DH3818静态应变测试系统在工程中的应用

王建刚

(长沙理工大学，湖南长沙 410076)

0 引言

在实际的桥梁工程中，为了了解钢筋混凝土桥梁的承载能力和使用性能，为以后的养护、加固和运行后的安全使用提供可靠有效的资料，必须对桥梁进行荷载试验。而在荷载试验过程中，结构在受力时，其内部会产生内力，而内部应力在正常的情况下无法直接测到，目前通用的做法就是根据材料力学中应力与应变的关系式，通过应变测试系统来测出结构的应变，间接的计算出结构的内部应力。因此，结构应变测量是钢筋混凝土桥梁荷载试验中研究构件应力状态必不可少的一个指标。

实际应变测试中，测试方法和测试仪器也是多种多样的，比如常见的机械式测量仪器、电测仪器等。在检测中，通常采用的试验方法是通过应变片作为传感器来完成试验，该试验方法的原理就是被测结构物的变形通过应变片电阻值的变化反映出来。而且结构应力应变测试往往采用的是惠斯通电桥电路，并需通过调理电路提供激励电压、组桥及对信号进行滤波和放大。在这里，介绍一种叫DH3818-2静态应变测试仪，该仪器主要就是以电阻应变片作为测量传感器，并与屏蔽线作为导线连接来共同完成试验。

1 应变测试分析系统

DH3818-2静态应变测试分析系统是一种最常用的测量结构应变的方法，该应变测量方法的核心元件是应变片，主要是通过导线把应变片和静态应变测试仪连接在一起，作为一个测试系统来进行静载试验，完成应变的测量。

1.1 系统组成及功能

本文介绍的DH3818-2静态应变测试仪器共有20个通道，可以同时测量20个测点。测量前，需要根据应变片的灵敏系数、屏蔽线电阻、桥路连接方式等，计算出修正系数，并输入其值，同时需对每一个通道进行平衡操作。仪器图片见图1。

1.2 应用范围及修正系数的确定

本文中介绍的应变测试仪的桥路连接方式有6种，每种连接方式的使用用途以及在测试前需要输入的参数也是各不相同的，每种方式的用途也是不同的。

图1 DH3818-2应变测试系统（20测点）

1.2.1 测量范围

1)根据测量方案，完成全桥、半桥、1/4桥(公共补偿)状态下的静态应变的多点检测。

2)和各种桥式传感器配合，实现压力、荷重等物理量的检测。

3)可以对小电压信号进行检测，分辨率高达1 uv。

1.2.2 修正系数的确定

在桥梁应变测试前，由于应变片和导线的不同，需要对应变片和导线的灵敏系数进行修正，进而确定修正系数，实际修正系数=A×B×C。

其中，A为通过应变片的灵敏系数K确定的，即A=2/K，K为应变片的灵敏系数;B是由路桥连接方式确定的，方式一、二为1，方式三为1/(1+u)，方式四为1/2，方式五为1/2(1+u)，方式六为1/4;C为导线电阻的影响，C=1+nRL/R，RL为单根导线的电阻，R为应变片的电阻。

若导线和应变片的电阻差值较大，需要对其进行修正，反之，不需要。

1.3 工作原理

本文主要是以1/4桥(公共补偿)连接方式来简述其测量原理，图2为该桥路连接的测量原理图。

图2 测量原理

其中，AC为电源端，A端接电源正极，C端接电源负极，B，D两端分别为信号输出端，Rg为工作片电阻，AD间的R为补偿片电阻，BC，CD间的R为测试系统内部的标准电阻，Kf为低漂移仪表放大器增益。

根据电桥原理，输出电压Vi与桥压Eg、应变片的灵敏系数K、输入应变ε有关，表达式为Vi=0.25Eg×K×ε。

由低漂移仪表放大器输出电压的表达式，即V0=Kf×Vi=0.25 Eg×K×ε×Kf推出应变量ε的表达式，故ε=4V0/(Eg×K×Kf)。

2 测试试验

为了验证该测试系统的可靠性、准确性，分别采用DH3816和DH3818-2测试系统对某桥的成桥应变进行了测试试验。由应变试验的具体要求可知，在进行试验时，可以采用不同方式的桥路连接方式。本次试验采用的1/4桥(公共补偿)，分别测得某成桥在某一荷载作用下相应梁的实际应变值ε1，ε2及其理论计算值如表1所示。

表1 应变测试数据

由表1可知，分析比较测试应变值ε1和ε2的测量结果，DH3818-2应变测试系统的精度还是挺高的，而且与理论计算值几乎相吻合，能够应用于现实工程结构应力应变的测试当中，但还是存在一定范围内的误差。引起测试结果存在误差的主要原因可能主要有以下两点:

1)该测试系统的组成元件精度不够，引起测量误差。

2)在测量前，未对导线的灵敏系数进行修正，导致测量误差。

在现实的应变测试中，该应变测试系统还受温度、空气湿度、电磁、电压等的影响。

3 常见的主要问题

1)仪器在测试前，不能平衡，主要原因是连接工作片的导线长度和连接补偿片的导线长度不等，而且差值较大，致使他们的电阻阻值超值、工作片的电阻和补偿片的电阻阻值超出该系统所要求的范围、没有设置修正系数或者修正系数设置为0。

以上原因造成的仪器不能平衡，需要使用万能表分别检查导线的电阻来确定是否超值。

2)在测试过程中，应变数据不够稳定，引起此现象的主要原因是电压不符合仪器所要求的电压、导线和应变片接触不良、应变片不能很好的与结构物表面接触、电磁场的影响。

3)测量结果随着时间在不断的变化，而且变化无规律，时大时小，不能准确的确定该点的应变值，这主要是由于现场温度在不断的变化，且温差大造成的。

4 建议

1)能否考虑装一个屏蔽测试现场周围的电磁场的影响，保证测试系统的正常使用，确保数据的准确性。

2)配置一个电源充电装置，保证在外接电源断电的情况下，测试系统还能利用自带的充电装置正常进行，完成应变的测量。

［1］宋文绪，杨 帆.传感器与检测技术［M］.北京:高等教育出版社，2004:190-243.

［2］曹玲芝.现代测试技术及虚拟仪器［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004:158-167.

［3］韦 俊.46.5米大跨度门式多弧形刚架结构现场静载试验研究［D］.西安:西安建筑科技大学硕士论文，2008.

［4］吴 杨.扣件式钢管模板支架承载力理论分析与试验研究［D］.合肥:合肥工业大学硕士论文，2010.