CN113899303A - 结构微裂缝动态位移的高精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置及方法，其通过将拱形弹性基座跨设在微裂缝开裂预计位置上方，并在拱形弹性基座顶部的弧形内壁和弧形外壁上分别对应贴附设置第一应变片和第二应变片，从而将结构表面微裂缝的张合产生的横向动态位移变化转化为拱形弹性基座顶部上下表面的弯曲应变变化，通过第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻与应变测量模块电性连接组成半桥测量电路，测量得到第一应变片和第二应变片的弯曲应变变化，即拱形弹性基座顶部的弯曲应变变化，基于拱形弹性基座的端部位移变化与其弯曲应变变化呈线性关系，确定拱形弹性基座的端部位移变化，即测量得到微裂缝动态位移变化。

Description

结构微裂缝动态位移的高精度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及工程结构抗震技术领域，尤其是涉及一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置及方法。

背景技术

土木工程结构模型或水利工程结构模型的地震动模拟振动台试验是研究实际土木工程结构或水利工程结构抗震特性的直接有效的方法之一。结构在地震下破坏特性，特别是结构破坏的非线性特性是目前研究难点和热点。模型结构在振动台的模拟地震中振动破坏的动态变化过程，特别是结构破坏开裂后，裂隙的位移演变过程能够有效揭示结构破坏机理。由于模型几何比尺关系，实际结构的开裂变化在模型表现只是微裂缝动态位移变化，比如大坝模型与原型的几何比尺为1/250，如果原型出现2.5mm的明显微裂缝，在模型上体现出来仅仅是1μm。因此这种微裂缝动态位移变化测量需要试验的测量装置具有非常高的灵敏度，涉及位移精度要达到百分之一或者千分之一μm级别；另外，由于测量目标是模型结构上微裂缝的动态位移变化，这种变化是微裂缝两侧的相对运动，因此测量装置必须能够安装在模型结构的微裂缝两侧。由于一些土工试验的模型结构几何比尺较小，加上模型材料也会偏软偏脆，这要求测量装置质量要轻、尺寸要小，便于进行粘接安装。否则测量装置的本身质量对测模型结构产生较大的附加质量影响，或者因为模型材料太脆，较大质量的测量装置根本无法安装在其表面上。

这些测量要求，使得激光位移计、常规位移计等测量装置都无法用于这类模型结构微裂缝动态位移的测量。以往模型结构的地震动模拟振动台试验中对于微裂缝监测方法是在可能发生裂隙破坏的结构表面粘上应变片，通过应变片应变变化揭示模型结构在振动中产生的应力变化。试验过程中如果模型结构在振动试验中产生微裂纹，粘接在微裂纹表面位置的应变片便被拉断失效。因此，通过粘接在微裂缝处的应变片能测量到微裂缝产生前应力应变变化。但是应变片在模型结构产生微裂纹产生后则破坏失效，微裂纹产生后的后续演变、扩展变化、张合变化等一系列动态演变过程，无法继续测量。正是由于微裂纹位移动态变化的测量十分困难，使得大多数模型结构的振动台试验均未监测获得微裂缝开裂后的关键过程——而这个过程恰是最关键也能揭示土工结构模型非线性破坏过程特征的试验过程，这使得这类试验数据无法完整地揭示结构破坏特性，也使得试验效果大打折扣。而这也成为模型结构振动台破坏试验研究的一个瓶颈。因此，这类研究试验中亟需有一种能够测量微裂缝动态位移变化的高精度测量装置。

发明内容

本发明提出一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置及方法，以克服上述技术不足。

为达到上述技术目的，本发明提供一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，其包括：

拱形弹性基座；

第一应变片和第二应变片，所述第一应变片和第二应变片分别对应贴附在所述拱形弹性基座顶部的弧形内壁和弧形外壁上；

应变测量模块，所述第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻与应变测量模块电性连接组成半桥测量电路，所述应变测量模块用于根据半桥测量电路的输出电压计算所述第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量。

优选的，所述第一应变片和第二应变片均沿拱形弹性基座的中心线对称设置。

优选的，所述第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻按半桥接线法联入应变测量模块的桥路相邻边。

本发明还提供一种采用所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置进行的结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，其包括如下步骤：

将所述拱形弹性基座以微裂缝开裂预计位置所在直线为中心线，跨设设置在微裂缝开裂预计位置上方；

采集微裂缝产生时半桥测量电路的输出电压，计算得到第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量；

根据第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量推算出拱形弹性基座两端的间距变化量，即结构微裂缝动态位移值。

优选的，所述拱形弹性基座的开合方向与微裂缝开裂预计方向垂直设置。

优选的，所述第一应变片和第二应变片的拉压受力方向与微裂缝的开合方向一致。

优选的，所述拱形弹性基座两端的间距变化量的计算公式如下：

Δx＝K_ε×Δε

上式中，K_ε为位移灵敏度系数；Δε为第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量，第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量相同。

优选的，第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量与拱形弹性基座两端的间距变化量呈线性变化关系。

优选的，使用结构微裂缝动态位移的高精度测量装置进行微裂缝位移测量前，需要进行一次标定试验，所述标定试验包括如下步骤：

将结构微裂缝动态位移的高精度测量装置安装在标定台上，将第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻与应变测量模块电性连接，形成半桥测量电路，通过应变测量仪读取半桥测量电路的输出电压，从而得到第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量；

标定台按一定间隔进行正量程变化和负量程变化，通过应变测量仪分别读取正量程变化响应的正向应变变化量和负量程变化响应的负向应变变化量；

基于量程变化量与应变变化量，采用最小二乘法求解位移灵敏度系数。

优选的，在进行量程变化测量之前，需要对应变测量仪进行桥路平衡，消除桥路电阻差，桥路平衡后应变测量仪的输出应变变化量读数为0。

与现有技术相比，本发明通过设置一拱形弹性基座跨设在微裂缝开裂预计位置上方，并在拱形弹性基座顶部的弧形内壁和弧形外壁上分别对应贴附设置第一应变片和第二应变片，从而将结构表面微裂缝的张合产生的横向动态位移变化转化为拱形弹性基座顶部上下表面的弯曲应变变化，通过第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻与应变测量模块电性连接组成半桥测量电路，测量得到第一应变片和第二应变片的弯曲应变变化，即拱形弹性基座顶部的弯曲应变变化，基于拱形弹性基座的端部位移变化与其弯曲应变变化呈线性关系，确定拱形弹性基座的端部位移变化，即测量得到微裂缝动态位移变化；同时基于弯曲应变的高精度测量，从而保证了微裂缝动态位移测量结果的高精度。

另外，本发明所述一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置具有足够的形变裕度，不需要像应变片使用那样直接粘连被测结构，在模型结构产生裂纹后，不会像直接粘连的应变片那样被拉裂失效，从而保障测量装置可以在结构有裂纹或微裂缝后，仍然能有效进行微裂缝动态位移变化的测量，也使得测量装置可以重复有效地长期监测应用。

附图说明

图1是本发明实施例所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置中第一应变片和第二应变片的引线焊接示意图；

图3是本发明实施例所述第一应变片和第二应变片与应变测量模块组成的半桥测量电路的原理示意图；

图4是本发明实施例所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置跨设在微裂缝上的示意图；

图5是本发明实施例所述结构微裂缝动态位移的高精度测量方法的步骤框图；

图6是本发明实施例所述对结构微裂缝动态位移的高精度测量装置进行标定试验的步骤框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供了一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，如图1至图3所示，其包括拱形弹性基座1、第一应变片2和第二应变片3、以及应变测量模块4。

其中，如图1所示，所述拱形弹性基座1优选为半圆形弹性基座，其采用厚度均匀、轻质且弹性好、又有一定刚度适宜的弹片制成，弹片材质可选用塑料或者金属薄片。弹片刚度不宜过大，否则会限制结构实际微裂缝扩展变化。根据被测结构可能发生微裂缝的位移变化范围定制不同圆弧半径的基座。一般圆弧半径在10mm～15mm之间的基座，可线性测量微裂缝变化范围大约为正负1～1.5mm。基座宽度选择在5mm～10mm间即可。厚度1～2mm之间，如果基座半径选择越小，基座厚度也要相应变薄，否则弯制的拱形弹性基座1的圆弧顶部上下表面易发生开裂，并且应变片初始弯曲弧度较大会影响线性测量范围。所述拱形弹性基座1在进行小幅度弯曲变化时，其弯曲变化量与其两端之间的位移变化量呈线性关系。

所述第一应变片2和第二应变片3分别对应贴附在所述拱形弹性基座1顶部的弧形内壁和弧形外壁上，且均沿拱形弹性基座1的中心线对称设置。所述第一应变片2和第二应变片3的型号大小相同。如图2所示，所述拱形弹性基座1的一端脚座上设有焊线端子12，所述第一应变片2和第二应变片3的引线焊接到焊线端子12上，焊线端子12为三个(以为A、B、C区分)，将第一应变片2的两个信号线焊接到A、B端，将第二应变片3的两个信号线焊接到B、C端。在A、B、C焊线端子上再焊接信号采集仪器的信号采集电缆5，信号采集仪器便可通过信号采集电缆5采集到第一应变片2和第二应变片3的应变变化。

所述应变测量模块4通过信号采集仪器与第一应变片2和第二应变片3电性连接，使所述第一应变片2和第二应变片3分别作为半桥电阻与应变测量模块4电性连接组成半桥测量电路，所述应变测量模块4用于根据半桥测量电路的输出电压计算所述第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量。所述应变测量模块4与第一应变片2和第二应变片3组成半桥测量电路如图3所示，所述第一应变片2和第二应变片3分别作为半桥电阻按半桥接线法联入应变测量模块4的桥路相邻边。所述半桥测量电路的输出电压与拱形弹性基座1的弯曲变化量呈线性关系。

基于上述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，本发明提出一种结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，如图5所示，其包括如下步骤：

S1、将所述拱形弹性基座1以微裂缝开裂预计位置所在直线为中心线，跨设设置在微裂缝开裂预计位置上方。

具体的，所述拱形弹性基座1以微裂缝开裂预计位置所在直线为中心线，跨设于微裂缝开裂预计位置上方，且所述拱形弹性基座1的开合方向与微裂缝开裂预计方向垂直设置，同时，所述第一应变片2和第二应变片3的拉压受力方向与微裂缝预计的开合方向一致。

如图4所示，为便于拱形弹性基座1的安装，所述拱形弹性基座1的两端水平延伸出两具有水平安装面的安装脚座11。优选的，所述拱形弹性基座1的两个端脚分别通过粘纸粘接于微裂缝开裂预计位置两侧，从而可以在位移超限时，所述拱形弹性基座1的安装脚座11能够从粘纸上脱落，保障装置不会因位移过大而损坏。

S2、采集微裂缝产生时半桥测量电路的输出电压，计算得到第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量。

如图4所示，当拱形弹性基座1两安装脚座11之间产生微裂缝时，拱形弹性基座1的B点处产生横向位移，拱形弹性基座1两端的间距发生变化，设其间距变化量为Δx，从力学角度看，在B点需要施加横向的力F，经过拱形弹性基座1传递转换，拱形弹性基座1的A点处相当于施加了力F和一个力矩F*R(R为半圆弧半径)，使得拱形弹性基座1的A点位置产生了弯曲作用和横向拉压作用。

在力矩作用下拱形弹性基座1的A点位置产生弯曲，处于该点位置上下表面的第一应变片2和第二应变片3会产生绝对值大小相等，方向相反的应变变化。例如第一应变片2产生拉伸应变——正应变，在第二应变片3上则产生压缩应变——负应变。由于位移量较小，两个应变片产生的拉压应变的绝对值大小基本相等。

而在力作用下拱形弹性基座1的A点位置则是产生横向拉压，处于该点上下表面的第一应变片2和第二应变片3会产生绝对值大小和符号均相同的弯曲应变值变化。

具体的，采集微裂缝产生时半桥测量电路的输出电压，计算得到第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量，其原理如图3所示，所述第一应变片2和第二应变片3分别作为半桥电阻按半桥接线法联入应变测量模块4的桥路相邻边，桥路输出电压e为：

上式中，E为桥路的电源输入；e为桥路输出电压；K为应变片应变系数，ε₁为第一应变片2的弯曲应变值，ε₂为第二应变片3的弯曲应变值，Δε₁为第一应变片2的弯曲应变值变化量，Δε₂为第二应变片3的弯曲应变值变化量。

基于上述半桥测量电路测量应变片弯曲应变值变化的原理，根据半桥测量电路的输出电压计算得到第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量Δε₁、Δε₂。

S3、根据第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量推算出拱形弹性基座1两端的间距变化量，即结构微裂缝动态位移值。

所述第一应变片2和第二应变片3上产生的弯曲应变变化大小相等，符号相反，因此，单个应变片的弯曲应变值变化量Δε的计算公式如下：

Δε₂＝-Δε₁＝Δε

在横向位移运动Δx较小情况下，拱形弹性基座1的变形较小，拱形弹性基座1的顶点位置的力矩和力仍然近似保持M＝F*R的线性关系。第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化Δε₁、Δε₂和拱形弹性基座1的B点位移运动量Δx呈现为线性变化关系，因此，通过测量第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量Δε就可以推算出拱形弹性基座1两端的间距变化量Δx，所述拱形弹性基座1两端的间距变化量的计算公式如下：

Δx＝K_ε×Δε

上式中，K_ε为位移灵敏度系数；Δε为第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量，第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量相同。

所述拱形弹性基座1两端的间距变化量即为微裂缝的动态位移变化测量结果。

在使用结构微裂缝动态位移的高精度测量装置进行微裂缝位移测量前，需要进行一次标定试验，通过标定得到一系列(Δε_i,Δx_i)，以及确定应变值线性变化范围，确定最大位移测量范围以及应用最小二乘法计算得到位移灵敏度系数K_ε。如图6所示，所述标定试验包括如下步骤：

A1、将结构微裂缝动态位移的高精度测量装置安装在标定台上，将第一应变片2和第二应变片3分别作为半桥电阻与应变测量模块4电性连接，形成半桥桥路，通过应变测量仪读取第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量；

A2、标定台按一定间隔进行正量程变化和负量程变化，通过应变测量仪分别读取正量程变化响应的正向应变变化量和负量程变化响应的负向应变变化量；

A3、基于量程变化量与应变变化量，采用最小二乘法求解位移灵敏度系数。

具体的，将拱形弹性基座1安装在标定台上，并将拱形弹性基座1上的焊线端子A、焊线端子B、焊线端子C分别连接到半桥桥路的接线端A、接线端B、接线端C连接，形成半桥桥路，通过应变测量仪读取桥路输出电压e,应变测量仪也可直接读取第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变值变化量Δε。另外，测量开始前，需要对应变测量仪进行桥路平衡，消除桥路电阻差，桥路平衡后应变测量仪的输出应变变化量Δε读数为0。

标定台分别按正量程(Δx＞0)变化和负量程(Δx＜0)进行标定。当标定台按一定间隔进行正量程变化时(Δx＞0)，应变测量仪可以读出响应的应变变化量Δε；当标定台按一定间隔进行负量程变化时(Δx＜0)，应变测量仪也可以读出响应的应变变化量Δε。

读数后按下表方式进行记录一系列测量数值(Δε_i,Δ_xi)。

在拱形弹性基座1的测量范围内，Δx和Δε应该满足以下线性关系：

Δx＝K_ε×Δε+b

因为测量开始时，对应变测量仪进行了桥路平衡，上诉公式里的b＝0；Δx和Δε则满足以下线性关系：

Δx＝K_ε×Δε

通过标定台上的n次测量，得到一系列标定测量值(Δε_i,Δx_i),i＝1,2,3,…,n。

令x_i＝Δε_i；y_i＝Δx_i

用一元线性回归方程表示为：

y_i＝ax_i+b

其中a，b是待定的回归系数，a为斜率，b为截距。

根据最小二乘法的原理，最佳的回归线应是各观测值y_i与相对应的落在回归线上的值之差的平方和(Q离差平方和)为最小。

令:

计算得到的趋势项系数a和b的值计算如下：

最小二乘法中求得的a斜率，在公式Δx＝K_ε×Δε中体现为：位移灵敏度系数K_ε。

桥路平衡后，求解得到的b截距应该接近于0；事先桥路未平衡消除桥路电阻差，b值不为0；但不影响位移灵敏度系数K_ε。

求解获得位移灵敏度系数K_ε后，就可以认为Δε与Δx是一一对应。应用拱形弹性基座1进行微裂缝动态位移测量时，通过采集仪首先监测得到的是应变变量的动态变化时程，通过公式Δx＝K_ε×Δε进行转换就可以得到动态位移变化时程。

本发明所述一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置及方法，其通过设置一拱形弹性基座1跨设在微裂缝开裂预计位置上方，并在拱形弹性基座1顶部的弧形内壁和弧形外壁上分别对应贴附设置第一应变片2和第二应变片3，从而将结构表面微裂缝的张合产生的横向动态位移变化转化为拱形弹性基座1顶部上下表面的弯曲应变变化，通过第一应变片2和第二应变片3分别作为半桥电阻与应变测量模块4电性连接组成半桥测量电路，测量得到第一应变片2和第二应变片3的弯曲应变变化，即拱形弹性基座1顶部的弯曲应变变化，基于拱形弹性基座1的端部位移变化与其弯曲应变变化呈线性关系，确定拱形弹性基座1的端部位移变化，即测量得到微裂缝动态位移变化；同时基于弯曲应变的高精度测量，从而保证了微裂缝动态位移测量结果的高精度。

另外，本发明所述一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置具有足够的形变裕度，不需要像应变片使用那样直接粘连被测结构，在模型结构产生裂纹后，不会像直接粘连的应变片那样被拉裂失效，从而保障测量装置可以在结构有裂纹或微裂缝后，仍然能有效进行微裂缝动态位移变化的测量，也使得测量装置可以重复有效地长期监测应用。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实施例的模块、单元和/或方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，其特征在于，包括：

拱形弹性基座；

第一应变片和第二应变片，所述第一应变片和第二应变片分别对应贴附在所述拱形弹性基座顶部的弧形内壁和弧形外壁上；

应变测量模块，所述第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻与应变测量模块电性连接组成半桥测量电路，所述应变测量模块用于根据半桥测量电路的输出电压计算所述第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量。

2.根据权利要求1所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，其特征在于，所述第一应变片和第二应变片均沿拱形弹性基座的中心线对称设置。

3.根据权利要求1所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，其特征在于，所述第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻按半桥接线法联入应变测量模块的桥路相邻边。

4.一种利用权利要求1至3中任意一项所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置进行的结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述拱形弹性基座以微裂缝开裂预计位置所在直线为中心线，跨设设置在微裂缝开裂预计位置上方；

采集微裂缝产生时半桥测量电路的输出电压，计算得到第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量；

根据第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量推算出拱形弹性基座两端的间距变化量，即结构微裂缝动态位移值。

5.根据权利要求4所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，其特征在于，所述拱形弹性基座的开合方向与微裂缝开裂预计方向垂直设置。

6.根据权利要求4所述结构微裂缝动态位移的高精度测量装置，其特征在于，所述第一应变片和第二应变片的拉压受力方向与微裂缝的开合方向一致。

7.根据权利要求4所述结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，其特征在于，所述拱形弹性基座两端的间距变化量的计算公式如下：

Δx＝K_ε×Δε

上式中，K_ε为位移灵敏度系数；Δε为第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量，第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量相同。

8.根据权利要求4所述结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，其特征在于，第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量与拱形弹性基座两端的间距变化量呈线性变化关系。

9.根据权利要求4所述结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，其特征在于，使用结构微裂缝动态位移的高精度测量装置进行微裂缝位移测量前，需要进行一次标定试验，所述标定试验包括如下步骤：

将结构微裂缝动态位移的高精度测量装置安装在标定台上，将第一应变片和第二应变片分别作为半桥电阻与应变测量模块电性连接，形成半桥测量电路，通过应变测量仪读取半桥测量电路的输出电压，从而得到第一应变片和第二应变片的弯曲应变值变化量；

标定台按一定间隔进行正量程变化和负量程变化，通过应变测量仪分别读取正量程变化响应的正向应变变化量和负量程变化响应的负向应变变化量；

基于量程变化量与应变变化量，采用最小二乘法求解位移灵敏度系数。

10.根据权利要求9所述结构微裂缝动态位移的高精度测量方法，其特征在于，在进行量程变化测量之前，需要对应变测量仪进行桥路平衡，消除桥路电阻差，桥路平衡后应变测量仪的输出应变变化量读数为0。

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