差動(dòng)電阻式儀器的研制與工程安全監(jiān)測(cè)

差動(dòng)電阻式儀器的研制與工程安全監(jiān)測(cè)

0阻式、振弦式儀器目前，我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的差動(dòng)電阻式（以下簡(jiǎn)稱“差阻式”）和振動(dòng)式系列機(jī)器的技術(shù)水平達(dá)到世界領(lǐng)先地位。這些儀器不斷創(chuàng)新與改進(jìn),為工程安全監(jiān)測(cè)提供了優(yōu)質(zhì)可靠的保障,滿足了工程安全監(jiān)測(cè)的需要。1差阻式儀器差阻式儀器自20世紀(jì)30年代發(fā)明至今,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性好、能兼測(cè)溫度,故在工程監(jiān)測(cè)中得到了廣泛運(yùn)用。中國(guó)是世界上生產(chǎn)差阻式儀器最多的國(guó)家,至今已生產(chǎn)并應(yīng)用于工程的該類儀器近30萬(wàn)支,在確保水利水電工程、巖土工程、工業(yè)與民用建筑、交通航運(yùn)等工程的安全中發(fā)揮了重要作用,其社會(huì)效益巨大。中國(guó)發(fā)明的五芯測(cè)量技術(shù)解決了用長(zhǎng)電纜測(cè)量時(shí)電纜電阻及接線電阻變差對(duì)測(cè)量的影響問(wèn)題,為該儀器自動(dòng)化測(cè)量的應(yīng)用推廣開(kāi)辟了廣闊的前景。差阻式儀器屬于“零漂移”高穩(wěn)定產(chǎn)品。將幾種差阻式儀器放置在常濕、溫度為0～35℃的試驗(yàn)室內(nèi)4年有余,其中,1臺(tái)差阻式混凝土壓應(yīng)力計(jì)測(cè)值僅變化了1～2個(gè)電阻比,2臺(tái)300t錨索測(cè)力計(jì)測(cè)值僅變化了1個(gè)電阻比,1臺(tái)直徑40mm的差阻式鋼筋計(jì)測(cè)值僅變化了1～2個(gè)電阻比,3臺(tái)差阻式介質(zhì)土壓力計(jì)測(cè)值分別變化了2,3,4個(gè)電阻比。這種性能為該系列儀器在大型工程中的廣泛運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。差阻式儀器的測(cè)量原理是:利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感元件,將儀器所受的物理量變化轉(zhuǎn)換為電量變化,如圖1所示。鋼絲受力時(shí)其變形與電阻比的變化關(guān)系為:ΔRR=λΔLLΔRR=λΔLL式中:R為鋼絲的電阻值;ΔR為鋼絲電阻的變化量;L為鋼絲的長(zhǎng)度;ΔL為鋼絲長(zhǎng)度的變化量;λ為儀器的靈敏度系數(shù)。儀器內(nèi)通過(guò)2根方桿將2根鋼絲差動(dòng)地繞在4個(gè)瓷子上,利用電阻差動(dòng)變化求出儀器電阻比Δz:Δz=R1R2(ΔR1R1+ΔR2R2)≈2ΔRRΔz=R1R2(ΔR1R1+ΔR2R2)≈2ΔRR式中:R1,R2分別為2根鋼絲的電阻值。差阻式儀器中高強(qiáng)鋼絲的直徑一般為0.04～0.06mm,高應(yīng)力張拉狀態(tài)下,鋼絲不耐振,更不能碰撞。因此,在搬運(yùn)、率定、安裝埋設(shè)及混凝土振搗過(guò)程中需十分小心,否則極易造成儀器鋼絲斷裂而失效。此外,該類儀器在接長(zhǎng)電纜時(shí),接頭務(wù)必要處理好,否則電纜絕緣性可能下降,對(duì)測(cè)量造成影響。2材料的耐高壓性儀器(應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)、小應(yīng)變計(jì)等)腔體端部增加一補(bǔ)償波紋管,此波紋管與儀器腔體連通,儀器整個(gè)腔體灌滿變壓器油。當(dāng)儀器埋設(shè)在有高壓水的混凝土中時(shí),外部水的高壓壓縮將補(bǔ)償波紋管變形。因液體不可壓縮,則儀器腔體中的壓強(qiáng)與外部水的壓強(qiáng)平衡,此時(shí)儀器腔體內(nèi)外壓差為0,故儀器具有耐高壓的特性。差阻式儀器可在極高水壓環(huán)境中可靠工作而不致?lián)p壞。近10余年來(lái),中國(guó)是世界上建壩最多、筑壩最高、建壩規(guī)模最大的國(guó)家,高壩、高水頭、抽水蓄能電站、引水工程等都需要大量耐高壓的應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)、鋼筋計(jì)等儀器。中國(guó)自行生產(chǎn)的大量耐高壓差阻式儀器滿足了工程安全監(jiān)測(cè)的需求。3應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)受制原差阻式錨索測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由受力承重筒、筒身四周對(duì)稱安裝的4支差阻式小應(yīng)變計(jì)、保護(hù)筒、電纜、接線盒等組成。原4支小應(yīng)變計(jì)用固定塊固定在受力筒上,該結(jié)構(gòu)很難保證應(yīng)變計(jì)軸向變形與受力筒受力方向平行。因此,在材料試驗(yàn)機(jī)上標(biāo)定時(shí),錨索測(cè)力計(jì)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)線性不良的情況。在實(shí)際工程運(yùn)用中,當(dāng)錨索測(cè)力計(jì)軸向加載錨固后,其測(cè)值有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超過(guò)錨索張拉最大值的反?，F(xiàn)象。針對(duì)上述現(xiàn)象,對(duì)錨索測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析,找出了原因,并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的應(yīng)變計(jì)軸向變形完全與承重筒軸向受力方向平行,準(zhǔn)確地反映了筒體軸向變形。將使用新結(jié)構(gòu)的錨索測(cè)力計(jì)在材料試驗(yàn)機(jī)上標(biāo)定,可以看出,儀器的線性和精度都得到了提高,在實(shí)際工程運(yùn)用中也沒(méi)有再出現(xiàn)錨索張拉后儀器測(cè)值反常的現(xiàn)象。4水電工程儀器振弦式儀器自20世紀(jì)30年代發(fā)明至今,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性好、輸出頻率易長(zhǎng)距離自動(dòng)化測(cè)量、儀器絕緣要求低等特點(diǎn),在工程上一直被廣泛應(yīng)用。因?yàn)樗姽こ虒?duì)埋入式儀器的可靠性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求很高,所以國(guó)內(nèi)水電工程幾乎大多采用國(guó)外進(jìn)口的振弦式儀器。隨著南京南瑞集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱“南瑞”)振弦式儀器關(guān)鍵技術(shù)的突破,國(guó)產(chǎn)振弦式系列儀器受到了水電等行業(yè)的青睞。振弦式儀器的關(guān)鍵部件為一張緊的鋼弦,它與傳感器受力件連接固定,利用鋼弦的自振頻率與其所受的外加張力關(guān)系測(cè)得各物理量,其關(guān)系為:f=12LFm??√f=12LFm式中:f為鋼弦的自振頻率;L為鋼弦的長(zhǎng)度;F為鋼弦的受力;m為鋼弦的質(zhì)量。振弦式儀器的鋼絲直徑一般比較細(xì),且承受一定的張拉應(yīng)力,因此鋼弦不能受扭。振弦式應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)等儀器在標(biāo)定或現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),嚴(yán)禁扭轉(zhuǎn)端頭或拉桿,否則極易造成儀器永久損壞。5應(yīng)變計(jì)剛度現(xiàn)有的振弦式大應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)為兩端頭連接保護(hù)管和張緊鋼絲,兩端頭軸上有2道O形密封圈與保護(hù)管密封。因耐壓橡膠圈與保護(hù)管需緊閉密封,導(dǎo)致儀器剛度較大。且大應(yīng)變計(jì)在變形過(guò)程中,O形圈與保護(hù)管內(nèi)壁摩擦力的不穩(wěn)定致使儀器剛度不穩(wěn)定。另外,現(xiàn)有的振弦式大應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)不能承受較高的水壓力。這2種原因?qū)е抡裣沂酱髴?yīng)變計(jì)在大體積混凝土中的應(yīng)用與差阻式應(yīng)變計(jì)有較大差別。南瑞最新研制的振弦式大應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的有效彈性模量控制在300～500MPa。從力學(xué)角度分析,應(yīng)變計(jì)剛度越小越能反應(yīng)混凝土的真實(shí)變形。理論上,儀器剛度為0時(shí)能百分之百地測(cè)出混凝土的真實(shí)應(yīng)變。反之,應(yīng)變計(jì)的剛度增大,測(cè)出的混凝土應(yīng)變將失真。特別是在水工建筑物低彈性模量混凝土中及在混凝土終凝階段,此現(xiàn)象更為嚴(yán)重?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)的大應(yīng)變計(jì)剛度很大,測(cè)出的混凝土應(yīng)變誤差很大。新研制的振弦式大應(yīng)變計(jì)解決了大應(yīng)變計(jì)耐高壓的難題。表1列出一種測(cè)量范圍為0～3000με(1με=1μm/m)的振弦式應(yīng)變計(jì)的標(biāo)定資料。表中:靈敏度K=0.7417με/kHz2;非線性誤差δ1=0.55%;直線擬合準(zhǔn)確度δ2=0.10%;二項(xiàng)式擬合公式為y=A+Bx+Cx2(A=-667.6243,B=0.7184,C=3.7716×10-6);儀器耐水壓為0.5MPa,電纜長(zhǎng)度為3m,絕緣電阻大于50MΩ。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,這種結(jié)構(gòu)的新型大應(yīng)變計(jì)測(cè)量范圍大,靈敏度和精度高,適用于水工建筑物大體積混凝土中混凝土真實(shí)應(yīng)變的測(cè)量。6混凝土壓應(yīng)力管目前,國(guó)外公司生產(chǎn)的振弦式混凝土壓應(yīng)力計(jì)是用于隧道混凝土襯砌中測(cè)量混凝土壓應(yīng)力的。這種儀器由2個(gè)矩形薄板四周焊接而成,兩薄板中間間隙極小,中間填充傳壓液體。應(yīng)力計(jì)上板用一傳壓管與振弦式壓力傳感器相連。壓力傳感器上伸出1根很長(zhǎng)的加壓管。將應(yīng)力計(jì)埋設(shè)在混凝土襯砌中或埋設(shè)在混凝土與隧道洞壁之間。一般,噴射混凝土澆注完畢,待混凝土水化熱溫度隨時(shí)間下降后,混凝土與儀器傳壓板間產(chǎn)生間隙。此時(shí),用加壓管再加壓力直到傳壓板與混凝土間隙完全接觸,則開(kāi)始測(cè)量混凝土的壓應(yīng)力。儀器兩傳壓板間隙雖然很小,但因傳壓液體溫度系數(shù)很大而造成溫度補(bǔ)償系數(shù)很大,因此不能在混凝土中準(zhǔn)確測(cè)量壓應(yīng)力特別是在大體積混凝土中測(cè)量出混凝土的壓應(yīng)力。南瑞設(shè)計(jì)的振弦式混凝土壓應(yīng)力計(jì)保證了儀器測(cè)量混凝土壓應(yīng)力時(shí)的誤差最小,儀器溫度補(bǔ)償系數(shù)也很小。新設(shè)計(jì)的壓應(yīng)力計(jì)能在大體積混凝土溫度變化較大的情況下準(zhǔn)確測(cè)出混凝土的壓應(yīng)力。振弦式壓應(yīng)力計(jì)用振弦式壓力傳感器測(cè)量混凝土的壓應(yīng)力。因振弦式壓力傳感器靈敏度很高,故振弦式混凝土壓應(yīng)力計(jì)測(cè)量精度較高。7現(xiàn)場(chǎng)安裝錨索測(cè)力計(jì)的測(cè)量振弦式錨索測(cè)力計(jì)為圓筒狀結(jié)構(gòu),圓筒由彈性鋼材做成,在其上垂直均布3～6只安裝孔,在孔內(nèi)安裝振弦式高靈敏度小應(yīng)變計(jì)。儀器采用全密封結(jié)構(gòu),可耐3MPa的水壓。當(dāng)錨索測(cè)力計(jì)受少量偏心載荷,取每支小應(yīng)變計(jì)讀數(shù)的平均值能減少偏心對(duì)測(cè)量的影響。近年來(lái),南瑞在國(guó)內(nèi)外工程中安裝了近2000臺(tái)套100t～600t的錨索測(cè)力計(jì)。曾有2個(gè)工程在錨索張拉過(guò)程中出現(xiàn)錨索測(cè)力計(jì)測(cè)值小于液壓千斤頂加力的90%,使用方懷疑錨索測(cè)力計(jì)測(cè)量有問(wèn)題或液壓加壓裝置有問(wèn)題。為檢驗(yàn)2套設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)確度,將設(shè)備送到成都計(jì)量科學(xué)院用準(zhǔn)確度為0.05%的材料壓力試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定。從標(biāo)定數(shù)據(jù)看,2套設(shè)備精度都滿足要求。現(xiàn)場(chǎng)安裝出現(xiàn)這種差異的原因主要?dú)w結(jié)為:1)現(xiàn)場(chǎng)安裝的錨索測(cè)力計(jì)的錨塊不規(guī)范。一般要求錨塊與錨索測(cè)力計(jì)尺寸匹配,墊塊的厚度需大于50mm,墊塊太薄一般會(huì)產(chǎn)生大于3%～4%的測(cè)值誤差。2)錨索測(cè)力計(jì)受偏心荷載太大。錨索測(cè)力計(jì)在加載時(shí)應(yīng)對(duì)鋼索采取整束分級(jí)張拉,使錨索測(cè)力計(jì)受力均勻。盡量少用單根張拉的加載方式,避免測(cè)力計(jì)產(chǎn)生較大的偏心荷載。在實(shí)際張拉過(guò)程中,可監(jiān)測(cè)錨索測(cè)力計(jì)每個(gè)小應(yīng)變計(jì)測(cè)值變化的差異,以調(diào)整錨索的張力使荷載偏心減少。3)錨墊板與錨索張拉孔的中心軸的垂直度偏差大時(shí),會(huì)使錨索測(cè)力計(jì)在錨索張拉過(guò)程中在壓墊塊上產(chǎn)生滑移,使測(cè)力計(jì)測(cè)值偏小。因此,應(yīng)使兩者垂直度偏差盡量小。國(guó)外有廠商曾在產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)上要求其垂直度誤差在±1.5°之內(nèi),以保證錨索測(cè)力計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。因影響測(cè)力系統(tǒng)測(cè)量力準(zhǔn)確性的因素太多,現(xiàn)場(chǎng)一系列條件很難滿足要求,所以在工程應(yīng)用中,一般錨索測(cè)力