CN107727018A - 振弦式应变传感器的温度影响修正方法 - Google Patents

振弦式应变传感器的温度影响修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种振弦式压力传感器的温度影响修正方法，该法考虑不同温度情况下，通过试验及相关计算，得出了试样不同的应变值。据此，发明人还设计制作了相应的测试装置以及推算出相应的计算公式。该装置主要由测试振弦、温度传感器、频率传感器、底座、紧固件组成。使用该测试方法和测试装置，能够充分考虑到温度改变量对实测应变值的影响。使用该修正方法可以对在使用振弦式应变传感器的过程中由于温度变化产生的误差进行修正，大大的提高了应变测量的准确度，可广泛适用于桥梁荷载试验、健康监控等技术领域。

Description

振弦式应变传感器的温度影响修正方法
技术领域
本发明属于振弦类应变测试技术领域，尤其涉及一种振弦式应变传感器的温度影响修正方法。
背景技术
在当今土木工程行业中，应变测量广泛地应用于建筑、铁路、桥梁、交通、大坝等结构上。结构的应力应变测试是工程人员了解结构受力状态、保证结构安全以及进行结构设计优化的一个重要的环节。例如在大跨度桥梁的施工过程以及营运过程的长期健康监测中，对关键截面的应力应变进行监测，为桥梁的施工、营运和加固提供依据，确保结构安全是桥梁建设一个必不可少的环节。
在对振弦类进行应变测试的过程中，测试前后温度的改变会对测试结果带来较大的误差，因此需要测量出振弦由于温度改变引起的应变量以减小测试结果的误差。
发明内容
本发明的发明目的是，提供一种振弦式应变传感器的温度影响修正方法，使用该修正方法可以对使用振弦式应变传感器的过程中由于温度变化产生的误差进行修正，使振弦式应变传感器的测量结果更加准确。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种振弦式应变传感器的温度影响修正方法，包括以下步骤：
1)测量出测试振弦的测试长度l和截面面积s；
2)将所述振弦式应变传感器安装到待测试样上，将所述振弦式应变传感器上的所述测试振弦拉紧；
3)测量所述测试振弦的初始的第一振动频率为f0；
4)对待测试样施加测试外力，测量所述测试振弦在施加所述测试外力的过程中的温度改变量为t，测量出所述测试振弦的第二振动频率为f″；
按公式
计算所述测试振弦所产生伸长量Δl′，式中，e为测试振弦的弹性模量，m为测试振弦的质量，a为测试振弦的膨胀系数；
5)通过公式计算出测试振弦的应变值ε即所述待测试样的应变值。
作为一种改进的方式，
所述步骤4)中的温度改变量t为所述测试振弦相对外界测试环境的温度改变量。
作为一种改进的方式，所述步骤4)中的温度改变量t为所述测试振弦相对于所述应变传感器的温度改变量。
作为一种改进的方式，所述应变传感器主要包括测试振弦，所述测试振弦的两端均设有底座，所述底座均设有固定连接所述待测试样的紧固件，所述测试振弦上设置有温度传感器。
作为一种改进的方式，所述测试振弦通过螺纹紧固件固定连接。
采用上述技术方案所取得的技术效果为：
该修正方法的操作步骤简单，在使用振弦式应变传感器测量应变值的过程中，温度的变化会对振弦式应变传感器测量的测量结果造成一定的影响，使用该方法可以对振弦式应变传感器测量的测量结果进行修正，提高振弦式应变传感器的测量结果的准确性，使最终测得的应变值更精确。
由于所述步骤4)中的温度改变量t为所述测试振弦相对外界测试环境的温度改变量，测试振弦相对外界测试环境的温度改变量对振弦式应变传感器的测量结果造成一定的影响，该修正方法可以对测量结果进行修正。
由于所述步骤4)中的温度改变量t为所述测试振弦相对于所述应变传感器其它结构的温度改变量，应变传感器其它结构的温度改变量对振弦式应变传感器的测量结果造成一定的影响，该修正方法可以对测量结果进行修正。
由于所述测试振弦上设置有一个所述温度传感器，通过所述温度传感器可较为准确的测出温度变化量t。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是测试振弦的受力示意图；
附图中：1-测试振弦，2-底座，3-螺纹紧固件，4-紧固件，5-温度传感器，6-频率传感器，7-待测试样。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种振弦式应变传感器的温度影响修正方法，包括以下步骤：
1)测量出测试振弦1的测试长度l和截面面积s.
2)应变传感器装置主要为测试振弦1、底座2、螺纹紧固件3、紧固件4、温度传感器5、频率传感器6。测试振弦1的两端通过紧固件4固定，测试振弦1的两端设有固定底座2连接，两个底座均设有固定连接待测试样7的紧固件8，测试振弦1上设置有温度传感器6，用于测量其温度改变量t。
将振弦式应变传感器通过两个底座与待测试样7安装到一起，于测试振弦1的两端施加预紧拉力T将测试振弦1固定拉紧。
3)测量测试振弦1的初始的第一振动频率为f0。
4)对待测试样7施加测试外力，测量测试振弦1在施加测试外力的过程中的温度改变量为t，温度改变量t可能为测试振弦1相对外界测试环境的温度改变量，也可能为测试振弦1 相对于应变传感器其它结构的温度改变量，测量出测试振弦1的第二振动频率为f″。
按公式：
计算钢弦的产生伸长量Δl′，式中，e为测试振弦1的弹性模量，m为测试振弦1的质量，α为测试振弦1的膨胀系数；
5)通过公式计算出待测试样7的应变值ε。
以下给出计算公式的基本推导过程：
钢弦的长度、截面面积、弹性模量、质量和膨胀系数分别为l、s、e、m、α。
由于待测试样7的应变值ε的计算公式为而钢弦的长度l为定值，即应变值ε与外力作用钢弦的产生伸长量Δl′成正比例关系，分析应变值ε的误差即为分析外力作用钢弦的产生伸长量Δl′的误差大小。
钢弦两端拉紧固定时，其振动频率f0与钢弦拉力T满足关系式1：
T＝4ml2f0 2 (式1)
此时令4ml2＝k，对应的钢弦应变为式2所示：
变化温t℃时，钢弦将产生的长度变化量Δl为式3所示：
Δl＝ltα (式3)
由于钢弦的两端固定，温度变化将导致钢弦内力产生变化，内力变化量ΔT如式4所示：
温度变化后钢弦的振动基频为f′，可以采用下式表示：
T-ΔT＝4ml2f′2
化简后得到式5
4ml2f0 2-setα＝4ml2f′2
当同时由于外力作用钢弦的产生伸长量Δl′，钢弦的频率为f″，此时有式6，
式6化简后得式7
最终可根据公式得：
算例：
某测试传感器的钢弦长度为0.1m，质量为0.00098646kg，直径为0.4mm，钢弦的弹性模量为200Gpa，膨胀系数为0.00001，钢弦张紧后初始频率为2000Hz，初始温度为20℃，外界温度变化导致钢弦温度改变，同时外力作用传感器发生受力改变，此时钢弦频率为2500Hz，常规做法不考虑温度影响修正，求得钢弦伸长量为0.353mm，而根据式7考虑温度修正后，算得不同温度下钢弦相对伸长量差值较大，当忽略温度影响时该量值会被误认为是传感器受外力作用的真实改变量。
实算结果比较见表1
表1 常规做法与修正后计算结果
温度改变量t(℃) 5 10 15 20 25 30 35 40
本方法实测应变(με) 3582.5 3630.0 3683.0 3733.0 3783.0 3833.0 3883.0 3933.0
常规实测应变(με) 3532.5 3530.0 3533.0 3533.0 3533.0 3533.0 3533.0 3533.0
温度影响应变量(με) 50 100 150 200 250 300 350 400
应变相对误差(％) 1.4 2.75 4.07 5.36 6.61 7.83 9.01 10.17

Claims (6)

1.一种振弦式压力传感器的温度影响修正方法，其特征在于:包括以下步骤：
1)测量出测试振弦的测试长度l和截面面积s；
2)将所述振弦式应变传感器安装到待测试样上，将所述振弦式应变传感器上的所述测试振弦拉紧；
3)测量所述测试振弦的初始的第一振动频率为f0；
4)对待测试样施加测试外力，测量所述测试振弦在施加所述测试外力的过程中的温度改变量为t，测量出所述测试振弦的第二振动频率为f″；
按公式
<mrow> <msup> <mi>&amp;Delta;l</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>ml</mi> <mn>3</mn> </msup> <msup> <mi>f</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <msup> <mi>ml</mi> <mn>3</mn> </msup> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mi>e</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>l</mi> <mi>t</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow>
计算所述测试振弦所产生伸长量Δl′，式中，e为所述测试振弦的弹性模量，m为所述测试振弦的质量，α为所述测试振弦的膨胀系数；
5)通过公式计算出测试振弦的应变值ε即所述待测试样的应变值。
2.如权利要求1所述的振弦式压力传感器的温度影响修正方法正，其特征在于:
所述步骤4)中的温度改变量t为所述测试振弦相对外界测试环境的温度改变量。
3.如权利要求1所述的振弦式压力传感器的温度影响修正方法，其特征在于:所述步骤4)中的温度改变量t为所述测试振弦相对于所述应变传感器的温度改变量。
4.如权利要求1所述的振弦式压力传感器的温度影响修正方法，其特征在于:所述应变传感器主要包括测试振弦，所述测试振弦的两端均设有底座，所述底座均设有固定连接所述待测试样的紧固件，所述测试振弦上设置有温度传感器。
5.如权利要求4所述的振弦式压力传感器的温度影响修正方法，其特征在于：所述测试振弦端部设置有一个所述温度传感器。
6.如权利要求5所述的振弦式压力传感器的温度影响修正方法，其特征在于：所述测试振弦通过螺纹紧固件固定连接。
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