一种电阻应变式钢筋计计量校准装置及方法

技术领域

本发明属于交通水运、公路工程结构监测装备计量校准技术领域，特别涉及一种电阻应变式钢筋计计量校准装置及方法。

背景技术

在交通水运、公路工程领域，桥梁、大坝等基础设施和结构物在建设和长期使用过程中，受外界环境及自身材料特性、结构设计等因素的影响，不可避免会产生损伤累积和抗力衰减，导致其使用寿命下降，存在的安全隐患如不及时排查，将会引发灾难性事故，造成重大人员伤亡和经济损失，因此，重要结构和基础设施的健康监测已成为水运、公路工程的研究热点。钢筋是现代水运、公路工程结构的主要承力构件之一，易受环境腐蚀、疲劳、材料老化等因素影响而出现损伤，应变和应力作为反应材料和结构力学特性的重要参数之一，从材料和结构中的应变分布情况能够得到构件的强度储备信息，确定构件局部位置的应力集中以及构件所受实际荷载状况，对其监测意义重大。

电阻应变式钢筋计是一种将钢筋上的应变量，即尺寸变化转换成为电阻变化的传感器，以其高精度、高可靠性等特点在行业内应用广泛。钢筋受载荷作用后其表面会产生微小变形(伸长或缩短)，使与钢筋固结为一体的桥式电阻阻值发生变化，其变化率与钢筋变形量成比例。测出此电阻的变化，即可按公式计算出钢筋表面的应变，以及相应的应力。目前，国内外尚无专门针对电阻应变式钢筋计的标准、计量技术规范文件，已发布的《金属粘贴式电阻应变计》(GB/T13992-2010)、《电阻应变式压力传感器总规范》(GB/T 18806-2002)等标准文件，前者主要采用悬臂梁结构对电阻应变片式传感器的计量性能参数及指标进行规定、验证，后者采用与标准压力传感器同时加压比对的方式对其线性度等参数指标进行验证，其结构与电阻应变式钢筋计不同，其检校方法、装置无法借鉴至电阻应变式钢筋计参数指标的计量测试中来。《大坝监测仪器钢筋计第2部分差动电阻式钢筋计》(GB/T 3409.1-2008)、《差动电阻式钢筋计》(GB/T 3409-1994)中涉及的钢筋计基于差动电阻测量原理，与电阻应变式钢筋计的结构、原理均不相同，无法用于电阻应变式钢筋计参数指标的检校。

因此研究一种电阻应变式钢筋计计量校准装置及方法，减小环境温度对电阻应变式钢筋计校准结果的影响，实现电阻应变式钢筋计力学性能的高精度校准，为提升电阻应变式钢筋计的产品质量具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电阻应变式钢筋计计量校准装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供的电阻应变式钢筋计计量校准装置包括电阻应变式钢筋计、恒温水槽、铂电阻温度计、铂电阻温度计夹持装置、静态电阻应变仪、数字多用表、标准荷载装置和上位机；其中，所述电阻应变式钢筋计在温度校准时垂直放置于恒温水槽内，在力学特性校准时固定于所述标准荷载装置上，并且与静态电阻应变仪电连接；铂电阻温度计通过铂电阻温度计夹持装置垂直放置于恒温水槽内，并且与数字多用表电连接；标准荷载装置与上位机电连接。

所述的电阻应变式钢筋计包括钢筋和电阻应变式传感器；其中，电阻应变式传感器的中部固定在钢筋的外部，并且固定部位的轴线方向与钢筋的轴线方向平行，两端连接在静态电阻应变仪上。

在所述恒温水槽中，电阻应变式钢筋计中的电阻应变式传感器与铂电阻温度计的测量点等高设置。

所述的铂电阻温度计采用四线制一等或二等标准铂电阻温度计。

采用上述电阻应变式钢筋计计量校准装置的计量校准方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤001：将实验环境调节至23±2℃，电阻应变式钢筋计静置24小时，将电阻应变式钢筋计连接至数字多用表，数字多用表调至电阻档，在10min的时间内，由数字多用表等时间间隔读取电阻应变式钢筋计在零荷载状态下输出的电阻值，记录数据不少于5个，然后按公式(1)计算出电阻应变式钢筋计的电阻偏差R

式中：

R

步骤002：若电阻应变式钢筋计的电阻偏差R

步骤003：将电阻应变式钢筋计垂直放置于恒温水槽中，将铂电阻温度计的上端固定于铂电阻温度计夹持装置上，下部置于恒温水槽中，并使铂电阻温度计与电阻应变式钢筋计中电阻应变式传感器的测量点等高设置，将电阻应变式传感器的两端连接至静态电阻应变仪，铂电阻温度计连接至数字多用表，数字多用表调节至电阻档，上位机串口初始化；

步骤004：将恒温水槽内的水温调至0℃，稳定30分钟后，读取数字多用表显示的铂电阻温度计测量的恒温水槽内与电阻应变式传感器等高处的温度值，从静态电阻应变仪中读取电阻应变式钢筋计中电阻应变式传感器输出的零荷载状态下的应变值；

然后以每10℃作为一级温度测量点，将恒温水槽内的水温逐级升高至60℃，在各级温度测量点时稳定30分钟后，按上述方式依次记录下铂电阻温度计和电阻应变式传感器的测量数据；

之后自60℃起，以每10℃作为一级温度测量点，将恒温水槽内的水温逐级降低至0℃，在各级温度测量点时稳定30分钟后，按上述方式依次记录下铂电阻温度计和电阻应变式传感器的测量数据；

将升、降温过程中铂电阻温度计和电阻应变式传感器在各级温度测量点时的相应测量数据取平均值并分别作为各自的最终测量值，将0℃时铂电阻温度计测量的恒温水槽内与电阻应变式传感器等高处的温度值作为初始温度值T

步骤005：将电阻应变式钢筋计从恒温水槽中取出，然后将钢筋的上下端固定在标准荷载装置上，将固定于铂电阻温度计夹持装置上的铂电阻温度计从恒温水槽中取出后放置于标准荷载装置附近，在电阻应变式钢筋计的量程范围内，利用标准荷载装置对电阻应变式钢筋计进行预加载，恢复电阻应变式钢筋计至零荷载状态并稳定后，读取静态电阻应变仪解调的电阻应变式传感器输出的应变值；

预加载方法是在电阻应变式钢筋计的量程范围内，以10％全量程作为一级荷载测量点，逐级加荷至满量程荷载值，每级至少稳定3min，记录下标准荷载装置施加的标准荷载值及对应的电阻应变式钢筋计上电阻应变式传感器输出的应变值，同步记录下对应荷载测量点时铂电阻温度计测量的电阻应变式钢筋计附近的环境温度值，然后按上述方法从满量程荷载值逐级降荷至零荷载状态并记录上述各测量值，循环测量3次；

步骤006：以铂电阻温度计测量的恒温水槽中各级温度测量点相对初始温度值T

Δε

式中，

k

b

步骤007：将步骤005中铂电阻温度计测量的各级荷载测量点时的环境温度值T

按公式(3)计算出各级荷载测量点3次循环测量过程中电阻应变式传感器测量的应变值λ

式中，

Δε

ε

Δε

m——加荷和降荷行程测量次数，m＝6；

以电阻应变式钢筋计上电阻应变式传感器输出的应变值Δε

其中，

式中，

F

F

F

式中：

F

k——电阻应变式钢筋计的应变灵敏系数，kN/με；

C——电阻应变式钢筋计自由状态下的荷载测量值，kN；

步骤007：按公式(6)计算出电阻应变式钢筋计的荷载测量值F

式中，

F

本发明的有益效果：针对目前国内尚无专门的电阻应变式钢筋计力学性能计量校准方法的现状，本发明提供了一种电阻应变式钢筋计计量校准装置及方法，解决了环境温度影响对电阻应变式钢筋计测量精度的影响，为仪器生产单位对电阻应变式钢筋计出厂前性能测试提供了技术依据，也为应用单位的现场数据校正提供了有效的方法，提升了电阻应变式钢筋计测量精度和数据可信度。

附图说明

构成本发明一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明提供的电阻应变式钢筋计计量校准装置结构图。

图2为本发明提供的电阻应变式钢筋计计量校准方法流程图。

图3为本发明提供的电阻应变式钢筋计计量校准装置中电阻应变式钢筋计结构图。

图4为电阻应变式钢筋计应变测量值与铂电阻温度计对应温度测量点的温度标准值最小二乘直线拟合结果图。

图5为标准荷载装置输出的标准荷载值与电阻应变式钢筋计对应荷载测量点输出的经温度修正的应变值最小二乘拟合结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的电阻应变式钢筋计计量校准装置及方法进行详细说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的电阻应变式钢筋计计量校准装置包括电阻应变式钢筋计10、恒温水槽20、铂电阻温度计30、铂电阻温度计夹持装置40、静态电阻应变仪50、数字多用表60、标准荷载装置70和上位机80；其中，所述电阻应变式钢筋计10在温度校准时垂直放置于恒温水槽20内，在力学特性校准时固定于所述标准荷载装置70上，并且与静态电阻应变仪50电连接；铂电阻温度计30通过铂电阻温度计夹持装置40垂直放置于恒温水槽20内，并且与数字多用表60电连接；标准荷载装置70与上位机80电连接。

所述的电阻应变式钢筋计10包括钢筋101和电阻应变式传感器102；其中，电阻应变式传感器102的中部固定在钢筋101的外部，并且固定部位的轴线方向与钢筋101的轴线方向平行，两端连接在静态电阻应变仪50上。

在所述恒温水槽20中，电阻应变式钢筋计10中的电阻应变式传感器102与铂电阻温度计30的测量点等高设置。

所述的铂电阻温度计30采用四线制一等或二等标准铂电阻温度计。

所述的恒温水槽20的温度变化范围为-5～﹢100℃，温度波动度为±0.05℃，温度均匀度为±0.05℃。

所述的电阻应变式钢筋计计量校准装置的应变测量范围为-1500～﹢1500με，当选用钢筋101的直径为14mm，材料为304钢，形状为螺纹钢时，测量不确定度为U＝0.20kN，k＝2。

如图2所示，采用上述电阻应变式钢筋计计量校准装置的计量校准方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤001：将实验环境调节至23±2℃，电阻应变式钢筋计10静置24小时，将电阻应变式钢筋计10连接至数字多用表60，数字多用表60调至电阻档，预热30分钟后，在10min的时间内，由数字多用表60等时间间隔读取电阻应变式钢筋计10在零荷载状态下输出的电阻值，记录数据不少于5个，然后按公式(1)计算出电阻应变式钢筋计10的电阻偏差R

式中：

R

步骤002：若电阻应变式钢筋计10的电阻偏差R

步骤003：将电阻应变式钢筋计10垂直放置于恒温水槽20中，将铂电阻温度计30的上端固定于铂电阻温度计夹持装置40上，下部置于恒温水槽20中，并使铂电阻温度计30与电阻应变式钢筋计10中电阻应变式传感器102的测量点等高设置，将电阻应变式传感器102的两端连接至静态电阻应变仪50，铂电阻温度计30连接至数字多用表60，数字多用表60调节至电阻档，上位机80串口初始化；

步骤004：将恒温水槽20内的水温调至0℃，稳定30分钟后，读取数字多用表60显示的铂电阻温度计30测量的恒温水槽20内与电阻应变式传感器102等高处的温度值，从静态电阻应变仪50中读取电阻应变式钢筋计10中电阻应变式传感器102输出的零荷载状态下的应变值；

然后以每10℃作为一级温度测量点，将恒温水槽20内的水温逐级升高至60℃，在各级温度测量点时稳定30分钟后，按上述方式依次记录下铂电阻温度计30和电阻应变式传感器102的测量数据；

之后自60℃起，以每10℃作为一级温度测量点，将恒温水槽20内的水温逐级降低至0℃，在各级温度测量点时稳定30分钟后，按上述方式依次记录下铂电阻温度计30和电阻应变式传感器102的测量数据；

将升、降温过程中铂电阻温度计30和电阻应变式传感器102在各级温度测量点时的相应测量数据取平均值并分别作为各自的最终测量值，将0℃时铂电阻温度计30测量的恒温水槽20内与电阻应变式传感器102等高处的温度值作为初始温度值T

步骤005：将电阻应变式钢筋计10从恒温水槽20中取出，然后将钢筋101的上下端固定在标准荷载装置70上，将固定于铂电阻温度计夹持装置40上的铂电阻温度计30从恒温水槽20中取出后放置于标准荷载装置70附近，在电阻应变式钢筋计10的量程范围内，利用标准荷载装置70对电阻应变式钢筋计10进行预加载，恢复电阻应变式钢筋计10至零荷载状态并稳定后，读取静态电阻应变仪50解调的电阻应变式传感器102输出的应变值；

预加载方法是在电阻应变式钢筋计10的量程范围内，以10％全量程作为一级荷载测量点，逐级加荷至满量程荷载值，每级至少稳定3min，记录下标准荷载装置70施加的标准荷载值及对应的电阻应变式钢筋计10上电阻应变式传感器102输出的应变值，同步记录下对应荷载测量点时铂电阻温度计30测量的电阻应变式钢筋计10附近的环境温度值，然后按上述方法从满量程荷载值逐级降荷至零荷载状态并记录上述各测量值，循环测量3次；

步骤006：以铂电阻温度计30测量的恒温水槽20中各级温度测量点相对初始温度值T

Δε

式中，

k

b

步骤007：将步骤005中铂电阻温度计30测量的各级荷载测量点时的环境温度值T

按公式(3)计算出各级荷载测量点3次循环测量过程中电阻应变式传感器102测量的应变值λ

式中，

Δε

ε

Δε

m——加荷和降荷行程测量次数，m＝6；

以电阻应变式钢筋计10上电阻应变式传感器102输出的应变值Δε

其中，

式中，

F

F

F

式中：

F

k——电阻应变式钢筋计10的应变灵敏系数，kN/με；

C——电阻应变式钢筋计10自由状态下的荷载测量值，kN；

步骤007：按公式(6)计算出电阻应变式钢筋计10的荷载测量值F

式中，

F

本装置工作时，选用截面直径为16mm的螺纹钢型式电阻应变式钢筋计10进行验证，如图3所示，电阻应变式钢筋计10的量程范围为0～30kN，标称电阻为120Ω，首先将电阻应变式钢筋计10连接至数字多用表60，对其电阻偏差R

表1电阻应变式钢筋计电阻测量值

按公式(1)计算出电阻应变式钢筋计10的电阻偏差，有：

通常设定电阻偏差阈值R

接下来对电阻应变式钢筋计10进行温度修正，以铂电阻温度计30作为计量标准器，将铂电阻温度计30与电阻应变式钢筋计10上电阻应变式传感器102等高放置于恒温水槽20中，在0℃～60℃范围内，以10℃作为一级温度测量点，进行升温、降温试验，将每个传感器在每级温度测量点时升温、降温过程中的测量数据进行平均后作为最终测量值，测量数据如表2所示。

表2恒温水槽内各传感器测量数据

按公式(2)建立铂电阻温度计30测量的标准温度值与电阻应变式传感器102在恒温水槽30内与所述铂电阻温度计30等高处对应温度测量点时测量的应变值间的对应关系，如图4所示，有：

Δε

(9)

从而得到Δε

表3电阻应变式传感器温度修正值

将电阻应变式钢筋计10固定于所述标准荷载装置70上，选用0.1级微机控制叠加式力标准机，测量范围为0～100kN，在电阻应变式钢筋计的0～30kN测量范围内，按10％全量程(F·S)逐级加载-卸载，测量数据如表4所示。

表4电阻应变式钢筋计加载-卸载过程中的荷载值

在测量过程中，保持实验室温度在23±2℃内，则当温度达到上限25℃时，按公式(8)可得：

Δε

则当温度达到下限21℃时，按公式(8)可得：

Δε

当温度维持在23℃时，按公式(8)可得：

Δε

本实施例中为计算方便，暂取温度变化上限值23℃时的应变变化量为Δε

表5加载-卸载过程中电阻应变式钢筋计应变变化值与标准荷载值

按照公式(5)计算标准荷载值F

F

(9)

则对标准荷载装置70施加的每一级标准荷载值F

表6各荷载测量点处标准荷载值与测量荷载值

则按公式(6)有：

在现场应用时，一般为使用单位提供k、C值，若不按本发明提供的方法进行稳步补偿校准，则在25℃时，电阻应变式钢筋计10的应变变化值将存在由于温度变化引起的应变变化量Δε

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。