高分辨率应变测试方法技术

本发明专利技术公开了一种高分辨率应变测试方法，该法采用不同刚度比和长度比的两种部件进行一定构造的连接组合，通过力学原理将有效距离内的变形集中至某一部件上，起到机械放大桥梁应变的作用。据此，发明专利技术人还设计制作了相应测试装置。使用该测试方法和测试装置，结合发明专利技术人经材料力学及结构力学方法推导的基于部件参数刚度比、长度比的高准确度应变求解公式，以实现较高的测试准确度，达到0.01με甚至更高，可广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控及基于动应变识别移动荷载等技术领域。

【技术实现步骤摘要】
高分辨率应变测试方法
本专利技术属于应变测试方法，尤其涉及一种高分辨率应变测试方法。
技术介绍
在当今土木工程行业中，应变测量广泛地应用于建筑、铁路、桥梁、交通、大坝等结构上。结构的应力应变测试是工程人员了解结构受力状态、保证结构安全以及进行结构设计优化的一个重要的环节。例如在大跨度桥梁的施工过程以及营运过程的长期健康监测中，对关键截面的应力应变进行监测，为桥梁的施工、营运、加固提供依据，确保结构安全是桥梁建设一个必不可少的环节。常见的应变测试方法有光纤光栅方法、振弦式应变测试法、引伸计或数显千分表法、电阻式应变测试法等。光纤光栅方法具有抗电磁干扰、较好的绝缘性能、传输容量大等优点，缺点是传感器加工工艺复杂、成本较高，所需外围设备较多、设备昂贵，维护更换工艺复杂、成本较高，限制了大范围的推广和应用；振弦式应变测试法直接输出振弦的自振频率信号，通过频率的改变来反映被测构件的应变大小，振弦式应变测试虽然具有抗干扰能力强、零点飘移小、受温度影响小、长期稳定性好等特点，目前在土木工程应变测试中用于较为广泛，但仅适用静态应变测试、不适用于动应变测试；引伸计或数显千分表法受到标距长度以及安装的限制，在力学实验中运用比较少；电阻式应变测试法所用感应又称为电阻应变计，简称应变片或电阻片，利用电阻片将非电量转换为电量，再经电子仪器进行放大、显示和记录，所以能获得较高的放大倍数，从而达到较高的灵敏度，具有易于实现数字化、自动化、成本低廉、对操作技术要求较低等优点，是目前应用最为广泛的应变测试方法，进行封装处理后适用于长期监测。由于桥梁在车辆荷载作用下的动应较小，一般一辆三轴载重汽车引起10个左右的桥梁动应变，小型客车引起的动应变更小；外界环境干扰，如温度变化、风等会引1-2个桥梁动应变的波动；然而，目前电阻应变测试精度为普遍1个应变，这系由当前的电路放大系统技术水平决定的，因接线工艺及仪器硬件质量的差异，电路放大系统也常会引起0-2个应变的噪声信号；在此背景下，要精准测试桥梁动应变、克服环境及仪器系统噪声变得十分困难。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高分辨率应变测试方法，该法可实现较高的测试准确度，广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控及基于动应变识别移动荷载等
为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：高分辨率应变测试方法，在桥梁构件表面平行应变方向钻孔植筋或焊接中心间距为L的2个底座，将传递杆穿入底座的顶端开孔，并采用螺帽在底座顶端开孔的两侧将传递杆拧紧；在两端开孔中心距为l的感应杆两侧对称处分别粘贴电阻式应变片，并采用防护材料将电阻式应变片和粘贴有电阻式应变片的感应杆部分包裹防护；在两根传递杆的相邻端采用螺栓将感应杆和传递杆连接拧紧固定；电阻式应变片按照双应变片接法接入应变采集机箱，调整螺帽使底座、传递杆和感应杆充分受力，读取感应杆的实测应变为ε’；按公式计算获得桥梁构件表面待测应变为ε；其中，S、E、SE分别为传递杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；s、e、se分别为感应杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；l为感应杆两端部开孔的中心距离，L为底座中心间距。感应杆粘贴电阻式应变片后，放入温度为120℃-150℃的干燥箱不少于3小时，取出后立即采用防护材料包裹防护。感应杆与传递杆的轴向刚度比值λ小于0.01；感应杆两端部开孔的中心距离l与底座中心间距L比值β小于0.1；公式为定义ξ为与传递杆和感应杆的材料、尺寸、应变片的接入方法相关的特征系数，选取的材料及其尺寸得出的λ和β，使ξ小于0.1。高分辨率应变测试装置，主要由底座、感应杆、传递杆和电阻式应变片组成；2个底座的中心间距为L，每一底座的顶端开孔并分别穿插一传递杆，在开孔两侧采用螺帽固定传递杆；两根传递杆相邻两端之间设有两端开孔中心距为l的感应杆，传递杆和感应杆通过螺栓固定；感应杆两侧对称处分别粘贴电阻式应变片，电阻式应变片按照双应变片接法与应变采集机箱连接，电阻式应变片及贴有电阻式应变片的感应杆部分由防护材料覆盖保护。感应杆的截面面积宜小于5mm2，其开孔中间间距长度一般小于20mm；传递杆的截面面积宜大于105mm2，单个有效长度应大于100mm。感应杆截面形状为矩形，其长边与短边的比值大于5。感应杆一般选取弹性模量小于150GPa的合金金属材料；传递杆选取弹性模量大于200GPa的合金金属材料、陶瓷材料、碳纤维棒材等；防护材料为环氧树脂砂浆聚合物。感应杆一般选取镁铝合金；传递杆选取弹性模量为300GPa、450GPa的高模量碳纤维或超高模量碳纤维，或弹性模量为450GPa的陶瓷SiC等。针对现有应变测试方法存在的测试准确度不足的问题，专利技术人建立了一种高分辨率应变测试方法，该法采用不同刚度比和长度比的两种部件进行一定构造的连接组合，通过力学原理将有效距离内的变形集中至某一部件上，起到机械放大桥梁应变的作用。据此，专利技术人还设计制作了相应测试装置。使用该测试方法和测试装置，结合专利技术人经材料力学及结构力学方法推导的基于部件参数刚度比、长度比的高准确度应变求解公式，以实现较高的测试准确度，达到0.01με甚至更高(常规应变测试方法的准确度仅为1με)，可广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控及基于动应变识别移动荷载等
与现有技术相比，本专利技术的突出优势在于：(1)通过机械放大，将应变放大数十倍至数百倍，甚至千倍，提高了小应变的识别率和测试精准度；(2)放大凸显了结构应变的数值，而测试系统噪声未改变，降低了测试系统的噪声干扰；(3)测试装置工具简单，成本低廉，易于更换；(4)可实现基于桥梁动应变的桥梁模态测试分析。附图说明图1是本专利技术高分辨率应变测试方法的使用状态图及其测试装置的结构示意图(垂直于感应杆和传递杆)。图2是本专利技术高分辨率应变测试方法的使用状态图及其测试装置的结构示意图(垂直于桥梁构件表面)。图3是本专利技术高分辨率应变测试方法及其装置的力学原理示意图图1和图2中：1梁构件表面，2底座，3传递杆，4螺帽，5感应杆，6电阻式应变片，7防护材料，8螺栓。图3中：1传递杆，2感应杆。具体实施方式本专利技术高分辨率应变测试方法的基本原理1.操作步骤如图1和图2所示，在桥梁构件表面平行应变方向钻孔植筋或焊接中心间距为L的2个底座，将传递杆穿入底座的顶端开孔，并采用螺帽在底座顶端开孔的两侧将传递杆拧紧；在两端开孔中心距为l的感应杆两侧对称处分别粘贴电阻式应变片，并采用防护材料将电阻式应变片和粘贴有电阻式应变片的感应杆部分包裹防护；在两根传递杆的相邻端采用螺栓将感应杆和传递杆连接拧紧固定；电阻式应变片按照双应变片接法接入应变采集机箱，调整螺帽使底座、传递杆和感应杆充分受力，读取感应杆的实测应变为ε’；按公式计算获得桥梁构件表面待测应变ε；其中，S、E、SE分别为传递杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；s、e、se分别为感应杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；l为感应杆两端部开孔的中心距离，L为底座中心间距。其中，感应杆粘贴电阻式应变片后，放入温度为120℃-150℃的干燥箱不少于3小时，取出后立即采用防护材料(环氧树脂砂浆聚合物)包裹防护。2.公式推导如图3所示，在两端轴向力F的作用下，感应杆和传递杆应变分别为ε、ε’，轴力均为F本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨率应变测试方法，其特征在于：在桥梁构件表面平行应变方向钻孔植筋或焊接中心间距为L的2个底座，将传递杆穿入底座的顶端开孔，并采用螺帽在底座顶端开孔的两侧将传递杆拧紧；在两端开孔中心距为l的感应杆两侧对称处分别粘贴电阻式应变片，并采用防护材料将电阻式应变片和粘贴有电阻式应变片的感应杆部分包裹防护；在两根传递杆的相邻端采用螺栓将感应杆和传递杆连接拧紧固定；电阻式应变片按照双应变片接法接入应变采集机箱，调整螺帽使底座、传递杆和感应杆充分受力，读取感应杆的实测应变为ε′；按公式计算获得桥梁构件表面待测应变ε；其中，S、E、SE分别为传递杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；s、e、se分别为感应杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；l为感应杆两端部开孔的中心距离，L为底座中心间距。

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率应变测试方法，其特征在于：在桥梁构件表面平行应变方向钻孔植筋或焊接中心间距为L的2个底座，将传递杆穿入底座的顶端开孔，并采用螺帽在底座顶端开孔的两侧将传递杆拧紧；在两端开孔中心距为l的感应杆两侧对称处分别粘贴电阻式应变片，并采用防护材料将电阻式应变片和粘贴有电阻式应变片的感应杆部分包裹防护；在两根传递杆的相邻端采用螺栓将感应杆和传递杆连接拧紧固定；电阻式应变片按照双应变片接法接入应变采集机箱，调整螺帽使底座、传递杆和感应杆充分受力，读取感应杆的实测应变为ε′；按公式计算获得桥梁构件表面待测应变ε；其中，S、E、SE分别为传递杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；s、e、se分别为感应杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度；l为感应杆两端部开孔的中心距离，L为底座中心间距；所述感应杆与传递杆的轴向刚度比值λ小于0.01；所述感应杆两端部开孔的中心距离l与底座中心间距L比值β小于0.1；所述公式为定义传感器特征系数ξ小于0.1；所述感应杆的截面面积小于5mm2，其开孔中间间距长度小于2...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝天之，杨涛，王龙林，李增科，刘雪雷，连金明，张桥，
申请(专利权)人：广西交通科学研究院，
类型：发明
国别省市：广西;45