幾種常用應變測試方法的比較

胡益良

0 引言

在當今土木工程行業中,應力應變測量廣泛地應用于建筑、鐵路、橋梁、交通、大壩等結構上。結構的應力應變測試是工程人員進行結構設計優化,了解結構受力狀態以及保證結構安全的一個很重要的環節。例如在大跨度橋梁的施工過程以及營運過程的長期健康監測中,對關鍵截面的應力應變進行監測,為橋梁的施工、營運、加固提供依據,確保結構安全是橋梁建設一個必不可少的環節。如何才能快速、準確地測量出我們所關心的結構的應力應變,是每一個工程人員十分關心的問題。

在本論文中,通過萬能試驗機對圓鋼進行拉伸試驗,主要介紹了目前工程界常用的電阻式應變片、振弦傳感器、數顯千分表和引伸計四種測量結構應變的手段,對被測試件應變進行同時采集(見圖1)。

通過測試結果與理論值相比較,分析、總結各種應變測量方法的特點。本文中采用彈性模量為2.06×10e5MPa的圓鋼作為被測試件,圓鋼的泊松比為:μ=0.3,直徑為30.7 mm,被測試件長度30 cm。

1 電阻式應變片測量

電阻式應變片又稱為電阻應變計,簡稱應變片或電阻片,它是非電量電測中最重要的變換器。利用電阻片將非電量轉換為電量,再經電子儀器進行放大、顯示和記錄,所以能獲得很高的放大倍數,從而達到很高的靈敏度。

在軸向受拉的過程中,實際上圓鋼表面的應力狀況就是單相應力狀態,它的應變在軸向是受拉應變,它的橫向應變和它的軸向應變是成比例的,這個比值就是泊松比μ,利用這一特點在本測試中我們把橋路設計為互補全橋測試方案。這里通過使用惠斯登全橋與電阻應變儀相組合的方式進行測量。使用惠斯登全橋原理可以消除由于偏心引起的誤差,提高量測精度。根據式(1)計算:

其中,μ=0.3就可以得出被測試件的應變值(見表1)。

表1 電阻式應變片測量結果

2 振弦傳感器測量

振弦式傳感器是目前國內外普遍重視和廣泛應用的一種非電量電測的傳感器。振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號,通過頻率的改變來反映被測構件的應變大小。振弦傳感器具有抗干擾能力強、受電參數影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩定可靠、使用壽命長等特點。

本文中,將兩個振弦傳感器對稱粘貼于被測試件的表面,通過對它們各自測得的結構應變值取平均值,來消除結構偏心的影響。當試件受力拉伸或壓縮時,振弦傳感器的頻率會隨之發生變化,通過DataTaker采集儀讀取振弦傳感器的頻率,然后按照下面的公式可以計算出被測試件發生的應變大小(見表2)。

其中,ε為試件的應變;k為振弦傳感器的系數,本文取 4.05×10e-3;f0為振弦傳感器初始頻率,Hz;fi為第i次讀取的頻率,Hz。

表2 振弦傳感器測量結果

3 引伸計測量

引伸計是測量構件及其他物體兩點之間線變形的一種儀器,通常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。傳感器直接和被測構件接觸。構件上被測的兩點之間的距離為標距l,標距的變化Δl為線變形。當被測構件變形時,傳感器隨著變形,并把這種變形轉換為機械、光、電、聲等信息,通過放大器將傳感器輸出的微小信號進行放大,記錄器(或讀數器)將放大后的信號直接顯示或自動記錄下來。一般記錄的是引伸計標距范圍內線形的改變量。

本測試將機械式引伸計固定在被測試件上,引伸計的標距長為20 cm,當被測試件受力拉伸時,引伸計連接在2000標準負荷儀上,可以直接讀取構件發生的伸長量Δl,此伸長量Δl除以引伸計的標距l就可以求出試件發生的應變:ε=Δl/l。計算結果如表3所示。

4 數顯千分表測量

表3 引伸計測量結果

數顯千分表是利用數字測量顯示技術,對測量桿所感測到的直線位移進行讀數的一種精密測量器具。它可以進行任意的起始值設置,進行絕對測量、相對測量,可滿足特殊要求。數顯千分表是近年來發展較快的高技術產品,它讀數直觀、測量精度高、測量范圍大、功能齊全、以數字形式給出測量結果、無人為讀數誤差。它的這些特點讓它在土木、機械行業受到重視,特別在高精度、批量大、檢測速度快的場合顯示出它的優越性。

數顯千分表固定在試件上,當試件受力拉伸時,可以從千分表刻度盤上直接讀出構件發生的伸長量Δl,此伸長量除以千分表的標距l=150 mm就可以求出試件發生的應變,測試結果見表4。

表4 數顯千分表測量結果

5 結語

以上介紹的四種測試方法都是現階段土木工程行業在進行應力應變測量時常用的測試手段。但是從測試結果來看,不同測試方法的結果與理論值相比,顯示出了不同的精度。電阻式應變片的測量精度最高,這是由于應變片是基于金屬絲的電阻應變效應,即金屬絲的電阻隨被測構件的變形而改變,它所感知的是一個平均應變。它具有靈敏度高、質量小、尺寸小等特點,同時它不僅能作為靜態測量,而且可以在動態應力分析方面發揮獨特的作用。但是,它又有粘貼工作量大,重復使用困難,粘貼質量要求高,受溫度效應影響以及防潮防水等方面的缺點。

引伸計和數顯千分表由于受到標距長度以及安裝的限制,在力學實驗中運用比較少。一般適合于金屬結構,如鋼結構的應力應變測量。

雖然振弦傳感器的測量精度,相對于應變片等來說有一定的差距(這點可以在與理論值的相對誤差中反映出來)。但是振弦傳感器有著獨特的機械結構形式并以振弦頻率的變化量來表征受力的大小,因此具有長期零點穩定的性能。同時它又有著使用方便,便于回收利用,在長期、靜態測試中振弦傳感器良好的電磁穩定性,這些電阻式應變片無法比擬的優點顯示出了其廣闊應用和發展的前景。

各種測量手段在不同的場合顯示出了不一樣的優越性。因此在實際工程中,選擇測量方法時應該因地制宜,根據現場實際情況來做出合理的選擇,才能達到最佳的測量效果。相信隨著科技的發展和進步,各種集成化、自動化、高精度、高速度、高穩定性、適用范圍更廣的測量設備和測試手段將更好的為我們服務。

[1]章關永.橋梁結構試驗[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]夏祁寒.應變片測試原理及在實際工程中的應用[J].山西建筑,2008,34(28):99-100.