CN101825429A - 一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪及使用方法，属于工程结构变形的实时监测的技术领域。其特征是从铰接支架的竖向刚性板、水平向刚性板的定向滑槽引出两个形状相似、互相嵌套的非同心弧形金属应变载片；基于两个应变片测量值间的线性无关性，建立支架刚板间转角φ及应变载片端部沿定向滑槽方向上的位移u_r构成的耦合变位的求解线性方程组。支架刚性板间转角φ即为待求结构转角。仅以动态应变测量值为依据，测值单一，利于爆炸、地震等快速往复破坏性荷载作用中结构大幅角度变化的监测；结构简单、尺寸较小、价格便宜，便于在小尺度结构振动模型试验中大量一次性采用。

Description

一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪及使用方法

技术领域

本发明属于土木与机械工程结构变形的实时监测的技术领域，尤其适用于在地震、爆炸等快速往复荷载作用下的角度动态测量，涉及到建筑悬挑结构端部，机械部件间转角量测装置，特别是一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪及使用方法。

背景技术

地震、爆炸等破坏性动载作用下，部件间的转角是结构变形监测的重要参数之一，尤其在转角部位进入塑性非线性力学状态后，对于评价结构的整体安全性有着重要意义。目前，国内外角度测量领域主要应用以量角器为基础的机械式或光学角度测量仪。其中机械式角度测量仪多适用于静态或长效载荷作用下的角变位监测，往往需要在结构变形稳定后进行人工读数，不适用于地震、爆炸等短时动载情况。而光学角度测量仪结合电子读数装置，可实时报数，但一般这类仪器的结构精密，尺寸较大，造价昂贵，若在原型结构或模型试验中大量一次性采用则代价较大。现尚未见基于应变测量的角度动态变化监测仪器的报道，而应变量测技术在结构力学分析领域应用十分广泛，尤其适用于地震、爆炸等极端快速动载情况。其涉及的核心问题是如何建立应变片线变位与结构转角之间的数值关系，以及如何有效保证或大或小角度情况下的角度测量仪的量测精度。

发明内容

本发明将提供一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪及使用方法，克服了现有机械式与光学角度测量仪结构复杂，尺寸相对较大，价格昂贵，不利于在小尺度结构或模型试验中一次性大量采用等问题；克服了现有角度测量仪主要适用于长时缓变载荷工况，不利于地震、爆炸等短时强动力条件下的结构角度变形的监测问题。

本发明的技术方案是：

由两个贴有应变片的非同心“Ω”型金属应变载片组合作为相互嵌套的弧形应变载片组，即测量的基本单元。该组应变载片通过如下方式固定在由铰链连接的相互垂直的刚性支架(简称“支架”)上：两个应变载片在两端接头位置重合，分别从支架两刚性板上引出，其中一端直接与竖向刚性板固接，另一端连接于水平向刚性板上的定向滑槽中；从应变载片形状上，一个应变载片呈1/4圆弧，两端接头处垂直于支架刚板；另一个应变载片呈3/4圆弧，两端接头处相切于支架刚板。如此可保证两个非同心应变载片外弧面内的环向变形线性无关。

于是，应变载片其中一端沿滑槽的定向位移量u_r和支架两刚性板之间的转角φ将耦合体现在各个应变片量测值(ε_i)上。在载片弹性形变范围内，满足线性叠加关系，公式如下：

ε₁＝α_u1·u_r+α_φ1·φ

ε₂＝α_u2·u_r+α_φ2·φ

进而，通过监测应变(ε_i)变化，联立求解下述二次线性方程组，可获得待测支架刚性板间转角变化值φ。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_r\\ \mathrm{\φ}\end{array}\right\}={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_{u1}& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}1}\\ {\mathrm{\α}}_{u2}& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}2}\end{array}\right]}^{-1}\·\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\ϵ}}_2\end{array}\right\}$

本发明中的定向滑槽在结构发生大角度变化的情况下可以使应变载片组一端的约束得到有效释放，使应变载片环向变形不超出弹性范围，保证了大角度量测的准确性。

本设计还有以下局部优化方案：1.将支架各平面刚板改进成为“L”型刚性板，其中刚性板长边与结构固定连接，从刚性板的短边上引出应变载片，短边刚性板之间的转角与长边间转角相等，这样便于角度量测仪在大尺度结构上安装；2.本发明中的刚性板支架上的定向滑槽内部上窄下宽，防止滑块在结构试验过程中从滑槽中脱落；3.增加一个应变载片的数量，则测定的应变值数量将大于两个耦合变位待求量的个数，形成超定方程组的形式，采用最小二乘方法求解，能有效减小应变测量误差对线性方程组求解的不利影响。

本发明的有益效果是，仅以应变动态测量值为依据，测值单一可靠，数据分析简单，有利于地震、爆炸等短时快速往复载荷情况下的结构角度变形的实时监测与分析；仅采用金属应变片载片、电阻式应变片等元件，结构简单，尺寸较小，价格便宜，利于在小尺度结构或振动台模型试验中大量一次性采用；在刚性支架上设置滑槽装置，最大限度地保证了应变片在支架发生较大角度变形时仍保持在弹性范围内。

附图说明

图1是本申请具体实施例中角度测量仪基本结构示意图。

图2是角度测量仪与待测结构组合时的基本结构示意图。

图3是图2的侧视图。

图4是图2的正视图。

图5是滑槽的侧剖面图。

图中：1.圆弧形或“Ω”形金属应变载片；2.触片；3.电阻式应变片；4.待测结构的转角部位；5.支架竖向刚性板；6.支架水平向刚性板；7.多通道应变数据采集仪；8.定向滑槽；9.滑块

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式：

参照图一，采用较好弹性、适中强度的金属材料，直接压制成两个不同直径5cm-10cm的1/4与3/4圆、椭圆或“Ω”形等形状的应变片载片1。载片1在端部(即触片2所示位置)应保留一定长度(约1cm)，以方便在支架上固定。应变载片1的宽度值(约4cm)要远远大于厚度值(约0.1cm)，以保证载片上的应变测量值体现沿载片圆周环向变形的情况。电阻式应变片3应该沿圆周方向，顺向贴于载片1的外弧面顶部。为避免应变测量的各类误差，应同时在外围布置温度补偿桥路等。参照图1，将两个应变载片的端部(触片2处)对应焊接或粘接在一起，避免发生相对变形，以保证应变片3量测值ε_i对应于相同的耦合变位(φ，u_r)。

图3给出了图2所示角度测量仪与待测结构转角部位组合的侧视图。两个应变载片位于同一量测平面内。

图4给出了图2所示角度测量仪与待测结构的转角部位组合时的正视图。

滑槽采用焊接或粘结的方法固定于支架水平向刚性板内，使滑槽轴线与支架铰链转轴垂直，确保金属载片端部在滑槽内的位移不影响支架铰链处的转动。参照图2，将支架固定在待测结构转角部位上；最后将各组应变片3的电导线通过补偿桥路连接于多通道应变数据采集仪7，即完成基于应变动态量测的大幅转角测量仪的硬件系统组装。

具体动态加载试验前，应按常规应变片标定方法，针对每一个应变载片组，通过在应变片端部(触片2)间按单一方向(滑槽方向或支架铰链处角度变化)施加给定变形，获得各个应变载片3的对应量测值，以标定前述方程组中的待定系数(α_ui，α_φi)。如保持u_r＝0，改变φ的大小，依次测量各应变载片3的应变值ε_i，再线性回归公式系数α_φi＝∑φ/∑ε_i。如待定系数的标定值分别为α_u1＝0.157，α_φ1＝3.575e-3；α_u2＝0.216，α_φ2＝9.809e-3。

如此，动态加载试验中，只需持续监测各应变片3的测量值，便可通过联立求解前述方程组，获得支架铰链处的转角历程φ。

举例来说，ε₁＝0.789e-3，ε₂＝1.287e-3，则可求u_r＝4.09e-3米，φ＝4.12e-2，相当于2.36度。其中，φ为待求结构转角。

Claims (5)

1.一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪，由固定于结构的支架竖向刚性板(5)、水平向刚性板上的定向滑槽(8)引出相互嵌套的弧形应变载片组(1)；其特征在于：由两个贴有应变片的非同心“Ω”型金属应变载片组合作为相互嵌套的弧形应变载片组(1)；两个“Ω”型金属应变载片通过如下方式固定在由铰链连接的相互垂直的刚性支架上：两个“Ω”型金属应变载片在两端接头位置重合，分别从支架两刚性板上引出，其中一端直接与竖向刚性板固接，另一端连接于水平向刚性板上的定向滑槽中；一个“Ω”型金属应变载片呈1/4圆弧，两端接头处垂直于支架刚板；另一个“Ω”型金属应变载片呈3/4圆弧，两端接头处相切于支架刚板；应变载片外表面顺圆周方向粘贴电阻式应变片(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪，其特征还在于：将支架各平面刚板改进成为“L”型刚性板，其中刚性板长边与结构固定连接，从刚性板的短边上引出应变载片，短边刚性板之间的转角与长边间转角相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于应变动态量测的大幅转角测量仪，其特征还在于：刚性板支架上的定向滑槽内部上窄下宽。

4.权利要求1、2或3所述的大幅转角测量仪的使用方法，其特征在于如下步骤：

a)建立待测结构转角φ与滑块定向位移u_r构成的耦合变位与各个应变片(3)测量值ε_i之间的关系式ε_i＝α_ui·u_r+α_φi·φ；通过试验方法标定其中的常系数(α_ui，α_φi)；按常规应变片标定方法，针对每一个应变载片组，通过在应变片端部间按滑槽方向或支架铰链处角度变化方向施加给定变形，获得各个应变载片3的对应量测值，以此标定前述方程组中的待定系数(α_ui，α_φi)；

b)基于各应变片(3)的动态测量值，按以下公式求解，来确定结构转角变位： $\left\{\begin{array}{c}{u}_r\\ \mathrm{\φ}\end{array}\right\}={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_{u1}& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}1}\\ {\mathrm{\α}}_{u2}& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{\φ}2}\end{array}\right]}^{-1}\·\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\ϵ}}_2\end{array}\right\}.$

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征还在于：增加其中一个应变载片的数量，则测定的应变值数量将大于两个耦合变位待求量的个数，形成超定方程组的形式，采用最小二乘方法求解。

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