CN210952724U - 一种钢筋应力应变计 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种钢筋应力应变计，包括钢筋连接杆和感应套筒，钢筋连接杆通过连接环与钢筋同轴连接，钢筋连接杆贯穿感应套筒设置并紧密贴合在感应套筒的内表面，感应套筒的内壁上下对称地放置有上部光纤光栅与下部光纤光栅，在上部光纤光栅与下部光纤光栅的外侧，感应套筒内设有与感应套筒固定连接的敏感弦，在敏感弦外侧还设有用于感应敏感弦振动频率的感应线圈，上部光纤光栅与下部光纤光栅均串联有温度补偿光纤光栅以抵消温度的影响，光纤光栅的外部还设有保护管，光纤光栅张紧并固定于所述保护管内。本实用新型能够实现实时监控和测定，具有测量精度高、灵敏度高、具有自身校核性、结构简单、成本低、抗干扰能力强，可广泛用于各种复杂的环境中。

Description

一种钢筋应力应变计

技术领域

本申请涉及一种钢筋应力应变计，适用于工程测量的技术领域。

背景技术

目前，工程中的钢筋受材料力学性质、外界环境不断变化等因素的影响，使得监测钢筋应力应变的变化非常困难。普遍的钢筋计是用来测量工程建筑物混凝土钢筋所受应力的测量仪器，或作为锚杆应力计埋设在需要加固的基岩、边坡及地下结构洞壁的钻孔中。钢筋计主要有电阻应变片式、差动电阻式、振弦式等类型。电阻应变片式耐久性差、容易蠕变，差动电阻式钢筋计灵敏度较低，同时差动电阻、振弦式等电类钢筋计受电磁干扰严重，绝缘要求高，不适合在强电磁恶劣环境中使用。电阻应变式钢筋计的原理是依靠电阻应变片在拉力的作用下产生形变导致电阻值发生变化，从而测得钢筋应力的大小，不能长期适用于钢筋应力的监测是因为电阻应变片对温度较敏感、输出信号较弱并且对于大应变有较大的非线性等。振弦式钢筋计是由于钢弦在不同张力作用下具有不同的固定频率，从而测得钢筋应力大小，通常这种仪器体积较大，并且精度较低、响应速度较慢。这些仪器都存在稳定性差、易受环境干扰等缺点，故不能满足其进行长期钢筋监测的需要。

在工程实际中，钢筋的应力和变形对于整个结构具有非常重大的影响，因此急需一种测量精度高、抗干扰能力强、结构简单方便的应力应变计。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有钢筋计的缺点，提供一种用于普通工程环境中的测量精度、敏感度高、抗干扰能力强、结构简单、使用方便的，可以对钢筋同步进行实时监测其应力应变的高精度的钢筋应力应变计，以达到对钢筋应力和变形的监测目的，并具有自身校核精度的功能，从而来增加其使用年限，具有较好的耐久性。

根据本申请的一种钢筋应力应变计，包括钢筋连接杆和感应套筒，所述钢筋连接杆通过连接环与钢筋同轴连接，所述钢筋连接杆贯穿所述感应套筒设置并紧密贴合在所述感应套筒的内表面，所述感应套筒的内壁上下对称地放置有上部光纤光栅与下部光纤光栅，在上部光纤光栅与下部光纤光栅的外侧，所述感应套筒内设有与所述感应套筒固定连接的敏感弦，所述敏感弦处于张紧状态，在所述敏感弦外侧还设有用于感应所述敏感弦振动频率的感应线圈，所述上部光纤光栅与所述下部光纤光栅均串联有温度补偿光纤光栅以抵消温度的影响。

优选地，所述连接环内部设有螺纹，所述连接环与所述钢筋连接杆之间为可拆卸连接，例如套丝连接；所述上部光纤光栅与所述下部光纤光栅粘贴固定在所述感应套筒的凹槽内；所述光纤光栅的两端为信号传输光纤，所述信号传输光纤连接的引出线从光纤光栅的一端伸出并穿出所述感应套筒。

其中，使用时，首先将钢筋连接杆穿过感应套筒，然后用连接环将钢筋与钢筋连接杆连接起来，将引出线连接好后钢筋计即可开始工作；当钢筋所受的应力发生变化时，敏感弦受到钢筋变形所导致的频率变化，感应线圈感受到变化，其输出的电信号频率也随之发生改变，频率信号经引出电缆传输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到应力数据。

其中，利用所述钢筋应力应变计测得的应力值为

式中，k为钢筋计的最小读数，ΔF为钢筋应力应变计输出值相对于基准值的变化量，b为钢筋计温度修正系数，Δλ_b为反射光中心波长变化量，α_f为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。

本申请的钢筋应力应变计综合利用了光纤光栅和感应弦的测量结果，其中的ΔF为输出的频率模数，即实时测量的钢筋计输出值相对于基准值的变化量，是由感应线圈感应到的敏感弦受到钢筋变形所导致的频率变化而产生；Δλ_b为反射光中心波长变化量，是由光纤光栅感应到的钢筋轴向变形引起的光栅特征波长的变化量。本申请的测量结果能够抵消温度对钢筋计测量应力应变的影响，同时综合了光纤光栅和感应弦两种测量部件的测量结果，使得测量结果更加准确、稳定，灵敏度更高。

附图说明

图1是根据本申请的钢筋应力应变计的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

根据本申请的钢筋应力应变计，包括钢筋连接杆4和感应套筒10，钢筋连接杆4通过连接环7与钢筋5同轴连接，钢筋连接杆4贯穿感应套筒10设置并紧密贴合在感应套筒10的内表面。连接环7起到连接钢筋连接杆4和钢筋的作用并且两端内部设有螺纹，连接方式为可拆式连接，例如可以是套丝连接。感应套筒10的内径与钢筋连接杆4的外径相同，使其二者能够更好地紧密贴合。

感应套筒10的内壁上下对称地放置有上部光纤光栅9与下部光纤光栅2，在光纤光栅的外侧，感应套筒10内设有通过固定螺栓3与感应套筒固定连接的敏感弦1，拉紧的敏感弦1作为感应钢筋振动频率的敏感元件平行于感应套筒的轴线方向设置，在敏感弦外侧还设有用于感应敏感弦振动频率的感应线圈8。其中敏感弦可以采用钢弦，通过感应线圈8感应钢弦的振动频率，并将其转化为电信号输出，以此分析测量钢筋所受拉力，感应线圈的感应灵敏，使所受钢筋计的测量精度高。

优选地，上部光纤光栅9与下部光纤光栅2均串联有温度补偿光纤光栅11以抵消温度的影响。光纤光栅敏感部件粘贴固定在感应套筒的凹槽内。光纤光栅的两端为信号传输光纤，信号传输光纤连接的引出线从光纤光栅敏感部件一端伸出并穿出感应套筒。

优选地，上部光纤光栅9与下部光纤光栅2的外部还设有保护管，光纤光栅张紧并固定于保护管内，其作为一个整体粘贴固定在感应套筒的凹槽内。这是因为光纤光栅比较脆弱，易受损坏，因此将光纤光栅用保护管包裹起来以免其遭到破坏。通过引出电缆将光纤光栅中的信号传输出到数据采集系统中，通过分析数据得到相应的应变值。

本实用新型是根据光纤光栅传感器和振弦式传感器的原理设计而成。光纤光栅传感器可测量应变、温度、压力、位移、流量、液位等参数，其传感原理一般基于被测参数变化引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的移动量来测量上述参数。振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小，通过相应的测量电路，就可得到与拉力成一定关系的电信号。

使用时，首先将钢筋连接杆穿过感应套筒使其左右两端露出部分长度大致相同，然后用连接环将钢筋与连接杆连接起来，将引出线连接好后钢筋计即可开始工作。当钢筋所受的应力发生变化时，敏感弦同时受到钢筋变形所导致的频率变化，感应线圈感受到变化，其输出的电信号频率也随之发生改变。频率信号经引出电缆传输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到钢筋应力变化。

当外界温度恒定钢筋计仅受到轴向应力作用时，其应力σ与输出的频率模数ΔF具有如下线性关系：

σ＝k×ΔF，(ΔF＝F-F₀)

其中，k—钢筋计的最小读数，单位为MPa/kHz²；

ΔF—实时测量的钢筋计输出值相对于基准值的变化量，单位为kHz²；

F—实时测量的钢筋计输出值，单位为kHz²；

F₀—钢筋计的基准值，单位为kHz²。

实际中温度却不一定是恒定的，此时测温度改变时的应力大小只需在其基础上加上钢筋计受到温度变化导致的输出值即可。输出值一般为b×ΔT，b为钢筋计温度修正系数，单位为MPa/℃，可以通过实验结果进行标定；ΔT为温度实时测量的钢筋计输出值相对于基准值的变化量，可根据温度补偿光纤光栅求出，单位为℃。

σ＝k×ΔF+b×ΔT

将上部光纤光栅与下部光纤光栅张紧并固定于保护管内且分别于感应套筒轴线上下对称放置。其作为一个整体粘贴固定在感应套筒的凹槽内。光纤光栅的两端为信号传输光纤6，信号传输光纤连接的引出电缆从光纤光栅敏感部件一端伸出并穿出感应套筒。同时钢筋计串联一个不受力的温度补偿光纤光栅即可抵消温度对钢筋计测量的应力应变的影响，之后将全部信号传输至计算机。

传感钢筋的轴向变形引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的移动量来测量钢筋的应变。在线弹性范围内，光栅周期的变化与应变满足线性关系，另外由于热胀效应和热光效应，纤芯有效折射率也会发生变化。应变、温度与中心波长的变化应按下式计算：

Δλ_b＝(1-P_ε)·Δε·λ_b+(α_f+ξ)·ΔT

其中，λ_b为光栅中心波长，

Δλ_b为反射光中心波长变化量，

Δε与ΔT分别为应变与温度变化量，

P_ε、α_f与ξ分别为光纤的有效弹光系数、热膨胀系数与热光系数。

因为温度补偿光纤光栅不受力的作用，此时式子中Δε为零，通过此时的反射光中心波长变化量即可求出此时的温度变化量，

此时，就有钢筋的实时应力结果为：

根据上述公式结果可知，本申请的钢筋应力应变计综合利用了光纤光栅和感应弦的测量结果，其中的ΔF为输出的频率模数，即实时测量的钢筋计输出值相对于基准值的变化量，是由感应线圈感应到的敏感弦受到钢筋变形所导致的频率变化而产生；Δλ_b为反射光中心波长变化量，是由光纤光栅感应到的钢筋轴向变形引起的光栅特征波长的变化量。本申请的测量结果能够抵消温度对钢筋计测量应力应变的影响，同时综合了光纤光栅和感应弦两种测量部件的测量结果，使得测量结果更加准确、稳定，灵敏度更高。

与此同时，根据测出的实时的钢筋的应力和应变可以校核该钢筋计的应力和应变是否满足误差要求，如果满足误差要求，则证明该钢筋计没有问题，可以正常使用。此时如果仪器没有故障，由于钢筋材料已知，根据公式：σ＝E×ε在应力σ₀已知时可得出一个应变值ε₁，同理也可在应变ε₀已知时得到一个应力值σ₁。通过将ε₁、σ₁与ε₀、σ₀进行比较可提高钢筋计的精度，由于得到的是一系列关于σ、ε的大量数据，通过分析数据从而可以大幅度地提高钢筋计的精度，以此得到钢筋的σ、ε的准确数值。

根据其测出的数据与允许误差比较可知其工作的状态，若仪器满足工作误差要求则证明仪器工作正常不需更换，避免造成不必要的浪费。由于该仪器精度较高，因此可用于不同需求下的技术测量，使用范围广泛，根据误差要求的高低来确定其是否可以继续使用。

本实用新型能够实现对钢筋的极限拉应力以及应变的实时监控和测定，具有测量精度高、灵敏度高、具有自身校核性、结构简单、成本低、抗电磁干扰能力强、使用周期长、使用范围广泛、抗恶劣天气强等优点，可广泛应用于各种复杂的环境中。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种钢筋应力应变计，其特征在于，包括钢筋连接杆和感应套筒，所述钢筋连接杆通过连接环与钢筋同轴连接，所述钢筋连接杆贯穿所述感应套筒设置并紧密贴合在所述感应套筒的内表面，所述感应套筒的内壁上下对称地放置有上部光纤光栅与下部光纤光栅，在上部光纤光栅与下部光纤光栅的外侧，所述感应套筒内设有与所述感应套筒固定连接的敏感弦，在所述敏感弦外侧还设有用于感应所述敏感弦振动频率的感应线圈，所述上部光纤光栅与所述下部光纤光栅均串联有温度补偿光纤光栅，所述上部光纤光栅与所述下部光纤光栅的外部还设有保护管，光纤光栅张紧并固定于所述保护管内，作为一个整体粘贴固定在所述感应套筒的凹槽内。

2.根据权利要求1所述的钢筋应力应变计，其特征在于，所述连接环内部设有螺纹，所述连接环与所述钢筋连接杆之间为可拆卸连接。

3.根据权利要求1或2所述的钢筋应力应变计，其特征在于，所述光纤光栅的两端为信号传输光纤，所述信号传输光纤连接的引出线从光纤光栅的一端伸出并穿出所述感应套筒。

4.根据权利要求2所述的钢筋应力应变计，其特征在于，所述连接环与所述钢筋连接杆之间套丝连接。

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