一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法.pdf

1、10申请公布号CN102095596A43申请公布日20110615CN102095596ACN102095596A21申请号201110004736222申请日20110111G01M99/00201101G01D3/02820060171申请人中南大学地址410083湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号72发明人陈格威任伟新74专利代理机构长沙市融智专利事务所43114代理人颜勇54发明名称一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法57摘要一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，是将桥梁疲劳寿命计工作片、桥梁疲劳寿命计温度补偿片与包含惠斯登半桥电路的应变数据采集仪构成一个惠斯登电桥电路；所述桥梁疲劳寿命

2、计工作片、桥梁疲劳寿命计温度补偿片分别作为惠斯登电桥电路的一个桥臂；利用应变数据采集仪，实时测量桥梁疲劳寿命计工作片经过温度补偿后的即时应变数据。本发明方法简单、操作方便，可适应桥梁结构复杂多变的气候环境，适用于大型桥梁等结构的长期疲劳损伤监测。桥梁疲劳寿命计工作片与温度补偿片始终处于同一温度场，确保了测量值的精度和稳定性。利用连接成桥路的应变数据采集仪从现场获取经过温度补偿的疲劳寿命计即时应变数据，有利于疲劳寿命计的大规模应用。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图1页CN102095604A1/1页21一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，

3、包括下述步骤第一步准备一个桥梁疲劳寿命计工作片、一个桥梁疲劳寿命计温度补偿片、一个包含惠斯登半桥电路的应变数据采集仪，所述应变数据采集仪中的惠斯登半桥电路的两个桥臂由阻值相同的标准电阻串联组成；第二步将一片桥梁疲劳寿命计工作片粘贴在被监测部件上；所述桥梁疲劳寿命计工作片设有两个信号引出端；第三步制备一块与被监测部件相同材料的垫块，在所述垫块上粘贴桥梁疲劳寿命计温度补偿片；所述桥梁疲劳寿命计温度补偿片设有两个信号引出端；第四步将桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片的一个信号引出端连接在一起，剩下的另两个信号引出端分别接所述应变数据采集仪中惠斯登半桥电路的两端，构成一个惠斯登电桥电路；所

4、述桥梁疲劳寿命计工作片、桥梁疲劳寿命计温度补偿片分别作为惠斯登电桥电路的一个桥臂；第五步开启所述应变数据采集仪，仪器显示的读数即为所述桥梁疲劳寿命计工作片经过温度补偿后的即时应变数据。2根据权利要求1所述的一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，其特征在于所述桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计补偿片由铜镍锰铁硅精密电阻合金制造；其组份按重量百分比为43NI，18MN，01FE，03SI，余量为CU。3根据权利要求1所述的一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，其特征在于所述信号引出端为漆包铜线。4根据权利要求1所述的一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，其特征在于所述桥梁疲劳寿命计工作片用J25胶粘贴

5、于被测构件上；所述桥梁疲劳寿命计温度补偿片用J25胶粘贴于垫块上并置于被测构件同一温度环境中所述将桥梁疲劳寿命计工作片与补偿片通过信号引出端焊接在应变数据采集仪的接线柱上，与应变数据采集仪内电阻构成惠斯登桥路。权利要求书CN102095596ACN102095604A1/5页3一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法技术领域0001本发明涉及一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，用于桥梁疲劳寿命计温度实时补偿。技术背景0002国外1966年出现了报道疲劳寿命计的研究，立即引起了极大的关注。DARRELLRHARTING在文中重点介绍了电阻随疲劳历程自动累积这一疲劳寿命计的固有特性。00031972年，

6、ROBERSHORNE和0SCARLFREYRE在他们的研究报告中介绍了用特殊退火康铜箔制成的疲劳寿命计的电阻疲劳累积性能、以及标定寿命计电阻疲劳累积性能曲线的实验方法，包括测试设备、测试流程、荷载控制方法等。在报告中，作者对寿命计的应用技术做了探讨，包括寿命计布设点位的优化，应变倍增器的尺寸定位，寿命计数据采集方法等；并以飞机的不同部件为测试对象，研究寿命计评估被测对象疲劳状态的方法。00041975年，PCHARSLEY和BAROBINS对由不同的合金成分、制备工艺的铜镍合金箔、纯铜箔制成的应变计进行大量的疲劳实验，分别从理论和实验说明了集聚体的作用，解释了在疲劳加载作用下电阻变化的机理。

7、0005美国波音公司首先研制成功SN疲劳寿命计并应用于航空航天结构的疲劳监测，1976年美国微测量公司曾在其产品目录中出现过SN疲劳寿命计的介绍。0006在我们国内，上世纪80年代后期，由南京航空航天大学、629所、上海有色金属研究所、航天工业部702所等单位合作研制了箔式疲劳寿命计，90年代陆续发表了一些论文。南京航空学院的陶宝祺等首次介绍了国内自行研制的箔式疲劳寿命计，内容包括疲劳寿命计的响应机理、特性曲线标定方法以及国产疲劳寿命计的主要性能指标；陈学立介绍了制备疲劳寿命计箔材的正交试验方法；胡明敏、周克印、陈杰等学者公布了对国产疲劳寿命计进行特性曲线标定的方法及结论，同时对国产疲劳寿命计

8、的平均应变响应和周期变载响应特性进行了测试，并探讨了利用疲劳寿命计预测结构疲劳寿命的方法；尹福炎对国产疲劳寿命计与国外同类产品在结构形式与一般性能进行了比较。欧进萍院士课题组对疲劳寿命计在海洋平台结构监测中布设位置的确定、贴片及保护工艺进行了有益的探讨。0007由上述综述可知，现有的疲劳寿命传感元件研究基本上没有考虑桥梁结构这类土木结构特殊的使用环境，大型桥梁结构处于十分复杂的环境下长期工作，风、浪、温度、地震等作用频繁。其中粘贴于其上处于工作状态的桥梁疲劳寿命计受温度的影响非常大，常常桥梁结构上被监控的危险点已经达到了疲劳破坏状态，而由于温度的影响，疲劳寿命计却不能正确的指示出这种危险状态，

9、因此要想利用疲劳寿命计对桥梁构件危险点进行寿命估算就必须剔除环境温度的影响，温度补偿于是成为疲劳寿命计实际应用的关键问题之一。发明内容0008本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种适应桥梁结构复杂多变的气候环境，适用大型桥梁等结构的长期疲劳损伤监测的桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法。说明书CN102095596ACN102095604A2/5页40009本发明是采用下述方案实现的一种桥梁疲劳寿命计实时温度补偿方法，包括下述步骤0010第一步准备一个桥梁疲劳寿命计工作片、一个桥梁疲劳寿命计温度补偿片、一个包含惠斯登半桥电路的应变数据采集仪，所述应变数据采集仪中的惠斯登半桥电路的两个桥臂由阻值

10、相同的标准电阻串联组成；0011第二步将一片桥梁疲劳寿命计工作片粘贴在被监测部件上；所述桥梁疲劳寿命计工作片设有两个信号引出端；0012第三步制备一块与被监测部件相同材料的垫块，在所述垫块上粘贴桥梁疲劳寿命计温度补偿片；所述桥梁疲劳寿命计温度补偿片设有两个信号引出端；0013第四步将桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片的一个信号引出端连接在一起，剩下的另两个信号引出端分别接所述应变数据采集仪中惠斯登半桥电路的两端，构成一个惠斯登电桥电路；所述桥梁疲劳寿命计工作片、桥梁疲劳寿命计温度补偿片分别作为惠斯登电桥电路的一个桥臂；0014第五步开启所述应变数据采集仪，仪器显示的读数即为所述桥梁

11、疲劳寿命计工作片经过温度补偿后的即时应变数据。0015本发明中，所述桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计补偿片由铜镍锰铁硅精密电阻合金制造；其组份按重量百分比为43NI，18MN，01FE，03SI，余量为CU。0016本发明中，所述信号引出端为漆包铜线。0017本发明将桥梁疲劳寿命计工作片用J25胶粘贴于被测构件上；将桥梁疲劳寿命计温度补偿片用J25胶粘贴于垫块上并置于被测构件同一温度环境中；将桥梁疲劳寿命计工作片与补偿片通过信号引出端焊接在应变数据采集仪的接线柱上，与应变数据采集仪内电阻构成惠斯登桥路。0018本发明利用在工作过程中处于无应力状态的桥梁疲劳寿命计温度补偿片像普通应变片一样，

12、灵敏系数不变这一关键特性，把粘贴有桥梁疲劳寿命计温度补偿片的由与被测构件相同的材料制成的垫块放置在被测构件附近，即同一温度场内，由于补偿块与被测构件材料相同，从而桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片对温度产生相同的响应。利用惠斯登电桥原理把桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片接入半桥桥路，由于惠斯登电桥输出的不平衡电压式中U为应变数据采集仪内置的电源电压，R1、R3分别为工作中桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片电阻变化值，R1、R3为桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片的常温下的电阻，而K为疲劳寿命计工作片与疲劳寿命计温度补偿片灵敏系数，1为包含了疲劳

13、寿命计工作片受疲劳荷载和温度双重效应引起的应变，而3为疲劳寿命计温度补偿片由于温度效应引起的应变；于是仪即为剔除温度影响后的疲劳寿命计应变实时读数。因而利用应变数据采集仪便可得到经温度补偿后的应变实时测量值。说明书CN102095596ACN102095604A3/5页50019本法明通过实验证明了工作过程中处于无应力状态的桥梁疲劳寿命计温度补偿片像普通应变片一样，灵敏系数不变这一关键特性，从而使半桥桥路得以运用，具体证明步骤如下常温下20设计并考察了实验考察应变幅值水平A、疲劳加载次数B及其交互作用对桥梁疲劳寿命计电阻疲劳灵敏系数的影响。应变幅值水平A选择了14个应变幅值水平，依次为700、

14、750、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1800、2000、2500；疲劳加载次数B选择了6个水平，依次为0次、100000次、300000次、500000次、700000次、1000000次。分别在不同的应变幅值水平下对试件加载，测得在疲劳加载次数B不同水平下的疲劳寿命计灵敏系数，对所得数据进行双因子方差分析，结果表明，应变幅值水平A、疲劳加载次数B及其交互作用对桥梁疲劳寿命计电阻疲劳灵敏系数影响不显著，即在工作中桥梁疲劳寿命计的温度补偿片与工作片的工作性能始终一致。0020本发明由于采用了与被测构件相同的材料制成垫块，它处于无应力状态，

15、而且补偿片与工作片所处的温度场相同，并且由于垫块与被测构件材料相同，从而桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片对温度产生相同的响应，补偿效果较好；而连接所成的桥路是一种在线的主动的温度补偿方法，可在大的温度范围内对压力、湿度、温度等环境影响因素进行补偿，总结起来本发明具有以下优点00211它能适应桥梁结构复杂多变的气候环境，适用于大型桥梁等结构的长期疲劳损伤监测。00222在整个疲劳监测过程中，桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片始终对温度具有相同的响应，确保了测量值的精度和稳定性。00233连接成半桥桥路后，利用应变数据采集仪能方便的从现场获取数据，有利于疲劳寿命计的大规模

16、应用。附图说明0024附图1为实施本发明的应变数据采集仪的电原理图。具体实施方式0025下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。0026实施例10027第一步准备3片由43NI，18MN，01FE，03SI余量为CU制成的桥梁疲劳寿命计工作片和1片桥梁疲劳寿命计温度补偿片，一个包含惠斯登半桥电路德国HBM应变数据采集仪，所述应变数据采集仪中的惠斯登半桥电路的两个桥臂由阻值为80欧的标准电阻串联组成；0028第二步将所述3片桥梁疲劳寿命计工作片分别粘贴在3根由合金钢40CR材料制成直径为11MM的标准圆试件上，标准圆试件分别编号为1、2、3；所述桥梁疲劳寿命计工作片均设有两个由漆包铜线制作的

17、信号引出端；0029第三步制备由合金钢40CR材料制成的垫块，在所述垫块上粘贴1片桥梁疲劳寿命计温度补偿片；所述桥梁疲劳寿命计温度补偿片设有两个由漆包铜线制作的信号引出端；说明书CN102095596ACN102095604A4/5页60030第四步00311、将粘贴在2号标准圆试件上的桥梁疲劳寿命计工作片的两个信号引出端分别直接连接德国HBM应变数据采集仪，不构成惠斯登半桥电路；将所述标准圆试件置于温度环境舱中，随后关闭环境舱舱门，控制环境舱温度为常温20，进行应力幅值为2000的疲劳加载，开启所述德国HBM应变数据采集仪，直至标准圆试件断裂，记录下标准圆试件断裂时的应变数据采集仪显示的读数

18、2023858，即为所述桥梁疲劳寿命计工作片不受温度影响时的应变数据；00322、将粘贴在3号标准圆试件上的桥梁疲劳寿命计工作片的两个信号引出端分别直接连接德国HBM应变数据采集仪，不构成惠斯登半桥电路；将所述标准圆试件置于温度环境舱中，随后关闭环境舱舱门，控制环境舱温度为50，进行应力幅值为2000的疲劳加载，开启所述德国HBM应变数据采集仪，直至标准圆试件断裂，记录下标准圆试件断裂时的应变数据采集仪显示的读数5023337，即为所述桥梁疲劳寿命计工作片受温度影响时的应变数据；00333、将粘贴在1号标准圆试件上的桥梁疲劳寿命计工作片与垫块上桥梁疲劳寿命计温度补偿片的一个信号引出端连接在一起

19、，剩下的另两个信号引出端分别接德国HBM应变数据采集仪中惠斯登半桥电路的两端，构成一个惠斯登电桥电路；所述桥梁疲劳寿命计工作片、桥梁疲劳寿命计温度补偿片分别作为惠斯登电桥电路的一个桥臂；将1号标准圆试件及垫块放入环境舱中，随后关闭环境舱舱门，控制环境舱温度为50，进行应力幅值为2000的疲劳加载，开启所述德国HBM应变数据采集仪，直至标准圆试件断裂，记录下标准圆试件断裂时的应变数据采集仪显示的读数修23618即为所述桥梁疲劳寿命计工作片经过温度补偿后的即时应变数据。0034由此可以判定经本发明修正后所得到的疲劳寿命计测量值更接近其在常温不受温度影响时的值，因而经本发明修正后的的值更能真实的指示

20、出所监测构件的疲劳损伤状态。0035实施例20036第一步准备3片由43NI，18MN，01FE，03SI余量为CU制成的桥梁疲劳寿命计工作片和1片桥梁疲劳寿命计温度补偿片，一个包含惠斯登半桥电路德国HBM应变数据采集仪，所述应变数据采集仪中的惠斯登半桥电路的两个桥臂由阻值为80欧的标准电阻串联组成；0037第二步将所述3片桥梁疲劳寿命计工作片分别粘贴在3根由合金钢14MNNBQ材料制成直径为11MM的标准圆试件上，标准圆试件分别编号为1、2、3；所述桥梁疲劳寿命计工作片均设有两个由漆包铜线制作的信号引出端；0038第三步制备由合金钢40CR材料制成的垫块，在所述垫块上粘贴1片桥梁疲劳寿命计温

21、度补偿片；所述桥梁疲劳寿命计温度补偿片设有两个由漆包铜线制作的信号引出端；0039第四步00401、将粘贴在2号标准圆试件上的桥梁疲劳寿命计工作片的两个信号引出端分别直接连接德国HBM应变数据采集仪，不构成惠斯登半桥电路；将所述标准圆试件置于温度环境舱中，随后关闭环境舱舱门，控制环境舱温度为常温20，进行应力幅值为2000说明书CN102095596ACN102095604A5/5页7的疲劳加载，开启所述德国HBM应变数据采集仪，直至标准圆试件断裂，记录下标准圆试件断裂时的应变数据采集仪显示的读数2025640，即为所述桥梁疲劳寿命计工作片不受温度影响时的应变数据；00412、将粘贴在3号标准

22、圆试件上的桥梁疲劳寿命计工作片的两个信号引出端分别直接连接德国HBM应变数据采集仪，不构成惠斯登半桥电路；将所述标准圆试件置于温度环境舱中，随后关闭环境舱舱门，控制环境舱温度为10，进行应力幅值为2000的疲劳加载，开启所述德国HBM应变数据采集仪，直至标准圆试件断裂，记录下标准圆试件断裂时的应变数据采集仪显示的读数1026156，即为所述桥梁疲劳寿命计工作片受温度影响时的应变数据；00423、将粘贴在1号标准圆试件上的桥梁疲劳寿命计工作片与垫块上桥梁疲劳寿命计温度补偿片的一个信号引出端连接在一起，剩下的另两个信号引出端分别接德国HBM应变数据采集仪中惠斯登半桥电路的两端，构成一个惠斯登电桥电

23、路；所述桥梁疲劳寿命计工作片、桥梁疲劳寿命计温度补偿片分别作为惠斯登电桥电路的一个桥臂；将1号标准圆试件及垫块放入环境舱中，随后关闭环境舱舱门，控制环境舱温度为10，进行应力幅值为2000的疲劳加载，开启所述德国HBM应变数据采集仪，直至标准圆试件断裂，记录下标准圆试件断裂时的应变数据采集仪显示的读数修25807即为所述桥梁疲劳寿命计工作片经过温度补偿后的即时应变数据。0043由此可以判定经本发明修正后所得到的疲劳寿命计测量值更接近其在常温不受温度影响时的值，因而经本发明修正后的的值更能真实的指示出所监测构件的疲劳损伤状态。0044本发明的工作原理简述于下0045本发明利用在工作过程中处于无应力状态的桥梁疲劳寿命计温度补偿片像普通应变片一样，灵敏系数不变这一关键特性，把粘贴有桥梁疲劳寿命计温度补偿片的由与被测构件相同的材料制成的垫块放置在被测构件附件，即同一温度场内，并且由于垫块与被测构件材料相同，从而桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片对温度产生相同的响应。并利用惠斯登电桥原理把桥梁疲劳寿命计工作片与桥梁疲劳寿命计温度补偿片接入半桥桥路，利用采集仪便可得到经温度补偿后的桥梁疲劳寿命计工作片的实时应变测量值。说明书CN102095596ACN102095604A1/1页8图1说明书附图CN102095596A