《鞍山科技大学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《鞍山科技大学（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、在各种工程结构试验研究时，应变通常是必须测量的力学量之一，目前普遍采 用的方法是贴应变片。使用应变片时，贴片、焊线、封片等工作常常在几米乃至几 十米的高空进行，工作难度大，质量难保证，效率比较低，而且测量值受环境温度 和环境湿度影响大，时常有些测点的测值飘移大，测量数据可信度低。如何解决上 述问题是测试工作者长期以来一直在探索的问题。目前国外已用应变测量传感器有 效地解决了上述问题，但该类传感器价格昂贵，每只近万元；国内曾有弓形应变测 量传感器，但由于其工作性能差已停止生产多年；其他结构型式的应变测量传感器 也未见文献报道。本文分析了双悬臂梁结构的工作特性，从理论上证明了这种结构 用于制作应变
2、传感器的可行性与优点，研制出了基于双悬臂梁结构的应变测量传感 器。经过室内标定试验和混凝土棱柱体试件对比试验以及实桥荷载试验，证明这种 应变测量传感器具有测量数据线性关系好，测值稳定，现场使用方便等优点，可广 泛应用于各种建筑物构件的应变测量，也可检测大型金属构件的应变。该传感器已 获国家专利。一、传感器工作原理图 1 所示传感器测试原理示意图。连杆的一端与应变传感器相联接、另一端与 支座相联接，传感器与应变仪连接。使用时将传感器和支座用胶粘贴在构件上被测 部位，当构件发生变形时，传感器与支座间发生相对位移AL,则构件被测部位的应 变值由下式计算：AL式中：应一构件被测部位的应变值，遊；L 一
3、传感器与支座间的相对位移， mm；L0传感器轴线与支座轴线间的距离，通常称为标距，TIHl。图 1 传感器工作原理示意图1 田芯插座； 2 传感器；3 连杆（可拆装）；4 限动螺钉；5 支座；6 被测构件显然，只要测量出了传感器与支座之间发生的相对位移AL,就可以得到构件被 测部位的平均应变值。为了测量AL,在传感器内部有一双悬臂梁结构，梁表面粘贴 若干枚高精度应变片，组成全桥电路，外加封套，就可以制成如图1 所示传感器， 将传感器在专门设计的装置上进行标定，就可以得到传感器的输出灵敏度K于是 有：（2）式中：F仪一应变仪指示应变量，遊；K 一传感器的输出灵敏度，遊/rnm。式（2）代人式（1
4、）可得构件被测部位的应变值为3）二、双悬臂梁工作特性分析我们熟悉，单悬臂梁端部在外力p的作用下，梁端部既产生挠度、又产生转角, 而且抗扭能力差。而对于图2 所示的双悬臂梁结构（自由端上下梁固结），梁端部 在外力 P 的作用下其端部将近似产生平动，并且抗扭刚度显著大幅度提高，梁截面 弯矩较同尺寸单悬臂梁增大一倍。这些工作特性是极其有用的。/z/z/图 2 梁端受力分析示意图取双悬臂梁的上、下梁几何尺寸和材料完全相同，应用材料力学知识，研究如 图 2 （ b ）所示的力学模型，因端部转角口很小，故绘图时未标注，为了研究方便，在以下公式推导中取cos &=1, sin日二0, M =M =M, Q
5、=Q =Q，可以得到：平衡方程：2QF=0MNz=ON +N2 =2M4-6)式中：M 悬臂梁端部截面弯矩，Nm；Q 一悬臂梁端部截面剪力，N；叫、% 一悬臂梁轴力，N；P 一悬臂梁端部作用的外力， N，h 一梁间距， m；a 一梁高， m。变形协调方程：9 型尹=&（7）式中： 一在轴力作用下梁伸长（或缩短）量，m；日一梁端部截面转角，tad。单悬臂梁梁端在力Q、M作用下转角和挠度分别为:(8-11)式中：E 一弹性模量，MPa；J 一梁截面惯性矩， m4；色、 单悬臂梁梁端在力Q、M作甩下转角，rad；九、九单悬臂梁梁端在力Q、M作用下挠度，m；根据变形协调关系应有：r ? I jQ吋 F
6、k.nUQ UM_U(12式中：3双悬臂梁端挠度，m。将式(8)、(9)代入式(12)，式(10)、(11)代人式(13)有：14 、 15 )-翥+韵F单悬臂梁端在轴力N,作用下其伸长量为：式中：A 一梁截面积，mz悬臂梁工作长度， m。联立求解式(4)(7)、式(14)(16)可得到：化彳=6EM(M+a)23 l2CACAh+a)2 + 16J)c=3EJ3 i 97A(zVl+G2g7 l3 沪3(加+)2 + 16丿)P=2Q2 _n - 12EJAUA+a)ziy._ NlN222(a(m+)2+i6D&=24好 Z(A(dA+a)2+16J)17-21 )由图（ 2）有：17)2
7、1)M= 6Eba (AA+2 ) 夕 Z2(12(ZlA+a)2 + 16a2)c_ pba? 9Eba3 Qyi+a)34yQ 4 尸 l2(12ah+a)2+16a2)N = 3Ebaa/i+a)3Ay一卩g(母+切+仏2)n= 6/3I ( 3 (4A+a ) + 4a2)(22-25)式中：不一矩形截面梁宽度，m。一般梁的厚度口远小于两梁间距，因此分母中的第一项远大于第二项，为了讨论方便，略去分母中的口。项有近似表达式：2l22a2 Ay+ *（229）近一步得到梁端表面最大应变表达式：3必夕M = _j2N I2 a/l+a）（30、31）分析式（ 30）、（ 29）和（ 27）容
8、易得出以下几条结论：1梁端表面应变与梁自由端挠度成线性关系，这就从理论上保证了传感器输出 与输入的线性；2梁端部在小挠度下，其转角近似为零，因此梁端的平动保证了梁端部在小挠 度下不会产生附加弯矩而引起的非线性；3梁端部在小挠度下剪力很小，因此传感器工作时不会由于附加力而使构件局部应变增大；4只需改变梁的厚度和长度，就可大幅度提高梁表面的应变值，由此容易制作 出不同输出灵敏度的传感器。三、传感器标定实验为了得到传感器的输出灵敏度K,将传感器模拟实际使用工况固定在专门设计 的装置上，四芯插头通过导线连接到标准应变议（型号：TDS-602；产地：日本）， 支座端连接高分辨率测微表检定仪（型号：DS1
9、0B；产地：北京；分辨率0.1 ， 检定仪给出标准位移量（输入），从应变仪上就可以得到读数务（输出），由此 得到传感器的输出灵敏度K值为：32)式中：务一标准应变议读数，月凸一测微计给出的标准位移量， mm。表1给出了一个传感器的三次标定数据，从中可得到最大线性度误差是0.125% 示值满量程最大误差是0.28%，该传感器的输出灵敏度值K为10800 凸/mm。表 1 传感器标定数据表标准位移/mm应变仪读数/侔标称平均i 读数偏差:81值最 上偏差/pe皎钺3皱/侔/侔0. 00000 00000. 02216215216215.7216一 0.310. 04433431432432.043
10、20.010. 06652647649649.36481.320. 08868862865865.08641.020. 10108310771 081 1 080. 3 1 0800.330.121 29912941 298 1 297. 0 1 2961.030. 141 5161 5101 515 1 513. 7 1 5121.740. 16173517251 730 1 730. 0 1 7282.070. 181 95019421 945 1 945. 7 1 9441.760. 202 1662 1582 164 2 162. 7 2 1602.76四、棱柱体试件对比试验采用多组棱
11、柱体试件，在试件两两相对面分别贴电阻片和安装这种可装配式应 变测量传感器进行了大量对比试验，其结果吻合很好，示值最大偏差1.8%。表2是 一个棱柱体试件应变片与传感器测量值对照表。表 2 应变片与传感器测量值对照表/kN应查片测id优憑恃勞器测吐叫均谊仏相帝%chQ7ChQ8均慎ChO9Chlfl曰ft021.5100.5/1027-g-1B.U-10-22-16.0-E/-51-31TX-25-53囘。-2/sa-66-5E-fiO, IB-71-5k 5/軸-89估-82LO73-&s-SO. 5-1b5L85010一 1G冷-&s-103灿待-11,06D-137-1JS-126. U-
12、135-19-327.0a.-s7D156-13E-151.C 166-132149._畫-194-1521?8. C一阴-U8-175.5-2.5L4旳-ns2C4u 5aj6-154一沁訂-0. 50.3100一卫牝-212-326. 0 2li7-179-Z21.0-3-1)12110-268-233-2S0.5-258附-247.07 5l.finol翊-25?-272.0 3SJ-212 STS, 1.51.4注，ch07接棱柱体正面，ch08接棱柱体背面，ch09接棱柱体左侧面，ch08接 棱柱体右侧面五、实桥检测应用该传感器已经使用在了室内多个梁、柱模型试验和二十余座桥梁的静动载
13、试验 中，表现出了良好的工作性能。由于篇幅关系，下面仅给出两张现场使用时的照片。 照 1 是长安大学人行钢管拱桥定期检测时在拱脚安装的传感器，照2 是徐州市沛县 沿河桥（桁架拱桥）检测时在拱肋上拱脚位置安装的传感器。照 1 钢管拱桥拱脚安装的传感器照 2 桁架拱桥拱脚安装的传感器六、传感器性能分析与小结1弹性元件在结构上采用了双悬臂梁结构，i分析表明这种结构从理论上输入 与输出成线性关系，标定试验结果也验证了理论推导的正确性；2通过对多种弹性敏感材料进行相关性能对比试验，选用其综合性能最佳的材 料，并经反复试验，摸索出了一套热处理工艺，使得弹性元件具有良好的工作性能；3应变片委托生产厂家专门研制，选用高精度温度自补偿该传感器专用应变片，再加桥路补偿，还有隔热衬套，多重措施有效地降低了温度对测量值的影响；4经过大量对比试验，选用美国进口高性能粘接剂，严格粘贴工艺，加之一系列后处理工序保证了传感器良好的工作性能，蠕变0.6%F S/30min；5采用了多层防潮措施，浸水24h，绝缘电阻仍大于1000M ；6.尺寸小，重量轻（重80g），加之悬臂梁刚度很小，在最大位移时受拉力（或 推力）小于3N,故对构件表面不会产生附加应变；7标距L0可根据需要选取，从而可满足各种检测需要，比如砌体结构（石拱 桥）
