感体加热至40℃～50℃，在中部贴片位置塗一层贴片胶（聚乙烯醇缩甲乙醛），稍晾干后，快速将固定好应变片涤纶胶带，贴在传感体上，用手指快速捻压应变片，挤出多出胶和赶出气泡，压匀贴牢后，外面垫以耐热橡皮用纱布带紧缠二层。注意在贴片中，使应变片引出线佈匀，不得压在应变片底下，也不许碰断引出线。

固化处理：将贴完应变片传感体一起放入烘箱按以下工艺进行固化处理
80℃±5℃ 保温1小时
120℃±5℃ 保温2小时
170℃±2℃ 保温4小时
检验贴片质量：固化处理后打开包层，外观检验有没有断线，焊点是否有损坏。用欧姆表检验阻值，看有没有超差阻值和断栅应变片。

防潮处理：经贴片和格传感体，把应变片再塗一层贴片胶，按上述固化工艺处理，使应变栅丝有良好绝缘能力。
组桥联线：将四芯屏蔽线按全桥电路组联好四个应变片，用纱线将引出线固定在传感体上。接上应变仪，初测初始不平衡值，凡超出应变仪平衡范围（按±1000μe），用串或并联电阻方法进行初始不平衡赔偿。赔偿电阻，并联于应变片，可用经退火锰铜丝。

塗隔离层：用凡士林、机油、石蜡混合剂塗在应变片和引线焊点上，不要太厚也不要太薄。这种隔离层目标是预防环氧灌注层过大变形影响应变片。

装保护罩：灌注环氧树脂，装好保护罩，紧固螺丝后，灌注环氧树脂，待固化后，用高阻表检验绝缘，接上应变仪检验组桥正确性和初始不平衡值。

四、技术性能检验

1)     室温下八小时内电桥零点漂移
这项检验目标是衡量室温下钢筋应力计电桥零点稳定性。试验在衡温箱内进行。衡温箱内温度控制在20℃±1℃。把待检应力计放入衡温箱中，引线伸出箱外，接在YJ-5型应变仪P20R-5型平衡箱上，接通仪器半小时后，调整各点平衡。使衡温箱内温度20℃±1℃稳定一小时后，再次调整各点平衡。八小时后统计各测点读数即为八小时内电桥零点漂移值。试验结果如表1所
根据八小时漂移值不超出满量程输出0﹒5％为合格指标，研制十四个钢筋应力计除两个不合格外，其它全部合格，即合格率为非作歹85％。
从表1试验结果还能够看出，时间漂移值最小为
0﹒03％/8小时，性能极其稳定。十四个钢筋应力计中有78％（11个）能够达成小于0﹒2％/8小时指标。所以研制钢筋应力计短期内时间稳定性是能够确保。长久（1000小时以上）稳定性要经过长久持荷试验来验证。

2)     温度对电桥零点影响
本检验目标是衡量温度改变对钢筋应力计电桥零点影响稳定性。这是一项关键检验。因为钢筋应力计在工程长久应用时，因季节温度改变对应力计到底有多大影响，是长久稳定性关键指标。试验仍在恒温箱内进行（应力计无负荷），温度改变范围是
15℃～50℃，每升温5℃，恒温20分钟后统计各应力计输出值。检验结果如表2所表示。
根据研制任务要求，钢筋应力计温度稳定性用温度对电桥零点影响来表示，其指标是：温度每改变1℃，电桥零点改变小于满量程输出0﹒1％。从表2试验结果来看，符合这一指标要求有12个，占研制量14个85％。其中最好一个为0﹒008％/e（第11号）。有50％以上全部能达成0﹒05％/℃指标，所以钢筋应力计温度稳定性也是能确保。

因为试验条件所限，负温稳定性没有做，不过，从箔式应变片长温工作范围为：-10℃～+70℃，通常室外环镜条件，能够确保其工作稳定性。有条件情况下以后要补做钢筋应力计负温试验。

3)     静态标定
钢筋应力计在万能试验机上进行静态标定，用YZ-5型应变仪统计各应力计输出值，经过静态标定能够给出各应力计，在不一样载荷下应变输出值，以供实测换算，静态标定时，按额定应力值分10～12级载荷加载。加载速度为每级1~1．5分钟，每级恒载20~30秒。按三个加载循环统计数据。各应力计试验结果如表3所表示。

根据表3—1至表3—2实测结果，以满量程输出计算非线性误差，最小为0﹒08％，最大为0﹒36％，通常全部能做到小于0﹒20％。因为静标定用YJ—5型静态应变仪，基础误差（即精度）为2％，所以，以它为量测仪表钢筋应力计精度只能为±2％。

因为应变片式传感器线性精度比较高，所以可用线性插入法依据有限标定点数值去计算额定量程内，任何输出值（微应变）对应钢筋应力值或荷载值。

五、使用方法
钢筋应力计实际上是钢筋拉力计，即可测量应力，又可测量荷载（拉力或压力）。为便于制作，确保技术性能，应力计长度通常取有效直径d20～30倍。应力计制成后，经过各项技术性能检验合格后，即可用到工程上，使用方法以下：

1、钢筋应力计埋设和连接
依据实际钢筋额定或最大应力值选择适用规格钢筋应力计，可用螺纹、焊接（接触对焊和电弧焊）和实策测钢筋连接。当用焊接方法连接时，注意传感体部分温升不得超出70℃，假如过热，损坏环氧防潮层，破坏绝缘性能。为此，许可用风冷、水冷方法降温。
钢筋应力计引出导线通常为1000毫米长，工程施工前，假如导线不够长，能够用规格（SBVVP—4×16/0﹒15）电缆连接。尤其要注意连接头防潮和绝缘性能。
钢筋应力计连接完成，导线家长封好绝缘后，在导线引出端，用高阻绝缘表测量，芯线和地之间绝缘电阻要大于100兆欧姆以上。电桥对角线阻抗相等并等于额定阻值。

2、测量仪表。本钢筋应力计能够用一般静、动态应变仪做测量仪表。也能够使用其它类型仪器仪表。如：直流电子电位差计，数学电子秤等。

3、使用注意事项：钢筋应力计多用于钢筋混凝土内部应力测量，所以进入构件后，浇灌混凝土时，不得损坏导线，也不得使传感体承受过大弯曲应力，以防局部过负荷和破坏绝缘层。

六、结论
研制钢筋计，是一个简易型应变片式传感器，为降低成本便于推广使用，在确保技术性能情况下，简化了机械和电气制造工艺。从技术性能测试和检验来看，技术指标达成了研制要求。