特殊环境下结构应力应变测量技术及其应用

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1、特殊环境下结构应力应变测量技术及其应用沈观林(清华大学航天航空学院100084北京)摘要：本文分别介绍在液压和电磁场环境下结构应力应变的特殊测量技术，包括专用的电阻应变计、导线引出技术及试验数据处理方法，并列举若干应用。关键词：液压；电磁场；防水应变计；抗磁场应变计一、引言应变电测技术广泛应用于实验室和现场的结构和材料的应力应变测量，各种应变计式传感器更普遍应用于结构试验中位移、荷载以及加速度等测量和工业生产中称重，配料控制以及商业计量领域。当结构处于特殊环境时应变电测技术有独特的优势，例如结构在高、低温条件下的应力应变

2、测量，已有文献介绍其专门的测量技术及很多重要应用[1][2][3]。此外，结构处于液压环境下的应变测量，还有结构在电磁场环境下力应变测量，这些都分别有一些专门的测量技术，这样才能得到比较准确的测量结果，下面分别作介绍。二、液压环境下结构应变测量技术采用应变电测技术进行受液压结构应变测量是最现实、较准确的方法，其中有一些专门的技术，主要有三方面：2.1对电阻应变计采用防护涂层一般液压用水和油作介质，对于油介质最好用变压器油，它绝缘性好又属中性，对应变计及其粘结剂没有腐蚀性，在作小型压力容器受液压、非破坏试验时较适宜。对于大

3、型压力容器或破坏试验，通常用水作加压介质，这时必须对应变计作防护涂层，防护时把应变计表面和引线与导线焊接点都密封起来与水隔绝，常用的防护涂层有环氧树脂或医用凡士林，也有组合涂层，具体的做法参看文献[1]。但是在试验现场做防护涂层，比较困难，不容易做得严密。现在有专门的防水应变计产品供使用，图1表示粘贴式防水应变计样式，它是在应变计盖层上做一层环氧胶片，并把应变计引线和导线接头封在1里面，使用时将应变计基底用专用胶粘贴在测点表面即可，它带有一定长度的带套管的导线，可直接接到测量仪器上。另外有一种专门密封防水应变计，图2表示

4、密封式可焊接的电阻应变计，它具有不锈钢基底，敏感栅和引线密封在金属细管中用密实氧化镁细粉隔绝，导线也带金属管密封。金属细管与基底焊接，使用时用专门点焊机把基底点焊在钢结构表面上，导线引出钢结构受液压部位可实现彻底防水、气接触，一般可用于100℃以下，还有可用于更高温度环境。这样试验时可避免大量烦杂的防护涂层工作，保证防水液压或气体压力。图1防水电阻应变计样式图2密封式可焊接电阻应变计2.2采用导线密封装置在压力容器上安装一接管，接管上带一导线密封装置，其构造示意图见图3所示，它用于将容器内壁应变计导线引出容器又保持容器液

5、压。密封装置为外端带很多小孔的板，每孔穿过一根带塑料套管的导线，内部用环氧树脂与导线封装，导线如有套管，需在每根导线中部剥除一小段套管，以保证液压下密封。图3导线密封装置示意图2.3压力效应对于在容器内壁的应变计由于液压对应变计作用引起附加的应变称为压力效应，它受应变计类型、容器形状、粘结剂，防护涂层等多种因素的影响，不能用理论计算，一般用实验方法测定或进行补偿、消除。最常用的补偿方法是在容器内部放一小试块，粘贴补偿应变计，将容器内壁测量应变计与该补偿应变计接或半桥，所测得的应变读数用下式进行修正，可准确得到容器受液压作

6、用的真实应变。(1−2v)ε=ε−p仪E2式中ε为真实应变，ε为应变读数，E、v分别是小试块材料弹性模量和泊松比，p为仪液压。式中后一项是小试块三向受压的应变，容器内壁的测量应变计和试块补偿应变计的压力效应εp由半桥电路相抵消补偿了。这种方法叫内补偿法。三、电磁场环境下的结构应变测量技术在电磁场环境下用电阻应变计测量结构应变时，可能产生一些附加磁感效应，特别在磁场强度较高的情况下带来较大的误差。如在低温(-196℃)下又有强磁场环境，则误差更大。为此采用下列测量技术。3.1采用专门的电阻应变计——抗磁场应变计这种应变计采

7、用镍铬合金箔作敏感栅，它对磁场环境产生较小的感应，同时这种应变计由两个重叠敏感栅串联而成，见图4(a)所示，引出导线呈双绞线状。这样两个敏感栅受磁场影响相互抵消，双绞线使导线受磁场影响也很小。国外已有抗磁场应变计产品，可见图4(b)中表示。另外应变计栅宽应尽量小。(a)(b)图4抗磁场应变计3.2密封屏蔽接线与隔离电源技术选用双层屏蔽的信号传输电缆，用细铜丝网将连接片和前端四芯电缆严密包裹，传输长电缆外屏蔽要妥善接地，接地电阻应小于0.1Ω。动态电阻应变仪用电池直流供电，与电网完全隔离。3.3记录系统抗干扰设计采用硬件抗

8、混滤波器和模拟电路专用屏蔽罩，能有效屏蔽掉干扰信号，提高信噪比。四、若干应用4.1山西某抽水蓄能电站钢岔管模型水压试验管内水压由钢岔管和围岩共同分担，钢岔管主管直径1400mm，支管直径1000mm，管壁厚度20mm，钢管材料16MnR，试验在内水压力作用下进行各断面内外壁应力应变3测量，外壁用振弦式钢板计测量应变，