考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法，該法充分考慮了測(cè)試中底座支架變形引起的應(yīng)變測(cè)試誤差，在既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中，通過(guò)選擇合適尺寸及材料的底座支架、傳遞桿、感應(yīng)桿，控制架立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變測(cè)試誤差，從而滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證了應(yīng)變測(cè)試的可靠性；同時(shí)，對(duì)架立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變測(cè)試誤差進(jìn)行分析，獲得盡可能接近真實(shí)值的測(cè)試應(yīng)變，反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變變化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試的精準(zhǔn)度和精細(xì)化。本發(fā)明提出的方法可廣泛適用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、健康監(jiān)控及基于動(dòng)應(yīng)變識(shí)別移動(dòng)荷載等技術(shù)領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于架立式應(yīng)變測(cè)試方法，尤其設(shè)及一種考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當(dāng)今±木工程行業(yè)中，應(yīng)變測(cè)量廣泛地應(yīng)用于建筑、鐵路、橋梁、交通、大巧等結(jié) 構(gòu)上。結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試是工程人員了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、保證結(jié)構(gòu)安全W及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu) 化的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。例如在大跨度橋梁的施工過(guò)程W及營(yíng)運(yùn)過(guò)程的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中，對(duì) 關(guān)鍵截面的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為橋梁的施工、營(yíng)運(yùn)、加固提供依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全是橋梁 建設(shè)一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。
[0003] 由于安裝在結(jié)構(gòu)表面、替換方便，架立式應(yīng)變傳感器被廣泛應(yīng)用于建筑、鐵路、橋 梁、交通、大巧等結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，底座支架尺寸選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較大 的變形，嚴(yán)重影響應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的可靠性，甚至底座支架引起的應(yīng)變誤差遠(yuǎn)大于所測(cè)試結(jié) 構(gòu)本身的應(yīng)變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法，該法 可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試的精準(zhǔn)度和精細(xì)化，可廣泛適用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、健康監(jiān)控及基于動(dòng)應(yīng)變 識(shí)別移動(dòng)荷載等技術(shù)領(lǐng)域。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案:考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè) 試方法，包括W下步驟：
[0006] <1〉在一定的材料和尺寸范圍內(nèi)，選擇構(gòu)建架立式應(yīng)變傳感器的底座支架、傳遞 桿、感應(yīng)桿，使得傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系避
苗和I分別為底座支架有效高度、彈性模量及截面慣性矩，l、s、e分別為感應(yīng)桿有 效長(zhǎng)度、截面面積、彈性模量為，L為2個(gè)底座支架的中屯、間距，傳遞桿的有效長(zhǎng)度為化-1)、 截面面積為S、彈性模量為E;
[0007] <2〉安裝架立式應(yīng)變傳感器:在被測(cè)試結(jié)構(gòu)表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋或焊接安 裝中屯、間距為L(zhǎng)的2個(gè)底座支架，各底座支架頂端分別與1根傳遞桿連接，兩傳遞桿的相鄰端 與附有應(yīng)變感應(yīng)裝置的感應(yīng)桿連接；
[000引<3〉荷載發(fā)生變化時(shí)或變化后，讀取架立式應(yīng)變傳感器示值應(yīng)變Eg,按公式計(jì)算架 立式應(yīng)變傳感器測(cè)試真值應(yīng)變63;所述公式為63=684 68=(14)68,63=(14^，是二嘴， 式中駕為架立式應(yīng)變傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差，τ為架立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變誤差特征 系數(shù)。
[0009] 應(yīng)變感應(yīng)裝置為電阻式應(yīng)變片或鋼弦式感應(yīng)裝置。
[0010] 針對(duì)現(xiàn)有架立式應(yīng)變測(cè)試可靠性差的問(wèn)題，發(fā)明人建立了一種考慮固有誤差的架 立式應(yīng)變測(cè)試方法，該法充分考慮了測(cè)試中底座支架變形引起的應(yīng)變測(cè)試誤差，在既有的 架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中，通過(guò)選擇合適尺寸及材料的底座支架、傳遞桿、感應(yīng)桿，控制架 立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變測(cè)試誤差，從而滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證了應(yīng)變測(cè)試 的可靠性；同時(shí)，對(duì)架立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變測(cè)試誤差進(jìn)行分析，獲得盡可能接近真實(shí)值 的測(cè)試應(yīng)變，反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變變化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試的精準(zhǔn)度和精細(xì)化，可廣泛適 用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、健康監(jiān)控及基于動(dòng)應(yīng)變識(shí)別移動(dòng)荷載等技術(shù)領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是架立式應(yīng)變傳感器的立面構(gòu)造圖。
[0012] 圖2是底座支架變形求解原理圖。
[0013] 圖3是傳遞桿、感應(yīng)桿變形前示意圖。
[0014] 圖4是傳遞桿、感應(yīng)桿變形后示意圖。
[001引圖中：1被測(cè)試結(jié)構(gòu)物，2底座支架，3傳遞桿，4感應(yīng)桿(附應(yīng)變感應(yīng)裝置），5作用力 F，6變形后的底座支架。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法的基本原理(如圖1至4)
[0017] 1.操作步驟
[001引<1〉在既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中，選擇構(gòu)建架立式應(yīng)變傳感器的底座支架、 傳遞桿、感應(yīng)桿，使得傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系數(shù)
量??；
[0019] 式4
和I分別為底座支架高度、彈性模量及截面慣性矩，1、S、 e分別為感應(yīng)桿有效長(zhǎng)度、截面面積、彈性模量為，L為2個(gè)底座支架的中屯、間距，傳遞桿的長(zhǎng) 度為化-1)、截面面積為S、彈性模量為E;
[0020] <2〉安裝架立式應(yīng)變傳感器:在被測(cè)試結(jié)構(gòu)（1)表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋或焊接 安裝中屯、間距為L(zhǎng)的2個(gè)底座支架，各底座支架頂端分別與1根傳遞桿(3)連接，兩傳遞桿(3) 的相鄰端與附有應(yīng)變感應(yīng)裝置（電阻式應(yīng)變片或鋼弦式感應(yīng)裝置)的感應(yīng)桿(4)連接，被測(cè) 試結(jié)構(gòu)（1)、底座支架(2)、傳遞桿(3)及感應(yīng)桿(4)構(gòu)成一個(gè)框架，底座支架(2)、傳遞桿(3) 及附有應(yīng)變感應(yīng)裝置的感應(yīng)桿(4)構(gòu)成架立式應(yīng)變傳感器；
[0021] <3〉荷載發(fā)生變化時(shí)或變化后，讀取架立式應(yīng)變傳感器示值應(yīng)變Eg,按公式計(jì)算架 立式應(yīng)變傳感器測(cè)試真值應(yīng)變?chǔ)纽?所述公式為εζ = = ) Eg, εζ= () Eg，璋=訪g， 式中緝?yōu)榧芰⑹綉?yīng)變傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差，τ為架立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變誤差特征 系數(shù)。
[0022] 2.公式推導(dǎo)
[0023] 把底座支架看作高度為h的懸臂梁，其端部受到端部為F力時(shí)，懸臂梁變形曉度曲 線為式(1)，見(jiàn)圖2所示。
[0024]
(1)
[0025] 式(1)中式X為懸臂梁的軸向坐標(biāo)，護(hù)和I分別為底座支架彈性模量、截面慣性矩，
[0026] 當(dāng)x = h時(shí)，可得懸臂梁端部的變形曉度值式(2):
[00271
倒
[0028] 外力F的作用下傳遞桿和感應(yīng)桿的應(yīng)變分別為eE、eg，由傳遞桿和感應(yīng)桿的軸向力 相等，可得式(3)，見(jiàn)圖3和圖4所示。
[0029] F =沈 ec = seeg (3)
[0030] 令篇:::，可得式(4)與式(5):
[0031]
(4)
[0032] e〇 = Aeg (5)
[0033] 同理可得誤差應(yīng)變關(guān)系式(6):
[0034]
化)：
[0035] 由變形協(xié)調(diào)條件可知，感應(yīng)桿和傳遞桿的變形量之和與兩個(gè)支架的變形量之和相 等，即可得式(7)。
[0036]
(7)
[0037] 式(3)和式(6)代入式(7)，得式(8):
[00；3 引
?。?br>[0039] 令# = 式(8)化簡(jiǎn)后可得式(9):
[0040]
(9)
[0041 ] 令
，可得式(10):
[0042] 是、放" （i的
[0043] 由于底座支架的變形使得示值應(yīng)變Eg小于真值應(yīng)變?chǔ)纽?，考慮因底座支架變形后的 應(yīng)變誤差％和示值應(yīng)變Eg之和即是傳感器的真值應(yīng)變?chǔ)纽?，因此有?11):
[0044] εζ=Ε8·Κε；8=(1·Ητ)ε；8 (11)
[0045] τ為外置式傳感器誤差特征系數(shù)，與傳感器的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)?？梢?jiàn)傳感器的固有 測(cè)試誤差與傳感器的示值成正比例，即示值應(yīng)變?cè)酱螅`差越大；當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)一定值時(shí)， 傳感器誤差特征系數(shù)是恒定值，從既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中，選擇構(gòu)建架立式應(yīng)變 傳感器的底座支架、傳遞桿、感應(yīng)桿，使得傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系數(shù)最小，即可獲 得最接近真實(shí)值的測(cè)試應(yīng)變。
[0046] W下通過(guò)應(yīng)用實(shí)例具體說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)用實(shí)例參照上述方法操作進(jìn)行。
[0047] 應(yīng)用實(shí)例1
[004引在既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中，按固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系I
最小原則，預(yù)先測(cè)算并選定構(gòu)建架立式應(yīng)變傳感器的底座支架、傳遞桿、感應(yīng)桿(傳感器誤 差特征系數(shù)τ = 0.0076)，然后開(kāi)始安裝架立式應(yīng)變傳感器。
[0049] 在結(jié)構(gòu)表面鉆孔植筋中屯、間距為166mm的2個(gè)底座支架;直徑18mm的傳遞桿頂端與 底座支架連接;在長(zhǎng)度16mm的感應(yīng)桿兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分別粘貼電阻式應(yīng)變片，感應(yīng)桿截面為6mmX 0.5mm矩形。傳遞桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為254.47mm2、200G化、 5.0894 X 104kN/mm;感應(yīng)桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為3.00mm2、 71GPa、2. 13X l〇2kN/mm;底座支架高度、彈性模量、慣性矩分別為15mm、210GPa、 3005508.9mm4;感應(yīng)桿與傳遞桿的軸向剛度比為0.0041852，感應(yīng)桿兩端部開(kāi)孔的中屯、距離 為與底座中屯、間距比為0.09639。實(shí)例1測(cè)試誤差分析見(jiàn)表1。
[0050] 表1實(shí)例1誤差應(yīng)變分析結(jié)果
[0化1 ]
[0化2] 應(yīng)用實(shí)例2
[0化3]在既有的架立式應(yīng)變傳感器構(gòu)件中，按固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征系I
最小原則，預(yù)先測(cè)算并選定構(gòu)建架立式應(yīng)變傳感器的底座支架、傳遞桿、感應(yīng)桿(傳感器誤 差特征系數(shù)τ = 〇.0243)，然后開(kāi)始安裝架立式應(yīng)變傳感器。
[0054]在結(jié)構(gòu)表面植筋中屯、間距為520mm的2個(gè)底座;直徑23mm的傳遞桿穿入底座的頂端 的開(kāi)孔，并采用螺帽在底座頂端開(kāi)孔的兩側(cè)將傳遞桿梓緊;在兩端開(kāi)孔中屯、距為10mm的侶 儀合金感應(yīng)桿兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分別粘貼電阻式應(yīng)變片，感應(yīng)桿截面為4mmX 0.5mm矩形;并采用防 護(hù)材料將電阻式應(yīng)變片和粘貼有電阻式應(yīng)變片的部分感應(yīng)桿包裹防護(hù);在傳遞桿的相鄰端 采用螺栓將感應(yīng)桿和傳遞桿連接梓緊固定;調(diào)整螺帽使底座、傳遞桿和感應(yīng)桿充分受力。傳 遞桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為415.48mm2、210G化、8.7245 X 104kN/ mm;感應(yīng)桿的截面面積、材料彈性模量、軸向變形剛度分別為2.00mm2、40GPa、0.80 X 102kN/ mm;底座支架高度、彈性模量、慣性矩分別為2〇111111、2106?3、4148928.〇1111114;感應(yīng)桿與傳遞桿 的軸向剛度比為0.0009169,感應(yīng)桿兩端部開(kāi)孔的中屯、距離為與底座中屯、間距比為 0.019231。實(shí)例2測(cè)試誤差分析見(jiàn)表2。
[0055]表2實(shí)例2誤差應(yīng)變分析結(jié)果
[0化6]
[0057]~表1和表2中各指標(biāo)參數(shù)含義如下:
[0化引示值應(yīng)變:架立式應(yīng)變傳感器的顯示應(yīng)變。
[0059] 誤差應(yīng)變:架立式應(yīng)變傳感器測(cè)試固有誤差應(yīng)變。
[0060] 真值應(yīng)變:誤差應(yīng)變和示值應(yīng)變之和。
[0061 ]相對(duì)誤差：I誤差應(yīng)變I X 100/真值應(yīng)變。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法，其特征在于包括以下步驟： 〈1>在一定的材料和尺寸范圍內(nèi)，選擇構(gòu)建架立式應(yīng)變傳感器的底座支架、傳遞桿、感 應(yīng)桿，使得傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差特征KE'和I分別為底座支架有效高度、彈性模量及截面慣性矩，l、s、e分別為感應(yīng)桿有效長(zhǎng)度、 截面面積、彈性模量為，L為2個(gè)底座支架的中心間距，傳遞桿的有效長(zhǎng)度為(L-1)、截面面積 為S、彈性模量為E; 〈2>安裝架立式應(yīng)變傳感器:在被測(cè)試結(jié)構(gòu)表面平行應(yīng)變方向鉆孔植筋或焊接安裝中 心間距為L(zhǎng)的2個(gè)底座支架，各底座支架頂端分別與1根傳遞桿連接，兩傳遞桿的相鄰端與附 有應(yīng)變感應(yīng)裝置的感應(yīng)桿連接； 〈3>荷載發(fā)生變化時(shí)或變化后，讀取架立式應(yīng)變傳感器示值應(yīng)變eg，按公式計(jì)算架立式 應(yīng)變傳感器測(cè)試真值應(yīng)變?chǔ)舲;所述公式為εζ = εg+Tεg = (1+τ) εg，εz = (1+τ) εg，氣.=，式中 &為架立式應(yīng)變傳感器固有測(cè)試應(yīng)變誤差，τ為架立式應(yīng)變傳感器固有應(yīng)變誤差特征系數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮固有誤差的架立式應(yīng)變測(cè)試方法，其特征在于:所述應(yīng)變 感應(yīng)裝置為電阻式應(yīng)變片或鋼弦式感應(yīng)裝置。
【文檔編號(hào)】G01B21/32GK105823458SQ201610351765
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】郝天之, 陳齊風(fēng), 王龍林, 劉世建, 邱波, 于孟生
【申請(qǐng)人】廣西交通科學(xué)研究院