CN107246840A - 一种基于压电效应的动态应变测试方法 - Google Patents

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王奎华
张鹏
李振亚
高柳
肖偲
郭海超
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的动态应变测试方法。在桩身侧面检测截面位置上下对称安装两个相同的电荷输出型压电式加速度传感器；将一个加速度传感器的电荷输出正极和另一个加速度传感器的电荷输出负极相连接并接入到动态数据采样仪的信号输入正极，一个加速度传感器的电荷输出负极和另一个加速度传感器的电荷输出正极相连接并接入到动态数据采样仪的信号输入负极；对该电荷信号进行采样并对数据进行处理可得到位移差随时间变化的曲线，再结合上下两个测点的间距可得到两测点间桩段的动态应变曲线。本方法频响范围宽，可靠性高，传感器安装简便，并可有效降低使用损耗和试验成本。

Description

一种基于压电效应的动态应变测试方法
技术领域
本发明涉及土木工程测试领域，尤其涉及一种基于压电效应的动态应变测试方法。
技术背景
基桩高应变法检测的原理是通过在桩顶用重锤施加轴向冲击力，同时测量所产生的桩身质点应力和加速度的响应数据，然后借助波动理论分析实测数据，从而判定单桩竖向承载力及桩身完整性的检测方法。目前的高应变测试装置主要由动态数据采样仪、加速度传感器、应变传感器和重锤组成。加速度传感器一般采用基于压电效应的加速度传感器，应变传感器一般采用应变环。在土木工程实践中，由于工程现场工作条件的限制，对桩身侧面表面的处理往往难以达到安装应变环所要求的平整度和垂直度，因此所测得的应变经常与实际情况差距较大。而且在应变环的安装过程中，容易造成应变环初始变形过大从而可能超过量程，或者产生永久变形甚至损坏应变环。此外，在某些复杂工程条件下，现场可提供的作业面太小不便进行应变环的安装。这几个方面的问题会严重影响测试结果的准确性。
发明内容
为克服现有应变测试方法存在因对桩身侧面表面的处理难以达到安装应变环所要求的平整度和垂直度而导致所测得的应变经常与实际情况差距较大的不足，同时消除安装作业容易造成应变环初始变形过大、产生永久变形甚至损坏应变环和复杂条件下现场工作面太小不便于安装等问题，本发明提出一种基于压电效应的动态应变测试方法。该方法通过在沿桩身侧面垂直方向一定间距的两处安装两个基于压电效应的加速度传感器来测量桩身某处的动态应变。这种加速度传感器体积较小，安装方便，因此能克服传统应变环对安装表面要求高的不足，也不易变形或者损坏。该方法原理清晰，传感器频率响应较高、使用寿命长，安装工作面要求低，能够提高实测数据的准确度，同时也减少了检测仪器的成本和使用损耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于压电效应的动态应变测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)在桩身侧面安装两个相同的电荷输出型压电式加速度传感器，所述两个传感器的敏感轴均为竖直方向，且关于检测截面对称；
(2)将上述两个传感器与动态数据采样仪相连；一个加速度传感器的电荷输出正极和另一个加速度传感器的电荷输出负极相连接并接入到动态数据采样仪的加速度信号输入正极，一个加速度传感器的电荷输出负极和另一个加速度传感器的电荷输出正极相连接并接入到动态数据采样仪的加速度信号输入负极；
(3)在桩顶施加激振，通过动态数据采样仪获得加速度差信号曲线，从而获得检测截面处的动态应变曲线。
进一步地，通过以下步骤获得所述动态应变曲线：
(3.1)根据加速度差信号曲线，对加速度差信号(a1‐a2)进行积分，得到速度差信号(v1‐v2)；
(3.2)对速度差信号(v1‐v2)进行积分可以得到位移差信号(u1‐u2)；
(3.3)结合位移差信号(u1‐u2)和传感器上下两个安装位置的垂直间距H，得到上下两个测点间桩段的动态应变曲线
本发明的有益效果是：1.基于压电效应的动态应变测试方法，其频响范围宽，可靠性高，抗干扰性强，对现场安装条件要求较低；2.压电式加速度传感器成本低，安装简易方便，使用寿命长，能够有效降低使用损耗和试验成本，提高经济效益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的电荷输出型压电式加速度传感器安装示意图。
图3是本发明的电荷输出型压电式加速度传感器连接的电路原理示意图。
图中：重锤1，桩2，传感器基座3a，传感器基座3b，加速度传感器4a，加速度传感器4b，传感器信号线5a，传感器信号线5b，传感器信号线5c，动态数据采样仪6，检测截面7，固定螺丝8a，固定螺丝8b，膨胀螺丝9a，膨胀螺丝9b，压电材料10a，压电材料10b，电极11a，电极11b，电极11c，电极11d，引线12a，引线12b，引线12c，引线12d，引线12e，引线12f。
具体实施方式
下面结合附图和实施步骤对本发明进一步说明。
如图1所示，在检测截面7位置上下两侧沿深度方向选择上下对称的两处传感器安装区域，对区域内的桩侧表面进行清理和整平，在清理后的两处区域内分别选择两个传感器安装点并测量两个安装点之间的竖向垂直距离H，上下两个安装点宜在同一竖向直线上；在两个安装点处，以完全一样的方式分别安装传感器基座3a、3b，并将两个相同的电荷输出型压电式加速度传感器4a、4b分别安装在两个基座上，加速度传感器4a、4b的敏感轴为竖向垂直方向且灵敏度等各项参数应一致；传感器信号线5a连接加速度传感器4a和传感器信号线5c，传感器信号线5b连接加速度传感器4b和传感器信号线5c；传感器信号线5c的另一端连接到动态数据采样仪6。
如图2所示，在桩2上的两个安装点钻孔处，用膨胀螺丝9a把传感器基座3a固定到桩2上，用固定螺丝8a把加速度传感器4a固定在传感器基座3a上；同样的，用膨胀螺丝9b把传感器基座3b固定到桩2上，用固定螺丝8b把加速度传感器4b固定在传感器基座3b上。
如图3所示，安装完成后，加速度传感器4a的压电材料10a的正电极11a通过引线12a连接到公共引线12e，对应的负电极11b通过引线12b连接到公共引线12f；加速度传感器4b的压电材料10b的正电极11c通过引线12c连接到公共引线12f，对应的负电极11d通过引线12d连接到公共引线12e；公共引线12e和公共引线12f分别作为信号正、负极使用。
本发明的动态应变的压电效应测试方法，具体包括如下步骤：
步骤1、数据的采集
1-1.在桩2上选定安装位置后整平并清理桩侧表面，然后钻孔安装好传感器基座3a，传感器基座3b，加速度传感器4a和加速度传感器4b，并将两个加速度传感器按图3进行连接后接入到动态数据采样仪6；
1-2.用重锤1从桩2正上方对桩顶进行激振，动态数据采样仪6被触发并对输入的电荷信号进行放大和采集。
步骤2、数据的处理
2-1.根据加速度传感器4a、加速度传感器4b和动态数据采样仪6的参数对步骤1采集的信号进行处理可以得到上下两个安装位置处桩身的加速度差信号(a1-a2)；
2-2.对加速度差信号(a1-a2)进行积分可以得到速度差信号(v1-v2)；
2-3.对速度差信号(v1-v2)进行积分可以得到位移差信号(u1-u2)；
2-4.结合位移差信号(u1-u2)和传感器上下两个安装位置的垂直间距H，就可以计算得到上下两个测点间桩段的动态应变曲线并把该曲线作为检测截面7处的动态应变曲线。
本发明的工作原理如下：
测试采样开始后，重锤1落下敲击桩2的桩顶，振动波向下传导，加速度传感器4a和加速度传感器4b的输出电荷与其安装点处的桩身加速度成正比。上侧加速度传感器4a电荷输出正电极11a上产生的电荷Q1和下侧加速度传感器的电荷输出负电极11d产生的电荷‐Q2发生中和后剩余的净电荷(Q1‐Q2)作为动态数据采样仪6的加速度信号输入正极的输入信号；上侧加速度传感器4a的电荷输出负电极11b产生的电荷‐Q1和下侧加速度传感器4b的电荷输出正电极11c产生的电荷Q2发生中和后剩余的净电荷(Q2‐Q1)作为动态数据采样仪6的加速度信号输入负极的输入信号，而动态数据采样仪6的加速度信号输入负极接信号地，因此该部分电荷流入信号地；由于压电式加速度传感器的输出电荷与加速度成正比(Q1∝a1，Q2∝a2)，因此将动态数据采样仪6对信号输入正极进入的净电荷(Q1‐Q2)的采样数据处理后可以得到上下两个测点的加速度差曲线；对得到的上下两个测点的加速度差曲线进行积分就可得到上下两个测点的速度差曲线，再对所得的速度差曲线进行积分，即可得到位移差曲线；最后结合上下两个测点间的垂直间距H就可以根据采集得到的数据计算出动态应变曲线。
按照上述方法对10根桩分别进行动态应变测试，测试结果与目前通用的采用应变环的测试方法获得的结果基本一致，误差在0.02％之内。

Claims (2)

1.一种基于压电效应的动态应变测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)在桩身侧面安装两个相同的电荷输出型压电式加速度传感器，所述两个传感器的敏感轴均为竖直方向，且关于检测截面对称；
(2)将上述两个传感器与动态数据采样仪相连；一个加速度传感器的电荷输出正极和另一个加速度传感器的电荷输出负极相连接并接入到动态数据采样仪的加速度信号输入正极，一个加速度传感器的电荷输出负极和另一个加速度传感器的电荷输出正极相连接并接入到动态数据采样仪的加速度信号输入负极；
(3)在桩顶施加激振，通过动态数据采样仪获得加速度差信号曲线，从而获得检测截面处的动态应变曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下步骤获得所述动态应变曲线：
(3.1)根据加速度差信号曲线，对加速度差信号(a1‐a2)进行积分，得到速度差信号(v1‐v2)；
(3.2)对速度差信号(v1‐v2)进行积分可以得到位移差信号(u1‐u2)；
(3.3)结合位移差信号(u1‐u2)和传感器上下两个安装位置的垂直间距H，得到上下两个测点间桩段的动态应变曲线
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