CN202903128U - 一种混凝土结构体的应变测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种混凝土结构体的应变测量装置。其中，所述装置包括：弹性体、波纹管固定端、弹性体固定端、电阻应变片、信号电缆、薄壁波纹管、基距套管、密封组件和塑料滑动管。通过使用上述的混凝土结构体的应变测量装置，可以长期有效、准确地测量混凝土结构体的内部应变，并可应用于各种类型的混凝土结构体的长期监测工作中。

Description

一种混凝土结构体的应变测量装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程中的结构监测技术领域，尤其是指一种混凝土结构体的应变测量装置。

背景技术

在现有的土木工程技术中，通常需要对混凝土结构体中的内部应变力进行监测，以获知混凝土结构体内部的应变力的变化。在现有的混凝土结构体内部应变测量工作中，经常使用的应变传感器一般有两种：振弦式应变传感器和电阻式应变传感器。其中，振弦式传感器的价格比较昂贵，数据采集仪表配套单一，而且安装难度相对较大，安装后的保护要求也较高。相对于振弦式传感器，电阻式应变传感器具备价格适中、配套仪表普及、使用简便等优点。

但是，由于现有的电阻式应变传感器在实际工程应用中多用于短期使用，因此现有的电阻式传感器的结构都比较简单，在使用一段较长时间后，电阻式传感器中的电阻应变片容易产生无法恢复的形变，从而出现读数不准、测量误差超出量程范围等问题，而且抗干扰能力也比较差，因而难以长期稳定地工作。另外，现有的电阻式传感器由于是短期使用，因此仅仅采用了一些简单的防水设计，所以防水性能较差，从而也使得现有的电阻式传感器难以长期稳定地工作，无法应用于混凝土结构体内部应变力的长期监测工作。

发明内容

本实用新型提供了一种混凝土结构体的应变测量装置，从而可以长期有效、准确地测量混凝土结构体的内部应变。

为达到上述目的，本实用新型中的技术方案是这样实现的：

一种混凝土结构体的应变测量装置，该装置包括：弹性体、波纹管固定端、弹性体固定端、电阻应变片、信号电缆、薄壁波纹管、基距套管、密封组件和塑料滑动管；

所述弹性体的一端固定于波纹管固定端上，其另一端固定于弹性体固定端上；所述弹性体包括一个水平部以及设置于所述水平部两端的弓形梁，所述弹性体的水平部的上表面和下表面上均分别对称设置有两片电阻应变片；

所述弹性体固定端与所述弹性体连接的一端设置有四个第一接线柱，四个第一接线柱通过四根电阻应变片引出线分别与四片电阻应变片连接；所述弹性体固定端的另一端设置有四个第二接线柱，四个第二接线柱通过四根电缆引出线与信号电缆连接；所述弹性体固定端的中部还设置有与所述基距套管连接的环状突起部；

所述薄壁波纹管，套设于所述弹性体之上；所述薄壁波纹管的一端固定于波纹管固定端上，其另一端固定于所述基距套管上；

所述基距套管，套设于所述信号电缆的外表面上；所述基距套管不与所述薄壁波纹管连接的一端设置有锥体内腔；所述锥体内腔与套设于所述信号电缆的外表面上且用于防水的密封组件连接；

所述塑料滑动管，套设于所述基距套管、薄壁波纹管和波纹管固定端之上。

较佳的，所述弹性体的弓形梁的外侧还设置有沿水平方向延展的固定部；

所述固定部上设置有固定通孔。

较佳的，所述弹性体由合金结构钢材料制成。

较佳的，所述合金结构钢材料为40Cr。

较佳的，所述电阻应变片通过粘合剂粘贴于所述弹性体的水平部的上表面或下表面上。

较佳的，所述粘合剂为环氧粘合剂。

较佳的，所述薄壁波纹管的壁厚为0.1mm。

较佳的，所述薄壁波纹管由铍青铜材料通过冷压的方式制成。

较佳的，所述薄壁波纹管通过焊接的方式分别固定于波纹管固定端和基距套管上。

较佳的，所述的焊接为锡焊。

较佳的，所述密封组件包括：密封橡胶套、密封垫环和密封螺母；

所述密封橡胶套具有与所述信号电缆的外径相匹配的柱状空腔，所述柱状空腔的一端设置有可与所述基距套管的锥体内腔紧密连接的密封锥体；所述密封橡胶套的柱状空腔套设于所述信号电缆的外表面上，所述密封橡胶套的密封锥体插入所述基距套管的锥体内腔中；

所述密封垫环套设于所述信号电缆的外表面上，并与所述密封橡胶套的密封锥体抵接；

所述密封螺母通过内螺纹套设于所述信号电缆的外表面上，并与所述密封垫环抵接。

较佳的，所述密封橡胶套由氯丁橡胶制成。

较佳的，所述塑料滑动管由聚四氟材料制成。

综上可知，本实用新型中提供了一种混凝土结构体的应变测量装置。在所述装置中，由于该装置中使用了特殊的弓形弹性体以及粘贴在所述弹性体上的四片电阻应变片，从而可以长期有效、准确地测量混凝土结构体的内部应变；另外，由于在所述混凝土结构体的应变测量装置中还进一步使用了特殊的密封组件，因此具有非常好的防水性能，从而使得所述混凝土结构体的应变测量装置具备良好的长期稳定性及抗干扰能力，因此可应用于各种类型的混凝土结构体的长期监测工作中。

附图说明

图1为本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置的装配示意图。

图2为本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置的剖面示意图一。

图3为本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置的剖面示意图二。

图4为本实用新型中组装后的混凝土结构体的应变测量装置的立体示意图。

图5为本实用新型中的弹性体的结构示意图。

图6为本实用新型中的电阻应变片与弹性体的连接关系示意图。

图7为本实用新型中的四片电阻应变片的电路等效示意图。

图8为本实用新型中的薄壁波纹管的结构示意图。

图9为本实用新型中的薄壁波纹管的连接示意图。

图10为本实用新型中的密封组件的结构示意图。

图11为本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置的使用示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本实用新型再作进一步详细的说明。

参见图1至图9，本实用新型中的所述混凝土结构体的应变测量装置主要包括：弹性体11、波纹管固定端12、弹性体固定端13、电阻应变片14、信号电缆15、薄壁波纹管16、基距套管17、密封组件18和塑料滑动管19。

所述弹性体11的一端固定于波纹管固定端12上，其另一端固定于弹性体固定端13上；所述弹性体11包括一个水平部110以及设置于所述水平部110两端的弓形梁112，所述弹性体11的水平部110的上表面和下表面上均分别对称设置有两片电阻应变片14；

所述弹性体固定端13与所述弹性体11连接的一端设置有四个第一接线柱，四个第一接线柱通过四根第一电阻应变片引出线141分别与四片电阻应变片14连接；所述弹性体固定端13的另一端设置有四个第二接线柱，四个第二接线柱通过四根第二电缆引出线142与信号电缆15连接；所述弹性体固定端13的中部还设置有与所述基距套管17连接的环状突起部131；

所述薄壁波纹管16，套设于所述弹性体11之上；所述薄壁波纹管16的一端固定于波纹管固定端12上，其另一端固定于所述基距套管17上；

所述基距套管17，套设于所述信号电缆15的外表面上；所述基距套管17不与所述薄壁波纹管16连接的一端设置有锥体内腔171；所述锥体内腔171与套设于所述信号电缆15的外表面上且用于防水的密封组件18连接；

所述塑料滑动管19，套设于所述基距套管17、薄壁波纹管16和波纹管固定端12之上。

图5为本实用新型中的弹性体的结构示意图。参见图5并结合图1至图4所示，本实用新型中的弹性体11包括一个水平部110以及设置于所述水平部110两端的弓形梁112。进一步的，所述弹性体11的弓形梁112的外侧还设置有沿水平方向延展的固定部114，所述固定部上设置有固定通孔116，使得固定螺钉可穿过所述固定通孔116，将所述弹性体11的两端分别固定在波纹管固定端12和弹性体固定端13上。

较佳的，在本实用新型中，所述弹性体可由合金结构钢材料制成，所述合金结构钢材料可以为40Cr，由40Cr制成的弹性体具有弹性高、滞后小、耐腐蚀等特点；而且，由于所述弹性体中具有两个弓形梁，因此弹性体的弹性高，具有较高的疲劳极限，弹性模量温度系数小而且稳定，经过热处理后的性能也均匀稳定，机械加工及热处理性能良好，弹性滞后较小，因此非常适用于混凝土结构体内部的应变测量。

在本实用新型的具体实施例中，还将在所述弹性体11的水平部110的上表面和下表面上分别设置两片电阻应变片14，一共四片电阻应变片14。较佳的，所述电阻应变片14通过粘合剂粘贴于所述弹性体11的水平部110的上表面或下表面上，待粘合剂在室温下固化后，再进入恒温箱固化，以增强粘贴的牢固性。其中，在本实用新型的具体实施例中，所述粘合剂可以是环氧粘合剂或其它的粘合剂。进一步的，在将电阻应变片14粘贴于所述弹性体11上之前，还可利用酚醛环氧胶或缩酚胶对电阻应变片14的粘贴面以及弹性体11的上表面和下表面进行底层处理，以进一步增强粘贴的牢固性。

另外，在本实用新型的具体实施例中，所述四片电阻应变片14中的每一片电阻应变片都通过一根电阻应变片引出线141分别与所述弹性体固定端13上的一个第一接线柱连接，因此，上述四片电阻应变片14可组成一个惠更斯电桥。通过上述四片电阻应变片14，即可测得混凝土结构体中的实际应变测量值。

图6为本实用新型中的电阻应变片与弹性体的连接关系示意图。其中，图6（a）为侧视图，图6（b）为俯视图。如图6所示，可用Z1、Z2、Z3和Z4分别表示上述的四片电阻应变片14，其中，Z1和Z3为设置于所述弹性体11的水平部110的上表面上的电阻应变片，Z2和Z4为设置于所述弹性体11的水平部110的下表面上的电阻应变片。

图7为本实用新型中的四片电阻应变片的电路等效示意图。如图7所示，可设Z1的电阻值为R₁，Z2的电阻值为R₂，Z3的电阻值为R₃，Z4的电阻值为R₄，则上述的四片电阻应变片可组成一个如图7所示的全桥电路。其中，AC端的输入电压可设为V_i，DB端的输出电压可设为V₀。根据基尔霍夫定律，输出电压V₀和输入电压V_i具有如下所述的关系：

$V_0=V_i\×\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}---\left(1\right)$

当进行全桥测量时，4个桥臂的电阻变化分别为ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃和ΔR₄，且变化前的电桥为平衡，则输出电压V₀为：

$V_0=V_i\×\frac{R_2{R}_4}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})---\left(2\right)$

由于四个电阻应变片的规格相同，灵敏系数K也相同，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄，且K₁＝K₂＝K₃＝K₄，则有：

$V_0=\frac{1}{4}{V}_{i}K({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)---\left(3\right)$

其中，ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为四片电阻应变片的实际应变测量值。在所述弹性体11由于受力而发生弯曲时，所述弹性体11的水平部110也将由于发生弯曲而产生形变，例如，水平部110的上表面发生拉伸形变时，水平部110的下表面则将发生压缩形变，反之亦然。此时，上述4片电阻应变片中，必然有2片电阻应变片受到拉伸应力而被拉伸，而另外2片电阻应变片则受到压缩应力被压缩。由于电阻应变片所受到的拉伸应力和压缩应力的绝对值相同，而符号相反，因此必然有：

ε₁＝－ε₂＝ε₃＝－ε₄＝ε（4）

根据上述的公式（3）和（4），可得：

V₀＝V_iKε        （5）

其中，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{4}{\mathrm{\ϵ}}_0---\left(6\right)$

所述ε₀为混凝土结构体的应变测量装置所输出的总的应变输出值，该应变输出值为4片电阻应变片所测得的实际应变测量值的绝对值之和，因此测量灵敏度较高，与现有技术中的混凝土结构体的应变测量装置的测量灵敏度相比，提高了4倍。

此外，在本实用新型的具体实施例中，由于四片电阻应变片14是成对地对称设置在所述弹性体11的水平部110的上表面和下表面上，因此在实际的测试工作中，四片电阻应变片14可以相互进行温度补偿。通过上述相互补偿的温度补偿形式，可以减轻或消除了混凝土结构体内部的温度变化对实际应变测量值的不利影响，提高测量准确度。

由上可知，由于本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置中使用了具有上述结构的弹性体11和四片电阻应变片14，因此非常适合在混凝土结构体的内部进行应变测量，而且使得所述混凝土结构体的应变测量装置工作比较稳定、反应灵敏，而且还具有很好的抗干扰和温度补偿能力。

另外，由于上述的弹性体11所测量的混凝土结构体中的应变量的值一般都比较微小，因此在本实用新型的具体实施例中，上述弹性体11的外侧还需要套设一个薄壁波纹管16。所述薄壁波纹管16的一端固定于波纹管固定端12上，其另一端固定于所述基距套管17上，因此在为弹性体11提供良好的保护的同时，还可以尽量减小混凝土结构体中的内部环境对于弹性体11的干扰，从而提高弹性体11的测量灵敏度和测量分辨率。

图8为本实用新型中的薄壁波纹管的结构示意图。较佳的，如图8所示，在本实用新型的具体实施例中，所述薄壁波纹管16的壁厚为0.1mm。所述薄壁波纹管16可由铍青铜材料通过冷压的方式制成。由于上述薄壁波纹管16的壁厚很薄，而且是由铍青铜制成，因此上述薄壁波纹管16即使是受到很微小的应变力时，也将发生相应的变形（例如，拉伸或压缩），从而可以将上述应变力有效地传递到弹性体11上进行测量，提高弹性体11的测量灵敏度和测量分辨率。

图9为本实用新型中的薄壁波纹管的连接示意图。较佳的，如图9所示，在本实用新型的具体实施例中，所述薄壁波纹管16可通过焊接的方式分别固定于波纹管固定端12和基距套管17上。较佳的，在本实用新型的具体实施例中，所述的焊接可以是锡焊。

图10为本实用新型中的密封组件的结构示意图。如图10所示，在本实用新型较佳的具体实施例中，所述密封组件18可以包括：密封橡胶套181、密封垫环182和密封螺母183。

所述密封橡胶套181具有与所述信号电缆15的外径相匹配的柱状空腔，所述柱状空腔的一端设置有可与所述基距套管17的锥体内腔171紧密连接的密封锥体180；所述密封橡胶套181的柱状空腔套设于所述信号电缆15的外表面上，所述密封橡胶套181的密封锥体180插入所述基距套管17的锥体内腔171中；

所述密封垫环套182设于所述信号电缆15的外表面上，并与所述密封橡胶套181的密封锥体180抵接；

所述密封螺母183通过内螺纹套设于所述信号电缆15的外表面上，并与所述密封垫环182抵接。

如图10所示，由于所述密封橡胶套181具有与所述信号电缆15的外径相匹配的柱状空腔，因此密封橡胶套181可以紧密地套设在所述信号电缆15的外表面上。而且，当密封螺母183被旋转而向右运动时，该密封螺母183将通过密封垫环182挤压密封橡胶套181的密封锥体180，使得密封锥体180受挤压后变形，从而与基距套管17和信号电缆15紧密接触，达到良好的防水密封效果。

较佳的，在本实用新型的具体实施例中，所述密封橡胶套181可以由氯丁橡胶制成。

另外，所述混凝土结构体的应变测量装置一般都是直接设置在混凝土内的，为了避免薄壁波纹管16与混凝土直接接触，保证所述混凝土结构体的应变测量装置对混凝土结构体内部应变的快速响应及准确测量，在本实用新型的具体实施例中，还将在所述基距套管17、薄壁波纹管16和波纹管固定端12之上套设一个塑料滑动管19。当所述混凝土结构体的应变测量装置被安装在混凝土结构体内时，混凝土将逐渐凝固，所述混凝土结构体的应变测量装置两端未被塑料滑动管19包裹的部分将被混凝土握裹，但所述混凝土结构体的应变测量装置被塑料滑动管19所包裹的部分将与混凝土分离，因此使得薄壁波纹管16以及薄壁波纹管16内的弹性体11均可在混凝土结构体中自由移动。当混凝土结构体内部产生应变力时，该应变力将通过基距套管17传递至弹性体11，从而完成相应的应变测量。

较佳的，在本实用新型的具体实施例中，所述塑料滑动管19可以由聚四氟材料制成。

图11为本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置的使用示意图。如图11所示，在使用所述混凝土结构体的应变测量装置时，可根据实际测试要求，先在待测混凝土结构体的相应部位确定相应的安装位置；在混凝土浇筑前，将所述混凝土结构体的应变测量装置通过铁丝或金属扎带绑缚于钢筋20上，同时将防水的信号电缆引出混凝土浇筑面。待混凝土凝固后，即可使用配套测试仪表接收信号电缆传输的信号，从而实现对混凝土结构体内部应变的测试。

另外，为适应混凝土骨料粒径不同的需要，所述混凝土结构体的应变测量装置中可以使用不同规格的基距套管，以使得所述混凝土结构体的应变测量装置具有不同的测量基距，从而可用于多种测量场合和测量工况。

综上可知，本实用新型中提供了一种混凝土结构体的应变测量装置。在所述混凝土结构体的应变测量装置中，由于使用了特殊的弓形弹性体以及粘贴在所述弹性体上的四片电阻应变片，从而可以长期有效、准确地测量混凝土结构体的内部应变；另外，由于在所述混凝土结构体的应变测量装置中使用了特殊的密封组件，因此具有非常好的防水性能，从而使得所述混凝土结构体的应变测量装置具备良好的长期稳定性及抗干扰能力，因此可应用于各种类型的混凝土结构体的长期监测工作中。此外，本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置可适用于现有的不同厂家、不同型号的电阻应变式采集仪表，而且本实用新型中的混凝土结构体的应变测量装置安装简便、省时、省力，性能稳定可靠。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于，该装置包括：弹性体、波纹管固定端、弹性体固定端、电阻应变片、信号电缆、薄壁波纹管、基距套管、密封组件和塑料滑动管；

所述弹性体的一端固定于波纹管固定端上，其另一端固定于弹性体固定端上；所述弹性体包括一个水平部以及设置于所述水平部两端的弓形梁，所述弹性体的水平部的上表面和下表面上均分别对称设置有两片电阻应变片；

所述弹性体固定端与所述弹性体连接的一端设置有四个第一接线柱，四个第一接线柱通过四根电阻应变片引出线分别与四片电阻应变片连接；所述弹性体固定端的另一端设置有四个第二接线柱，四个第二接线柱通过四根电缆引出线与信号电缆连接；所述弹性体固定端的中部还设置有与所述基距套管连接的环状突起部；

所述薄壁波纹管，套设于所述弹性体之上；所述薄壁波纹管的一端固定于波纹管固定端上，其另一端固定于所述基距套管上；

所述基距套管，套设于所述信号电缆的外表面上；所述基距套管不与所述薄壁波纹管连接的一端设置有锥体内腔；所述锥体内腔与套设于所述信号电缆的外表面上且用于防水的密封组件连接；

所述塑料滑动管，套设于所述基距套管、薄壁波纹管和波纹管固定端之上。

2.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述弹性体的弓形梁的外侧还设置有沿水平方向延展的固定部；

所述固定部上设置有固定通孔。

3.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述弹性体由合金结构钢材料制成。

4.如权利要求3所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述合金结构钢材料为40Cr。

5.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述电阻应变片通过粘合剂粘贴于所述弹性体的水平部的上表面或下表面上。

6.如权利要求5所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述粘合剂为环氧粘合剂。

7.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述薄壁波纹管的壁厚为0.1mm。

8.如权利要求1或7所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述薄壁波纹管由铍青铜材料通过冷压的方式制成。

9.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述薄壁波纹管通过焊接的方式分别固定于波纹管固定端和基距套管上。

10.如权利要求9所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述的焊接为锡焊。

11.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于，所述密封组件包括：密封橡胶套、密封垫环和密封螺母；

所述密封橡胶套具有与所述信号电缆的外径相匹配的柱状空腔，所述柱状空腔的一端设置有可与所述基距套管的锥体内腔紧密连接的密封锥体；所述密封橡胶套的柱状空腔套设于所述信号电缆的外表面上，所述密封橡胶套的密封锥体插入所述基距套管的锥体内腔中；

所述密封垫环套设于所述信号电缆的外表面上，并与所述密封橡胶套的密封锥体抵接；

所述密封螺母通过内螺纹套设于所述信号电缆的外表面上，并与所述密封垫环抵接。

12.如权利要求11所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述密封橡胶套由氯丁橡胶制成。

13.如权利要求1所述的混凝土结构体的应变测量装置，其特征在于：

所述塑料滑动管由聚四氟材料制成。

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