长标距振弦式应变计的制作方法

1.本发明涉及应变计，尤其是涉及一种长标距振弦式应变计。


背景技术：

2.随着我国交通运输事业的蓬勃发展，新建高速公路及桥梁越来越多，相应的许多已建成桥梁也逐渐进入了监测养护维修阶段，现如今随着桥梁建造技术的不断深化，桥梁荷载试验也逐步应用于桥梁建设过程中。桥梁荷载实验是保证桥梁安全运营的重要手段，对桥梁进行检测，同时使用桥梁荷载实验对桥梁整体性能和承载能力作出准确无误的评价，为评估桥梁安全性提供重要参考。
3.应变计在工程领域中的应用一般都是用于测量建筑物的应变，再进行相应的力学计算来求得建筑物的应力分布以及受力情况分析等，以达到了解建筑物应力分布情况的目的，具体原理如下：当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。目前，应变计也逐渐被用于桥梁的应变监测。
4.振弦式应变计是建筑行业最为常用的应变计之一，其虽可满足大部分监测需求，但用于桥梁的应变监测时仍存在以下不足之处：首先，现有振弦式应变计测量范围只有250mm左右，现如今桥梁大多数都是几十米甚至达到百米跨度，此时如果想要实现全桥布控监测，所需的应变计数量极其庞大，会极大地提高桥梁成本；其次，由于振弦式应变计的标距较短，应变计的灵敏度较低，在其测量范围内如果发生微小裂缝或应变时，应变计输出的信号较弱，应变监测系统的仪表盘变化幅度过小，人眼无法捕捉到变化量的准确数值，从而导致无法监测到微小裂缝，时间久了造成桥梁本身的破坏。
5.综上，如何设计一种监测距离长且精度高的长标距应变计对降低监测成本、提高监测数据的可靠性具有重要的意义。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种长标距振弦式应变计，其应变监测距离可高达5m以上，对需要进行长距离应变监测的桥梁等建筑物具有重要的意义。
7.为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：本发明所述的长标距振弦式应变计，包括应变计本体，设置在所述应变计本体前端的前延伸结构和设置在应变计本体后端的后延伸结构；所述前延伸结构包括第一加长杆和与桥梁连接的第一连接单元，所述第一加长杆的一端固定在应变计本体的前端，所述第一连接单元固定在所述第一加长杆的另一端；所述后延伸结构包括第二加长杆和与桥梁连接的第二连接单元，所述第二加长杆的一端固定在应变计本体的后端，所述第二连接单设置第二加长杆的另一端；所述第一加长杆和第二加长杆的长度均为1.5m～3.0m。
8.在上述方案中，本发明在应变计本体的两侧各安装一个长度在1.5～3.0m范围内
的加长杆，一方面提高了应变监测长度，本发明的应变监测长度在3.0～6.0m，其应变长度是现有市售应变计的至少12倍以上，实现了长标距应变监测，降低桥梁等建筑物的应变监测成本。以30m建筑物的应变监测为例，现有市售的长标距振弦式应变计的测量普遍在250mm以内，实现30m建筑物的应变监测则需要120个仪器；本发明的长标距应变计的应变监测长度在3m-6m，以5m为例，只需要6个本发明所述的应变计即可实现30m建筑物的应变监测，大大降低监测成本。
9.另一方面，由于本发明的应变长度为传统应变计的n倍（n≥12）。因此，在相同的应力作用下，本发明中应变计的长度变化量相较于市售应变计而言也对应扩大n倍。对应的，测量到的钢弦振动频率变化增大，使得即使发生微小裂缝，仪表盘中的指针出现人眼可见的变化，以实现微小裂缝的监测，提高了灵敏度，为评估桥梁安全性提供更加可靠性的数据。
10.在本发明的优选实施方式中，所述应变计本体包括钢弦、固定在所述钢弦两端的法兰盘和用于保护钢弦的波纹管；所述应变计本体还包括设置在所述波纹管内的温度传感器和套设在所述钢弦中部的电磁线圈，波纹管的中部具有与所述电磁线圈配合的外护筒。另外，在实际安装时，电磁线圈和温度传感器的信号电缆线可以集成一束，也可以是单独设置。
11.在本发明的优选实施方式中，每个所述法兰盘的一端面设置有连接套，所述波纹管的端部分别固定插装在所述连接套内。以实现波纹管的固定安装。
12.在本发明的优选实施方式中，所述第一连接单元包括固定在第一加长杆另一端部的第一连接件和防止所述第一连接件从第一加长杆上脱落的第一防脱件；所述第二连接单元包括固定在所述第二加长杆另一端的第二连接件和防止所述第二连接件从第二加长杆上脱落的第二防脱件。在实际使用时，借助第一连接件和第二连接件将本发明固定在桥梁或其它建筑物上；防脱件固定在加长杆的端部，避免连接件从加长杆上掉落，提高结构稳定性。
13.更优选的，所述第一连接件和第二连接件的结构相同，均包括带有弧形槽的底座和呈弧形结构的连接板，所述底座和连接板通过螺栓连接在一起。
14.更优选的，所述第一防脱件和第二防脱件均为连接法兰，连接法兰通过螺栓固定在加长杆的端部，且其外圈直径大于连接件的内孔直径，避免连接件掉落。
15.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在应变计本体的两端各安装一个加长杆，一方面加长了有效应变长度，是现有市售应变计的至少12倍以上，实现了长标距应变监测，极大程度地降低了建筑物的应变监测成本。
16.另一方面，由于本发明的有效应变长度提高了n倍以上。在相同的应力作用下，本发明中应变计的长度变化量相较于市售应变计而言也对应扩大n倍；对应的，测量到的钢弦振动频率变化增大。因而，即使桥梁发生微小裂缝，应变监测系统中的仪表盘指针也会因振动频率变化增大而出现较大变化，灵敏度更高，能够监测到桥梁的微小裂缝，为评估桥梁安全性提供更加可靠性的数据。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图。
18.图2是本发明所述应变计本体的放大图。
19.图3是本发明所述第一连接单元的放大图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
21.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.本发明提供了一种长标距振弦式应变计，一方面提高了应变监测长度，其应变长度是现有市售应变计有效长度（以250mm计）的至少12倍以上，实现了长标距应变监测，极大程度地降低了桥梁等建筑物的应变监测成本；另一方面，由于本发明的应变长度为传统应变计的n倍（n≥12）。在相同的应力作用下，本发明中应变计的长度变化量相较于市售应变计而言也对应扩大n倍。对应的，测量到的钢弦振动频率变化增大，使得即使发生微小裂缝，仪表盘中也出现较大的变化，实现了微小裂缝的监测，为评估桥梁安全性提供更加可靠性的数据。
23.具体地，结合图1可知，本发明所述的长标距振弦式应变计，包括应变计本体，设置在应变计本体前端的前延伸结构和设置在应变计本体后端的后延伸结构；前延伸结构包括第一延伸杆201和与桥梁连接的第一连接单元，第一延伸杆201的一端固定在应变计本体的前端，第一连接单元固定在第一延伸杆201的另一端；后延伸结构包括第二延伸杆301和与桥梁连接的第二连接单元，第二延伸杆301的一端固定在应变计本体的后端，第二连接单设置第二延伸杆301的另一端。
24.使用时，可利用第一连接单元和第二连接单元将本发明安装在桥梁上，第一延伸杆201和第二延伸杆301的长度为2.5m，其有效应变监控长度约为5m，是市售应变计（有效长度以250mm计）的20倍，大大减少相同长度范围内应变计的布设数量，极大程度地降低了应变监测成本，特别适用于桥梁等长距离建筑物的应变监测需求。以30m建筑物的应变监测为例，现有市售的长标距振弦式应变计的测量普遍在250mm以内，实现30m建筑物的应变监测则需要120个仪器；本发明的应变计的有效应变长度为5m，只需要6个本发明所述的应变计即可实现30m建筑物的应变监测，大大降低监测成本。
25.另一方面，本发明还大大提高了微小应变的灵敏度，能够监控到微小应变引起的变化。具体地：假设市售应变计的有效长度为l，被测物在l长度范围的变形量δl(δl =fn×
l / ea，fn为作用到应变计上的外力，ea为钢弦的轴向刚度)作用到应变计上，使应变计长度发生同等变化，并通过前、后端座传递给振弦，从而改变振弦的振动频率；电磁线圈105激振振弦并测量其振动频率，此可得出δl与频率模数的线性关系。与现有市售应变计相比，本发明的有效长度l’是现有应变计有效长度的n倍（n=l’/l）。因而，在同等应力作用下，本发明的长度变化量δl’=fn×
nl/e
a=
nδl。可见，本发明的变形量为现有市售应变计的n
倍，使得钢弦101的振动频率变化增大，实现了微小裂缝变形量的放大，提高了监测灵敏度和精准度，能够满足微小应变的监测要求，避免监测不到位而引起的桥梁损坏。
26.结合图2可知，应变计本体包括钢弦101、固定在钢弦101两端的法兰盘102、用于保护钢弦101的波纹管103、温度传感器104和套设在钢弦101中部的电磁线圈105，波纹管103的中部具有与电磁线圈105配合的外护筒106，温度传感器104和电磁线圈105位于外护筒106内，电磁线圈105和温度传感器104的电缆向外延伸出波纹管103。使用时，当被测结构物的应力发生变化时，应变计本体同步感受到变形，通过防脱件、加长杆和法兰盘传递给波纹管内的振弦并转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈105激振振弦101并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至应变仪，得到应变量，通过温度传感器104测得应变计本体所处环境的温度。
27.在实际安装时，电磁线圈105缠绕固定在外护筒内，温度传感器104悬置在电磁线圈105的外侧，以确保电磁线圈的正常工作。电磁线圈105和温度传感器104的电缆线108可以集成一束，当然也可以是分别单独引出。
28.结合图2可知，每个法兰盘102的一端面均设置有连接套107，两法兰盘102上的连接套107前后相对设置，波纹管103的两端部分别插装在法兰盘102上的连接套107内，进而实现了波纹管103的固定安装。另外，为便于区分，前端的法兰盘102记作法兰盘102a，后端的法兰盘102记作法兰盘102b，法兰盘102a与第一延伸杆201焊接在一起，法兰盘102b与第二延伸杆301焊接在一起，进而实现了应变计本体和前延伸结构、后延伸结构的连接。
29.结合图3可知，第一连接单元包括固定在第一延伸杆201前端部的第一连接件203和第一防脱件202，第一连接件203包括带有弧形槽的底座203a和呈弧形结构的连接板203b，底座203a和连接板203b围成一安装孔，以便于安装。安装时，将底座203a和连接板203b对应放在第一延伸杆201的端部，然后用螺栓将底座203a和连接板203b固连在一起即可实现第一连接件203在第一延伸杆201上的安装。为避免第一连接件203在应变监测过程中受力脱落，第一防脱件202优选外直径大于第一连接件203安装孔直径的第一防脱盘，有效避免第一连接件203在使用过程中脱落而影响监测结果。
30.在实际安装时，第二连接单元的结构与第一连接单元的结构相同，其包括固定在第二延伸杆301后端的第二连接件303（结构与第一连接件203相同））和第二防脱件302，第二防脱件302为外直径大于第一连接件203安装孔直径的第二防脱盘，避免第二连接件303从第二延伸杆301上脱落。
31.在应变监测时，借助第一连接件203和第二连接件303将本发明固定在桥梁上，然后将电缆接入应变仪即可进行应变监测。
32.在实际加工时，加长杆优选刚度较高的马氏体不锈钢（如440系列）加工而成，将力传输过程中的折减降到最小，从而实现长标距测量。波纹管采用不锈钢波纹管，其两端部密封插装在法兰盘的连接套内，且连接处采用低应力激光焊接，保证其内部的密封性以及延长应变计本体在恶劣环境下的工作使用时间。第一防脱盘和第二防脱盘分别焊接在加长杆上，最大程度上保证本发明的一体结构。
33.最后还需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对
其中部分技术特征进行等同替换。因而，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种长标距振弦式应变计，包括应变计本体，其特征在于：还包括设置在所述应变计本体前端的前延伸结构和设置在应变计本体后端的后延伸结构；所述前延伸结构包括第一加长杆和与桥梁连接的第一连接单元，所述第一加长杆的一端固定在应变计本体的前端，所述第一连接单元固定在所述第一加长杆的另一端；所述后延伸结构包括第二加长杆和与桥梁连接的第二连接单元，所述第二加长杆的一端固定在应变计本体的后端，所述第二连接单设置第二加长杆的另一端；所述第一加长杆和第二加长杆的长度均为1.5～3.0m。2.根据权利要求1所述的长标距振弦式应变计，其特征在于：所述应变计本体包括钢弦、固定在所述钢弦两端的法兰盘和用于保护钢弦的波纹管；所述应变计本体还包括设置在所述波纹管内的温度传感器和套设在所述钢弦中部的电磁线圈，波纹管的中部具有与所述电磁线圈配合的外护筒。3.根据权利要求2所述的长标距振弦式应变计，其特征在于：每个所述法兰盘的一端面设置有连接套，所述波纹管的端部分别固定插装在所述连接套内。4.根据权利要求1所述的长标距振弦式应变计，其特征在于：所述第一连接单元包括固定在第一加长杆另一端部的第一连接件和防止所述第一连接件从第一加长杆上脱落的第一防脱件；所述第二连接单元包括固定在所述第二加长杆另一端的第二连接件和防止所述第二连接件从第二加长杆上脱落的第二防脱件。5.根据权利要求4所述的长标距振弦式应变计，其特征在于：所述第一连接件和第二连接件的结构相同，均包括带有弧形槽的底座和呈弧形结构的连接板，所述底座和连接板通过螺栓连接在一起。6.根据权利要求4所述的长标距振弦式应变计，其特征在于：所述第一防脱件和第二防脱件均为呈圆盘形结构。

技术总结
本发明公开了一种长标距振弦式应变计，包括应变计本体、前延伸结构和后延伸结构；所述前延伸结构包括第一加长杆和与桥梁连接的第一连接单元，第一加长杆的一端固定在应变计本体的前端，第一连接单元固定在第一加长杆的另一端；后延伸结构包括第二加长杆和与桥梁连接的第二连接单元，第二加长杆的一端固定在应变计本体的后端，第二连接单设置第二加长杆的另一端。本发明在应变计本体的两侧各安装一个长度在1.5～3.0m范围内的加长杆，一方面提高了应变监测长度，本发明的应变监测长度在3.0～6.0m，实现了长标距应变监测，降低桥梁等建筑物的应变监测成本。另一方面，即使结构发生微小裂缝也能实现监测，提高了灵敏度，为评估桥梁安全性提供更加可靠性的数据。梁安全性提供更加可靠性的数据。梁安全性提供更加可靠性的数据。


技术研发人员：袁波 李斐然 侯攀峰 李国伟 谢理伟 王玉璞 魏旭 郑丽 李俊方 温曜羽 樊高臣
受保护的技术使用者：李斐然
技术研发日：2023.06.10
技术公布日：2023/8/30