高精度梁式傾角儀的研制

李志偉，黃茂忠，李明樂

(1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.河北航科工程檢測(cè)設(shè)備技術(shù)有限公司，河北衡水 053000)

我國已建成和正在修建的高速鐵路中，尚沒有一套技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均可行的監(jiān)測(cè)體系對(duì)橋梁總體的運(yùn)營安全狀態(tài)實(shí)施長期化的安全監(jiān)測(cè)，因?yàn)槟壳暗臉蛄航】当O(jiān)測(cè)方法經(jīng)濟(jì)上是無法承受的。基于高速鐵路橋梁的荷載特點(diǎn)，橋梁運(yùn)營安全主要取決于橋梁的位置狀態(tài)是否正常，因此，對(duì)于高速鐵路橋梁的長期性安全監(jiān)測(cè)，可重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與線路平順性密切相關(guān)的橋梁結(jié)構(gòu)位置狀態(tài)，掌握其發(fā)展變化趨勢(shì)，實(shí)施早期預(yù)警[1]。

影響線路平順性的橋梁結(jié)構(gòu)相對(duì)位置主要是墩臺(tái)相對(duì)沉降、傾斜和梁的撓曲變形，其監(jiān)測(cè)方法目前主要有水準(zhǔn)儀測(cè)量法[2]、GPS測(cè)量法、連通管法和傾角測(cè)試法[3]等。前3種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但均不宜大量用于高速鐵路橋梁的安全監(jiān)測(cè)。

傾角監(jiān)測(cè)法要求傾角儀精度高，長期穩(wěn)定性好，受溫度變化的影響小，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與分析[4]等，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上必需具可行性。目前有各種各樣的傾角儀，一些精度低，一些雖然精度高，但價(jià)格太高，還有一些無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化測(cè)試，均無法用于對(duì)大量的高速鐵路橋梁進(jìn)行長期性安全監(jiān)測(cè)。

1 高精度梁式傾角儀的理論分析

高精度梁式傾角儀是一種將力傳感器轉(zhuǎn)換成傾角傳感器的電阻應(yīng)變式高精度傾角儀。具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)試技術(shù)成熟可靠、精度高、造價(jià)低并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 梁式傾角儀的結(jié)構(gòu)原理

圖1為梁式高精度傾角儀結(jié)構(gòu)原理。截面為b×h的懸臂梁上端與被測(cè)物體固定，下端受一重量為G的重物水平分力的作用，懸臂梁與垂直方向夾角α。在圖1所示平面內(nèi)，懸臂梁在G的分力作用下產(chǎn)生撓曲變形，其固定端處承受的彎矩最大，該端由于彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變也最大。當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生圖示面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)與其固定連接的懸臂梁同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，α角相應(yīng)發(fā)生變化，懸臂梁固定端的彎矩和應(yīng)變也相應(yīng)發(fā)生變化，此應(yīng)變變化通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓變化輸出，這樣被測(cè)物體發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)通過懸臂梁的彎曲變形轉(zhuǎn)換成為電壓變化輸出。

圖1 梁式傾角儀結(jié)構(gòu)原理

1.2 計(jì)算分析

1.2.1 梁的受力與變形

忽略懸臂梁彈性變形的影響(參見圖1)，懸臂梁固定端的彎矩為

固端處截面的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)?/p>

式(3)中E為懸臂梁的彈性模量，當(dāng)懸臂梁的角度變化量很微小，為dα?xí)r，懸臂梁固端截面產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽繛?/p>

式(2)、式(3)和式(4)說明初始角α越大，懸臂梁固端處截面的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)酱螅鋺?yīng)變變化率dε/dα則隨初始角度α的增大而減小，因此為得到較大的應(yīng)變變化率，提高傳感器的精度，懸臂梁應(yīng)盡量處于垂直狀態(tài)。

1.2.2 測(cè)試精度分析

根據(jù)式(4)得出

如果應(yīng)變測(cè)試精度達(dá)到 1×10-6，即 dε＝1×10-6，根據(jù)式(5)計(jì)算得出dα＝5.7″。

2 試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證高精度梁式傾角儀技術(shù)性能指標(biāo)是否達(dá)到監(jiān)測(cè)所需的要求。試驗(yàn)內(nèi)容包括:分辨率、精度、直線度、重復(fù)性、遲滯特性、零漂、溫漂和長期穩(wěn)定性試驗(yàn)。

高精度梁式傾角儀的試驗(yàn)方法參照有關(guān)規(guī)范進(jìn)行:①精度、直線度、重復(fù)性、遲滯和分辨率試驗(yàn)在試驗(yàn)臺(tái)座上進(jìn)行，每個(gè)梁式傾角儀進(jìn)行3次加載和卸載循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載為對(duì)梁式傾角儀施加的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角在試驗(yàn)范圍內(nèi)分級(jí)施加，采集每級(jí)轉(zhuǎn)角下梁式傾角儀的輸出；②零漂和溫漂試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)長不小于30 min，數(shù)據(jù)采集頻率10次/min；③穩(wěn)定性試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求在一固定的梁上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)長為1個(gè)月，數(shù)據(jù)采集頻率1次/10 min。

試驗(yàn)結(jié)果分析:通過對(duì)梁式傾角儀系統(tǒng)性試驗(yàn)，分析其測(cè)試精度、直線度、重復(fù)性、遲滯以及零漂、溫漂和長期穩(wěn)定性是否符合橋梁位置狀態(tài)測(cè)試所需精度要求或相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)其綜合技術(shù)性能作出評(píng)價(jià)。

2.1 分辨率試驗(yàn)

分辨率試驗(yàn)在不同的初始角度下進(jìn)行，分6級(jí)施加傾角，每級(jí)為0.000 7°，圖2為分辨率試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 梁式傾角儀分辨率試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明:在不同的初始傾角下，3個(gè)梁式傾角儀輸出讀數(shù)對(duì)每級(jí)0.000 7°傾角增量的6次加載不但作出相應(yīng)變化，而且輸出讀數(shù)基本呈線性關(guān)系，說明了梁式傾角儀的分辯率均優(yōu)于0.000 7°。

2.2 標(biāo)定試驗(yàn)及分析

依據(jù)橋梁位置狀態(tài)測(cè)試需要，梁式傾角儀±1°的測(cè)試范圍可滿足測(cè)試要求。將梁式傾角儀的初始角度設(shè)在1°左右，標(biāo)定試驗(yàn)范圍為0.2°～2.0°，分9級(jí)施加傾角，傾角從0.2°～2.0°，再逐級(jí)卸載至0.2°為1次荷載循環(huán)。每個(gè)梁式傾角儀標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行3次荷載循環(huán)，采集每組加載循環(huán)后傾角儀的各級(jí)輸出值，取3組試驗(yàn)的平均值作為梁式傾角儀的輸出值并將其與所施加的傾角比較，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析傳感器的精度、直線度、重復(fù)性、遲滯等技術(shù)指標(biāo)。

圖3為3個(gè)梁式傾角儀的標(biāo)定曲線，其精度、直線度、重復(fù)性、遲滯見表1所示。

圖3 梁式傾角儀標(biāo)定曲線

表1 精度測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明:3個(gè)梁式傾角儀均具有很高的精度、直線度、重復(fù)性和極低的遲滯。

2.3 零漂試驗(yàn)

對(duì)經(jīng)過標(biāo)定的梁式傾角儀進(jìn)行零漂試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將傾角置于0°附近，按10次/min的采集頻率采集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，零漂試驗(yàn)時(shí)長為30 min，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)長為35 min，測(cè)得各梁式傾角儀輸出讀數(shù)的變化情況見圖4所示。

圖4 梁式傾角儀零漂測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明:梁式傾角儀最大的零漂僅為0.05%FS。

2.4 溫漂試驗(yàn)

對(duì)經(jīng)過標(biāo)定的梁式傾角儀進(jìn)行溫漂試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將傾角設(shè)定在0°附近，在-2℃和23℃環(huán)境下采集數(shù)據(jù)，按10次/min的頻率采集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，溫漂試驗(yàn)時(shí)長為30 min，測(cè)得各梁式傾角儀輸出讀數(shù)的變化情況見圖5所示。

圖5 傾角儀溫漂測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明:梁式傾角儀的溫漂最大為0.27%FS。

2.5 長期穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)傳感器長期穩(wěn)定性試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，穩(wěn)定性試驗(yàn)用3個(gè)傳感器，每個(gè)梁式傾角儀設(shè)相互垂直2個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在不同傾角下進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集頻率1次/10 min，測(cè)試持續(xù)一個(gè)月時(shí)間，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)共4 294個(gè)。圖6為測(cè)試設(shè)備的安裝圖。

試驗(yàn)結(jié)果表明:根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得出梁式傾角儀各個(gè)測(cè)點(diǎn)的長期穩(wěn)定性最大偏差為1.9%FS。

2.6 橫軸影響試驗(yàn)

梁式傾角儀可通過應(yīng)變片對(duì)稱粘貼的辦法消除橫軸影響，即如果傳感器測(cè)試方向?yàn)閤方向，在與之垂直的y方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器的輸出為0，圖7為橫軸影響試驗(yàn)得出的傾角輸出曲線。

圖6 長期穩(wěn)定性試驗(yàn)設(shè)備安裝

圖7 橫軸影響試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明:傾角從-0.3°至0.3°變化時(shí)，3個(gè)梁式傾角儀的輸出增幅僅分別為0.36%FS，0.36%FS和0.11%FS。

3 高精度梁式傾角儀的經(jīng)濟(jì)性及結(jié)論

高精度梁式傾角儀的制造成本包括懸臂梁彈性體制造費(fèi)、裝配結(jié)構(gòu)及安裝盒制造費(fèi)、前置器制造費(fèi)和組裝調(diào)試費(fèi)。經(jīng)對(duì)研制過程各部件的加工工藝和批量制造工藝及成本的分析，參考現(xiàn)有類似產(chǎn)品的售價(jià)，高精度梁式傾角儀制造成本可控制在2 000元/個(gè)以下，大批量制造時(shí)成本還將更低。

正由于其高精度和低成本，高精度梁式傾角儀適用于作為高速鐵路橋梁安全監(jiān)測(cè)用傳感器。