差动电阻式仪器的研制与工程安全监测

差动电阻式仪器的研制与工程安全监测

0阻式、振弦式仪器目前，我国自行开发的差动电阻式（以下简称“差阻式”）和振动式系列机器的技术水平达到世界领先地位。这些仪器不断创新与改进,为工程安全监测提供了优质可靠的保障,满足了工程安全监测的需要。1差阻式仪器差阻式仪器自20世纪30年代发明至今,因其结构简单、长期测量稳定性好、能兼测温度,故在工程监测中得到了广泛运用。中国是世界上生产差阻式仪器最多的国家,至今已生产并应用于工程的该类仪器近30万支,在确保水利水电工程、岩土工程、工业与民用建筑、交通航运等工程的安全中发挥了重要作用,其社会效益巨大。中国发明的五芯测量技术解决了用长电缆测量时电缆电阻及接线电阻变差对测量的影响问题,为该仪器自动化测量的应用推广开辟了广阔的前景。差阻式仪器属于“零漂移”高稳定产品。将几种差阻式仪器放置在常湿、温度为0～35℃的试验室内4年有余,其中,1台差阻式混凝土压应力计测值仅变化了1～2个电阻比,2台300t锚索测力计测值仅变化了1个电阻比,1台直径40mm的差阻式钢筋计测值仅变化了1～2个电阻比,3台差阻式介质土压力计测值分别变化了2,3,4个电阻比。这种性能为该系列仪器在大型工程中的广泛运用奠定了基础。差阻式仪器的测量原理是:利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件,将仪器所受的物理量变化转换为电量变化,如图1所示。钢丝受力时其变形与电阻比的变化关系为:ΔRR=λΔLLΔRR=λΔLL式中:R为钢丝的电阻值;ΔR为钢丝电阻的变化量;L为钢丝的长度;ΔL为钢丝长度的变化量;λ为仪器的灵敏度系数。仪器内通过2根方杆将2根钢丝差动地绕在4个瓷子上,利用电阻差动变化求出仪器电阻比Δz:Δz=R1R2(ΔR1R1+ΔR2R2)≈2ΔRRΔz=R1R2(ΔR1R1+ΔR2R2)≈2ΔRR式中:R1,R2分别为2根钢丝的电阻值。差阻式仪器中高强钢丝的直径一般为0.04～0.06mm,高应力张拉状态下,钢丝不耐振,更不能碰撞。因此,在搬运、率定、安装埋设及混凝土振捣过程中需十分小心,否则极易造成仪器钢丝断裂而失效。此外,该类仪器在接长电缆时,接头务必要处理好,否则电缆绝缘性可能下降,对测量造成影响。2材料的耐高压性仪器(应变计、测缝计、小应变计等)腔体端部增加一补偿波纹管,此波纹管与仪器腔体连通,仪器整个腔体灌满变压器油。当仪器埋设在有高压水的混凝土中时,外部水的高压压缩将补偿波纹管变形。因液体不可压缩,则仪器腔体中的压强与外部水的压强平衡,此时仪器腔体内外压差为0,故仪器具有耐高压的特性。差阻式仪器可在极高水压环境中可靠工作而不致损坏。近10余年来,中国是世界上建坝最多、筑坝最高、建坝规模最大的国家,高坝、高水头、抽水蓄能电站、引水工程等都需要大量耐高压的应变计、测缝计、钢筋计等仪器。中国自行生产的大量耐高压差阻式仪器满足了工程安全监测的需求。3应变计结构受制原差阻式锚索测力计的结构主要由受力承重筒、筒身四周对称安装的4支差阻式小应变计、保护筒、电缆、接线盒等组成。原4支小应变计用固定块固定在受力筒上,该结构很难保证应变计轴向变形与受力筒受力方向平行。因此,在材料试验机上标定时,锚索测力计有时会出现线性不良的情况。在实际工程运用中,当锚索测力计轴向加载锚固后,其测值有时会出现超过锚索张拉最大值的反常现象。针对上述现象,对锚索测力计的结构受力进行分析,找出了原因,并对该结构进行了改进。改进后的应变计轴向变形完全与承重筒轴向受力方向平行,准确地反映了筒体轴向变形。将使用新结构的锚索测力计在材料试验机上标定,可以看出,仪器的线性和精度都得到了提高,在实际工程运用中也没有再出现锚索张拉后仪器测值反常的现象。4水电工程仪器振弦式仪器自20世纪30年代发明至今,因其结构简单、长期测量稳定性好、输出频率易长距离自动化测量、仪器绝缘要求低等特点,在工程上一直被广泛应用。因为水电工程对埋入式仪器的可靠性及长期稳定性要求很高,所以国内水电工程几乎大多采用国外进口的振弦式仪器。随着南京南瑞集团公司(以下简称“南瑞”)振弦式仪器关键技术的突破,国产振弦式系列仪器受到了水电等行业的青睐。振弦式仪器的关键部件为一张紧的钢弦,它与传感器受力件连接固定,利用钢弦的自振频率与其所受的外加张力关系测得各物理量,其关系为:f=12LFm−−√f=12LFm式中:f为钢弦的自振频率;L为钢弦的长度;F为钢弦的受力;m为钢弦的质量。振弦式仪器的钢丝直径一般比较细,且承受一定的张拉应力,因此钢弦不能受扭。振弦式应变计、测缝计等仪器在标定或现场安装时,严禁扭转端头或拉杆,否则极易造成仪器永久损坏。5应变计刚度现有的振弦式大应变计结构为两端头连接保护管和张紧钢丝,两端头轴上有2道O形密封圈与保护管密封。因耐压橡胶圈与保护管需紧闭密封,导致仪器刚度较大。且大应变计在变形过程中,O形圈与保护管内壁摩擦力的不稳定致使仪器刚度不稳定。另外,现有的振弦式大应变计结构不能承受较高的水压力。这2种原因导致振弦式大应变计在大体积混凝土中的应用与差阻式应变计有较大差别。南瑞最新研制的振弦式大应变计结构的有效弹性模量控制在300～500MPa。从力学角度分析,应变计刚度越小越能反应混凝土的真实变形。理论上,仪器刚度为0时能百分之百地测出混凝土的真实应变。反之,应变计的刚度增大,测出的混凝土应变将失真。特别是在水工建筑物低弹性模量混凝土中及在混凝土终凝阶段,此现象更为严重。现国内外许多厂商生产的大应变计刚度很大,测出的混凝土应变误差很大。新研制的振弦式大应变计解决了大应变计耐高压的难题。表1列出一种测量范围为0～3000με(1με=1μm/m)的振弦式应变计的标定资料。表中:灵敏度K=0.7417με/kHz2;非线性误差δ1=0.55%;直线拟合准确度δ2=0.10%;二项式拟合公式为y=A+Bx+Cx2(A=-667.6243,B=0.7184,C=3.7716×10-6);仪器耐水压为0.5MPa,电缆长度为3m,绝缘电阻大于50MΩ。从表1中数据可以看出,这种结构的新型大应变计测量范围大,灵敏度和精度高,适用于水工建筑物大体积混凝土中混凝土真实应变的测量。6混凝土压应力管目前,国外公司生产的振弦式混凝土压应力计是用于隧道混凝土衬砌中测量混凝土压应力的。这种仪器由2个矩形薄板四周焊接而成,两薄板中间间隙极小,中间填充传压液体。应力计上板用一传压管与振弦式压力传感器相连。压力传感器上伸出1根很长的加压管。将应力计埋设在混凝土衬砌中或埋设在混凝土与隧道洞壁之间。一般,喷射混凝土浇注完毕,待混凝土水化热温度随时间下降后,混凝土与仪器传压板间产生间隙。此时,用加压管再加压力直到传压板与混凝土间隙完全接触,则开始测量混凝土的压应力。仪器两传压板间隙虽然很小,但因传压液体温度系数很大而造成温度补偿系数很大,因此不能在混凝土中准确测量压应力特别是在大体积混凝土中测量出混凝土的压应力。南瑞设计的振弦式混凝土压应力计保证了仪器测量混凝土压应力时的误差最小,仪器温度补偿系数也很小。新设计的压应力计能在大体积混凝土温度变化较大的情况下准确测出混凝土的压应力。振弦式压应力计用振弦式压力传感器测量混凝土的压应力。因振弦式压力传感器灵敏度很高,故振弦式混凝土压应力计测量精度较高。7现场安装锚索测力计的测量振弦式锚索测力计为圆筒状结构,圆筒由弹性钢材做成,在其上垂直均布3～6只安装孔,在孔内安装振弦式高灵敏度小应变计。仪器采用全密封结构,可耐3MPa的水压。当锚索测力计受少量偏心载荷,取每支小应变计读数的平均值能减少偏心对测量的影响。近年来,南瑞在国内外工程中安装了近2000台套100t～600t的锚索测力计。曾有2个工程在锚索张拉过程中出现锚索测力计测值小于液压千斤顶加力的90%,使用方怀疑锚索测力计测量有问题或液压加压装置有问题。为检验2套设备测量的准确度,将设备送到成都计量科学院用准确度为0.05%的材料压力试验机标定。从标定数据看,2套设备精度都满足要求。现场安装出现这种差异的原因主要归结为:1)现场安装的锚索测力计的锚块不规范。一般要求锚块与锚索测力计尺寸匹配,垫块的厚度需大于50mm,垫块太薄一般会产生大于3%～4%的测值误差。2)锚索测力计受偏心荷载太大。锚索测力计在加载时应对钢索采取整束分级张拉,使锚索测力计受力均匀。尽量少用单根张拉的加载方式,避免测力计产生较大的偏心荷载。在实际张拉过程中,可监测锚索测力计每个小应变计测值变化的差异,以调整锚索的张力使荷载偏心减少。3)锚垫板与锚索张拉孔的中心轴的垂直度偏差大时,会使锚索测力计在锚索张拉过程中在压垫块上产生滑移,使测力计测值偏小。因此,应使两者垂直度偏差尽量小。国外有厂商曾在产品使用说明书上要求其垂直度误差在±1.5°之内,以保证锚索测力计的测量准确度。因影响测力系统测量力准确性的因素太多,现场一系列条件很难满足要求,所以在工程应用中,一般锚索测力