混凝土應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的測試方法研究

鐘文斌

（廣州計(jì)量檢測技術(shù)研究院）

1 引言

在建筑工程檢測領(lǐng)域，常常需要對(duì)混凝土或混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)、外部應(yīng)力、位移等的變化進(jìn)行測量，以研究其在不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能，或監(jiān)測其在使用過程中的特性變化。近年來，混凝土應(yīng)變計(jì)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，使其應(yīng)用越來越廣泛，混凝土結(jié)構(gòu)性能的檢測也變得越來越方便。同時(shí)，以混凝土應(yīng)變計(jì)的測量結(jié)果來判斷混凝土結(jié)構(gòu)性能也變得越來越普遍。在這種背景下，混凝土應(yīng)變計(jì)的測量準(zhǔn)確性就顯得越來越重要。

2 混凝土應(yīng)變計(jì)的種類及工作原理

混凝土應(yīng)變計(jì)是檢測混凝土結(jié)構(gòu)物位移變化的常用儀器，根據(jù)功能和使用環(huán)境不同具有多種多樣的外形形式，但其工作原理都相似，即通過傳感元件把被測物的位移變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，再通過對(duì)電信號(hào)的測量和計(jì)算得到被測物的位移變化量。在建筑工程檢測領(lǐng)域，常用的應(yīng)變計(jì)從傳感元件分類，有振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)和電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)兩種。

振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)為振弦式結(jié)構(gòu)，由特殊材料制成的鋼弦為傳感元件，在傳感器兩端分別固定鋼弦的兩個(gè)端點(diǎn)，并以一定的張力把鋼弦張緊，在鋼弦中部安放由電磁線圈組成的拾振器。當(dāng)鋼弦受到外部拾振器電磁線圈短脈沖信號(hào)的激勵(lì)時(shí)，會(huì)按其固有頻率發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率信號(hào)通過拾振器反饋到輸出端[1]。當(dāng)應(yīng)變計(jì)兩端點(diǎn)的距離發(fā)生變化時(shí)，鋼弦的固有頻率也會(huì)隨之發(fā)生變化，通過測量拾振器反饋信號(hào)的頻率值，就可以測量出應(yīng)變計(jì)兩端點(diǎn)的位移變化[2]。振弦式應(yīng)變計(jì)如圖1所示。由于其結(jié)構(gòu)及工作原理能適應(yīng)較惡劣的環(huán)境，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，被廣泛應(yīng)用于埋入式測量和結(jié)構(gòu)物現(xiàn)場測量。但由于鋼弦的靈敏度不高，使其測量精度受到一定的限制[5]。

圖1 振弦式應(yīng)變計(jì)

電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)是以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，其電阻應(yīng)變片貼附在專門設(shè)計(jì)的彈性應(yīng)變體上，當(dāng)彈性應(yīng)變體受力產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)使貼附在上面的應(yīng)變片也隨之發(fā)生變形，從而導(dǎo)致電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。其電阻變化通過橋式電路轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化，通過測量輸出電壓的變化量，就可以測量出應(yīng)變計(jì)兩端點(diǎn)的位移變化量。電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)如圖2 所示，由于其技術(shù)成熟，具有測量精度高、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于振弦式應(yīng)變計(jì)，抗干擾能力和遠(yuǎn)程測量性能都略顯不足，較適合實(shí)驗(yàn)室測量試驗(yàn)或現(xiàn)場條件較好的測量情況。

無論是哪種應(yīng)變計(jì)，其主要功能都是把被測位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過二次儀表把被測位移量還原。在還原過程中，被測位移量是通過電信號(hào)量值與傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)經(jīng)過一定的計(jì)算后顯示出來的，所以應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的準(zhǔn)確性是決定測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵參數(shù)。按照目前對(duì)應(yīng)變計(jì)的使用要求，應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)需要每年標(biāo)定一次[3]，以保證其數(shù)值的準(zhǔn)確。但由于國內(nèi)目前還沒有出臺(tái)針對(duì)該類儀器的轉(zhuǎn)換系數(shù)的檢定規(guī)程或測試方法，所以尋找一種科學(xué)的轉(zhuǎn)換系數(shù)測試方法顯得尤為重要。

圖2 電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)

3 振弦式應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的測試方法

振弦式應(yīng)變計(jì)的主要轉(zhuǎn)換方式是把位移的變化轉(zhuǎn)換成鋼弦振動(dòng)頻率的變化，根據(jù)它的鋼弦物理特性，其應(yīng)變的變化量與振動(dòng)頻率的平方的變化量成正比[6]，即：

式（1）中，ε為應(yīng)變量；k為應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；f0為鋼弦的初始振動(dòng)頻率（Hz）；fi為鋼弦長度變化后的振動(dòng)頻率（Hz）。

對(duì)于振弦式應(yīng)變計(jì)，其應(yīng)變量的計(jì)算公式為：

式（2）中，ΔL為位移的變化量（mm）；L為應(yīng)變計(jì)標(biāo)距（mm）。

從式（1）、式（2）可得應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)k的計(jì)算公式為：

振弦式應(yīng)變計(jì)標(biāo)距 L在出廠時(shí)已經(jīng)固定為某一已知長度值，此值由生產(chǎn)廠給出，從式（3）可知，只要測量出應(yīng)變計(jì)兩端的位移變化量ΔL和位移變化前后鋼弦的頻率輸出值，即可計(jì)算出應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)k[4]。

為能更方便地測試應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)專門用于應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)測試的應(yīng)變計(jì)標(biāo)定器，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。主要由應(yīng)變計(jì)固定夾持機(jī)構(gòu)、絲桿移動(dòng)機(jī)構(gòu)、千分表指示裝置和臺(tái)架組成。在測試時(shí)先把被測試應(yīng)變計(jì)的兩端分別夾持固定在標(biāo)定器的固定端和移動(dòng)端，并調(diào)整千分表對(duì)零，此時(shí)先讀取并記錄應(yīng)變計(jì)的初始輸出頻率值f0；接著通過旋動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)盤和讀千分表讀數(shù)，在應(yīng)變計(jì)的一端施加一定的位移ΔL，此時(shí)再讀取并記錄應(yīng)變計(jì)的輸出頻率值 fi，通過公式（3）計(jì)算，即可得出應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)k值。在實(shí)際測試工作中，通常在應(yīng)變計(jì)的測量范圍內(nèi)按平均分布取多組的ΔLi和fi測量點(diǎn)（一般為5個(gè)點(diǎn)），通過多點(diǎn)的計(jì)算，取平均值作為應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù) k值的測量結(jié)果。

圖3 標(biāo)定器

4 電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的測試方法

由前面介紹可知，電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)一般由橋式測量電路組成。橋式電路是被廣泛應(yīng)用于傳感器測量的電子電路，由于具有較好的線性特性和標(biāo)準(zhǔn)的引線接口，一般可直接通過連接靜態(tài)電阻應(yīng)變儀來測量其輸出的應(yīng)變量ε[5]。因此，在電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)的位移變化量測量中，測量公式一般為：

式（4）中，ΔL為位移的變化量（mm）；ε為靜態(tài)應(yīng)變儀實(shí)測的應(yīng)變量。

從式（4）可得轉(zhuǎn)換系數(shù)k的計(jì)算公式為：

由式（5）可知，要測量電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)k，需要先測量出位移變化量ΔL，再測量出其相應(yīng)的應(yīng)變量ε，即可計(jì)算出轉(zhuǎn)換系數(shù)k值。

因此，在實(shí)際測量工作中，除了應(yīng)用上述的標(biāo)定臺(tái)架外，還需要一臺(tái)測量應(yīng)變用的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其精度應(yīng)為0.1級(jí)或以上，如圖4所示。電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)測試安裝準(zhǔn)備過程與振弦式應(yīng)變計(jì)類似，在固定好應(yīng)變計(jì)的兩端和調(diào)整好千分表對(duì)零后，把應(yīng)變計(jì)的輸出電路連接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上，并在靜態(tài)應(yīng)變儀上把當(dāng)前應(yīng)變值清零。一切準(zhǔn)備就緒后，旋動(dòng)標(biāo)定器的絲桿轉(zhuǎn)盤，讀取千分表給定一定的位移量ΔLi，同時(shí)讀取靜態(tài)應(yīng)變儀上的對(duì)應(yīng)應(yīng)變測量值εi，通過公式（5）的計(jì)算，即可得出應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù) k值。在實(shí)際測試工作中，通常也是在應(yīng)變計(jì)的測量范圍內(nèi)按平均分布取多組的ΔLi和εi測量點(diǎn)（一般為5個(gè)點(diǎn)），通過多點(diǎn)的計(jì)算，取平均值作為應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)k值的測量結(jié)果。

圖4 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

5 結(jié)束語

隨著建筑工程和土木專業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展和人們對(duì)建筑物的安全性能要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)應(yīng)變的檢測應(yīng)用越來越多，并且很多檢測結(jié)果都用于工程項(xiàng)目質(zhì)量的判定和驗(yàn)收，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)作為應(yīng)變計(jì)使用中的一個(gè)重要參數(shù)，其準(zhǔn)確與否與測量結(jié)果有直接的關(guān)系。在目前國家還沒有出臺(tái)針對(duì)應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)方法的情況下，本文通過對(duì)目前廣泛使用的兩種應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)和測量原理的分析，分別總結(jié)出相應(yīng)的應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算及測試方法，以及對(duì)測試方法中使用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器作了相應(yīng)的介紹，對(duì)于應(yīng)變計(jì)更科學(xué)、準(zhǔn)確地使用有一定的參考價(jià)值。

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