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        電阻應(yīng)變片粘貼技巧

        2011-08-21 00:44:24
        山西建筑 2011年28期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)變儀防潮貼片

        董 偉

        1 概述

        電測法是工程結(jié)構(gòu)中常用的實(shí)驗(yàn)、測試方法之一,結(jié)合利用測得的應(yīng)變值,求得應(yīng)力等參數(shù)值,可對工程的安全性進(jìn)行評價(jià)。通過在構(gòu)件被測點(diǎn)處粘貼電阻應(yīng)變片(以下簡稱應(yīng)變片),將構(gòu)件被測點(diǎn)的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片的電阻變化,再利用電阻應(yīng)變儀測出應(yīng)變片的電阻變化率,經(jīng)應(yīng)變儀并直接輸出被測點(diǎn)的應(yīng)變值,然后依據(jù)虎克定律計(jì)算出構(gòu)件被測點(diǎn)的應(yīng)力值[1]。在電測法中,主要設(shè)備是電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀。

        1.1 應(yīng)變片

        電阻應(yīng)變片是將應(yīng)變變化量轉(zhuǎn)變成電阻變化量的轉(zhuǎn)換組件。應(yīng)變電測法具有感受元件重量輕,體積小;量測系統(tǒng)信號傳遞迅速、靈敏度高、可遙感,便于與計(jì)算機(jī)連用及實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是連續(xù)長時(shí)間測量會出現(xiàn)漂移,原因在于粘合劑的不穩(wěn)定性和對周圍環(huán)境的敏感性所致。

        由物理學(xué)定律可知,金屬絲的電阻R與其本身長度L成正比,與其橫截面積A成反比,用公式表示為:

        其中,R為電阻絲的電阻值,Ω;ρ為電阻率,Ω·mm;L為電阻絲的長度,mm;A為電阻絲的截面面積,mm2。

        圖1 金屬絲應(yīng)變效應(yīng)

        當(dāng)電阻絲受到拉伸或壓縮時(shí),式(1)中的L,A,ρ將發(fā)生變化。設(shè)變形后其長度變化為ΔL,如圖1所示,若此時(shí)對式(1)兩端同取自然對數(shù),即得:

        對式(2)進(jìn)行求導(dǎo),有:

        因?yàn)榻饘匐娮杈€受軸向拉伸(壓縮)作用時(shí),dA/A=2dD/D=-2μ(dL/L)(μ為電阻絲材料的泊松比),所以式(3)可寫成:

        其中,dL/L為應(yīng)變片軸向應(yīng)變ε。

        由式(4)進(jìn)一步可得:

        令式(5)為K0,稱為單絲靈敏系數(shù),為一常數(shù)。因應(yīng)變片由單絲繞成,對于應(yīng)變片,可推出下式:

        其中,K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

        式(6)表明:應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變呈線性關(guān)系,即電阻變化率是其應(yīng)變值的K倍。當(dāng)應(yīng)變片粘貼在被測試構(gòu)件上時(shí),會隨構(gòu)件受力而產(chǎn)生主變形。應(yīng)變片的應(yīng)變即反映了構(gòu)件在測試位置長度內(nèi)的應(yīng)變。即實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變片的應(yīng)變—電阻變化及電量—非電量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[2]。

        1.2 電阻應(yīng)變儀

        電阻應(yīng)變儀的測量電路,一般采用惠斯登電橋,其作用是測得應(yīng)變片的電阻變化率,進(jìn)而測得構(gòu)件應(yīng)變。如圖2所示,在四個(gè)臂上分別接入電阻 R1,R2,R3,R4,在A,C 端接入電源,B,D 端為輸出端。

        圖2 測試電路

        根據(jù)基爾霍夫定律,當(dāng)橋臂上各電阻值發(fā)生變化時(shí),惠斯登電橋輸出端電壓UBD與輸入端電壓U的關(guān)系如下:

        在實(shí)際使用中,按照不同的組橋方式還可分為:

        1)全橋:即四個(gè)橋臂上均接有工作片。

        2)半橋:即四個(gè)橋臂上只有兩個(gè)橋臂接有工作片,剩余兩應(yīng)變片只起連通電路作用,電阻值不發(fā)生變化(應(yīng)變?yōu)?)。

        3)1/4橋:四個(gè)橋臂上只有1個(gè)橋臂接有工作片,此時(shí)相鄰橋臂接溫度補(bǔ)償片。此橋路形式在實(shí)際中應(yīng)用較多[2]。

        應(yīng)變片的種類很多,可按其所用材料、使用的工作溫度以及不同的用途分類。按敏感柵所用材料可分為金屬電阻應(yīng)變片(金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片)和半導(dǎo)體應(yīng)變片等;按使用溫度可分為低溫、常溫、高溫等,具體可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

        2 應(yīng)變片的粘貼步驟

        在電測技術(shù)中,電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)比較復(fù)雜,工作量大,應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的優(yōu)劣對測量的可靠性影響很大,是一個(gè)非常關(guān)鍵性的環(huán)節(jié),必須予以注意。另外,應(yīng)變片不能重復(fù)使用,消耗量也比較大,因此應(yīng)一次成功。應(yīng)變片的粘貼具體步驟如下。

        2.1 選片

        選擇應(yīng)變片的規(guī)格和形式時(shí),應(yīng)注意到構(gòu)件的材料性質(zhì)和構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。因應(yīng)變片測出的是平均應(yīng)變,在構(gòu)件應(yīng)力變化范圍較大時(shí),一般選用小標(biāo)距應(yīng)變片;而在混凝土表面,宜選用大標(biāo)距的應(yīng)變片。確定應(yīng)變片類型后,還要逐片進(jìn)行外觀檢查,用肉眼或放大鏡檢查應(yīng)變片絲柵是否平直,片內(nèi)有無氣泡、斑銹點(diǎn)等缺陷,不合格的片應(yīng)剔除;然后用萬用表逐片測定阻值,電阻值差應(yīng)在 ±0.5 Ω 范圍內(nèi)[3]。

        2.2 測點(diǎn)表面的清潔處理

        為使應(yīng)變片與被測構(gòu)件粘貼得牢固,對測點(diǎn)表面要進(jìn)行清潔處理。

        1)鋼筋表面貼片的清潔步驟如下:

        a.對帶肋鋼筋,將測點(diǎn)表面用砂輪進(jìn)行粗打磨(圓鋼跳過此步),打磨平面大小在滿足應(yīng)變片面積時(shí),盡量要小,否則會影響鋼筋有效承載面積,會使測試結(jié)果與實(shí)際出現(xiàn)較大偏差;

        b.用銼刀進(jìn)行手工細(xì)打磨;

        c.用0號砂紙沿著45°角方向進(jìn)行精度打磨,使測點(diǎn)表面平整;

        d.棉簽蘸丙酮擦洗表面,到棉簽不黑為止;

        e.用劃針在貼片位置處劃出應(yīng)變片的坐標(biāo)線。

        打磨好的表面,若暫時(shí)不貼片,可涂以凡士林等防止氧化。

        2)混凝土的清潔步驟:

        a.測量對象為混凝土構(gòu)件時(shí),則須用噴漿方法把表面墊平(也可采用環(huán)氧樹脂膠配合固化劑),然后進(jìn)行打磨清洗等工作;

        b.在貼片部位,還應(yīng)先涂一層隔潮層,可采用環(huán)氧樹脂膠配合固化劑,應(yīng)變片就貼于隔潮底層上。防潮層的厚度以一般約為0.05 mm~0.1 mm為宜,使應(yīng)變片能和混凝土測點(diǎn)處的變形保持一致;

        c.待墊平層固化后,進(jìn)行其他操作,與鋼筋貼片類似。

        2.3 貼片

        貼片一般采用502膠水,鋼筋應(yīng)水平放置。在測點(diǎn)位置和應(yīng)變片的底基面上,涂上薄薄一層膠水,一手捏住應(yīng)變片引出線,把應(yīng)變計(jì)軸線對準(zhǔn)坐標(biāo)線,上面蓋一層聚乙烯塑料薄膜作為隔層,用手指在應(yīng)變計(jì)的長度方向輕輕滾壓,擠出片下氣泡和多余的膠水,直到應(yīng)變計(jì)與被測物緊密粘合為止。手指保持不動約數(shù)10 s后再放開,注意按住時(shí)不要使應(yīng)變片移動,再檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現(xiàn)象,否則須重貼;502膠靠內(nèi)聚力粘片,注意涂膠量要適中,不要太厚,過多則膠層粘結(jié)力反而降低,而且太厚影響應(yīng)變片性能,過少則膠可能分布不均勻不能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變(見圖3)。

        圖3 應(yīng)變片粘貼示意圖

        2.4 接線

        應(yīng)變片和應(yīng)變儀之間用導(dǎo)線連接。需根據(jù)環(huán)境與試驗(yàn)的要求選用導(dǎo)線。通常靜應(yīng)變測定用雙芯多股平行線。在有強(qiáng)電磁干擾及動應(yīng)變測量時(shí),需用屏蔽線(如附近有信號傳輸塔)。焊接導(dǎo)線前,先用萬用電表檢查導(dǎo)線有否斷路,然后在每根導(dǎo)線的兩端貼上同樣的號碼標(biāo)簽,避免測點(diǎn)多時(shí)造成差錯(cuò)。

        1)在應(yīng)變片引出線下,貼上膠帶紙,以免應(yīng)變計(jì)引出線與被測構(gòu)件(如被測構(gòu)件是導(dǎo)電體的話)接觸造成短路。

        2)把導(dǎo)線與應(yīng)變片引線焊接在一起,固定在接線端子上,焊接時(shí)注意防止假焊。焊完后用萬用電表在導(dǎo)線另一端檢查是否接通。

        接線端子相當(dāng)于接線柱,使用時(shí)先用膠水把它粘在應(yīng)變片引出線前端,然后把應(yīng)變片引出線及導(dǎo)線焊于接線端子上,其作用有兩個(gè)方面:首先,保護(hù)應(yīng)變片,避免因外力扯拉外接導(dǎo)線使應(yīng)變片導(dǎo)線扯斷;其次,使應(yīng)變片的導(dǎo)線和外接導(dǎo)線接觸良好,避免點(diǎn)接觸。

        在上述工作完成后,應(yīng)對其粘貼質(zhì)量進(jìn)行檢查和校正。如通過放大鏡觀察應(yīng)變片的粘貼位置和方位角是否準(zhǔn)確,粘貼表面有無氣泡,應(yīng)變片粘貼是否牢固;用萬用表測量應(yīng)變片有無短路和斷路現(xiàn)象。

        2.5 防潮處理

        防潮處理必須在檢查應(yīng)變片貼片質(zhì)量合格后立即進(jìn)行。為避免膠層吸收空氣中的水分而降低絕緣電阻值,應(yīng)在應(yīng)變片接好線并且絕緣電阻達(dá)到要求后,立即對應(yīng)變片進(jìn)行防潮處理。當(dāng)室溫高于15℃和相對濕度低于60%時(shí)可采用自然干燥,時(shí)間一般為24 h~48 h。室溫低于15℃和相對濕度高于60%要采用人工干燥(紅外線等照射或電吹熱風(fēng)),但人工干燥前要進(jìn)行8 h的自然干燥,人工干燥的溫度不得高于60℃。防潮處理應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的要求和環(huán)境采用不同的防潮材料。常用的簡易的防潮劑可用703,704硅膠和環(huán)氧樹脂添加固化劑的混合劑等。

        其中采用環(huán)氧樹脂和固化劑的混合劑能達(dá)到一定強(qiáng)度,和構(gòu)件達(dá)到共同變形。但是在配合環(huán)氧樹脂(V1)和固化劑(V2)時(shí)要注意二者的配合比(體積比),V1∶V2越大,混合劑的固結(jié)時(shí)間越長,V1∶V2越小,混合劑的固結(jié)時(shí)間越短,且固結(jié)后易脆,影響試驗(yàn)效果。因此在測試前應(yīng)先試配,確定最佳配合比以免造成材料的浪費(fèi)影響測試效果。環(huán)氧樹脂和固化劑的混合劑主要有以下兩個(gè)作用:

        1)因其具有良好的隔潮性能,可起到防潮的作用;

        2)對于鋼筋混凝土應(yīng)變片,在澆搗混凝土?xí)r骨料很可能會碰到應(yīng)變片,因其具有一定強(qiáng)度,可以保護(hù)鋼筋上的應(yīng)變片不被損壞。

        3 結(jié)語

        在工程結(jié)構(gòu)測試中,應(yīng)變片的粘貼是電測法中核心的一步,粘貼的質(zhì)量直接關(guān)系到測試的精度,因此在應(yīng)變片的粘貼過程中要注意的問題如下:

        1)嚴(yán)格控制每一操作環(huán)節(jié)的質(zhì)量,以減少人為因素對測試結(jié)果的影響。

        2)做好測點(diǎn)表面的平整度、清洗、膠層厚度等控制,以免影響應(yīng)變片與構(gòu)件被測點(diǎn)的共同變形;鋼筋表面貼片空間在滿足應(yīng)變片或布線所需空間基礎(chǔ)上,避免過大,保證測試精度。

        3)若用環(huán)氧樹脂打底或作為防潮劑,把握好環(huán)氧樹脂與固化劑的配合比(V1∶V2),若過大,混合劑固結(jié)時(shí)間較長;過小,混合劑固結(jié)快,且固結(jié)后易脆,易與粘結(jié)界面分離。

        [1]汪大鵬,劉 美.電測力實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片的粘貼技巧[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003(3):64-65.

        [2]馬永欣,鄧山鎖.結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

        [3]李忠獻(xiàn).工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)理論與技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2004.

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