CN107830795A - 裂缝宽度变化量测试装置及其应变片组合结构 - Google Patents

裂缝宽度变化量测试装置及其应变片组合结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应变片组合结构，用于测量构件上裂缝的宽度变化量，其包括长度相同的第一应变片和第二应变片，第一应变片与第二应变片平行紧靠在一起，第一应变片与第二应变片均包括两段贴合段及一连接两段贴合段的跨缝段，第一应变片的两贴合段与第二应变片的两贴合段均用于与待测量的构件贴合，跨缝段用于横跨裂缝，第一应变片的跨缝段相对相应的贴合段凸设形成凸起部，以使得第一应变片的跨缝段不会随裂缝宽度的变化而产生应变。上述应变片组合结构能够提高测试结果的准确度。本发明还提供一种采用该应变片组合结构的裂缝宽度变化量测试装置。

Description

裂缝宽度变化量测试装置及其应变片组合结构
技术领域
本发明涉及工程结构裂缝测量技术领域，特别涉及一种裂缝宽度变化量测试装置及其应变片组合结构。
背景技术
一些构件，例如金属构件、混凝土构件等在受力不均匀时会出现微小的宽度一般为0.02～2.00mm的裂缝，监测裂缝宽度的变化并分析原因显得尤其重要。现有技术中，通常采用位移计或千分表来测试裂缝宽度的变化量，其缺点如下：1、位移计测试的精度为0.05mm，千分表测试的精度为0.001mm，其测试精度均较低；2、市面上位移计或千分表的购置费用少则几百元、大则几千元，其成本较高；此外，采用千分表或位移计法测试完裂缝宽度变化量后，因千分表及位移计比较昂贵、且体积相对较大，必须进行拆卸，需增加拆卸费用，如高空中的桥梁裂缝宽度测试后，需桥梁检测车或移动支架等措施进行拆卸，而桥梁检测车或移动支架几千元一个台班；在进行破坏性试验时，因成本原因在结构进行塑性破坏前需将位移计或千分表拆卸下来，致使无法获得结构破坏全过程的裂缝宽度变化量，不利于结构承载能力的判定。
中国实用新型专利CN206146872U提供了一种监测混凝土表面裂缝的装置，包括应变片、接线端、导线、万用表，应变片安装于裂缝上方，应变片和导线连接在接线端上，导线与应变片和万用表连接，裂缝发展形成应变片的阻值能通过万用表读取，得到裂缝变化值及变化速率。然而，现有的设备，例如万用表只能获得该应变片整体电阻值的变化量，因此，采用该方法得到的裂缝宽度变化值实际上应为构件受力时导致的整体尺寸变化值，其不仅包括裂缝宽度的变化值，还包括裂缝两侧的构件由于应力而产生的尺寸变化值，由于其在测量裂缝宽度变化值时无法排除构件由于应力所产生的尺寸变化，因而导致其测得的裂缝宽度变化量结果偏大，测量不准确。
发明内容
针对上述存在的问题，有必要提供一种能够提高测量准确度的应变片组合结构。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种应变片组合结构，用于测量构件上裂缝宽度的变化量，所述应变片组合结构包括长度相同的第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片平行紧靠在一起，所述第一应变片与所述第二应变片均包括两段贴合段及一连接两段所述贴合段的跨缝段，所述第一应变片的两段贴合段长度相同，所述第二应变片的两段贴合段长度相同，所述第一应变片的两贴合段与所述第二应变片的两贴合段均用于与待测量的构件贴合，所述跨缝段用于横跨所述裂缝，所述第一应变片的跨缝段相对相应的贴合段凸设形成凸起部，以使得所述第一应变片的跨缝段不会随裂缝宽度的变化而产生应变。
进一步地，所述凸起部为椭圆弧线段或圆弧线段。
进一步地，所述凸起部朝远离所述构件的方向凸设。
进一步地，所述第一应变片的贴合段与所述第二应变片的贴合段还通过粘接固定。
本发明还提供一种裂缝宽度变化量测试装置，用于测量构件上裂缝宽度的变化量，所述裂缝宽度变化量测试装置包括应变片组合结构及应变测试仪，所述应变片组合结构包括长度相同的第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片平行紧靠在一起，所述第一应变片与所述第二应变片均包括两段贴合段及一连接两段所述贴合段的跨缝段，所述第一应变片的两段贴合段长度相同，所述第二应变片的两段贴合段长度相同，所述第一应变片的两贴合段与所述第二应变片的两贴合段均用于与待测量的构件贴合，所述跨缝段用于横跨所述裂缝，所述第一应变片的跨缝段相对相应的贴合段凸设形成凸起部，以使得所述第一应变片的跨缝段不会随裂缝宽度的变化而产生应变，所述第一应变片的引线与所述第二应变片的引线均与所述应变测试仪连接，所述应变测试仪用于测量所述第一应变片与所述第二应变片的应变差值。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的应变片组合结构，包括第一应变片和第二应变片，第一应变片的跨缝段设为凸起部，其不随裂缝宽度的变化而产生应变，而第二应变片的跨缝段随裂缝宽度的变化而产生应变，因此，裂缝的实际宽度变化量即为第二应变片跨缝段的敏感栅长度乘以第二应变片跨缝段的应变量。采用本发明的应变片组合结构进行裂缝宽度变化量的测试时，可得到第一应变片与第二应变片的应变差值Δε21，带入公式Δf＝l2fε2f＝l1Δε21即可得出裂缝宽度的变化量Δf，其中，l2f为第二应变片跨缝段的敏感栅长度，ε2f为第二应变片跨缝段的应变量，l1为第一应变片的敏感栅长度。由上述公式可知，采用该应变片组合结构测得的裂缝宽度变化量可排除裂缝两侧的构件由于应力而产生的尺寸变化值，因而提高了测量的准确度。
2、本发明的裂缝宽度变化量测试装置及其应变片组合结构，其测试精度为0.000001mm，相较于现有裂缝宽度测试方法和仪器，其测试精度得到显著提高；本发明的设备成本低廉：在直接费用方面，两片应变片的购置费用在10元左右，相较于位移计或千分表，其设备成本费用降低；在间接费用方面，由于本发明的方法的直接成本较为低廉、应变片体积小，因此裂缝宽度变化量测试完成后无需拆卸，无需设备拆卸的相关费用，并且在进行破坏性试验时，本发明可全程实现裂缝宽度变化量的测试，达到结构应变的同步测试，从而获得更多的结构及裂缝周边的受力状态信息，更有利于结构承载能力及其它受力性能的判定。
附图说明
图1为本发明一较佳实施方式中裂缝宽度变化量测试装置的使用状态示意图。
图2为图1沿II-II线的剖视结构的放大图。
图3为本发明一较佳实施方式中第一应变片和第二应变片的侧视图。
图4为本发明一较佳实施方式中第一应变片裂缝段的形成示意图。
附图中，100-裂缝宽度变化量测试装置、2-应变片组合结构、22-第一应变片、24-第二应变片、221,241-贴合段、223,243-跨缝段、4-应变测试仪、200-构件、210-裂缝、300-模具、310-凸面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本发明一较佳实施方式提供一种裂缝宽度变化量测试装置100，用于测量构件200上裂缝210的宽度变化量，该构件200可以为金属构件、混凝土构件等。裂缝宽度变化量测试装置100包括应变片组合结构2及应变测试仪4。应变片组合结构2包括第一应变片22和第二应变片24，第一应变片22和第二应变片24均用于黏贴在待测试的构件200表面，并位于裂缝210的开口处；应变测试仪4与第一应变片22和第二应变片24连接，以测量第一应变片22和第二应变片24的应变差值，进而可根据该应变差值计算得到构件200上裂缝210的宽度变化量。
请一并参见图2至图3，第一应变片22与第二应变片24的结构与现有技术中的应变片的结构大致相同，均包括基面、敏感栅、覆盖面和引线等部件，为省略篇幅，这里不做详细介绍。第一应变片22与第二应变片24的长度相同，第一应变片22与第二应变片24平行紧靠在一起。第一应变片22与第二应变片24均包括两贴合段221、241及连接两贴合段221、241的跨缝段223、243，第一应变片22的两贴合段221与第二应变片24的两贴合段241均用于与待测量的构件200贴合，其中，第一应变片22的两贴合段221长度相同；第二应变片24的两贴合段241长度相同。跨缝段223、243用于横跨裂缝210。其中，第一应变片22的跨缝段223相对相应的贴合段221凸设形成凸起部，以使得第一应变片22的跨缝段223不会随裂缝210宽度的变化而产生应变；优选地，该凸起部为一朝远离构件200方向凸设的拱形，在本实施方式中，该拱形为一圆弧线段。该凸起部能够使得第一应变片22的跨缝段223在裂缝210变化过程中保持松弛状态，不会随裂缝210变化而产生应变，同时，凸起部朝远离构件200方向凸设，以避免凸起部与裂缝210产生接触影响实验结果；拱形结构的凸起部还能够使该凸起部圆滑过渡，避免第一应变片22内的敏感栅发生折断破坏。第二应变片24的跨缝段243与相应的贴合段241平行，以随裂缝210的宽度变化而产生应变。第一应变片22的引线与第二应变片24的引线均与应变测试仪4连接，应变测试仪4用于测量第一应变片22与第二应变片24的应变差值。在本实施方式中，当第一应变片22和第二应变片24均为电阻式应变片，应变测试仪4可采用DH5921动态应力应变测试仪，其通过测试应变片的电阻值的变化来确定应变片的应变量。可以理解，在其他实施方式中，第一应变片22和第二应变片24也可以采用光学应变片，应变测试仪4可相应采用SEN-01光纤光栅解调仪，其通过测试应变片由于应变导致的波长的改变来确定应变片的应变量。
测试时，裂缝210的实际宽度变化量即为第二应变片24跨缝段243的敏感栅长度乘以第二应变片24跨缝段243的应变量。然而，在现有技术中，第二应变片24跨缝段243的应变量不能直接采用仪器测得。而采用本发明实施方式提供的应变片组合结构2来测试裂缝的宽度变化量，其能够获得第一应变片22和第二应变片24的应变差值，并通过公式推导得到裂缝210的实际宽度变化量，即第二应变片24跨缝段243的敏感栅长度与第二应变片24跨缝段243的应变量的乘积，从而排除第二应变片24贴合段221的应变量对测试结果的影响，以提高测试的准确度，具体操作如下：
S1：提供上述裂缝宽度变化量测试装置100；
S2：贴片：将第一应变片22的两贴合段221与第二应变片24的两贴合段241均与待测量构件200贴合，使第一应变片22和第二应变片24平行紧靠在一起且均沿垂直于裂缝210走向的方向进行黏贴，第一应变片22的两贴合段221均延伸至裂缝210，第二应变片24的两贴合段241均延伸至裂缝210；第一应变片22的跨缝段223与第二应变片24的跨缝段243均横跨裂缝210；将第一应变片22的引线和第二应变片24的引线均与应变测试仪4连接；
S3：测试：通过应变测试仪4得到第一应变片22与第二应变片24的应变差值ε21，带入公式Δf＝l2fε2f＝l1Δε21得出裂缝210的宽度变化量Δf，其中，l2f为第二应变片24中跨缝段243的敏感栅长度，ε2f为第二应变片24中跨缝段243的应变量，l1为第一应变片22的敏感栅长度。第二应变片24跨缝段243的应变量ε2f不能直接采用仪器测得，需采用第一应变片22的敏感栅长度l1及第一应变片22与第二应变片24的应变差值ε21，并通过公式推导来确定裂缝宽度变化量，该公式推导的过程如下：
请参见图3，第一应变片22从左至右分别为贴合段221、跨缝段223及贴合段221，其敏感栅长度依次表示为l1z、l1h和l1y；第二应变片24从左至右分别为贴合段241、跨缝段243及贴合段241，其敏感栅长度依次表示为l2z、l2f和l2y；由于第一应变片22和第二应变片24的长度相同，属于同规格的应变片，因此，第一应变片22和第二应变片24的敏感栅长度也相同，即是l1z+l1h+l1y＝l2z+l2f+l2y＝l1。
受力之后，裂缝210两侧的构件200产生应变，其尺寸发生变化的同时裂缝210的宽度也在发生变化，假设第一应变片22中左段贴合段221、中段跨缝段223、右段贴合段221的应变值依次为ε1z、ε1h和ε1y，假设第二应变片24左段贴合段241、中段跨缝段243、右段贴合段241的应变值依次为ε2z、ε2h和ε2y，裂缝210发生变化时，第一应变片22和第二应变片24的总体应变分别为ε1和ε2，可分别表示为：
由于第一应变片22和第二应变片24均关于裂缝210对称黏贴，即第一应变片22的两贴合段221长度相同，第二应变片24的两贴合段241长度相同，因此有：
l1z＝l1y、l2z＝l2y
由于第一应变片22中段跨缝段223处于弯曲松驰状态，其应变值ε1h＝0；
由于第一应变片22和第二应变片24平行紧贴布置，且第一应变片22与第一应变片22的尺寸均远小于构件200的结构尺寸，因此有：
ε1z＝ε2z，ε1y＝ε2y
常见需测试的裂缝210宽度一般取值为0.02～2.00mm，裂缝210宽度远小于第一、第二应变片22、24的敏感栅长度，因此，l1z＝l1y≈l2z＝l2y
第二应变片24和第一应变片22的应变差为Δε21，Δε21可以由应变测试仪4直接读出，可表示为：
因此有裂缝210宽度变化量Δf，
其中，l1为第一应变片的敏感栅长度，其为应变片的固有参数。
该测试的精度的推导：
Δε21精度取决于应变测试仪4的精度，应变测试仪4的精度一般可以做到0.000001；l1为第一应变片22的敏感栅长度，其为应变片的固有参数，其精度为1mm，因此采用本装置及方法测试得到的裂缝210宽度变化量Δf的精度为0.000001mm。
优选地，在贴片步骤之前，还包括对构件200表面测点位置进行打磨的步骤，以清除构件200表面的油漆、氧化层，使得构件200表面平整光滑，从而使得第一、第二应变片22、24与构件200的黏贴更为牢固。打磨面积约为待贴应变片面积的5-7倍，优选为6倍。具体地，所述打磨包括以下步骤：首先使用砂轮机对构件200表面的测点位置进行打磨，然后用锉刀磨平或挫平构件200表面，再用目数为100目以上的细砂纸磨光。进一步，对于表面光滑的构件200，可在构件200表面的测点位置用细砂纸沿45度方向上交叉磨出若干纹路，以增强粘结力。若为金属构件，其打磨好的金属构件200的表面，如暂时不贴应变片，可涂以凡士林等防止氧化剂，以防止金属构件的表面再次氧化。
优选地，该裂缝宽度变化量测试方法还可包括对构件200表面进行划线的步骤：在打磨好的构件200表面用划针在构件200测点位置划出坐标线，贴片步骤中，将第一应变片22与第二应变片24的轴线对准坐标线，以便于定位。
优选地，该裂缝210宽度变化量测试方法还可包括对划线后的构件200表面进行清洗的步骤，以清除构件200表面的污垢，从而使得应变片与构件200的黏贴更为牢固。该清洗步骤具体为：用棉球蘸无水乙醇对构件的测点位置进行反复擦洗，擦洗顺序由中心到四周，擦洗过程中根据情况更换棉球，交替擦洗方向，直到棉球见不到污垢为止。
优选地，当所述构件200表面的测点位置不平整时，在贴片前可采用喷浆方法把构件200表面垫平，或者在贴片前于构件200的测点位置先涂一层隔潮底层把构件200表面垫平，第一应变片22与第二应变片24均贴于隔潮底层上，以提高测量结果的准确性。采用隔潮底层把构件200表面垫平还能起到防潮的作用。
所述贴片步骤具体包括：在构件200测点位置和待黏贴的应变片的基面上涂上胶水，例如502胶水，一手捏住待黏贴的应变片的引线，把待黏贴的应变片的轴线对准坐标线，在待黏贴的应变片的覆盖面盖一层塑料膜作为隔层，用手指在塑料膜上沿应变片的长度方向来回滚压，挤出应变片下的汽泡和多余的胶水，直到应变片与被测的构件200紧密粘合为止。
所述凸起部的形成方法包括以下步骤：请参见图4，提供一模具300，该模具300上设有一与所述凸起部形状相匹配的凸面310，将该模具300置于构件200的裂缝210处，并使得该模具300的凸面310背向构件200，将第一应变片22置于该模具300上，并对该第一应变片22施加压力，使得第一应变片22沿该模具300的凸面310发生形变以与该凸面310贴合，从而于该第一应变片22上形成该凸起部；待第一应变片22的贴合段221与构件200黏贴固化后，沿平行构件200表面及垂直于第一应变片22长度的方向抽出模具300。
可以理解，所述凸起部的形状不限于本实施方式，例如，在其他实施方式中，所述凸起部还可以为椭圆弧线段或者抛物线弧线段，只要所述凸起部能够保持松弛状态，不随裂缝210宽度的变化产生应力即可。
可以理解，在其他实施方式中，还可以将第一应变片22的贴合段221和第二应变片24的贴合段241通过粘接固定，以形成一个整体，采取该种结构，其在贴片时只要进行一次划线定位即可，可节约贴片的时间，提高贴片的效率。
可以理解，在其他实施方式中，还可以采用其他型号的应变测试仪来测试应变片的应变量。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (8)

1.一种应变片组合结构，用于测量构件上裂缝的宽度变化量，其特征在于：所述应变片组合结构包括长度相同的第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片平行紧靠在一起，所述第一应变片与所述第二应变片均包括两段贴合段及一连接两段所述贴合段的跨缝段，所述第一应变片的两段贴合段长度相同，所述第二应变片的两段贴合段长度相同，所述第一应变片的两贴合段与所述第二应变片的两贴合段均用于与待测量的构件贴合，所述跨缝段用于横跨所述裂缝，所述第一应变片的跨缝段相对相应的贴合段凸设形成凸起部，以使得所述第一应变片的跨缝段不会随裂缝宽度的变化而产生应变。
2.如权利要求1所述的应变片组合结构，其特征在于：所述凸起部为椭圆弧线段或圆弧线段。
3.如权利要求1所述的应变片组合结构，其特征在于：所述凸起部朝远离所述构件的方向凸设。
4.如权利要求1所述的应变片组合结构，其特征在于：所述第一应变片的贴合段与所述第二应变片的贴合段还通过粘接固定。
5.一种裂缝宽度变化量测试装置，用于测量构件上裂缝的宽度变化量，其特征在于：所述裂缝宽度变化量测试装置包括应变片组合结构及应变测试仪，所述应变片组合结构包括长度相同的第一应变片和第二应变片，所述第一应变片与所述第二应变片平行紧靠在一起，所述第一应变片与所述第二应变片均包括两段贴合段及一连接两段所述贴合段的跨缝段，所述第一应变片的两段贴合段长度相同，所述第二应变片的两段贴合段长度相同，所述第一应变片的两贴合段与所述第二应变片的两贴合段均用于与待测量的构件贴合，所述跨缝段用于横跨所述裂缝，所述第一应变片的跨缝段相对相应的贴合段凸设形成凸起部，以使得所述第一应变片的跨缝段不会随裂缝宽度的变化而产生应变，所述第一应变片的引线与所述第二应变片的引线均与所述应变测试仪连接，所述应变测试仪用于测量所述第一应变片与所述第二应变片的应变差值。
6.如权利要求5所述的裂缝宽度变化量测试装置，其特征在于：所述凸起部朝远离所述构件的方向凸设。
7.如权利要求5所述的裂缝宽度变化量测试装置，其特征在于：所述凸起部为椭圆弧线段或圆弧线段。
8.如权利要求5所述的裂缝宽度变化量测试装置，其特征在于：所述第一应变片的贴合段与所述第二应变片的贴合段还通过粘接固定。
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