钢筋应力计工艺说明


 一、说明
 在建筑工程的强震观测及建筑结构试验的长期测量中，钢筋应力、应变是了解力学性能的重要参量。强震观测及长期测量的着眼点是数据的长期稳定和可靠性，并能真实反映物理及力学状态的变化。在钢筋应力应变的长期测量中可以采用的方法和器材虽多，但目前适于房屋建筑结构的并不多，除振弦式钢筋应力计外，国内尚无比较可靠的方法。自接受强震观测及结构试验中钢筋应力、应变测量问题的任务以来，力求以应变片技术去解决这一问题。原因是，随着国内应变片电测技术应用水平和仪器生产技术的日益提高和普及，为钢筋应力长期测量创造了良好条件，多年来我们积累了一些应变式传感器加工制造、工艺处理和使用的经验，有一定的技术基础。 外观设计专利申请

在国外（如美国和日本），由于应变式传感器技术过关，各种力学参量都有相应的传感器产品可供工程测量及试验选用，如日本“共和电业”（株）就有BF-A型钢筋应力传感器的系列产品，其规格和技术性能如下  

型    号	BF-10A	BF-13A	BF-16A	BF-19A	BF-22A
量 程（公斤/厘米 ）	2400	2400	2400	2400	2400
分辨率（公斤/厘米 ）	0．8	0．8	0．8	0．8	0．8
灵敏度（公斤/伏特 ）	1．5	1．5	1．5	1．5	1．5
非 线 性（%满量程）	±2	±2	±2	±2	±2
供 桥 电 压（伏特）	2~10	2~10	2~10	2~10	2~10
输入/输出阻抗（Ω）	350	350	350	350	350
工作温度范围 （℃）	-10~+60	-10~+60	-10~+60	-10~+60	-10~+60
钢 筋 直 径（毫米）	12．7	15．9	19．1	22．2	25．4
长      度（毫米）	700	700	700	700	700

从产品广告说明和外观照片来看，BF-A型钢筋应力传感器就是用相当于我国二级钢筋经过应变片工艺 处理的应力型传感器。由于制成了传感器，力学性能基本满足长观测的一般要求。
我们研制生产的应变式钢筋计规格和技术指标是：

型    号：	GYJ-16-35型
规    格	16~35毫米
应    力	2800~3000公斤/厘米
分 辨 力	0．8~1．2公斤/厘米
非 线 性	±2％满量程
温度对电桥零点影响	﹤0﹒1％满量程/℃
供桥电压	2～5伏特
输入／输出阻抗	120欧姆
工作温度范围	-5℃～+50℃
传感器长度	0．5~0．7米

                  

    二、钢筋应力计结构

对钢筋应力计的结构，从工程实用性来看，力求结构简单、可靠、成本低、使用方便。从应力计结构设计要求：使传感体形状简单、易加工，应变片工艺处理简单，长期电气力学性能稳定。为此选用国产Ⅱ级或Ⅲ级钢筋，稍事加工处理即可。传感体采用圆柱形结构，表面经车加工，外用铝或钢保护罩,全传感器只有三种四个机械零件，如图1所示。

传感体的直径设计，按最少影响钢筋应力角度出发选用：
φd=k·ΦdD           k——加工系数0．80~0．95             ΦD——传感体公称直径

一般来说对于小于φ15的钢筋，取k=0．80，φ15~φ25，
取k=0．85~0．90，φ25~φ35，取k=0．90~0．95
加工长度L=4~5ΦD


传感器的长度L选取值为0．5~0．7米长，细直径的短些，粗直径的长些。在这样长度下，工程实际运用时，即使用焊接（接触焊、电弧焊）方法和实测钢筋连接，也不会因热传导的温升，影响传感器的电气性能。

保护罩的作用是为灌注环养树脂及保护应变片和引出线不受机机械损伤之用。研制时用硬鋁材料，成本高些，大量生产时可用薄壁铁管制成，经防腐处理即可。
传感体的应力δ按2200~2400公斤/厘米²设计，弹性模量取E—=2．0x10⁶公斤/厘米²。钢筋的应变为



由于应变电桥采用全桥，贴片方式用二片纵向应变片（工作片），二片横向片（补偿片）。传感器在仪器上的读出应变e读为

  e读=2（1+μ）e              μ=泊桑比   取值0．25
  =2(1+0．25) ×1200
  =2700μe
 

    三、工艺处理

1)     传感体时效处理
为消除钢材轧制、机械加工引起的内应力和提高弹性体力学性能，将加工好的传感体放入烘箱内，在案180℃～200℃下时效处理6～8小时。
时效处理后，用200～300号金相砂纸按45^O方向交叉打磨，经清洗干净后保存，以备粘贴应变片之用。
2)     应变片的处理和选择
应变片采用材3×5毫米规格的箔式应变片，基底是聚乙烯醇缩甲乙醛。购入的应变片按电阻值分选后放入烘箱在165℃～175℃固化处理4～6小时。这是因为，购入的应变计一般基底固化不充分、阻值不稳。经予固化处理后胶膜和阻值都稳定下来了。
用10～40倍放大镜或显微镜选择应变片，去除栅丝不匀，焊点不良，外观不佳的应变片。
用精度1/1000的电桥或数字欧姆表，选择应变片阻值，使每四片为一组的应变片阻值，最大差值不超过±0．05欧姆。选出的应变片按阻值编号，分组包装保存，以备贴片。

3)     贴片及工艺处理
塗底胶，传感体经加温40℃～50℃后，迅速用毛刷淋掛方法塗1～2层聚乙烯醇缩甲乙醛底胶，在20℃～25℃室温下干燥半小时，确认胶膜均匀无气泡后，送入烘箱按以下工艺固化处理：
   80℃±5℃         保温1小时
   120℃±5℃        保温2小时
   170℃±2℃        保温2～3小时
烘箱内断电自然冷却到60℃以下即可取出。

贴片：在传感体中部贴片，四片应变片相对位置可用涤纶胶带法固定之，如图2所示。先在白纸上画好应变片粘贴位置的展开图，上面罩以一条涤纶胶带，胶膜朝上。用比栅丝面积略大的聚四氟乙烯薄膜贴在胶带相应的粘贴位置上。将应变片反贴（栅丝面朝下），在相应位置上使应变片基底的一部份（边缘）和涤沦胶膜相粘贴，这样应变片相对位置不变。在应变片基底面上均匀的塗上贴片胶。 
将传感体加热至40℃～50℃，在中部贴片位置塗一层贴片胶（聚乙烯醇缩甲乙醛），稍晾干后，迅速将固定好应变片的涤纶胶带，贴在传感体上，用手指迅速捻压应变片，挤出多余胶和赶出气泡，压匀贴牢后，外面垫以耐热橡皮用纱布带紧缠二层。注意在贴片中，使应变片引出线佈匀，不得压在应变片底下，也不许碰断引出线。

固化处理：将贴完应变片的传感体一起放入烘箱按如下工艺进行固化处理
   80℃±5℃         保温1小时
   120℃±5℃        保温2小时
   170℃±2℃        保温4小时 
检查贴片质量：固化处理后打开包层，外观检查有无断线，焊点是否有损坏。用欧姆表检查阻值，看有无超差阻值和断栅的应变片。

防潮处理：经贴片和格的传感体，把应变片再塗一层贴片胶，按上述固化工艺处理，使应变栅丝有良好的绝缘能力。 
组桥联线：将四芯屏蔽线按全桥电路组联好四个应变片，用纱线将引出线固定在传感体上。接上应变仪，初测初始不平衡值，凡超过应变仪平衡范围（按±1000μe）的，用串或并联电阻的方法进行初始不平衡补偿。补偿电阻，并联于应变片的，可用经退火的锰铜丝。

塗隔离层：用凡士林、机油、石蜡混合剂塗在应变片和引线焊点上，不要太厚也不要太薄。这种隔离层的目的是防止环氧灌注层的过大变形影响应变片。

装保护罩：灌注环氧树脂，装好保护罩，紧固螺丝后，灌注环氧树脂，待固化后，用高阻表检查绝缘，接上应变仪检查组桥正确性和初始不平衡值。
 

    四、技术性能检验

1)     室温下八小时内的电桥零点漂移
这项检验目的是衡量室温下钢筋应力计电桥零点稳定性。试验在衡温箱内进行。衡温箱内温度控制在20℃±1℃。把待检应力计放入衡温箱中，引线伸出箱外，接在YJ-5型应变仪的P20R-5型平衡箱上，接通仪器半小时后，调节各点平衡。使衡温箱内温度20℃±1℃稳定一小时后，再次调节各点平衡。八小时后记录各测点读数即为八小时内的电桥零点漂移值。试验结果如表1所 
按照八小时漂移值不超过满量程输出的0﹒5％为合格指标，研制的十四个钢筋应力计除两个不合格外，其余都合格，即合格率为非作歹85％。 
从表1的试验结果还可以看出，时间漂移值最小的为
0﹒03％/8小时，性能极其稳定。十四个钢筋应力计中有78％（11个）可以达到小于0﹒2％/8小时的指标。所以研制的钢筋应力计短期内时间稳定性是可以保证的。长期（1000小时以上）稳定性要通过长期持荷试验来验证。

2)     温度对电桥零点影响
本检验的目的是衡量温度变化对钢筋应力计电桥零点影响的稳定性。这是一项重要的检验。因为钢筋应力计在工程长期应用时，因季节温度变化对应力计究竟有多大影响，是长期稳定性的重要指标。试验仍在恒温箱内进行（应力计无负荷），温度变化范围是
15℃～50℃，每升温5℃，恒温20分钟后记录各应力计输出值。检验结果如表2所示。   
按照研制任务要求，钢筋应力计温度稳定性用温度对电桥零点影响来表示，其指标是：温度每变化1℃，电桥零点变化小于满量程输出的0﹒1％。从表2的试验结果来看，符合这一指标要求的有12个，占研制量14个的85％。其中最好的一个为0﹒008％/e（第11号）。有50％以上都能达到0﹒05％/℃的指标，所以钢筋应力计的温度稳定性也是能保证的。

由于试验条件所限，负温稳定性没有做，不过，从箔式应变片长温工作范围为：-10℃～+70℃，一般室外环镜条件，可以保证其工作稳定性。有条件情况下今后要补做钢筋应力计负温试验。

3)     静态标定
钢筋应力计在万能试验机上进行静态标定，用YZ-5型应变仪记录各应力计输出值，通过静态标定可以给出各应力计，在不同载荷下的应变输出值，以供实测换算，静态标定时，按额定应力值分10～12级载荷加载。加载速度为每级1~1．5分钟，每级恒载20~30秒。按三个加载循环记录数据。各应力计的试验结果如表3所示。

按照表3—1至表3—2的实测结果，以满量程输出计算的非线性误差，最小的为0﹒08％，最大的为0﹒36％，一般都能做到小于0﹒20％。由于静标定用的YJ—5型静态应变仪，基本误差（即精度）为2％，所以，以它为量测仪表的钢筋应力计的精度只能为±2％。

由于应变片式传感器的线性精度比较高，因此可用线性插入法根据有限的标定点数值去计算额定量程内，任何输出值（微应变）对应的钢筋应力值或荷载值。
 

五、使用方法

钢筋应力计实际上是钢筋拉力计，即可测量应力，又可测量荷载（拉力或压力）。为便于制作，保证技术性能，应力计的长度一般取有效直径d的20～30倍。应力计制成后，经过各项技术性能检验合格后，即可用到工程上，使用方法如下：

1、钢筋应力计埋设和连接
根据实际钢筋额定或最大应力值选择适用规格的钢筋应力计，可用螺纹、焊接（接触对焊和电弧焊）和实策测钢筋连接。当用焊接方法连接时，注意传感体部分的温升不得超过70℃，如果过热，损坏环氧防潮层，破坏绝缘性能。物流软件为此，允许用风冷、水冷方法降温。 
钢筋应力计的引出导线一般为1000毫米长，工程施工前，如果导线不够长，可以用规格（SBVVP—4×16/0﹒15）电缆连接。特别要注意连接头的防潮和绝缘性能。 
钢筋应力计连接完毕，导线家长封好绝缘后，在导线引出端，用高阻绝缘表测量，芯线和地之间的绝缘电阻要大于100兆欧姆以上。电桥对角线阻抗相等并等于额定阻值。

2、测量仪表。本钢筋应力计可以用普通静、动态应变仪做测量仪表。也可以使用其他类型的仪器仪表。如：直流电子电位差计，数学电子秤等。

3、使用注意事项：钢筋应力计多用于钢筋混凝土内部的应力测量，因此进入构件后，浇灌混凝土时，不得损坏导线，也不得使传感体承受过大的弯曲应力，以防局部过负荷和破坏绝缘层。

六、结论

研制的钢筋计，是一种简易型应变片式的传感器，为降低成本便于推广使用，在保证技术性能的情况下，简化了机械和电气制造工艺。从技术性能的测试和检验来看，技术指标达到了研制要求。
 
北京发明专利
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