应力应变监测技术及案例

2025-02-07

应力应变监测技术是工程领域中用于评估结构健康状况和监测结构安全状态的重要技术方法，也是一种用于测量材料在受力过程中的应力和应变的技术。广泛应用于管道工程、机械工程、电力工程、水利工程、起重设备、交通设备、土木建筑等领域中。

应力应变监测的技术方法有N种，今天分享我们常用的两种：电阻应变计监测、振弦应变计监测。

首先分享电阻应变计监测技术，它的监测设备（系统），如下图：无线静态应变监测系统。

该监测系统采用独立分布式模块结构，利用ZigBee无线通讯扩展，单台计算机可以实现多个模块的静态应变、电流、温度、电压无线测试和分析。该产品可广泛运用于港口机械、桥梁建筑、轨道交通等从建设到投入运营整个阶段的状态监测，能完成雷雨频繁、电磁辐射、温差变化大等恶劣环境下应变、位移、温度等监测任务。

它采用的原理是将应变计贴在被测物体上，使其随着被测物体的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。电阻应变计就是应用这个原理，测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变计的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。电阻应变计特点有以下几个：

1. 尺寸小、重量轻，一般不会干扰构件的应力状态，安装（粘贴）方便；

2. 测量灵敏度高；

3. 测量应变量程大；

4. 频率响应快；

5. 测量中输出为电信号，采用电子仪器易实现测量过程自动化和远距离传输，测量数据可数字显示、自动采集、打印和计算机处理，还可采用无线方式收发信号；

6. 可在高温、低温、高压、高速旋转、强磁场或核辐射等特殊环境中进行结构应力、应变的测量；

7. 用电阻应变计配合专门的弹性元件可制成各种传感器，用以测量力、载荷、压强、扭矩、位移和加速度等物理量。

接下来我们介绍振弦应变计监测技术，它的结构图如下所示：

振弦应变计可以通过点焊连在钢材的表面。主要用于钢结构应变的监测（如管道应力监测、港口起重设备应力监测）。亦被广泛应用于杆塔、桥梁、钢索、输油气管道等其它不便进行弧焊的场合。应变计当中有电磁线圈，通过电感应效应，在当测试材料收到应力负荷的时候，振弦应变计中的振弦也会随着应力的变化发生相应的变化，导致振弦的共振频率也发生变化，通过永久磁铁由信号电缆读出振弦的频率值从而可以计算出所受应力的大小。

振弦应变计有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是其它应变计所无法比拟的。在长期、静态测试应变计的选择中，振弦应变计已成为取代其它应变计、而广泛应用于工程、科研的长期应力监测的测试产品。

振弦应变计监测系统由一个两端带有点焊锚片的振弦应变计及内含温度传感器及激励线圈的保护罩组成。其特点有以下几个：

1. 耐水压可达700kPa；

2. 适合于人工或自动化等多种读数方式；

3. 可通过超长电缆准确的重复测读；

4. 包含温度传感器，监测应变同时监测温度；

5. 线圈可拆卸和可回收设计，便于重复使用；

6. 可调整到合适的张拉和压缩量程，以适应现场工程环境；

7. 受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、耐震动；

8. 抗干扰能力强、使用寿命长，具有长期的稳定性及可靠性；

9. 微小、轻薄型的设计，便于安装在有限空间的现场环境中；

10. 直接输出振弦的自振频率信号，高精度的自动测试。