DH3818靜態應變測試系統在工程中的應用

王建剛

(長沙理工大學，湖南長沙 410076)

0 引言

在實際的橋梁工程中，為了了解鋼筋混凝土橋梁的承載能力和使用性能，為以后的養護、加固和運行后的安全使用提供可靠有效的資料，必須對橋梁進行荷載試驗。而在荷載試驗過程中，結構在受力時，其內部會產生內力，而內部應力在正常的情況下無法直接測到，目前通用的做法就是根據材料力學中應力與應變的關系式，通過應變測試系統來測出結構的應變，間接的計算出結構的內部應力。因此，結構應變測量是鋼筋混凝土橋梁荷載試驗中研究構件應力狀態必不可少的一個指標。

實際應變測試中，測試方法和測試儀器也是多種多樣的，比如常見的機械式測量儀器、電測儀器等。在檢測中，通常采用的試驗方法是通過應變片作為傳感器來完成試驗，該試驗方法的原理就是被測結構物的變形通過應變片電阻值的變化反映出來。而且結構應力應變測試往往采用的是惠斯通電橋電路，并需通過調理電路提供激勵電壓、組橋及對信號進行濾波和放大。在這里，介紹一種叫DH3818-2靜態應變測試儀，該儀器主要就是以電阻應變片作為測量傳感器，并與屏蔽線作為導線連接來共同完成試驗。

1 應變測試分析系統

DH3818-2靜態應變測試分析系統是一種最常用的測量結構應變的方法，該應變測量方法的核心元件是應變片，主要是通過導線把應變片和靜態應變測試儀連接在一起，作為一個測試系統來進行靜載試驗，完成應變的測量。

1.1 系統組成及功能

本文介紹的DH3818-2靜態應變測試儀器共有20個通道，可以同時測量20個測點。測量前，需要根據應變片的靈敏系數、屏蔽線電阻、橋路連接方式等，計算出修正系數，并輸入其值，同時需對每一個通道進行平衡操作。儀器圖片見圖1。

1.2 應用范圍及修正系數的確定

本文中介紹的應變測試儀的橋路連接方式有6種，每種連接方式的使用用途以及在測試前需要輸入的參數也是各不相同的，每種方式的用途也是不同的。

圖1 DH3818-2應變測試系統（20測點）

1.2.1 測量范圍

1)根據測量方案，完成全橋、半橋、1/4橋(公共補償)狀態下的靜態應變的多點檢測。

2)和各種橋式傳感器配合，實現壓力、荷重等物理量的檢測。

3)可以對小電壓信號進行檢測，分辨率高達1 uv。

1.2.2 修正系數的確定

在橋梁應變測試前，由于應變片和導線的不同，需要對應變片和導線的靈敏系數進行修正，進而確定修正系數，實際修正系數=A×B×C。

其中，A為通過應變片的靈敏系數K確定的，即A=2/K，K為應變片的靈敏系數;B是由路橋連接方式確定的，方式一、二為1，方式三為1/(1+u)，方式四為1/2，方式五為1/2(1+u)，方式六為1/4;C為導線電阻的影響，C=1+nRL/R，RL為單根導線的電阻，R為應變片的電阻。

若導線和應變片的電阻差值較大，需要對其進行修正，反之，不需要。

1.3 工作原理

本文主要是以1/4橋(公共補償)連接方式來簡述其測量原理，圖2為該橋路連接的測量原理圖。

圖2 測量原理

其中，AC為電源端，A端接電源正極，C端接電源負極，B，D兩端分別為信號輸出端，Rg為工作片電阻，AD間的R為補償片電阻，BC，CD間的R為測試系統內部的標準電阻，Kf為低漂移儀表放大器增益。

根據電橋原理，輸出電壓Vi與橋壓Eg、應變片的靈敏系數K、輸入應變ε有關，表達式為Vi=0.25Eg×K×ε。

由低漂移儀表放大器輸出電壓的表達式，即V0=Kf×Vi=0.25 Eg×K×ε×Kf推出應變量ε的表達式，故ε=4V0/(Eg×K×Kf)。

2 測試試驗

為了驗證該測試系統的可靠性、準確性，分別采用DH3816和DH3818-2測試系統對某橋的成橋應變進行了測試試驗。由應變試驗的具體要求可知，在進行試驗時，可以采用不同方式的橋路連接方式。本次試驗采用的1/4橋(公共補償)，分別測得某成橋在某一荷載作用下相應梁的實際應變值ε1，ε2及其理論計算值如表1所示。

表1 應變測試數據

由表1可知，分析比較測試應變值ε1和ε2的測量結果，DH3818-2應變測試系統的精度還是挺高的，而且與理論計算值幾乎相吻合，能夠應用于現實工程結構應力應變的測試當中，但還是存在一定范圍內的誤差。引起測試結果存在誤差的主要原因可能主要有以下兩點:

1)該測試系統的組成元件精度不夠，引起測量誤差。

2)在測量前，未對導線的靈敏系數進行修正，導致測量誤差。

在現實的應變測試中，該應變測試系統還受溫度、空氣濕度、電磁、電壓等的影響。

3 常見的主要問題

1)儀器在測試前，不能平衡，主要原因是連接工作片的導線長度和連接補償片的導線長度不等，而且差值較大，致使他們的電阻阻值超值、工作片的電阻和補償片的電阻阻值超出該系統所要求的范圍、沒有設置修正系數或者修正系數設置為0。

以上原因造成的儀器不能平衡，需要使用萬能表分別檢查導線的電阻來確定是否超值。

2)在測試過程中，應變數據不夠穩定，引起此現象的主要原因是電壓不符合儀器所要求的電壓、導線和應變片接觸不良、應變片不能很好的與結構物表面接觸、電磁場的影響。

3)測量結果隨著時間在不斷的變化，而且變化無規律，時大時小，不能準確的確定該點的應變值，這主要是由于現場溫度在不斷的變化，且溫差大造成的。

4 建議

1)能否考慮裝一個屏蔽測試現場周圍的電磁場的影響，保證測試系統的正常使用，確保數據的準確性。

2)配置一個電源充電裝置，保證在外接電源斷電的情況下，測試系統還能利用自帶的充電裝置正常進行，完成應變的測量。

［1］宋文緒，楊 帆.傳感器與檢測技術［M］.北京:高等教育出版社，2004:190-243.

［2］曹玲芝.現代測試技術及虛擬儀器［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004:158-167.

［3］韋 俊.46.5米大跨度門式多弧形剛架結構現場靜載試驗研究［D］.西安:西安建筑科技大學碩士論文，2008.

［4］吳 楊.扣件式鋼管模板支架承載力理論分析與試驗研究［D］.合肥:合肥工業大學碩士論文，2010.