一种用于挤压成型纤维增强织物(FRP)筋的螺旋式电阻应变测试装置和方法，属于建筑与土木工程实验力学测量领域。本试验装置包括螺旋式电阻应变丝、电阻应变测试仪、数据采集系统等。本发明通过内嵌入与FRP筋表面几何拓扑形状相匹配的螺旋式电阻应变丝，对于以压弯或拉弯等典型复合受力状态下的梁、柱结构物中预先埋置的FRP筋实施纵向应变测试，可实现有效排除弯曲径向效应(变形及应力)对纵向应变目标测试结果地干扰，能够以更高精度对挤压成型FRP筋实施应变连续监测，为实时掌握FRP筋有效预应力的工作状态，精确评估结构预应力损失提供基础数据。本发明相比传统测试装置具有构造简单、操作方便、环境适应性强、现场安装不易损坏的优点。
1.一种基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，所述测试装置包括内嵌缠绕于挤压成型纤维增强织物筋(4)的螺旋式电阻应变丝(1)，螺旋式电阻应变丝(1)的两端通过测试端子(5)连接应变测试仪(2)，应变测试仪(2)连接数据采集系统(3)；在梁柱结构与挤压成型纤维增强织物筋(4)发生协调变形后，由应变测试仪(2)捕获螺旋式电阻应变丝(1)发生的电信号的变化，放大并转换输出，由数据采集系统(3)采集转换后的电信号变化值，由终端输出和记录对应的挤压成型纤维增强织物筋(4)轴向应变值；用于轴向应变测试的转换关系式为 式中K为应变测试的灵敏度系数，依据挤压成型纤维增强织物筋(4)具体型式与螺旋式电阻应变丝(1)布设方式实现灵敏度系数率定，为挤压成型纤维增强织物筋(4)测试区域长度L的微分，R为螺旋式电阻应变丝(1)的电阻值， T、A、ρ分别为螺旋式电阻应变丝(1)的总长度、截面积、电阻率；
(1)的材料泊松比，v2为挤压成型纤维增强织物筋(4)的材料泊松比，D2为挤压成型纤维增强织物筋(4)的直径， S为螺距。
2.根据权利要求1所述基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，将测试端子(5)通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪(2)内进行1/4桥测试，令电桥R1为电阻丝电阻，其余三个为精密电阻，在挤压成型纤维增强织物筋(4)发生拉伸变形后，对应电信号的变化反映在电压降上为： Uin为输入电压，基于该式，通过信号转换，由数据采集系统(3)终端输出和记录对应的应变ε1，即为挤压成型纤维增强织物筋(4)轴向实时应变值。
3.根据权利要求1所述基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，将测试端子(5)通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪(2)内进行半桥模式-Ⅰ测试，保持布设在测试区域上的两段螺旋式电阻应变丝(1)长度相同，令电桥R1为电阻丝电阻一，电桥R3为电阻丝电阻二，其余两个为精密电阻，在挤压成型纤维增强织物筋 (4)发生拉 伸变形后 ，对应电信号的 变化反映在电 压降上为 ：Uin为输入电压，ε3＝ε1，K为应变测试的灵敏度系数，基于
该式，通过信号转换，由数据采集系统(3)终端输出和记录对应的应变ε1，半桥模式-Ⅰ测试下将电压增加为1/4桥测试的2倍，实际挤压成型纤维增强织物筋(4)轴向应变则为输出应变的0.5倍。
4.根据权利要求1所述基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，将测试端子(5)通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪(2)内进行半桥模式-Ⅱ测试，保持布设在测试区域上的两段螺旋式电阻应变丝(1)长度相同，令电桥R1为电阻丝电阻一，电桥R2为电阻丝电阻二，其余两个为精密电阻，若电阻丝电阻二的应变变化εt只是由温度引起，即ε2＝εt，对应电信号的变化反映在电压降上为：基于该式，通过信号转换，由数据采集系统(3)终端输
5.根据权利要求1所述基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，所述螺旋式电阻应变丝(1)内嵌缠绕于挤压成型纤维增强织物筋(4)的表面凹槽内，用环氧类树脂胶等材料封装固定。
6.根据权利要求1所述基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，所述螺旋式电阻应变丝(1)采用镍铬合金或镍铬铁合金等高电阻率电热合金材料。
7.根据权利要求1所述基于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，所述应变测试仪(2)为电阻应变测试仪，测试电路采用惠斯通电桥。
一种挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于桥梁工程实验力学测量技术领域，适合于挤压成型纤维增强织物(FRP)筋的应变测试，涉及内嵌植入的螺旋式电阻应变测试装置和方法。
背景技术
[0002] 目前，采用挤压成型纤维增强织物(FRP)筋的混凝土结构物在土木与建筑工程中应用越来越广泛，作为主要承力构件的FRP主骨架筋或预应力筋，对其服役状态下的应变(应力)监测和识别是关系到整体结构安全及使用性能客观评估的关键环节，尤其在大跨径桥梁工程的健康监测与运维养护实践中至关重要。然而，传统钢筋混凝土及预应力混凝土结构监测中应用最成熟和广泛的钢弦式应变计在布设方式上依赖大量焊接连接，对于纤维增强织物FRP筋这类典型的无机非金属材料则无能为力，仅可选择另一类表面附着式应变测试技术应用于FRP筋的应变测试。
[0003] 由此则衍生出一系列制约表面附着式应变测试技术测试精度的“瓶颈”问题，主要体现在以下方面：(一)，附着式应变元件(应变计、应变片)布设于FRP筋表面，待混凝土振捣之后，会对应变元件造成机械损伤，且在后续长期监测期内，温湿度等工作环境影响较大，都会对测试精度产生较大影响；(二)，传统电阻式应变元件的核心部分是敏感栅，电阻丝在敏感栅上往返盘绕布设，存在多个直线段与半圆弧段，在应变测试时，由于其直线段和圆弧段的应变变化状态显著不同，这种现象同样会影响应变测量的精度；(三)，工程实践中发现，对于已发生压弯或拉弯复合应力状态下变形的梁、柱构件，传统的测试方法即使对于同一测区，在FRP筋上、下边缘布设的应变测试元件在数值上都表现出较大的差异，究其原因是径向效应(应力和变形)对轴向应变存在的显著影响，而对于直径越大的FRP筋，这一效应的影响越显著。
[0004] 综上所述，在不改变电阻型应变测试机理的前提下，为弥补传统表面附着式应变测试技术在FRP筋轴向应变测试中存在的不足，对其应变测试装置进行布设方式重新设计，并进行相应参数率定方法地改进是实现更高精度应变监测的必由之路。
发明内容
[0005] 为了克服上述现有技术的缺点，针对挤压成型FRP筋的表面几何拓扑形状特点，本发明提供了一种挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置与之匹配的电阻应变测试方法，类比于弹簧轴向伸缩的工作机制实现了FRP筋轴向应变的高精度量测，进而可实时获知梁、柱构件纵向纤维的目标应变真实值。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置，包括内嵌缠绕于挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式电阻应变丝，螺旋式电阻应变丝的两端通过测试端子连接应变测试仪，应变测试仪连接数据采集系统。
[0008] 所述螺旋式电阻应变丝内嵌缠绕于挤压成型纤维增强织物筋的表面凹槽内，用环氧类树脂胶等材料封装固定。
[0009] 所述螺旋式电阻应变丝采用镍铬合金或镍铬铁合金等高电阻率电热合金材料。
[0010] 所述应变测试仪为电阻应变测试仪，测试电路采用惠斯通电桥。
[0011] 本发明还提供了一种基于所述挤压成型纤维增强织物筋的螺旋式应变测试装置的应变测试方法，其特征在于，在梁柱结构与挤压成型纤维增强织物筋发生协调变形后，由应变测试仪捕获螺旋式电阻应变丝发生的电信号的变化，放大并转换输出，由数据采集系统采集转换后的电信号变化值，由终端输出和记录对应的挤压成型纤维增强织物筋轴向应变值。
[0012] 其中，用于轴向应变测试的转换关系式为 式中K为应变测试的灵敏度系数，依据挤压成型纤维增强织物筋具体型式与螺旋式电阻应变丝布设方式实现灵敏度系数率定， 为挤压成型纤维增强织物筋测试区域长度L的微分，R为螺旋式电阻应变丝的电阻值， T、A、ρ分别为螺旋式电阻应变丝的总长度、截面积、电阻率。
[0013] 所述 式中v1为螺旋式电阻应变丝的材料泊松比，v2为挤压成型纤维增强织物筋的材料泊松比，D2为挤压成型纤维增强织物筋的直径， S为螺距。
[0014] 本发明的一种具体测试方法，将测试端子通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪内进行1/4桥测试，令电桥R1为电阻丝电阻，其余三个为精密电阻，在挤压成型纤维增强织物筋发生拉伸变形后，对应电信号的变化反映在电压降上为： Uin为输入电压，基于该式，通过信号转换，由数据采集系统终端输出和记录对应的应变ε1，即为挤压成型纤维增强织物筋轴向实时应变值。
[0015] 本发明的另一种具体测试方法，将测试端子通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪内进行半桥模式-Ⅰ测试，保持布设在测试区域上的两段螺旋式电阻应变丝长度相同，令电桥R1为电阻丝电阻一，电桥R3为电阻丝电阻二，其余两个为精密电阻，在挤压成型纤维增强织物筋发生拉伸变形后，对应电信号的变化反映在电压降上为：Uin为输入电压，ε3＝ε1，K为应变测试的灵敏度系数，基于
该式，通过信号转换，由数据采集系统终端输出和记录对应的应变ε1，半桥模式-Ⅰ测试下将电压增加为1/4桥测试的2倍，实际挤压成型纤维增强织物筋轴向应变则为输出应变的0.5倍。
[0016] 本发明的第三种具体测试方法，将测试端子通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪内进行半桥模式-Ⅱ测试，保持布设在测试区域上上的两段螺旋式电阻应变丝长度相同，令电桥R1为电阻丝电阻一，电桥R2为电阻丝电阻二，其余两个为精密电阻，若电阻丝电阻二的应变变化εt只是由温度引起，即ε2＝εt，对应电信号的变化反映在电压降上为： 基于该式，通过信号转换，由数据采集系统终端输出和记录对应的应变ε1。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0018] (1)螺旋式电阻应变的布设和测试方法有效解决了压弯或拉弯复合应力状态下变形的梁、柱构件中由径向效应导致的测试偏差问题，显著提高了测试精度。
[0019] (2)挤压成型FRP筋表面的凹槽配合环氧树脂固定封装，有效保护了螺旋式电阻应变丝，避免了混凝土浇筑、振捣等施工作业对纤细的电阻应变丝地破坏，保障了测试元件存活率，同时也有效固化了后续结构在漫长服役期内电阻应变丝的温、湿度工作环境，提高了测试稳定性。
[0020] (3)应变电阻丝嵌入式布设，方便操作工序少，且无须焊接作业，更适用于FRP筋这类典型的无机非金属材料。
[0021] (4)有效克服了传统附着式电阻应变测试中电阻应变丝直线布设方式下电阻绝对值基数小、电阻测试鲁棒性差的技术缺陷。
[0022] (5)有效克服了传统附着式电阻应变测试中电阻应变丝往返盘绕布设方式下电阻丝直线段与半圆弧段变形不同步的技术缺陷。
[0023] (6)可依据挤压成型FRP筋的构造特征，灵活调整测试区段长度和绕线螺距，在多变的现场环境中具有更优的适应性。
[0024] 本发明不仅可排除变形体构件处于复合应力状态下径向效应对轴向应变响应的干扰，而且有效克服了电阻丝直线布设时电阻绝对值基数小、电阻测试鲁棒性差以及电阻丝直线段与半圆弧段变形不同步的技术缺陷。通过技术改进，显著降低了挤压成型FRP筋应变监测中传感器的布设难度，有效保证了传感器存活率和测试精度，可广泛适用于土木建筑工程中桥梁结构荷载试验、健康监测等技术领域，对于实现桥梁结构使用性能评估，保障结构整体安全运营具有积极的工程意义和应用价值。
附图说明
[0025] 图1是本发明的结构示意图。
[0026] 图2是本发明螺旋式电阻应变丝的细部构造图。
[0027] 图3是螺旋线参数示意图。
[0028] 图4是简支梁弯曲变形下的FRP轴向应变测试示意图。
[0029] 图5是惠斯通电桥1/4桥测试示意图。
[0030] 图6是惠斯通电桥半桥模式-Ⅰ及半桥模式-Ⅱ测试示意图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0032] 本发明一种挤压成型纤维增强织物(FRP)筋的螺旋式电阻应变测试装置如图1所示，包括螺旋式电阻应变丝1，对于设置在混凝土梁、柱内的主受力构件挤压成型纤维增强织物筋4，本发明依托其表面挤压成型的凹槽，将螺旋式电阻应变丝1内嵌缠绕其中，实现稳固连接，进而确定关键测试参数：测试区域长度L，螺距S及缠绕圈数n。待缠绕布设准备完成后，用环氧类树脂胶等材料封装固定并加以保护。随后引出接线测试端子5，通过导线连接于电阻应变仪2，经测试及信号转换后传输入数据采集系统3，实现FRP筋的轴向应变实时测试与输出。
[0033] 螺旋式电阻应变丝1采用镍铬合金或镍铬铁合金等高电阻率电热合金材料，采用惠斯通电桥组配而成电阻应变测试仪2。
[0034] 在梁柱结构与挤压成型纤维增强织物筋4发生协调变形后，由应变测试仪2捕获螺旋式电阻应变丝1发生的电信号的变化，放大并转换输出，由数据采集系统3采集转换后的电信号变化值，由终端输出和记录对应的挤压成型纤维增强织物筋4轴向应变值。
[0035] 本发明利用该测试装置的测试原理如下：
[0036] 螺旋式电阻应变丝1如图2布设完成后，其检测参数可抽象为图3所示的螺旋线几何图示。
[0037] 设螺旋式电阻应变丝1的总长度为T，截面积为A，电阻率ρ，则它的电阻值表示为：
[0038]
[0039] 当螺旋式电阻应变丝1受到拉伸或压缩时，T、A、ρ都会发生变化，对式(1)进行全微分，整理后有
[0040]
[0041] 设螺旋式电阻应变丝1的截面积为圆形，由 D1为螺旋式电阻应变丝1的直径，有
[0042]
[0043] 由材料力学可知，对于泊松比为v1的螺旋式电阻应变丝1横向变形与轴向变形的关系为
[0044]
[0045] 对于直径为D2、测试区域长度为L、泊松比为v2的挤压成型纤维增强织物筋4横向变形与轴向变形的关系为
[0046]
[0047] 由螺旋线的长度计算公式
[0048]
[0049] 式中 L为测试区域长度、S为螺距，对式(6)求微分，代入式(5)整理有：
[0050]
[0051] 将式(3)和式(4)代入式(7)得到
[0052]
[0053] 将式(7)和式(8)代入式(2)中得到
[0054]
[0055]
[0056] 令
[0057]
[0058] 由此得到用于轴向应变测试的转换关系式
[0059]
[0060] 式中：K为该种应变测试的灵敏度系数，对于实际结构工程可依据挤压成型纤维增强织物筋4具体型式与螺旋式电阻应变丝1布设方式实现灵敏度系数率定。
[0061] 下面结合图4～图6通过实施例进一步对本发明的技术方案做详细说明，但本发明不限于这些实施方式。
[0062] 对图4所示简单支承的FRP筋混凝土梁在浇筑制作前，即选择弯矩效应最大的跨中截面一定范围内作为测试区域，配合挤压成型纤维增强织物筋4的表面凹槽构型进行螺旋式电阻应变丝1的环绕式布设。在测区范围内均匀涂抹环氧树脂进行封装固定，待环氧树脂硬化之后，引出测试端子5并连接导线，同时确定关键测试参数：测试区域长度L，螺距S及缠绕圈数n，进行灵敏度系数K率定。模拟桥梁正常运营状态，图示简支梁在承受径向对称荷载F下产生弯曲变形，此处竖向力F为广义等效荷载，既可代表服役状态下桥梁自重、桥面铺装及附属设施的静力荷载，也可代表周期性作用于梁体的车辆动力荷载等。在此作用下，布设在截面下缘的挤压成型FRP筋则受到拉伸变形，对此产生的沿FRP筋轴向静态或动态应变均可应用螺旋式电阻应变测试装置和方法实施实时监测。
[0063] 实施例一
[0064] 如图5所示，将引出的测试端子5通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪2内进行1/4桥测试。
[0065] 令电桥R1为电阻丝电阻，其余三个为精密电阻。在布设在梁体下缘的FRP筋发生拉伸变形后，对应电信号的变化反映在电压降上为：
[0066]
[0067] 基于式(13)可通过信号转换，由数据采集系统3终端输出和记录对应的应变ε1，即为FRP筋轴向实时应变值。
[0068] 实施例二
[0069] 如图6所示，将引出的测试端子5通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪2内进行半桥模式-Ⅰ测试。
[0070] 保持布设在测区上的两段螺旋式电阻应变丝长度相同，令电桥R1为电阻丝电阻一，电桥R3为电阻丝电阻二，其余两个为精密电阻。在布设在梁体下缘的FRP筋发生拉伸变形后，对应电信号的变化反映在电压降上为：
[0071]
[0072] 基于式(14)可通过信号转换，由数据采集系统3终端输出和记录对应的应变ε1，此半桥模式-Ⅰ测试下将电压增加为1/4桥测试的2倍，实际FRP筋轴向应变则为输出应变的0.5倍。
[0073] 实施例三
[0074] 如图6所示，将引出的测试端子5通过导线连接入惠斯通电桥，集成在应变测试仪2内进行半桥模式-Ⅱ测试。
[0075] 保持布设在测区上的两段螺旋式电阻应变丝长度相同，令电桥R1为电阻丝电阻一，电桥R2为电阻丝电阻二，其余两个为精密电阻。若电阻丝电阻二的应变变化εt只是由温度引起，即ε2＝εt，对应电信号的变化反映在电压降上为：
[0076]
[0077] 将得到的电压降输入电阻应变仪就可测得应变ε1。在该种方法测试下基于式(15)可通过信号转换，由数据采集系统3终端输出和记录对应的应变ε1，此半桥模式-Ⅱ测试下可有效排除温度对FRP筋轴向应变的影响。
[0078] 本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的全部限制，凡是在本发明构思的原则和精神之内，本领域的专业人员做出的任何修改、等同替换的改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
