鐘文斌

（廣州計量檢測技術(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，以混凝土應(yīng)變計的測量結(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)變計的測量準(zhǔn)確性就顯得越來越重要。

2 混凝土應(yīng)變計的種類及工作原理

混凝土應(yīng)變計是檢測混凝土結(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)換成電信號的變化，再通過對電信號的測量和計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)變計從傳感元件分類，有振弦式混凝土應(yīng)變計和電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計兩種。

振弦式混凝土應(yīng)變計為振弦式結(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端點，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的激勵時，會按其固有頻率發(fā)生振動，振動頻率信號通過拾振器反饋到輸出端[1]。當(dāng)應(yīng)變計兩端點的距離發(fā)生變化時，鋼弦的固有頻率也會隨之發(fā)生變化，通過測量拾振器反饋信號的頻率值，就可以測量出應(yīng)變計兩端點的位移變化[2]。振弦式應(yīng)變計如圖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，并能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸，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

電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計是以電阻應(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)計的彈性應(yīng)變體上，當(dāng)彈性應(yīng)變體受力產(chǎn)生變形時，會使貼附在上面的應(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)變計兩端點的位移變化量。電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計如圖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，但相對于振弦式應(yīng)變計，抗干擾能力和遠(yuǎn)程測量性能都略顯不足，較適合實驗室測量試驗或現(xiàn)場條件較好的測量情況。

無論是哪種應(yīng)變計，其主要功能都是把被測位移量轉(zhuǎn)換成電信號，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量值與傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)經(jīng)過一定的計算后顯示出來的，所以應(yīng)變計轉(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)。按照目前對應(yīng)變計的使用要求，應(yīng)變計的轉(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)目前還沒有出臺針對該類儀器的轉(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

3 振弦式應(yīng)變計轉(zhuǎn)換系數(shù)的測試方法

振弦式應(yīng)變計的主要轉(zhuǎn)換方式是把位移的變化轉(zhuǎn)換成鋼弦振動頻率的變化，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)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù)；f0為鋼弦的初始振動頻率（Hz）；fi為鋼弦長度變化后的振動頻率（Hz）。

對于振弦式應(yīng)變計，其應(yīng)變量的計算公式為：

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

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

振弦式應(yīng)變計標(biāo)距 L在出廠時已經(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，即可計算出應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù)k[4]。

為能更方便地測試應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù)，本文設(shè)計了一臺專門用于應(yīng)變計轉(zhuǎn)換系數(shù)測試的應(yīng)變計標(biāo)定器，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。主要由應(yīng)變計固定夾持機(jī)構(gòu)、絲桿移動機(jī)構(gòu)、千分表指示裝置和臺架組成。在測試時先把被測試應(yīng)變計的兩端分別夾持固定在標(biāo)定器的固定端和移動端，并調(diào)整千分表對零，此時先讀取并記錄應(yīng)變計的初始輸出頻率值f0；接著通過旋動絲桿轉(zhuǎn)盤和讀千分表讀數(shù)，在應(yīng)變計的一端施加一定的位移ΔL，此時再讀取并記錄應(yīng)變計的輸出頻率值 fi，通過公式（3）計算，即可得出應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù)k值。在實際測試工作中，通常在應(yīng)變計的測量范圍內(nèi)按平均分布取多組的ΔLi和fi測量點（一般為5個點），通過多點的計算，取平均值作為應(yīng)變計的轉(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)變儀實測的應(yīng)變量。

從式（4）可得轉(zhuǎn)換系數(shù)k的計算公式為：

由式（5）可知，要測量電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計的轉(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，即可計算出轉(zhuǎn)換系數(shù)k值。

因此，在實際測量工作中，除了應(yīng)用上述的標(biāo)定臺架外，還需要一臺測量應(yīng)變用的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其精度應(yīng)為0.1級或以上，如圖4所示。電阻應(yīng)變片式應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù)測試安裝準(zhǔn)備過程與振弦式應(yīng)變計類似，在固定好應(yīng)變計的兩端和調(diào)整好千分表對零后，把應(yīng)變計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，同時讀取靜態(tài)應(yīng)變儀上的對應(yīng)應(yīng)變測量值εi，通過公式（5）的計算，即可得出應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù) k值。在實際測試工作中，通常也是在應(yīng)變計的測量范圍內(nèi)按平均分布取多組的ΔLi和εi測量點（一般為5個點），通過多點的計算，取平均值作為應(yīng)變計的轉(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)果都用于工程項目質(zhì)量的判定和驗收，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換系數(shù)作為應(yīng)變計使用中的一個重要參數(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針對應(yīng)變計轉(zhuǎn)換系數(shù)的相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)方法的情況下，本文通過對目前廣泛使用的兩種應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)和測量原理的分析，分別總結(jié)出相應(yīng)的應(yīng)變計轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算及測試方法，以及對測試方法中使用的計量標(biāo)準(zhǔn)器作了相應(yīng)的介紹，對于應(yīng)變計更科學(xué)、準(zhǔn)確地使用有一定的參考價值。

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