几种常用应变测试方法的比较

胡益良

0 引言

在当今土木工程行业中,应力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进行结构设计优化,了解结构受力状态以及保证结构安全的一个很重要的环节。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。如何才能快速、准确地测量出我们所关心的结构的应力应变,是每一个工程人员十分关心的问题。

在本论文中,通过万能试验机对圆钢进行拉伸试验,主要介绍了目前工程界常用的电阻式应变片、振弦传感器、数显千分表和引伸计四种测量结构应变的手段,对被测试件应变进行同时采集(见图1)。

通过测试结果与理论值相比较,分析、总结各种应变测量方法的特点。本文中采用弹性模量为2.06×10e5MPa的圆钢作为被测试件,圆钢的泊松比为:μ=0.3,直径为30.7 mm,被测试件长度30 cm。

1 电阻式应变片测量

电阻式应变片又称为电阻应变计,简称应变片或电阻片,它是非电量电测中最重要的变换器。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,所以能获得很高的放大倍数,从而达到很高的灵敏度。

在轴向受拉的过程中,实际上圆钢表面的应力状况就是单相应力状态,它的应变在轴向是受拉应变,它的横向应变和它的轴向应变是成比例的,这个比值就是泊松比μ,利用这一特点在本测试中我们把桥路设计为互补全桥测试方案。这里通过使用惠斯登全桥与电阻应变仪相组合的方式进行测量。使用惠斯登全桥原理可以消除由于偏心引起的误差,提高量测精度。根据式(1)计算:

其中,μ=0.3就可以得出被测试件的应变值(见表1)。

表1 电阻式应变片测量结果

2 振弦传感器测量

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。振弦传感器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。振弦传感器具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、使用寿命长等特点。

本文中,将两个振弦传感器对称粘贴于被测试件的表面,通过对它们各自测得的结构应变值取平均值,来消除结构偏心的影响。当试件受力拉伸或压缩时,振弦传感器的频率会随之发生变化,通过DataTaker采集仪读取振弦传感器的频率,然后按照下面的公式可以计算出被测试件发生的应变大小(见表2)。

其中,ε为试件的应变;k为振弦传感器的系数,本文取 4.05×10e-3;f0为振弦传感器初始频率,Hz;fi为第i次读取的频率,Hz。

表2 振弦传感器测量结果

3 引伸计测量

引伸计是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器,通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器直接和被测构件接触。构件上被测的两点之间的距离为标距l,标距的变化Δl为线变形。当被测构件变形时,传感器随着变形,并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息,通过放大器将传感器输出的微小信号进行放大,记录器(或读数器)将放大后的信号直接显示或自动记录下来。一般记录的是引伸计标距范围内线形的改变量。

本测试将机械式引伸计固定在被测试件上,引伸计的标距长为20 cm,当被测试件受力拉伸时,引伸计连接在2000标准负荷仪上,可以直接读取构件发生的伸长量Δl,此伸长量Δl除以引伸计的标距l就可以求出试件发生的应变:ε=Δl/l。计算结果如表3所示。

4 数显千分表测量

表3 引伸计测量结果

数显千分表是利用数字测量显示技术,对测量杆所感测到的直线位移进行读数的一种精密测量器具。它可以进行任意的起始值设置,进行绝对测量、相对测量,可满足特殊要求。数显千分表是近年来发展较快的高技术产品,它读数直观、测量精度高、测量范围大、功能齐全、以数字形式给出测量结果、无人为读数误差。它的这些特点让它在土木、机械行业受到重视,特别在高精度、批量大、检测速度快的场合显示出它的优越性。

数显千分表固定在试件上,当试件受力拉伸时,可以从千分表刻度盘上直接读出构件发生的伸长量Δl,此伸长量除以千分表的标距l=150 mm就可以求出试件发生的应变,测试结果见表4。

表4 数显千分表测量结果

5 结语

以上介绍的四种测试方法都是现阶段土木工程行业在进行应力应变测量时常用的测试手段。但是从测试结果来看,不同测试方法的结果与理论值相比,显示出了不同的精度。电阻式应变片的测量精度最高,这是由于应变片是基于金属丝的电阻应变效应,即金属丝的电阻随被测构件的变形而改变,它所感知的是一个平均应变。它具有灵敏度高、质量小、尺寸小等特点,同时它不仅能作为静态测量,而且可以在动态应力分析方面发挥独特的作用。但是,它又有粘贴工作量大,重复使用困难,粘贴质量要求高,受温度效应影响以及防潮防水等方面的缺点。

引伸计和数显千分表由于受到标距长度以及安装的限制,在力学实验中运用比较少。一般适合于金属结构,如钢结构的应力应变测量。

虽然振弦传感器的测量精度,相对于应变片等来说有一定的差距(这点可以在与理论值的相对误差中反映出来)。但是振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小,因此具有长期零点稳定的性能。同时它又有着使用方便,便于回收利用,在长期、静态测试中振弦传感器良好的电磁稳定性,这些电阻式应变片无法比拟的优点显示出了其广阔应用和发展的前景。

各种测量手段在不同的场合显示出了不一样的优越性。因此在实际工程中,选择测量方法时应该因地制宜,根据现场实际情况来做出合理的选择,才能达到最佳的测量效果。相信随着科技的发展和进步,各种集成化、自动化、高精度、高速度、高稳定性、适用范围更广的测量设备和测试手段将更好的为我们服务。

[1]章关永.桥梁结构试验[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]夏祁寒.应变片测试原理及在实际工程中的应用[J].山西建筑,2008,34(28):99-100.