楊　楊，蔡　陽，江晨暉，倪彤元

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；

3.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；4.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

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埋入式低彈?；炷翍?yīng)變傳感器的研究

楊楊1,2，蔡陽1，江晨暉3,4，倪彤元1,2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；

3.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；4.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

摘要：準(zhǔn)確監(jiān)測混凝土變形是評(píng)價(jià)混凝土材料性能、結(jié)構(gòu)服役能力和健康狀態(tài)的重要前提，但現(xiàn)有方法通常只能適用于硬化混凝土材料及其結(jié)構(gòu)，不適用于自早齡期開始的全壽命檢測.為了克服這一缺點(diǎn)，開發(fā)了一種彈性模量小于35 MPa的低彈模埋入式應(yīng)變傳感器(ESS)，ESS可于混凝土結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)埋入其內(nèi)部，自早齡期開始實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測.同時(shí)，ESS也可置于各種結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行變形監(jiān)測.對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：采用ESS對(duì)混凝土試件變形監(jiān)測所得結(jié)果與采用其他方法所得結(jié)果具有較好的一致性.

關(guān)鍵詞：低彈性模量；埋入型應(yīng)變傳感器；混凝土；變形；早齡期

各種因素引起的變形是反映土木工程材料基本性質(zhì)和構(gòu)件、結(jié)構(gòu)服役性能的重要指標(biāo)之一，因此必須加以精確測量[1-2].有關(guān)測量方法和儀器設(shè)備的研究歷來受到重視.目前應(yīng)用較多的(微小)變形測量儀器分為接觸式位移計(jì)[3]和非接觸式位移計(jì)兩大類，接觸式位移計(jì)使用較為普遍，其安裝使用方法簡單、價(jià)格低廉，但不適用于物性尚未發(fā)展健全、強(qiáng)度極低、表面潮濕的被測體(如剛澆筑的混凝土、剛壓實(shí)的土體等)，且安裝位置受到限制，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)體變形的長期監(jiān)測.諸如激光位移計(jì)[4]、電容位移計(jì)和渦電流位移計(jì)[5]等新型非接觸式位移計(jì)的出現(xiàn)提高了變形測量的精度和自動(dòng)化程度，但由于設(shè)備精密、使用成本高及對(duì)測量環(huán)境要求嚴(yán)格等不足之處而不能同批次大量采用，更難以被推廣.更重要的是，這兩類變形測量儀器均安裝于被測體外部，其經(jīng)歷的溫度條件不同于被測體的溫度履歷，所獲得的變形測量結(jié)果需加以修正，而這類修正往往較為復(fù)雜，精度也不易滿足.

為了彌補(bǔ)既有變形測量儀器存在的上述缺點(diǎn)和不足，本研究開發(fā)了一種可埋入式應(yīng)變傳感器(簡作ESS).該ESS具有低彈性模量，當(dāng)安置于待測體(如混凝土、砂漿、水泥漿和土壤等)內(nèi)部時(shí)，可以同步感受待測體自成型之后的變形.ESS可用于微變形的長期監(jiān)測，且能同步準(zhǔn)確反映待測體內(nèi)部的溫度變化，便于進(jìn)行溫度校正.筆者就設(shè)計(jì)思路、材料選用、加工裝配、標(biāo)定方法和使用方法等五個(gè)基本方面就ESS的開發(fā)研制進(jìn)行闡述，所設(shè)計(jì)的ESS可實(shí)現(xiàn)自澆筑完畢開始對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)任意位置變形的全壽命在線實(shí)時(shí)監(jiān)測.

1ESS的設(shè)計(jì)原理與構(gòu)成

所研制的ESS采用彈性元件的形變來感受待測體的變形，即利用彈性元件良好的變形感受能力，將待測體的變形量轉(zhuǎn)化為彈性元件的變形，再利用電阻應(yīng)變測量原理將彈性元件的物理變形量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電阻變化量，通過變換裝置轉(zhuǎn)成電信號(hào)，最后在輸出裝置上顯示應(yīng)變數(shù)據(jù).通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以建立待測體變形和輸出數(shù)據(jù)(應(yīng)變)之間的標(biāo)定關(guān)系式，由此關(guān)系式即可由ESS的測量結(jié)果反演待測體的實(shí)際變形.

ESS的測量原理如圖1所示，彈性元件采用雙Ω形彈簧鋼片，中間水平段較兩端水平部分稍低(圖2中的元件7).當(dāng)彈簧鋼片兩端受到軸向壓(拉)力作用時(shí)，中間水平部分除了受到壓(拉)力作用外，還會(huì)因偏心產(chǎn)生彎曲變形.換言之，雙Ω形彈簧鋼片能夠在一定的程度上放大端部作用力產(chǎn)生的變形.

圖1　埋入型應(yīng)變傳感器的測量原理Fig.1　The measuring principle of ESS

ESS的構(gòu)造如圖2所示.當(dāng)該傳感器埋入被測體預(yù)設(shè)位置后，被測體發(fā)生與傳感器軸向平行的變形時(shí)，傳感器即受到軸向外力作用.這一軸向外力將使傳感器上可動(dòng)承臺(tái)發(fā)生移動(dòng)(變形)，這一變形將傳遞至彈簧鋼片，粘貼在其上的應(yīng)變片即可采集到應(yīng)變數(shù)據(jù).同時(shí)，銅套管右端設(shè)置的低彈性模量的聯(lián)軸器作為過渡連接器件(或稱變形補(bǔ)償器件)，用于將ESS外部的變形傳遞到其內(nèi)部的彈性元件之上.

1—端部法蘭；2—聯(lián)軸器；3—可動(dòng)承臺(tái)；4—銅管；5—橡膠套管；6—固定承臺(tái)；7—雙Ω形彈簧鋼片；8—電阻應(yīng)變片；9—應(yīng)變片引出線(外連屏蔽線)；10—熱電偶導(dǎo)線圖2　ESS的基本構(gòu)造Fig.2　Basic structure of ESS

2ESS的制作

除彈簧鋼片是采用不銹鋼經(jīng)熱處理外，ESS的其他部件均采用銅質(zhì)材料制作.彈簧鋼片在ESS兩端的承臺(tái)上的固定通過內(nèi)六角螺釘和彈簧墊片完成.

考慮到ESS的長期有效性和可能遭遇的高、低溫環(huán)境，粘貼應(yīng)變片采用的粘結(jié)劑既有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)還具有高耐久性和耐高、低溫性[6].

電阻應(yīng)變片沿軸向粘貼于彈簧鋼片的中間位置，以使ESS具有更好的測量敏感性.同時(shí)為了提高測量精度和有效地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，應(yīng)變片采用四片式全橋接法[7].熱電偶置于固定承臺(tái)內(nèi)腔中，測量銅質(zhì)零件從與混凝土接觸處傳來的溫度.

將聯(lián)軸器插入銅管右端，并通過焊接固定二者.聯(lián)軸器的右端通過沉頭螺釘與傳感器右端的可動(dòng)承臺(tái)加以固定.然后從可動(dòng)承臺(tái)右端旋入端部法蘭，法蘭與聯(lián)軸器接觸處施以焊接.最后利用橡膠熱縮管套在銅套管外表面，用熱風(fēng)槍加熱使之收縮形成包覆層.組裝過程中，應(yīng)避免彈簧鋼片發(fā)生變形，使其處于自由狀態(tài)(無拉力或壓力作用).

裝配完成后的ESS如圖3所示.

圖3　裝配完成后的埋入型應(yīng)變傳感器Fig.3　Photographs of ESS

3ESS的基本性能參數(shù)

3.1ESS的變形關(guān)系標(biāo)定

通過試驗(yàn)獲得ESS整體軸向變形(簡稱為外部變形)與彈簧鋼片彎曲變形(簡稱為內(nèi)部變形)之間的定量關(guān)系，即變形關(guān)系的標(biāo)定是一項(xiàng)最重要的基本工作之一.本研究自行設(shè)計(jì)了圖4所示的標(biāo)定裝置進(jìn)行試驗(yàn).

如圖4所示，ESS的外部變形通過設(shè)置于其活動(dòng)端的位移傳感器6進(jìn)行測量.ESS和位移傳感器的安裝位置如圖4所示.ESS兩端分別固定在標(biāo)定裝置左端固定支座3和中間可動(dòng)支座5上，位移傳感器則固定在標(biāo)定裝置右端固定支座7上.ESS、位移傳感器均接入數(shù)據(jù)采集儀以獲得內(nèi)、外部變形(應(yīng)變值).逆時(shí)針方向旋動(dòng)內(nèi)螺母9，通過固定螺桿8的位移傳遞作用，中間可動(dòng)支座向左移動(dòng)而壓縮ESS.通過分析所采集的數(shù)據(jù)可獲得壓縮狀態(tài)下內(nèi)、外部變形關(guān)系.反之，順時(shí)針方向旋動(dòng)外螺母10，中間可動(dòng)支座向右移動(dòng)而拉伸ESS，從而可獲得拉伸狀態(tài)下內(nèi)、外部變形關(guān)系.正式標(biāo)定前，應(yīng)對(duì)ESS實(shí)施預(yù)拉、壓數(shù)次.試驗(yàn)在恒溫環(huán)境中進(jìn)行.

1—熱電偶導(dǎo)線；2—數(shù)據(jù)采集線；3—左端固定支座；4—ESS；5—中間可動(dòng)支座；6—位移傳感器；7—右端固定支座；8—固定螺桿；9—外螺母；10—內(nèi)螺母；11—滑塊；12—導(dǎo)桿；13—底板圖4　用于ESS的標(biāo)定裝置Fig.4　Calibration device for ESS

ESS標(biāo)定結(jié)果如圖5所示.可以發(fā)現(xiàn)：在本研究的試驗(yàn)范圍內(nèi)，無論是受壓還是受拉狀態(tài)，ESS的內(nèi)部應(yīng)變隨外部應(yīng)變的增大(減小)均表現(xiàn)出一致的線性增大(減小)的特征.數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明：當(dāng)ESS受壓時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)變?yōu)槠渫獠繎?yīng)變的0.798倍；類似地，在受拉狀態(tài)下，ESS的內(nèi)部應(yīng)變與外部應(yīng)變之間同樣存在完好線性關(guān)系，且內(nèi)部應(yīng)變?yōu)橥獠繎?yīng)變的0.867倍.

圖5　埋入型應(yīng)變傳感器的內(nèi)、外部應(yīng)變之間的關(guān)系Fig.5　Relationship between internal and external strain

因此，采用ESS間接地測量軸向拉伸或壓縮變形時(shí)，其內(nèi)部變形和外部變形均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，且兩者的標(biāo)定系數(shù)的偏差率為

較小，可以近似認(rèn)為兩者一致，標(biāo)定系數(shù)均取0.833(兩者的平均值)，即

εint=0.833εext

(1)

式中εint，εext分別為ESS的內(nèi)、外部應(yīng)變.

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由ESS采集的內(nèi)部應(yīng)變代入式(1)即可計(jì)算相應(yīng)的外部變形(即對(duì)應(yīng)ESS埋設(shè)部位的混凝土在ESS軸向發(fā)生的變形).

3.2ESS的彈性模量

ESS的彈性模量采用量程為10 kN的雙立柱式電液伺服試驗(yàn)機(jī)測定，彈性模量測試開始測定前先進(jìn)行3次預(yù)加載.試驗(yàn)中位移加載速度設(shè)置為0.001 mm/s，預(yù)定加載最大位移設(shè)為0.250 mm.ESS的軸向應(yīng)力(軸向壓力)隨軸向應(yīng)變(軸向位移)的變化規(guī)律如圖6所示.

圖6　ESS拉伸彈性模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Testing results of elastic modulus of ESS

計(jì)算彈性模量時(shí)，為了消除由于加載初期沖擊力的影響，擬合基線起點(diǎn)設(shè)為應(yīng)變值50×10-6，從圖6中的擬合曲線可以明顯看出，ESS的壓縮彈性模量(E)約為35.02 MPa.

采用類似的方法可以測定ESS的拉伸彈性模量，測定結(jié)果與壓縮彈性模量基本一致.

上述ESS的彈性模量值不僅遠(yuǎn)低于成熟混凝土彈性模量，與凝結(jié)硬化初期混凝土的彈性模量相比也低得多[8-9].因此，可以認(rèn)為ESS對(duì)早齡期混凝土的變形具有良好的感應(yīng)能力，能克服現(xiàn)有接觸式測量儀器存在的問題.需要說明的是，由于零配件加工、裝配及試驗(yàn)操作等方面的誤差，ESS的上述標(biāo)定測試結(jié)果存在一定的個(gè)體差異.因此為了提高測量精度，每個(gè)ESS須進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定.

3.3ESS的溫度特性

將安裝好的ESS置于穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，連接上數(shù)據(jù)采集儀，待其數(shù)據(jù)穩(wěn)定后(避免零漂的影響)記錄初始讀數(shù)，用熱風(fēng)槍較遠(yuǎn)距離(減少風(fēng)壓產(chǎn)生的影響)環(huán)繞著ESS均勻加熱，觀察數(shù)據(jù)采集儀所顯示的溫度值，當(dāng)ESS的溫度即將上升至預(yù)定溫度時(shí)停止加熱，記錄下ESS的內(nèi)部應(yīng)變隨溫度變化的數(shù)據(jù)，可得到如圖7所示內(nèi)部應(yīng)變與溫度變化之間的關(guān)系.

由圖7可看出：在本試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，ESS的內(nèi)部應(yīng)變隨溫度變化也表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，溫度每變化1 ℃，則ESS的內(nèi)部應(yīng)變相應(yīng)地發(fā)生1.549×10-6變化.因此，實(shí)際應(yīng)用中，在溫度變化范圍不大的場合可以近似忽略溫度變化對(duì)ESS測量結(jié)果的影響.

圖7　ESS的溫度特性Fig.7　Testing of temperature change behavior of the ESS

4ESS測量的驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證ESS的測量效果，以混凝土因非荷載因素導(dǎo)致的早期變形(主要表現(xiàn)為自收縮)為測量對(duì)象，采用在內(nèi)部埋設(shè)ESS和國內(nèi)外研究者常用的外部設(shè)置位移傳感器的“外測法”對(duì)混凝土的自由變形進(jìn)行同步測量[10].

該試驗(yàn)所采用混凝土的配合比如下：強(qiáng)度等級(jí)為52.5的硅酸鹽水泥515 kg/m3；拌合水154.5 kg/m3；普通河砂718 kg/m3；5～16 mm的碎石1 032 kg/m3；高效減水劑7.21 kg/m3.該混凝土的坍落擴(kuò)展度為610 mm；強(qiáng)度等級(jí)為C60.

采用的混凝土試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體.試驗(yàn)前按前述方法對(duì)ESS進(jìn)行標(biāo)定測試，獲得基本性能參數(shù).

如圖8(a)所示，設(shè)置ESS時(shí)，為了確保其軸向與試模的長邊平行且位于試模的中心位置，防止混凝土澆注入模時(shí)ESS的位置發(fā)生變化，采用細(xì)鐵絲綁扎ESS兩端，并固定在試模上.細(xì)鐵絲不可綁扎過緊，且綁扎位置不能在聯(lián)軸器縫隙處.混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)分上下兩層進(jìn)行，澆筑ESS所在位置時(shí)，應(yīng)避免損傷ESS.試件表面抹平整形后，以塑料薄膜覆蓋之.靜置約30 min后，將ESS的連接導(dǎo)線接入數(shù)據(jù)采集儀，即可實(shí)現(xiàn)被測位置混凝土變形和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)定的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為20 min.

圖8　埋入型應(yīng)變傳感器的安裝和測試Fig.8　Installation and testing of the ESS

約12 h后拆模并對(duì)混凝土試件表面密封.然后按照文獻(xiàn)[9]所描述的方法用位移傳感器(CDP)對(duì)混凝土的自由變形進(jìn)行外部測量，如圖8(b)所示.整個(gè)試驗(yàn)均在溫度為(20±3) ℃，濕度為(50±5)%的環(huán)境下進(jìn)行.

對(duì)直接采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)(即內(nèi)部應(yīng)變)按照式(1)加以修正可得到相應(yīng)的外部應(yīng)變，并將該外部應(yīng)變與CDP測量的外部應(yīng)變加以對(duì)比.對(duì)比結(jié)果直觀地呈現(xiàn)于圖9中.顯然，二者的時(shí)程曲線變化趨勢一致，測量值有略微的差距，最大偏差約13×10-6.由于ESS的測量精度高于CDP，所以得到的變形曲線更為光滑.據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果，有理由認(rèn)為這種新型的應(yīng)變傳感器能夠較好的監(jiān)測混凝土的實(shí)時(shí)變形趨勢，具有可行性.

圖9　埋入型應(yīng)變傳感器的測量結(jié)果與位移傳感器(CDP)的測量結(jié)果對(duì)比Fig.9　Comparison between measured results obtained from ESS and from CDP

5結(jié)論

本研究得出利用偏心彈簧片放大變形方法進(jìn)行ESS的設(shè)計(jì)，其原理可行.經(jīng)試作和優(yōu)化，ESS的彈性模量僅約為35 MPa，獲得了一種適合低強(qiáng)度測量對(duì)象(例如早齡期混凝土)的變形監(jiān)測方法.通過對(duì)ESS進(jìn)行標(biāo)定與測試，獲得了內(nèi)部變形與外部變形的定量關(guān)系以及ESS的基本性能參數(shù).ESS變形測量的結(jié)果與CDP位移傳感器同步變形測量的結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性，同時(shí)由于ESS的測量精度高于CDP，所以得到的變形曲線更為光滑.據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果，有理由認(rèn)為這種新型的應(yīng)變傳感器能夠較好的監(jiān)測混凝土的實(shí)時(shí)變形趨勢，具有可行性.

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(責(zé)任編輯：陳石平)

Study on embedded strain sensor with low elastic modulus

for monitoring deformation of concrete

YANG Yang1, 2, CAI Yang1, JIANG Chenhui3, 4, NI Tongyuan1, 2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang

Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology, Hangzhou 310014, China;

3. College of Materials Science & Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China;

4. Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311231, China)

Abstract:Accurate measurement of concrete deformation is a prerequisite for evaluating performance and serviceability of concrete structures. Existing methods only apply to hardened concrete, but not apply to early-age concrete. In order to overcome the shortcoming, an embedded strain sensor (ESS) with a low elastic modulus (less than 35 MPa) is developed. ESS can be buried into specific locations as well as be attached onto the surface of concrete elements. Due to its low elastic modulus, ESS can be used to measure deformation of concrete immediately after casting. A trial test verifies that the results of deformation obtained by ESS coincide with those by a traditional method.

Keywords:low elastic modulus; embedded strain sensor (ESS); concrete; deformation; early age

文章編號(hào)：1006-4303(2015)04-0450-05

中圖分類號(hào)：TU317+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：楊楊(1962—)，男，江蘇揚(yáng)中人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邚?qiáng)高性能混凝土材料和結(jié)構(gòu),E-mail：yangyang@zjut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51378471)

收稿日期：2015-02-06