TWI684764B - 可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係設一惠斯通電橋、一主應變計結構、一虛應變計結構、一中控單元及一傳輸單元。惠斯通電橋具有一高壓點、一低壓點、兩輸出點及四個電阻。其中的第一電阻設於主應變計結構；其中的第二電阻設於虛應變計結構。中控單元讀取兩輸出點之間的電壓差，並讀取高、低壓點之間的固定電壓；傳輸單元輸出電壓差訊號。另在一混凝土橋梁結構中設定一受力待測區及一不受力隔離區；主、虛應變計結構分別位於其上。本案兼具可巧妙的消除溫度效應之應變量，及可不需要事先知道待測構件材料之熱膨脹係數與應變計的溫度補償係數等優點。
Description
本發明係有關一種可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，尤指一種兼具可巧妙的消除溫度效應之應變量，及可不需要事先知道待測構件材料之熱膨脹係數與應變計的溫度補償係數之可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法。
應變是混凝土梁力學行為最敏感的物理量，外部環境變化(包括外力、支撐條件和溫度變化)或梁的劣化和損壞(包括裂縫、火災和預應力損失)往往會清楚地反映在混凝土梁的應變上。因此，應變測量應是結構健康監測的首選。在橋梁結構上使用電阻式應變計測量應變時，測量到的視應變(apparent strain)包括由溫度變化引起的應變和力學應變。理論上，只要能將溫度引起之應變從視應變中扣除掉，即可得到結構安全分析所需之力學應變。但是由於電阻式應變計受長時間溫度變化影響所量測到之應變存在漂移(drift)現象，使得訊號分析變成複雜許多，甚至有時候無法有效得到合理的力學應變。溫度引起的漂移現象，可歸因於環境溫度和測量應變之間的非線性關係，如第8圖所示，也就是量測到之應變歷經溫度變化過程，即使溫度恢復到原溫度的時候，量測到之應變並無法回到原應變量測值，經過長時間反覆溫度變化，將使所量測到的應變累積偏移現象，即為溫度漂移現象。不僅是電阻式應變計，振弦式和光纖布拉格光柵傳感器也同樣有溫度變化引起的量測應變漂移現象。
為了消除溫度對力學應變量測引起之干擾，雖然可以採用配置虛應變計(dummy gauge)方式進行溫度補償，但是虛應變計需配置在不受力、且材質以及熱傳導條件都相同的情況下，才能有效的量測到力學應變，要滿足虛應變計配置在不受力、且材質以及熱傳導條件都相同的限制，目前在橋梁監測實務上，現場採用虛應變計技術成功的案例尚未出現。
關於前述之應變(strain)之監測，傳統上是採用習知的惠斯通電橋(Wheatstone bridge)，惠斯通電橋係包括：一高壓點、一低壓點、一第一輸出點、一第二輸出點、一第一電阻、一第二電阻、一第三電組及一第四電阻；該第一電阻係連接該高壓點及該第一輸出點，該第二電阻係連接該低壓點及該第一輸出點，該第三電阻係連接該高壓點及該第二輸出點，該第四電阻係連接該低壓點及該第二輸出點。
當內部電阻比R1/R2=R3/R4時，該高壓點與該低壓點之間施予一個固定大小之激發電壓，此時該第一輸出點及該第二輸出點之間的電壓差為零。傳統之應變計即是將第一電阻(R1)當傳統應變計之量測端電阻，貼在被測物體上，一旦被測物體表面產生微小變形，使得黏貼在其表面上的應變計也隨之產生相同的變形，造成應變計之電阻產生變化。此時，惠斯通電橋電路的輸出電壓即會改變，經過訊號放大器(OP)放大該變化量，再由類比/數位轉換器(ADC)將放大後之類比訊號轉換為數位訊號，後續即可對電壓變化之數位資料進行擷取與傳輸。
然而，以橋梁之監測為例，上述傳統之惠斯通電橋式之應變計，僅採用其中一個電阻(即第一電阻R1)貼於待測點上來量測，其所量得之數據係包含溫度效應引起之變位加上車輛經過引起之變位。理論上，若已知熱膨脹係數，是有可能來估算溫度效應引起之變位，再將其扣除之。但實務上，混凝土之成份多樣，不易得知精確之熱膨脹係數，所以無法以此扣除法來提高精確度。再者，溫度和測量的應變之間存在非線性關係，導致溫度變化引起應變漂移現象，使得溫度效應更難處理。
另外，簡述其他相關先前技術。
本國之專利公開號TW201430325號係為一種「主動式應力感測裝置」，其亦利用惠斯通電橋之原理，但設有複數個不同方向之感測電阻及開關，主要用來偵測不同方向之應力，並非用來消除溫度效應對應變計之影響。
本國之專利公開號TW201704725號係為一種「阻抗式感測器及應用其之電子裝置」，其包括橋式阻抗電路、補償電路以及訊號處理電路，橋式阻抗電路用以反應於物理壓力產生第一阻抗變化。補償電路反應於環境溫度產生第二阻抗變化；訊號處理電路偵測第一與第二阻抗變化而分別產生第一與第二感測訊號，並以第二感測訊號補償第一感測訊號之溫度偏移部分，進而產生壓力感測訊號。然而，此案是屬於環境溫度產生阻抗之補償，並非用於消除混凝土構件溫度效應對力學應變量測之影響。
中國之專利CN104142194號係為一種「基於雙向應變法對稱精確無縫線路鋼軌縱向力監測方法」，其亦利用惠斯通電橋原理之四個電阻(應變計)，其中兩個黏在鋼軌之兩側，另兩個黏在鋼軌底兩側之上表面，以提高量測精密度，但是該方法並不適用於混凝土橋梁結構。
美國專利之公開號US2010/0199775係為一種「壓電式金屬膜之溫度補償之方法」，其亦利用惠斯通電橋之基本原理，但增加一些電路，使其當溫度上升時，此電橋之電壓會隨之降低，簡言之，是以改變電路設計之方式來進行溫度補償，應變計之設計上與製造上較為麻煩。
因此，傳統方式之問題包括:
[1] 無法消除溫度效應之應變量。且若要採用虛應變計(dummy gauge)方式進行溫度補償，又苦於無法將虛應變計配置在不受力且材質以及熱傳導條件相同的元件上，導致虛應變計技術無法實務應用。
[2] 需要事先知道待測構件材料之熱膨脹係數。因混凝土之成份多樣，不易得知精確之熱膨脹係數，所以也無法以扣除法來提高精確度。再者，溫度和測量的應變之間存在非線性關係，導致溫度變化引起應變漂移現象，使得溫度效應更難處理。
有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。
本發明之目的，在於提供一種可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，其兼具可巧妙的消除溫度效應之應變量，及可不需要事先知道待測構件材料之熱膨脹係數與應變計的溫度補償係數等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於混凝土橋梁結構上，無法找到不受力且材質以及熱傳導條件相同的元件，來配置虛應變計(dummy gauge)，所以無法達到完美的溫度補償效應，而無法量測得到精確的力學應變。
解決上述問題之技術手段係提供一種可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，其包括：
一．準備步驟；
二．不受力隔離區形成步驟；
三．設備安裝步驟；
四．監測步驟。
本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。
茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：
參閱第1、第2、第3、第4及第5圖，本發明係為一種可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，其包括下列步驟：
[1] 準備步驟M1：準備一監測裝置10、一主應變計結構21及一虛應變計結構22。該監測裝置10包括一惠斯通電橋10A、一中控單元10B及一傳輸單元10C(參閱第7圖)。該惠斯通電橋10A係包括一高壓點11、一低壓點12、一第一輸出點13、一第二輸出點14、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電組R3及一第四電阻R4。該第一電阻R1係連結該高壓點11及該第一輸出點13，且該第一電阻R1係設於該主應變計結構21上。該第二電阻R2係連結該低壓點12及該第一輸出點13，且該第二電阻R2係設於該虛應變計結構22上。該第三電阻R3係連結該高壓點11及該第二輸出點14，該第四電阻R4係連結該低壓點12及該第二輸出點14。該中控單元10B係用以讀取該第一輸出點13與該第二輸出點14之間的電壓差，並用以讀取該高壓點11與該低壓點12之間的固定電壓。該傳輸單元10C係用以輸出該中控單元10B量得之電壓差訊號。
[2] 不受力隔離區形成步驟M2：在一混凝土橋梁結構90中選定一工作區P，其包括一受力待測區P1及一不受力隔離區P2，該不受力隔離區P2係以小型切割工具在混凝土橋梁結構90之表層切出一環狀應力隔離溝P3，達到應力傳遞阻隔效果而形成該不受力隔離區P2。
[3] 設備安裝步驟M3：將該監測裝置10設於該工作區P，該主應變計結構21係位於該受力待測區P1中，該虛應變計結構22係位於該不受力隔離區P2中(參閱第4圖及附件之第A圖)。
[4] 監測步驟M4：該中控單元10B即時監測該電壓差訊號，並透過該傳輸單元10C輸出。
實務上，該主應變計結構21可為貼片結構，以利貼設於該受力待測區P1中。
該虛應變計結構22可為貼片結構，以利貼設於該應力隔離區P2中。
在此要特別說明的部份是，業界悉知，應變(strain)在該混凝土橋梁結構90劣化受損時(裂縫、火害、預力損失…)，會隨之產生變化的物理量，然而溫度變化也會造成該混凝土橋梁結構90熱脹冷縮引起應變，因此，要藉由監測應變來探知該混凝土橋梁結構90之劣化受損情況，必須要將量測到之應變扣除掉溫度效應引起之應變。本發明針對這個部分，於該混凝土橋梁結構90上設置一工作區P(如第4、第5及第6圖所示)，再將該工作區P分為受力待測區P1與不受力隔離區P2，該不受力隔離區P2係以該環狀應力隔離溝P3包圍所形成。值得一提的是該環狀應力隔離溝P3具有一深度d，該深度d相當淺(小於3公分)且該不受力隔離區P2具有一隔離區範圍D，該隔離區範圍D很小(小於10公分)，不會對該混凝土橋梁結構90造成任何損傷。
接著，將該監測裝置10之該主應變計結構21貼設於該受力待測區P1內，並將該虛應變計結構22貼設於該不受力隔離區P2，接著，如第5圖所示，因該環狀應力隔離溝P3於該混凝土橋梁結構90表層凹隔該深度d，進而於該混凝土橋梁結構90表層上包圍出該不受力隔離區P2(具有該隔離區範圍D)。此時，該主應變計結構21、該虛應變計結構22及該混凝土橋梁結構90，係位於同一溫度場中，且該虛應變計結構22係位於該不受力隔離區P2上。在同樣的溫度變化下，該主應變計結構21及該虛應變計結構22所致的電阻變化也會相同，因此R1/R2仍會等於R3/R4，故電橋之輸出電壓不會因為溫度變化而有變化，可排除溫度效應。由於虛應變計結構22在該不受力隔離區P2內，當該混凝土橋梁結構90受到外力作用時，該主應變計結構21仍可正常量測到外力作用所引起之力學應變。
本發明之優點及功效係可歸納如下：
[1] 可巧妙的消除溫度效應之應變量。由於本案之主應變計貼片與虛應變計貼片黏在具有相同溫度場之位置，如果兩者黏貼部位之溫度相同，所致的電阻變化也會相同，因此R1/R2仍會等於R3/R4，故電橋之輸出電壓不會因為溫度變化而有變化，可排除溫度效應，也就不會發生溫度變化引起之漂移現象。故，可巧妙的消除溫度效應之應變量。
[2] 可不需要事先知道待測構件材料之熱膨脹係數與應變計的溫度補償係數。理論上，若已知混凝土之熱膨脹係數以及溫度變化，是有可能反推出屬於溫度變化造成之應變，再扣除之，即可得到不含溫度變化之應變量，但實務上，混凝土之熱膨脹係數會隨配比與粒料來源不同而變化(約在8~12x10
-6/℃)，再加上溫度和測量的應變之間存在非線性關係而有漂移現象，使得應變計無法有明確的溫度補償機制，所以很難達成，但本案反而具有此優勢。故，可不需要事先知道待測構件材料之熱膨脹係數與應變計的溫度補償係數。
以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。
M1‧‧‧準備步驟
M2‧‧‧不受力隔離區形成步驟
M3‧‧‧設備安裝步驟
M4‧‧‧監測步驟
10‧‧‧監測裝置
10A‧‧‧惠斯通電橋
10B‧‧‧中控單元
10C‧‧‧傳輸單元
11‧‧‧高壓點
12‧‧‧低壓點
13‧‧‧第一輸出點
14‧‧‧第二輸出點
21‧‧‧主應變計結構
22‧‧‧虛應變計結構
90‧‧‧混凝土橋梁結構
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電組
R4‧‧‧第四電阻
P‧‧‧工作區
P1‧‧‧受力待測區
P2‧‧‧不受力隔離區
P3‧‧‧環狀應力隔離溝
d‧‧‧深度
D‧‧‧隔離區範圍
第1圖係本發明之流程圖
第2圖係混凝土橋梁之示意圖
第3圖係第2圖之混凝土橋梁之局部剖視放大之示意圖
第4圖係本發明應用於混凝土橋梁之示意圖
第5圖係第4圖之局部剖視放大之示意圖
第6圖係混凝土橋梁之變形之示意圖
第7圖係本發明之監測裝置之示意圖
第8圖係溫度與測量應變之對應關係之示意圖
『附件』
第A圖係本發明之實際照片
10‧‧‧監測裝置
10A‧‧‧惠斯通電橋
10B‧‧‧中控單元
10C‧‧‧傳輸單元
21‧‧‧主應變計結構
22‧‧‧虛應變計結構
90‧‧‧混凝土橋梁結構
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
P‧‧‧工作區
P1‧‧‧受力待測區
P2‧‧‧不受力隔離區
P3‧‧‧環狀應力隔離溝
d‧‧‧深度
Claims (3)
- 一種可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，係包括下列步驟： 一．準備步驟：準備一監測裝置、一主應變計結構及一虛應變計結構；該監測裝置包括一惠斯通電橋、一中控單元及一傳輸單元；該惠斯通電橋係包括一高壓點、一低壓點、一第一輸出點、一第二輸出點、一第一電阻、一第二電阻、一第三電組及一第四電阻；該第一電阻係連結該高壓點及該第一輸出點，且該第一電阻係設於該主應變計結構上，該第二電阻係連結該低壓點及該第一輸出點，且該第二電阻係設於該虛應變計結構上；該第三電阻係連結該高壓點及該第二輸出點，該第四電阻係連結該低壓點及該第二輸出點；該中控單元係用以讀取該第一輸出點與該第二輸出點之間的電壓差，並用以讀取該高壓點與該低壓點之間的固定電壓；該傳輸單元係用以輸出該中控單元量得之電壓差訊號； 二．不受力隔離區形成步驟：在一混凝土橋梁結構中選定一工作區，其包括一受力待測區及一不受力隔離區，該不受力隔離區係以小型切割工具在混凝土橋梁結構之表層切出一環狀應力隔離溝，達到應力傳遞阻隔效果而形成該不受力隔離區； 三．設備安裝步驟：將該監測裝置設於該工作區，該主應變計結構係位於該受力待測區中，該虛應變計結構係位於該不受力隔離區中； 四．監測步驟：該中控單元即時監測該電壓差訊號，並透過該傳輸單元輸出。
- 如申請專利範圍第１項所述之可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，其中，該主應變計結構係為貼片結構，以利貼設於該受力待測區中。
- 如申請專利範圍第１項所述之可消除溫度效應之混凝土梁應變量測方法，其中，該虛應變計結構係為貼片結構，以利貼設於該不受力隔離區中。
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