應變電測法的原理及應用

應變電測法的原理及應用

1安全性評價標準電測量法是工程結構中常見的實驗和測試方法之一。通過將測得的變形值和其他參數值相結合，可以評估設計的安全性。通過在構件被測點處粘貼電阻應變片(以下簡稱應變片)，將構件被測點的應變值轉換為應變片的電阻變化，再利用電阻應變儀測出應變片的電阻變化率，經應變儀并直接輸出被測點的應變值，然后依據虎克定律計算出構件被測點的應力值。在電測法中，主要設備是電阻應變片和電阻應變儀。1.1參數法和截面積法電阻應變片是將應變變化量轉變成電阻變化量的轉換組件。應變電測法具有感受元件重量輕，體積小;量測系統信號傳遞迅速、靈敏度高、可遙感，便于與計算機連用及實現自動化等優(yōu)點。其主要缺點是連續(xù)長時間測量會出現漂移，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。當電阻絲受到拉伸或壓縮時，式(1)中的L,A，ρ將發(fā)生變化。設變形后其長度變化為ΔL，如圖1所示，若此時對式(1)兩端同取自然對數，即得:對式(2)進行求導，有:因為金屬電阻線受軸向拉伸(壓縮)作用時，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為應變片軸向應變ε。由式(4)進一步可得:令式(5)為K0，稱為單絲靈敏系數，為一常數。因應變片由單絲繞成，對于應變片，可推出下式:其中，K為應變片的靈敏系數。式(6)表明:應變片的電阻變化率與應變呈線性關系，即電阻變化率是其應變值的K倍。當應變片粘貼在被測試構件上時，會隨構件受力而產生主變形。應變片的應變即反映了構件在測試位置長度內的應變。即實現了應變片的應變—電阻變化及電量—非電量之間的轉換關系。1.2惠斯登電橋的結構形式電阻應變儀的測量電路，一般采用惠斯登電橋，其作用是測得應變片的電阻變化率，進而測得構件應變。如圖2所示，在四個臂上分別接入電阻R1,R2,R3,R4，在A,C端接入電源，B,D端為輸出端。根據基爾霍夫定律，當橋臂上各電阻值發(fā)生變化時，惠斯登電橋輸出端電壓UBD與輸入端電壓U的關系如下:在實際使用中，按照不同的組橋方式還可分為:1)全橋:即四個橋臂上均接有工作片。2)半橋:即四個橋臂上只有兩個橋臂接有工作片，剩余兩應變片只起連通電路作用，電阻值不發(fā)生變化(應變?yōu)?)。3)1/4橋:四個橋臂上只有1個橋臂接有工作片，此時相鄰橋臂接溫度補償片。此橋路形式在實際中應用較多。應變片的種類很多，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變片(金屬絲式應變片、箔式應變片和薄膜應變片)和半導體應變片等;按使用溫度可分為低溫、常溫、高溫等，具體可參考相關文獻。2應變片安裝質量在電測技術中，電阻應變片的粘貼技術比較復雜，工作量大，應變片粘貼質量的優(yōu)劣對測量的可靠性影響很大，是一個非常關鍵性的環(huán)節(jié)，必須予以注意。另外，應變片不能重復使用，消耗量也比較大，因此應一次成功。應變片的粘貼具體步驟如下。2.1應變片類型的確定選擇應變片的規(guī)格和形式時，應注意到構件的材料性質和構件的應力狀態(tài)。因應變片測出的是平均應變，在構件應力變化范圍較大時，一般選用小標距應變片;而在混凝土表面，宜選用大標距的應變片。確定應變片類型后，還要逐片進行外觀檢查，用肉眼或放大鏡檢查應變片絲柵是否平直，片內有無氣泡、斑銹點等缺陷，不合格的片應剔除;然后用萬用表逐片測定阻值，電阻值差應在±0.5Ω范圍內。2.2測量結果的調整為使應變片與被測構件粘貼得牢固，對測點表面要進行清潔處理。1)鋼筋表面貼片的清潔步驟如下:a．對帶肋鋼筋，將測點表面用砂輪進行粗打磨(圓鋼跳過此步)，打磨平面大小在滿足應變片面積時，盡量要小，否則會影響鋼筋有效承載面積，會使測試結果與實際出現較大偏差;b．用銼刀進行手工細打磨;c．用0號砂紙沿著45°角方向進行精度打磨，使測點表面平整;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變片的坐標線。打磨好的表面，若暫時不貼片，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件時，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)，然后進行打磨清洗等工作;b．在貼片部位，還應先涂一層隔潮層，可采用環(huán)氧樹脂膠配合固化劑，應變片就貼于隔潮底層上。防潮層的厚度以一般約為0.05mm～0.1mm為宜，使應變片能和混凝土測點處的變形保持一致;c．待墊平層固化后，進行其他操作，與鋼筋貼片類似。2.3聚乙烯塑料薄膜應變片測量貼片一般采用502膠水，鋼筋應水平放置。在測點位置和應變片的底基面上，涂上薄薄一層膠水，一手捏住應變片引出線，把應變計軸線對準坐標線，上面蓋一層聚乙烯塑料薄膜作為隔層，用手指在應變計的長度方向輕輕滾壓，擠出片下氣泡和多余的膠水，直到應變計與被測物緊密粘合為止。手指保持不動約數10s后再放開，注意按住時不要使應變片移動，再檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現象，否則須重貼;502膠靠內聚力粘片，注意涂膠量要適中，不要太厚，過多則膠層粘結力反而降低，而且太厚影響應變片性能，過少則膠可能分布不均勻不能準確傳遞應變(見圖3)。2.4應變片感染線安裝帶線應變片和應變儀之間用導線連接。需根據環(huán)境與試驗的要求選用導線。通常靜應變測定用雙芯多股平行線。在有強電磁干擾及動應變測量時，需用屏蔽線(如附近有信號傳輸塔)。焊接導線前，先用萬用電表檢查導線有否斷路，然后在每根導線的兩端貼上同樣的號碼標簽，避免測點多時造成差錯。1)在應變片引出線下，貼上膠帶紙，以免應變計引出線與被測構件(如被測構件是導電體的話)接觸造成短路。2)把導線與應變片引線焊接在一起，固定在接線端子上，焊接時注意防止假焊。焊完后用萬用電表在導線另一端檢查是否接通。接線端子相當于接線柱，使用時先用膠水把它粘在應變片引出線前端，然后把應變片引出線及導線焊于接線端子上，其作用有兩個方面:首先，保護應變片，避免因外力扯拉外接導線使應變片導線扯斷;其次，使應變片的導線和外接導線接觸良好，避免點接觸。在上述工作完成后，應對其粘貼質量進行檢查和校正。如通過放大鏡觀察應變片的粘貼位置和方位角是否準確，粘貼表面有無氣泡，應變片粘貼是否牢固;用萬用表測量應變片有無短路和斷路現象。2.5試驗前的材料選擇防潮處理必須在檢查應變片貼片質量合格后立即進行。為避免膠層吸收空氣中的水分而降低絕緣電阻值，應在應變片接好線并且絕緣電阻達到要求后，立即對應變片進行防潮處理。當室溫高于15℃和相對濕度低于60%時可采用自然干燥，時間一般為24h～48h。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)，但人工干燥前要進行8h的自然干燥，人工干燥的溫度不得高于60℃。防潮處理應根據試驗的要求和環(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到一定強度，和構件達到共同變形。但是在配合環(huán)氧樹脂(V1)和固化劑(V2)時要注意二者的配合比(體積比)，V1∶V2越大，混合劑的固結時間越長，V1∶V2越小，混合劑的固結時間越短，且固結后易脆，影響試驗效果。因此在測試前應先試配，確定最佳配合比以免造成材料的浪費影響測試效果。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)對于鋼筋混凝土應變片，在澆搗混凝土時骨料很可能會碰到應變片，因其具有一定強度，可以保護鋼筋上的應變片不被損壞。3鋼筋表面思想控制在工程結構測試中，應變片的粘貼是電測法中核心的一步，粘貼的質量直接關系到測試的精度，因此在應變片的粘貼過程中要注意的問題如下:1)嚴格控制每一操作環(huán)節(jié)的質量，以減少