一种石英玻璃高温位移传感器制造技术

本发明专利技术属于土木工程试验中的位移及变形测量技术领域，应用于结构构件在模拟火灾情况下的高温位移及变形测量中。其特征是选用耐高温、低导热系数、低热胀系数的石英玻璃棒作为该高温位移传感器的探头延长段，并由连接构件与位移传感器的探头相连接。按照传热学理论计算出的延长段长度最小值，是保证当延长段一端接触高温位移待测部位时，将温度由高温降至另一端的室温所需的最小长度，实际测量中延长段的长度不应小于该最小值。本发明专利技术的效果和益处是能够在１４００℃以内的高温环境下进行位移及变形的直接随时测量，位移传感器主体与延长段的连接方式灵活，拆卸、保存及携带方便，成本低，具有显著的经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于土木工程试验中的位移及变形测量
，应用于结构构件在模拟火灾情况下的高温位移及变形测量中，涉及到使用耐高温、低导热系数、低热胀系数的非金属材料进行隔热降温的方法。
技术介绍
目前，建筑结构在模拟火灾情况下的高温位移及变形的直接随时测量一直是一个困扰结构构件及材料高温性能研究与评价的关键问题之一。国内已有的一些结构构件高温性能试验中的高温位移及变形测量一般都采用了间接测量法，即将构件在试验炉内高温环境下的位移及变形通过一定的方法引伸到试验炉外的室温环境中，然后在室温下测得待测的位移及变形值，但这种间接测量法对大型构件很难实现且成本很高。而在实际工程及科学试验的许多情况中，需要用位移传感器接触待测部位进行高温环境下位移及变形的直接随时测量。然而，目前国内外已有的位移传感器主要是线性差动变压式位移传感器(Linear Variable Displacement Transducers-LVDT)，其工作温度一般都介于-30℃到+60℃之间，最高工作温度不超过+150℃，远低于火灾及高温试验中所要求的工作温度。因此，目前已有的LVDT位移传感器无法满足在1000℃时的高温环境下进行位移及变形直接随时测量的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种适合于在试验室使用的操作方便，组装灵活的高温位移传感器，解决由于普通位移传感器工作温度低而不适合于在高温环境下进行位移及变形直接随时测量的问题，达到在模拟火灾等高温环境下可进行位移及变形直接随时测量的目的，其最高安全使用温度短时间使用(即瞬时最高温度)可达1400℃；连续使用(不低于半小时)可达1100℃。本专利技术的技术方案是使用耐高温、低导热系数、低热胀系数的石英玻璃材料作为LVDT的探头延长段，其构造如图1所示。当延长段一端接触高温位移待测部位时，经过延长段的降温，可将LVDT探头端(D端)的温度降至室温，即保证LVDT探头处的温度处于其正常工作温度范围之内。由于透明石英玻璃相对于不透明石英玻璃杂质更少，耐高温性能更好，故该延长段材料采用透明石英玻璃棒，棒材直径与LVDT探头直径相等，其物理力学性能如下最高安全使用温度，短时间使用可达1400℃，连续使用可达1100℃；导热系数为1.4W/(mK)；平均热胀系数为5.5×10-7(1/℃)；且导热系数和热胀系数随温度的变化很小，基本保持常值；密度为2.2g/cm3；弹性模量为7.4×104MPa；20℃下的抗压强度为785～1150MPa；20℃下的抗折强度为36.5～59.2MPa；20℃下的泊松比为0.17。当透明石英玻璃延长段一端接触高温位移待测部位时，将温度由一端的高温(T)降至另一端的室温(这里取30℃)；根据不同温差，所需延长段的最小长度亦有所不同，具体如表1所示。其间，延长段上温度沿长度方向的分布曲线如图2所示(以T＝800℃为例)。表1 将温度由高温(T)将至室温所需透明石英玻璃延长段的最小长度 上表中的长度值只是将温度由延长段一端的高温降至另一端的室温所需的最小值，高温位移及变形测量中延长段的实际长度可以等于或大于它(视具体测量情况而定，比如有时需要将LVDT延长段伸入到试件内部或穿过外部的隔热保护层进行位移及变形测量，则延长段的实际长度就必须大于此最小长度)，但是延长段的实际长度无论等于还是大于此最小长度都对测量结果及精度没有影响。本高温位移传感器的主体与延长段通过简单而可靠的方法进行连接，如图3所示。该连接构件(图6)可用普通钢材经过机械加工得到(如图4、图5所示)。在高温位移及变形测量之前，将LVDT的探头插入到连接件的一端并用螺丝固定，将延长段(透明石英玻璃棒)插入到连接件的另一端并将外螺母拧紧，这样即可将位移传感器的主体与延长段连接起来，进行高温环境下的位移及变形测量。组装好的高温位移传感器如图7所示。本专利技术的效果和益处是1、能够在高温环境下进行位移及变形的直接随时测量；2、测量位移及变形时的允许工作温度可介于-30℃～1400℃；3、位移及变形测量精度高，具有很高的线性度(优于±0.05％)和分辨率，与LVDT无延长段时的测量精度相当；4、位移传感器主体与延长段的连接方式灵活，拆卸、保存及携带方便；5、该石英玻璃高温位移传感器可以根据实际情况灵活地选择不同长度的延长段与仪器主体相连接；6、本专利技术成本低，具有显著的经济效益和社会效益。本专利技术可广泛应用于试验室内对各种建筑结构构件在高温环境下的位移及变形进行直接随时的测量。附图说明附图1是石英玻璃高温位移传感器的构造示意图。图中1 LVDT主体；2 LVDT探头；3延长段；延长段即DE段长度为Xmm。附图2是透明石英玻璃延长段上温度沿长度方向的分布曲线图。图中横坐标L表示延长段上距高温端的距离，单位是mm；纵坐标T表示温度，单位是℃。附图3是LVDT与延长段的连接方法示意图。图中2 LVDT探头；3石英玻璃延长段；4固定螺丝；5连接构件；d1表示LVDT探头及延长段的直径。附图4是连接构件侧面示意图。图中d1表示LVDT探头及延长段的直径；d2表示连接件外径；d3表示外螺母内径；L1、L2、L3、L4表示连接件各段长度。附图5是连接构件正面示意图。图中6外螺母；R1表示延长段半径；R2表示外螺母内半径；R3表示外螺母外半径。附图6是连接构件实物图。图中5连接件；6外螺母。附图7是石英玻璃高温位移传感器组装后的实物图。图中1 LVDT；2 LVDT探头；3透明石英玻璃延长段；4固定螺丝；5连接件；6外螺母。附图8是耐火管道试件横截面及测点布置示意图。图中7热气温度；8耐火管道试件；9石棉隔热层；10、11、12、13分别为东南西北四个方向的石英玻璃高温位移传感器；a＝200mm；b＝250mm。附图9是耐火管道试件纵截面及测点布置示意图。图中7热气温度；8耐火管道试件；9石棉隔热层；10、12分别为石英玻璃高温位移传感器；14底座；15燃气进气口；16试验钢架；H1＝1200mm；H2＝800mm；H3＝90mm。附图10是实测的温度-位移曲线图。图中横坐标T表示耐火管道外壁温度，单位是℃；纵坐标D表示试件平均径向位移，单位是mm。具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细说明本专利技术的具体实施例。实施例该石英玻璃高温位移传感器在大连理工大学结构研究所丁一宁教授主持的国家自然科学基金资助项目(50278013)的试验研究得到了应用。试验模拟隧道火灾，对耐火管道试件按照奥地利标准的温度曲线(包括升温段和降温段)施加高温荷载。试验中采用所专利技术的该石英玻璃高温位移传感器测量构件的径向位移(试验布置情况如图8和图9所示)。由于试验中所使用的LVDT的探头直径为5mm，故石英玻璃延长段也采用直径为5mm的棒材。与之相对应的连接件各部分尺寸分别如下d1＝5mm；d2＝10mm；d3＝8mm；L1＝20mm；L2＝3mm；L3＝2mm；L4＝15mm；R1＝2.5mm；R2＝4.0mm；R3＝6.0mm(图4和图5)。当然，如果LVDT的探头直径不是5mm，则连接件各部分的尺寸也应做适当的调整。试验前，将LVDT的探头插入到连接件的一端并用螺丝固定，将延长段(透明石英玻璃棒)插入到连接件的另一端并将外螺母拧紧，组装完本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石英玻璃高温位移传感器，其特征是选用石英玻璃棒作为该高温位移传感器的探头延长段（３），并用连接构件（５）、（６）将延长段（３）与位移传感器探头（２）相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁一宁，甘泉，王岳华，董香军，曹继峰，杨楠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]