混凝土应变计转换系数的测试方法研究

钟文斌

（广州计量检测技术研究院）

1 引言

在建筑工程检测领域，常常需要对混凝土或混凝土结构物的内、外部应力、位移等的变化进行测量，以研究其在不同环境下的结构性能，或监测其在使用过程中的特性变化。近年来，混凝土应变计检测技术的不断发展，使其应用越来越广泛，混凝土结构性能的检测也变得越来越方便。同时，以混凝土应变计的测量结果来判断混凝土结构性能也变得越来越普遍。在这种背景下，混凝土应变计的测量准确性就显得越来越重要。

2 混凝土应变计的种类及工作原理

混凝土应变计是检测混凝土结构物位移变化的常用仪器，根据功能和使用环境不同具有多种多样的外形形式，但其工作原理都相似，即通过传感元件把被测物的位移变化转换成电信号的变化，再通过对电信号的测量和计算得到被测物的位移变化量。在建筑工程检测领域，常用的应变计从传感元件分类，有振弦式混凝土应变计和电阻应变片式应变计两种。

振弦式混凝土应变计为振弦式结构，由特殊材料制成的钢弦为传感元件，在传感器两端分别固定钢弦的两个端点，并以一定的张力把钢弦张紧，在钢弦中部安放由电磁线圈组成的拾振器。当钢弦受到外部拾振器电磁线圈短脉冲信号的激励时，会按其固有频率发生振动，振动频率信号通过拾振器反馈到输出端[1]。当应变计两端点的距离发生变化时，钢弦的固有频率也会随之发生变化，通过测量拾振器反馈信号的频率值，就可以测量出应变计两端点的位移变化[2]。振弦式应变计如图1所示。由于其结构及工作原理能适应较恶劣的环境，并能实现远距离信号传输，被广泛应用于埋入式测量和结构物现场测量。但由于钢弦的灵敏度不高，使其测量精度受到一定的限制[5]。

图1 振弦式应变计

电阻应变片式应变计是以电阻应变片为转换元件的传感器，其电阻应变片贴附在专门设计的弹性应变体上，当弹性应变体受力产生变形时，会使贴附在上面的应变片也随之发生变形，从而导致电阻应变片的电阻值发生变化。其电阻变化通过桥式电路转换成输出电压的变化，通过测量输出电压的变化量，就可以测量出应变计两端点的位移变化量。电阻应变片式应变计如图2 所示，由于其技术成熟，具有测量精度高、测量范围广、结构简单等优点，但相对于振弦式应变计，抗干扰能力和远程测量性能都略显不足，较适合实验室测量试验或现场条件较好的测量情况。

无论是哪种应变计，其主要功能都是把被测位移量转换成电信号，再通过二次仪表把被测位移量还原。在还原过程中，被测位移量是通过电信号量值与传感器的转换系数经过一定的计算后显示出来的，所以应变计转换系数的准确性是决定测量结果准确性的关键参数。按照目前对应变计的使用要求，应变计的转换系数需要每年标定一次[3]，以保证其数值的准确。但由于国内目前还没有出台针对该类仪器的转换系数的检定规程或测试方法，所以寻找一种科学的转换系数测试方法显得尤为重要。

图2 电阻应变片式应变计

3 振弦式应变计转换系数的测试方法

振弦式应变计的主要转换方式是把位移的变化转换成钢弦振动频率的变化，根据它的钢弦物理特性，其应变的变化量与振动频率的平方的变化量成正比[6]，即：

式（1）中，ε为应变量；k为应变计的转换系数；f0为钢弦的初始振动频率（Hz）；fi为钢弦长度变化后的振动频率（Hz）。

对于振弦式应变计，其应变量的计算公式为：

式（2）中，ΔL为位移的变化量（mm）；L为应变计标距（mm）。

从式（1）、式（2）可得应变计的转换系数k的计算公式为：

振弦式应变计标距 L在出厂时已经固定为某一已知长度值，此值由生产厂给出，从式（3）可知，只要测量出应变计两端的位移变化量ΔL和位移变化前后钢弦的频率输出值，即可计算出应变计的转换系数k[4]。

为能更方便地测试应变计的转换系数，本文设计了一台专门用于应变计转换系数测试的应变计标定器，其结构如图3 所示。主要由应变计固定夹持机构、丝杆移动机构、千分表指示装置和台架组成。在测试时先把被测试应变计的两端分别夹持固定在标定器的固定端和移动端，并调整千分表对零，此时先读取并记录应变计的初始输出频率值f0；接着通过旋动丝杆转盘和读千分表读数，在应变计的一端施加一定的位移ΔL，此时再读取并记录应变计的输出频率值 fi，通过公式（3）计算，即可得出应变计的转换系数k值。在实际测试工作中，通常在应变计的测量范围内按平均分布取多组的ΔLi和fi测量点（一般为5个点），通过多点的计算，取平均值作为应变计的转换系数 k值的测量结果。

图3 标定器

4 电阻应变片式应变计转换系数的测试方法

由前面介绍可知，电阻应变片式应变计一般由桥式测量电路组成。桥式电路是被广泛应用于传感器测量的电子电路，由于具有较好的线性特性和标准的引线接口，一般可直接通过连接静态电阻应变仪来测量其输出的应变量ε[5]。因此，在电阻应变片式应变计的位移变化量测量中，测量公式一般为：

式（4）中，ΔL为位移的变化量（mm）；ε为静态应变仪实测的应变量。

从式（4）可得转换系数k的计算公式为：

由式（5）可知，要测量电阻应变片式应变计的转换系数k，需要先测量出位移变化量ΔL，再测量出其相应的应变量ε，即可计算出转换系数k值。

因此，在实际测量工作中，除了应用上述的标定台架外，还需要一台测量应变用的静态电阻应变仪，其精度应为0.1级或以上，如图4所示。电阻应变片式应变计的转换系数测试安装准备过程与振弦式应变计类似，在固定好应变计的两端和调整好千分表对零后，把应变计的输出电路连接到静态电阻应变仪上，并在静态应变仪上把当前应变值清零。一切准备就绪后，旋动标定器的丝杆转盘，读取千分表给定一定的位移量ΔLi，同时读取静态应变仪上的对应应变测量值εi，通过公式（5）的计算，即可得出应变计的转换系数 k值。在实际测试工作中，通常也是在应变计的测量范围内按平均分布取多组的ΔLi和εi测量点（一般为5个点），通过多点的计算，取平均值作为应变计的转换系数k值的测量结果。

图4 静态电阻应变仪

5 结束语

随着建筑工程和土木专业领域的不断发展和人们对建筑物的安全性能要求的不断提高，结构应变的检测应用越来越多，并且很多检测结果都用于工程项目质量的判定和验收，检测结果的准确性就显得尤为重要。应变计的转换系数作为应变计使用中的一个重要参数，其准确与否与测量结果有直接的关系。在目前国家还没有出台针对应变计转换系数的相应测试标准方法的情况下，本文通过对目前广泛使用的两种应变计的结构和测量原理的分析，分别总结出相应的应变计转换系数的计算及测试方法，以及对测试方法中使用的计量标准器作了相应的介绍，对于应变计更科学、准确地使用有一定的参考价值。

[1]KANG Jingfu ,WANG Jinhui. Strain Monitoring and Stress Analysis of a Post-Prestressed Tunnel Liner[J]. Transactions of Tianjin University,2006(3):62-68.

[2]江修,张焕春,经亚枝.振弦式传感器的频率敏感机理与应用[J].传感技术,2003(12):22-24.

[3]中华人民共和国交通部.JJG(交通)035-2004 水运工程 钢弦式钢筋计检定规程[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4]白泰礼,邓铁六,谢军,等.振弦式传感器的精确数学模型及其应用[J].岩石力学与工程学报,2005(24):65-69.

[5]王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,1999.

[6]陈常松,颜东煌,陈政清,等. 混凝土振弦式应变计测试技术研究[J].中国公路学报,2004(1):33-37.

[7]GAO Peiwe. Shrinkage and Expansive Strain of Concrete with Fly Ash and Expansive Agent[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition),2009(1):154-157.