DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

王建剛

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410076)

0 引言

在實(shí)際的橋梁工程中，為了了解鋼筋混凝土橋梁的承載能力和使用性能，為以后的養(yǎng)護(hù)、加固和運(yùn)行后的安全使用提供可靠有效的資料，必須對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。而在荷載試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)在受力時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，而內(nèi)部應(yīng)力在正常的情況下無(wú)法直接測(cè)到，目前通用的做法就是根據(jù)材料力學(xué)中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式，通過(guò)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)出結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，間接的計(jì)算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力。因此，結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量是鋼筋混凝土橋梁荷載試驗(yàn)中研究構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)必不可少的一個(gè)指標(biāo)。

實(shí)際應(yīng)變測(cè)試中，測(cè)試方法和測(cè)試儀器也是多種多樣的，比如常見(jiàn)的機(jī)械式測(cè)量?jī)x器、電測(cè)儀器等。在檢測(cè)中，通常采用的試驗(yàn)方法是通過(guò)應(yīng)變片作為傳感器來(lái)完成試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法的原理就是被測(cè)結(jié)構(gòu)物的變形通過(guò)應(yīng)變片電阻值的變化反映出來(lái)。而且結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試往往采用的是惠斯通電橋電路，并需通過(guò)調(diào)理電路提供激勵(lì)電壓、組橋及對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。在這里，介紹一種叫DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，該儀器主要就是以電阻應(yīng)變片作為測(cè)量傳感器，并與屏蔽線作為導(dǎo)線連接來(lái)共同完成試驗(yàn)。

1 應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)

DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)是一種最常用的測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的方法，該應(yīng)變測(cè)量方法的核心元件是應(yīng)變片，主要是通過(guò)導(dǎo)線把應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀連接在一起，作為一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，完成應(yīng)變的測(cè)量。

1.1 系統(tǒng)組成及功能

本文介紹的DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀器共有20個(gè)通道，可以同時(shí)測(cè)量20個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量前，需要根據(jù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)、屏蔽線電阻、橋路連接方式等，計(jì)算出修正系數(shù)，并輸入其值，同時(shí)需對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行平衡操作。儀器圖片見(jiàn)圖1。

1.2 應(yīng)用范圍及修正系數(shù)的確定

本文中介紹的應(yīng)變測(cè)試儀的橋路連接方式有6種，每種連接方式的使用用途以及在測(cè)試前需要輸入的參數(shù)也是各不相同的，每種方式的用途也是不同的。

圖1 DH3818-2應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)（20測(cè)點(diǎn)）

1.2.1 測(cè)量范圍

1)根據(jù)測(cè)量方案，完成全橋、半橋、1/4橋(公共補(bǔ)償)狀態(tài)下的靜態(tài)應(yīng)變的多點(diǎn)檢測(cè)。

2)和各種橋式傳感器配合，實(shí)現(xiàn)壓力、荷重等物理量的檢測(cè)。

3)可以對(duì)小電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，分辨率高達(dá)1 uv。

1.2.2 修正系數(shù)的確定

在橋梁應(yīng)變測(cè)試前，由于應(yīng)變片和導(dǎo)線的不同，需要對(duì)應(yīng)變片和導(dǎo)線的靈敏系數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)而確定修正系數(shù)，實(shí)際修正系數(shù)=A×B×C。

其中，A為通過(guò)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K確定的，即A=2/K，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù);B是由路橋連接方式確定的，方式一、二為1，方式三為1/(1+u)，方式四為1/2，方式五為1/2(1+u)，方式六為1/4;C為導(dǎo)線電阻的影響，C=1+nRL/R，RL為單根導(dǎo)線的電阻，R為應(yīng)變片的電阻。

若導(dǎo)線和應(yīng)變片的電阻差值較大，需要對(duì)其進(jìn)行修正，反之，不需要。

1.3 工作原理

本文主要是以1/4橋(公共補(bǔ)償)連接方式來(lái)簡(jiǎn)述其測(cè)量原理，圖2為該橋路連接的測(cè)量原理圖。

圖2 測(cè)量原理

其中，AC為電源端，A端接電源正極，C端接電源負(fù)極，B，D兩端分別為信號(hào)輸出端，Rg為工作片電阻，AD間的R為補(bǔ)償片電阻，BC，CD間的R為測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電阻，Kf為低漂移儀表放大器增益。

根據(jù)電橋原理，輸出電壓Vi與橋壓Eg、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K、輸入應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，表達(dá)式為Vi=0.25Eg×K×ε。

由低漂移儀表放大器輸出電壓的表達(dá)式，即V0=Kf×Vi=0.25 Eg×K×ε×Kf推出應(yīng)變量ε的表達(dá)式，故ε=4V0/(Eg×K×Kf)。

2 測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性，分別采用DH3816和DH3818-2測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某橋的成橋應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。由應(yīng)變?cè)囼?yàn)的具體要求可知，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以采用不同方式的橋路連接方式。本次試驗(yàn)采用的1/4橋(公共補(bǔ)償)，分別測(cè)得某成橋在某一荷載作用下相應(yīng)梁的實(shí)際應(yīng)變值ε1，ε2及其理論計(jì)算值如表1所示。

表1 應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知，分析比較測(cè)試應(yīng)變值ε1和ε2的測(cè)量結(jié)果，DH3818-2應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的精度還是挺高的，而且與理論計(jì)算值幾乎相吻合，能夠應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)試當(dāng)中，但還是存在一定范圍內(nèi)的誤差。引起測(cè)試結(jié)果存在誤差的主要原因可能主要有以下兩點(diǎn):

1)該測(cè)試系統(tǒng)的組成元件精度不夠，引起測(cè)量誤差。

2)在測(cè)量前，未對(duì)導(dǎo)線的靈敏系數(shù)進(jìn)行修正，導(dǎo)致測(cè)量誤差。

在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)變測(cè)試中，該應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)還受溫度、空氣濕度、電磁、電壓等的影響。

3 常見(jiàn)的主要問(wèn)題

1)儀器在測(cè)試前，不能平衡，主要原因是連接工作片的導(dǎo)線長(zhǎng)度和連接補(bǔ)償片的導(dǎo)線長(zhǎng)度不等，而且差值較大，致使他們的電阻阻值超值、工作片的電阻和補(bǔ)償片的電阻阻值超出該系統(tǒng)所要求的范圍、沒(méi)有設(shè)置修正系數(shù)或者修正系數(shù)設(shè)置為0。

以上原因造成的儀器不能平衡，需要使用萬(wàn)能表分別檢查導(dǎo)線的電阻來(lái)確定是否超值。

2)在測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)變數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，引起此現(xiàn)象的主要原因是電壓不符合儀器所要求的電壓、導(dǎo)線和應(yīng)變片接觸不良、應(yīng)變片不能很好的與結(jié)構(gòu)物表面接觸、電磁場(chǎng)的影響。

3)測(cè)量結(jié)果隨著時(shí)間在不斷的變化，而且變化無(wú)規(guī)律，時(shí)大時(shí)小，不能準(zhǔn)確的確定該點(diǎn)的應(yīng)變值，這主要是由于現(xiàn)場(chǎng)溫度在不斷的變化，且溫差大造成的。

4 建議

1)能否考慮裝一個(gè)屏蔽測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)周圍的電磁場(chǎng)的影響，保證測(cè)試系統(tǒng)的正常使用，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)配置一個(gè)電源充電裝置，保證在外接電源斷電的情況下，測(cè)試系統(tǒng)還能利用自帶的充電裝置正常進(jìn)行，完成應(yīng)變的測(cè)量。

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