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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:ㄇ型夾式位移計用於混凝土變形量測之運用

系 所 別:土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名:M09404047 廖 文 成 指導教授:楊 國 湘 博 士

中華民國 九十七 年 七 月

(2)

摘 要

許多學者在從事材料和結構實驗時,常運用應變規來量測材料的 應變,由於應變規在沒有良好的保護下使用期間不長,一但應變規損 壞,在更換應變規時會失去起始數據,使實驗無法追溯起始位置,無 法符合長期監測的要求。本研究以三點彎矩載重試驗作為實驗參考之 依據,考量低成本、重複使用率高的條件下,以不銹鋼材和鈹銅材料 配合惠斯登電阻電橋,製作ㄇ型夾式位移計,並且利用ㄇ型夾式位移 計兩端支腳張開與閉合時電壓訊號的改變,量測梁的上下端所承受的 彎矩應變與簡支梁端點和中間位移,經由 LabVIEW 程式的資料擷取系 統,量測所有應變與位移,量測結果與理論值、LVDT 值、應變計值 互相比較,探討ㄇ型夾式位移計取代應變計的可能性。

本研究之ㄇ型夾式位移計用於量測鋼筋混凝土應變擁有高精確 度與可靠性,雖然在 80×50×1100mm 鋁合金簡支梁中間點位移時,因 初始受力所產生應變過小造成數據飄移現象,但中間點位移超過 0.5mm 時,即可獲得良好的精準度,因此ㄇ型夾式位移計可取代應變 計做為量測應變的工具,節省裝設時間並降低實驗成本。

關鍵字:ㄇ型夾式位移計、應變計、惠斯登電橋

(3)

致 謝

本論文成蒙吾師 楊國湘 博士不厭其煩悉心指導,從論文研究方 向、研究方法的訓練、實驗數據講等,老師都能給予多方面的指導,

使學生在求學期間獲益匪淺,因此對恩師致上由衷的感謝與祝福。而 於口試期間,感謝 陳永毅 博士以及本校 徐增興 博士給予學生多方 面的指正與建議,使本論文更臻完善,在此深表謝意。同時感謝 張 奇偉 博士、 苟昌煥 博士、 廖述濤 博士與 李錫霖 博士在求學期 間給予多方面的教導,學生至感銘謝。

感謝學長金榮、士弘、孝謙、聞祥、智豪、智裕、華偉於求學過 程中給予的協助及經驗傳承。感謝同儕偉哲、楷誌、睦勳、文彥、德 銘等人,在求學期間課業上互相支持與鼓勵。感謝學弟鑑洋、高手、

小胖、偉恩於求學生活添加不少色彩。尤其感謝偉哲、楷誌、小胖、

偉恩在我平日學習過程中給我的援助以及實驗的付出與辛勞。

最後,感謝我的家人對我的照顧與諒解,在求學過程中不斷的提 攜與鼓勵,讓我得以順利完成研究所學業。在此僅將完成論文的喜悅 現給我最愛的家人、朋友與女友舒焦,感謝妳們長久以來的包容、支 持與照顧,讓我在研究所期間,充滿了美好回憶。

廖文成 謹致 中華民國九十七年七月于新竹中華大學

(4)

目 錄

摘要...I 目錄...II 表目錄...V 圖目錄...VI

第一章 緒論

... 1

1-1 前言 ... 1

1-2 研究目的與目標 ... 1

1-3 研究貢獻……….………2

1-4 內容大綱……….………3

第二章 文獻回顧

... 5

2-1 前言 ... 5

2-2 感測器原理與構造 ... 5

2-3 感測技術與量測混凝土梁變形之感測器 ... 6

2-4 回顧之結論 ... 9

第三章 研究方法

... 11

3-1 前言 ... 11

(5)

3-2 夾式位移計設計與製作 ... 11

3-3 夾式位移計特性與校正 ... 14

3-4 驗證實驗 ... 15

3-4-1 三點彎矩實驗配置 ... 15

3-4-2

實驗試體與感測器配置

... 16

第四章 感測器製作與分析

... 18

4-1 前言 ... 18

4-2 混凝土位移計設計 ... 18

4-2-1 幾何形狀選擇與規格 ... 18

4-2-2 材料選擇 ... 19

4-2-3 理論計算 ... 21

4-2-4 有限元素法分析 ... 22

4-2-5 應變規選擇與黏貼 ... 24

4-2-6 配線設計與導線焊接 ... 25

4-3 感應器特性 ... 26

4-3-1 校正平台設計與製作 ... 26

4-3-2 位移計校正曲線 ... 26

4-3-3 遲滯現象 ... 27

4-3-4 精確度與校正係數 ... 28

(6)

4-4 結論 ... 29

第五章 位移感測器用於量測之應用

... 30

5-1 前言 ... 30

5-2 鋁合金梁實驗驗證 ... 30

5-3 鋼筋混凝土梁實驗驗證 ... 31

5-4 結論 ... 32

第六章 結論與建議

... 33

6-1 結論 ... 33

6-2 建議 ... 33

參考文獻 ... 36

(7)

表 索 引

表 4.1 作用力為控制分析表一………38

表 4.2 作用力為控制分析表二………38

表 4.3 作用力為控制分析表三………39

表 4.4 作用力為控制分析表四………39

表 4.5 作用力為控制分析表五………40

表 4.6 作用力為控制分析表六………40

表 4.7 ANSYS 分析位置屬性表……… …41

表 4.8 感應片ε->δ與固定基座中間位移分析表……… 41

表 4.9 固定基座中間

δ->ε

與混凝土應變分析表………41

表 4.10 感測片應變、固定基座中間位移與混凝土應變轉換撓度與計 算中間點位移分析表……… ………42

表 4.11 ㄇ形位移計校正係數………42

(8)

圖 索 引

圖 2.1 惠斯登電橋配置圖………43

圖 3.1 固定基座配置圖………43

圖 3.2 圓形位移計初步概念……… 44

圖 3.3 半圓形位移計初步概念………44

圖 3.4 三角形位移計初步概念………45

圖 3.5 矩形位移計初步概念………45

圖 3.6 ANSYS Release 10.0………46

圖 3.7 7075-T6 鋁合金梁………46

圖 3.8 手動式載重架………47

圖 3.9 自動資料擷取系統-硬體………47

圖 3.10 自動資料擷取系統-軟體………48

圖 3.11 線性差動位移計………48

圖 3.12 線性差動式位移計專用固計架………49

圖 3.13(a) 7075-T6 鋁合金梁實驗配置圖………49

圖 3.13(b) 7075-T6 鋁合金梁實驗配置圖………50

圖 3.14(a) 混凝土梁實驗配置圖………50

圖 3.14(b) 混凝土梁實驗配置圖………51

圖 4.1 圓形位移計初步設計有限元素法位移圖………51

(9)

圖 4.2 圓形位移計初步設計有限元素法應變圖………52

圖 4.3 矩形位移計初步計畫型體………52

圖 4.4 混凝土位移計設計圖………53

圖 4.5 有限元素法流程圖………54

圖 4.6 混凝土位移計模型………55

圖 4.7 混凝土梁架上混凝土位移計模型………55

圖 4.8 混凝土位移計模型應變圖………56

圖 4.9 混凝土位移計模型相對位移圖………56

圖 4.10 反作用力影響圖………57

圖 4.11 VISHAY 公司適用於銅合金 CEA-09-062UW-350 應變計…57 圖 4.12 黏貼應變計的區域之油膜去除………58

圖 4.13 黏貼應變計的區域之拋光………58

圖 4.14 水性之酸洗劑(Condition A)將其表面清潔………59

圖 4.15 畫上應變計黏貼座標記號………59

圖 4.16 應變計黏貼座標記號………60

圖 4.17 水性中性劑(Neutralizer 5A)以棉花棒將表面再清 除………60

圖 4.18 以夾子將應變計置於黏貼並對準之座標上………61

圖 4.19 M-BOND 200 催化劑塗抹………61

(10)

圖 4.20 M-BOND 200 黏著劑塗抹………62

圖 4.21 利用手指施壓力並將溫度傳給應變計………62

圖 4.22 電線隱藏於位移計本體中………63

圖 4.23 使用熱縮套管將分散的電線包束其保護………63

圖 4.24 口字型應變計導線焊接………64

圖 4.25 導線做刺入型連接頭處理………64

圖 4.26 單芯 1007#24 導線………65

圖 4.27 導線焊接成惠斯登電阻………65

圖 4.28 將平衡電阻隱藏於接頭內………66

圖 4.29 混凝土位移計完成圖………66

圖 4.30 校正平台設計圖………67

圖 4.31 校正平台完成圖………67

圖 4.32 使用校正平台與測微計來校正混凝土位移計配置圖……68

圖 4.33 預壓 2mm 做±1mm 應變計理論值比較………68

圖 4.34 混凝土位移計使用校正平台和載重架實驗………69

圖 4.35 使用校正平台預壓 2mm 分別做±0.25mm 到±2mm 實驗……69

圖 4.36 混凝土位移計及裂紋感測器在預壓 2mm 做±0.25、±0.5、±1mm、 ±2mm 在載重架和校正平台實驗中間差值分析圖………70

圖 4.37 個預壓值與各量測值中間位移量分析圖………70

(11)

圖 4.38 預壓 2mm 做+1mm 每隔 1 小時位移 0.1mm 分析圖………71

圖 4.39 編號 1 混凝土位移計校正………71

圖 4.40 編號 2 混凝土位移計校正………72

圖 4.41 編號 3 混凝土位移計校正………72

圖 4.42 編號 4 混凝土位移計校正………73

圖 4.43 編號 5 混凝土位移計校正………73

圖 4.44 編號 6 混凝土位移計校正………74

圖 4.45 編號 7 混凝土位移計校正………74

圖 4.46 編號 8 混凝土位移計校正………75

圖 4.47 編號 9 混凝土位移計校正………75

圖 5.1 混凝土位移計裝設於鋁合金梁斷面配置圖………76

圖 5.2 混凝土位移計架設於鋁合金梁細部圖………76

圖 5.3 LVDT 架設於鋁合金梁端點上………77

圖 5.4 LVDT 架設於鋁合金梁中間點鐵桿上………77

圖 5.5 應變計裝設於鋁合金梁細部圖………78

圖 5.6 7075-T6 鋁合金梁載種情形………78

圖 5.7 鋁合金梁載重與中間點位移圖………79

圖 5.8 應變計、LVDT、ㄇ型夾式位移計於鋁梁量測誤差值……79

圖 5.9 鋁合金梁左上載重與中間點位移圖………80

(12)

圖 5.10 鋁合金梁左下載重與中間點位移圖………80

圖 5.11 鋁合金梁右上載重與中間點位移圖………81

圖 5.12 鋁合金梁右下載重與中間點位移圖………81

圖 5.13 鋁合金梁四種不同量測位置誤差-位移圖………82

圖 5.14 混凝土位移計裝設於鋼筋混泥土梁斷面配置圖…………82

圖 5.15 混凝土位移計架設於鋼筋混凝土梁細部圖………83

圖 5.16 LVDT 架設於鋼筋混凝土梁端點位置………83

圖 5.17 LVDT 架設於鋼筋混凝土梁中間點位置………84

圖 5.18 #3-4 鋼筋混凝土梁加載情形………84

圖 5.19 #4-3 鋼筋混凝土梁加載情形………85

圖 5.20 #6-1 鋼筋混凝土梁加載情形………85

圖 5.21 #3-4 鋼筋混凝土梁載重-位移曲線………86

圖 5.22 #4-3 鋼筋混凝土梁載重-位移曲線………86

圖 5.23 #6-1 鋼筋混凝土梁載重-位移曲線………87

圖 5.24 #6-1 鋼筋混凝土梁反覆載重-位移曲線………87

(13)

第一章 緒論 1-1 前言

混凝土是一種非常特殊的複合材料,基本上由水泥、水、骨材及 摻料等四種以上性質完全不同的材料所組成,在拌合時也不能使混凝 土完全均質,且在水化過程中會因乾縮而產生細小裂縫。混凝土受載 重時會產生變形,中性軸上為壓力下為拉力,會因為不均質且乾縮引 起的小裂縫造成應力集中,因此在量測混凝土受力應變時考慮的方式 必須與量測均質材料受力變形有所不同。

許多學者在做混凝土應變量測時,常使用應變計中金屬薄膜電阻 值之變化來量測應變,利用應變計量測混凝土時,如果在量測範圍中 有裂紋通過,會使應變計量測值較大,反之如果裂紋出現在量測範圍 之外,則量測結果將會比理論值小,為了避免混凝土開裂裂紋寬度誤 導應變計量測結果,因此選用的混凝土應變計長度較一般量測金屬材 料為長,量測長度大多為 50mm 和 100mm。

此外,混凝土應變計黏貼的方式與結果對混凝土應變量測佔有極 大的影響,如果混凝土應變計與混凝土之間黏貼不完全,有氣泡與分 離的現象發生,會導致混凝土的應變無法完全傳遞至應變計,降低量 測訊號的大小;如果混凝土黏貼的方向與量測方向不一致,也會降低 量測結果的正確性。因此運用混凝土應變計量測混凝土應變時,必須 耗費大量的時間與精力避免混凝土應變計在黏貼的過程中沒有缺 陷。

對混凝土結構物從事長期受力與變形監測時,如果混凝土應變計 在量測過程中發生故障需要更換,重新黏貼的應變計僅能量測黏貼後 的混凝土應變變化,完全無法追溯舊有的載重歷史,因此無法確實知 道混凝土結構物的實際受力情形,亦無法利用監測結果評估結構的安

(14)

全性。

為了改善混凝土應變計黏貼與更換的問題。本研究嘗試運用不銹 鋼和鈹銅等材料,配合惠斯登電橋,在低成本、高精確度、可置換的 前提下,製作成混凝土位移計,利用混凝土位移計張開與閉合時電壓 訊號的改變,量測實混凝土受力所產生的應變,此外本研究運用梁三 點彎矩實驗驗證與探討混凝土位移計取代應變計的可能性。

1-2 研究目的與目標

本文主要研究目的為改善混凝土使用混凝土應變計黏貼問題、無 法置換與重複使用的缺點,並以低成本、高精確度、可置換性和可重 複使用的要求下製作混凝土位移計,完成之後本研究利用手動式載重 架作鋁合金梁和混凝土梁的三點彎矩實驗,擷取混凝土位移計、線性 差動位移計和理論公式所量測數據並推算之中間點位移值,作互相比 較,以驗證ㄇ型夾式位移計的可靠性。為完成本研究,本研究必須完 成下列目標:

(1). 設計及製作位移感測器,用於量測混凝土梁彎矩變形。

(2). 設計並製作校正平台,用於精準的利用測微計和線性差動位 移計做混凝土位移計校正之用。

(3). 運用資料擷取系統,並配合載重架在實驗中穩定可靠的加載,

並且有效完整的收集擷取混凝土位移計實驗資料。

(4). 驗證混凝土位移計的精確度與可靠性,並與線性差動位移計、

應變計在三點彎矩實驗中所量測的變形資料相互比較。

1-3 研究貢獻

成功的完成此研究計畫,本研究所發展的ㄇ型夾式位移計可用於

(15)

橋梁與一般混凝土結構物之上,不似應變計在黏置之後不可再卸除使 用。混凝土位移計如在監測過程中損壞必須更換時,因為固定基座寬 度會隨著結構變形而改變,因此基座的寬度紀錄了結構變形的歷程,

只要量測現時基座寬度與原始基座寬度相比較即可得知道目前結構 與初始設置之間的變形量,因此混凝土位移計更換後仍可延用舊有的 量測基準點,使得新資料可延續舊有資料。

1-4 內容大綱

本研究以不銹鋼、鈹銅等材料製做混凝土位移計,並驗證準確性 與可靠性,探討替代應變計量測混凝土應變之使用。依研究內容共分 為六章節:

第一章為緒論,主要說明混凝土變形特性,並使用應變計量測混 凝土應變有何優缺點,並如何改善應變規缺點來製做混凝土位移計,

提供長期監檢測更好的感測器。

第二章為文獻回顧,其主要說明廣泛感測器基本原理、應變計量 測原理與如何使用電橋將電阻轉換成電壓的配線方式。並說明國內外 學者將感測器技術應用於土木工程上的例子。

第三章為研究方法,其主要說明達成本研究目的所需要的製做與 校正步驟,以及實驗驗證配置與進行方法。

第四章為感測器製作與分析,內容主要將本研究如何從形狀選擇、

材料挑選、尺寸計算、數值驗證、配線、黏貼與焊接,到精確度分析 做詳細說明之介紹。

第五章為位移感測器用於量測之應用,本章節主要討論實驗結果 與理論值之落差並討論造成之可能原因與可靠性。 

        第六章為結論與建議,將本文實驗結果加以歸納整理以呈現本研

(16)

究最終之結論,最後再提出研究期間重要之發現做為往後使用者之參 考。

(17)

第二章 文獻回顧 2-1 前言

感測器的主要功能是將量測的物理量如溫度、壓力、重量、長度、

角度、濕度等轉換成如電阻、電流、電壓的構件,以利工程師運用資 料擷取系統用於自動化資料量測。目前感測器其應用相當廣泛,涵蓋 所有機械設備、計量儀器、油壓裝置、汽車、醫療、氣象、公共安全…

等,幾乎無所不在。

現今的感測技術已從早期的目視檢測,慢慢轉變成機械式量測儀 器、電子式量測儀器、光學量測儀器至今的光纖感測器等。並且配合 感測器如、應變規、LVDT、裂紋感測器、傾斜計與光纖感測等,來量 測變形與位移量。又在感測器設計與製作方面改善材質,使感測器在 精密度、穩定性、溫度與濕度變化、電磁影響…等,皆有極大的改善。

 

2-2 感測器原理與構造

由於感應器主要目地是將物理量的變化轉換成電壓量的變化。

然後以適當的電路處理,最後以電壓量的大小代表物理量的大小【1】。 利用會對物理量變化而改變的感應元件,再配合電橋最後設法使其輸 出得到適當的電壓。

會受到物理量變化而改變的感應元件有很多,如熱敏電阻、光敏 電阻、磁阻、應變計等等。以應變計舉例,係利用黏貼於特定位置上 的應變計,使應變計中得金屬薄膜受到外力作用產生伸長或縮短,造 成應變計之電阻改變。可說是電阻值的變化量可以代表作用力的大小。

其計算公式為(2.1)【2】

ρA (2.1)

R:阻值的大小

(18)

ρ:電阻係數 A:截面積 l:長度

由於應變規是屬於電阻式的感應器,而通常應變所引起的應變規 電阻值的改變非常小,約在10 到10 Ω之間。因此可運用電橋之不 平衡的原理(惠斯登電橋【2】),做為訊號放大使用,如(圖 2.1)所 示,經過電橋放大後感測器所量到的電壓與感測器所成受的應變關係 可由下列方程式(2.2)所表示:

E FE ε ε ε ε (2.2) F:規因數

E:激勵電壓(輸入)

E :輸出

ε:各電阻之應變

因此運用應變規為基礎,利用應變規量測應變變化,經惠斯登電 橋放大應變規量測電壓訊號,就可成為感測器。

2-3 感測技術與量測混凝土變形常用之感測器

感測技術從最先的目視檢測到之後的機械是量測儀器,慢慢的 演變電子式量測儀器與光學量測儀器,至今由於科技的成熟光纖感測 器已經被推廣運用。至於量測混凝土變形之感測器有最常見的應變規、

LVDT、裂紋感測器、傾斜計、光纖感測器等,以下則是國內學者將感 測器與感測技術應用於土木工程上的例子:

石立暐【3】使用長 45cm、寬 15cm、高 1.7cm 的 RPC(活性粉混

(19)

凝土)薄板,施加以一反覆壓力,將試體做反覆拉伸與壓縮的反應,

並利用內部埋設光纖光柵感測器,得知在施加壓力時,試體內部應變 情況,其結果與架設在試體上下表面的兩個應變計進行比對,以了解 光纖光柵應用在量測試體應變情形,藉此探討出光纖感測器的正確性 與準確性。

周維彬【4】以鋁合金材料配合惠斯登電橋,製作成裂紋感測器,

並且利用裂紋感測器兩端支腳張開與閉合時電壓訊號的改變,量測梁 的上下端所承受的彎矩應變。此外運用應變規與 LVDT 分別量測梁的 上下端所承受的彎矩應變與簡支梁端點與中間點位移,經由 LabVIEW 所發展出的資料擷取系統,量測所有的應變與位移,量測結果並與理 論值相互比較,探討裂紋感測器取代應變規的可能性。

吳嘉原【5】以假設曲率函數計算變位法並用光纖感測器在橋梁 監測上之應用。將光纖感測器對橋梁做分佈式的多點量測,利用光纖 感測器所量得之應變計算曲率,再由曲率積分兩次獲得變位。以相同 原理架構下,利用傳統傾斜計量得傾角讀數以監測變位,最後和應變 規與線性差動位移計進行比較分析,量測結果運用傾斜計量測值推算 結構物變位具有良好之準確性。

洪章智【6】藉由反射式光彈法於混凝土梁上之應用,針對不同 之水灰比含不同尺寸之內部預埋裂縫混凝土梁,依據 ASTM E399 與 CNS 1234 規範進行混凝土梁三點彎矩載重試驗,並利用傳統影像處 理方法,取得光彈應力條紋影像變化,並配合現有的影像處理軟體技 術,推估其裂縫成長位置及方向,運用這種方法能有效的提高結構之 安全預警時效。

(20)

陳凌傑【7】在預力鋼腱研究方面,為了有更經濟、方便且有效 的方法來監測預力隨著時間而變動的情形,乃採用特殊應變計,以長 期監測鋼腱之預力。此種特殊應變計為銅箔與聚酰亞胺薄膜製成,特 性在於低潛變與可重複潛變。操作方便且易於裝設,但常受到外界因 素的影響而造成不穩定。最主要的目的是量測此種應變計在長期使用 時,不受任何外力情況下,自生應變誤差量,並用此誤差量來修實際 監測預力鋼腱所得之應變值,並得到實際之預力鋼腱的應變值。

陳汶鋅【8】藉由鑽孔嵌入於鋼材層板與複合材料層板之光纖感 測器,偵測層板內部溫度、應變與應力、監控結構之使用狀況。在量 測部分:比較光纖感測器貼附與嵌入兩種不同放置方式,以不同類型 的干涉型光纖感測器,應用光彈及熱光理論推導光纖應變和溫度所造 成的光相對變化量與光強度變化,量測結構應變、溫度之差異性。兩 種所量測光強度推算應變結果極為一至,顯示表面貼附與嵌入兩種方 式皆可用於量測層板所承受的應變。

郭啟文【9】在新拌混凝土柱體方面,為明瞭握裹力對柱體強度、

勁度、韌性等行為,特設計實體尺寸之試體,於混凝土澆置後 5.5 小 時,以國家地震中心震動台用最大加速度 0.5g 之 921 實際地震波加 以震動,並待 28 天混凝土強度發揮後,運用油壓千斤頂之實驗設備,

由位移量做控制,施作柱反覆載重實驗以了解其結構行為。實驗試體 中,抗拉主鋼筋上以等間距裝上應變計,量測鋼筋在不同部位處之應 變量,並推算鋼筋之應力狀況,評核該處之握裹強度。柱體各部之側 向位移量,採用夾狀測微器量測。用以得知水平推力端之伸展或收縮 之水平位移、強度、勁度、韌性等行為影響,在他們的研究中證實模 板束制良好之情形下,地震力之擾動並不會造成混凝土強度減損。

郭源宏【10】與潘治良【11】利用光纖光柵感測器,發展一套橋

(21)

梁智慧型監測警示系統。運用光纖光柵感測器可以一條線路同時量測 數點之應變、徑細質輕、可撓性高、耐高溫及輻射等優點,以及光學 感測,監測與傳輸訊號不受電磁場干擾。因此在他們的實驗中運用光 纖光柵感測器外貼於桁架模型及碳纖維補強之橋柱、內貼於高性能混 凝土灌注橋柱之主筋、鋁質薄板進行載重實驗,及內埋於混凝土試體,

量測其早期收縮變形。並配合國內橋梁工程結構中(中二高烏日橋),

進行黏貼光纖光柵感測器與長期監測,獲得極佳的結果,可作為未來 在土木領域中推廣應用。

蕭森浩【12】在光學微位移計製作方面,架設一套光纖對準定位 及光學量測系統,使用精密移動平台的調整比光纖和氣體中浮子之間 的關係定位。並製造光纖微位移感測器時,將其感測器置於流場中,

藉由量測系統觀察出氣體中浮子的移動量,再經過運算後便可求得氣 體中浮子流暢度,得知接合過程是否完好,使光纖微位移感測器在量 測時訊號衰減問題減至最輕。

Marco Quirion 與 Ge´rard Ballivy 【13】使用Fabry-Perot 干涉式光纖感測器監測混凝土應變。此感測器為70mm不銹鋼棒,內部 為一段一段的光纖,將感測器內埋至混凝土結構中,當混凝土彎矩變 形時,光纖內的光會產生折射現象,此現象介由像素編碼感應器處理,

可得知彎曲量。量測實驗結果內埋干涉式光纖感測器在靜態和動態單 軸載重時有良好的反應,並不受20-50℃之溫度變化影響。

2-4 回顧結論

從以上的回顧可以發現,許多的研究學者運用光纖原件做為感 測器,其優點在於數值精準、可量測範圍長、體積小、質量輕、不受 到電磁波影響,而缺點在於需要購買昂貴的干涉儀和感應器,也需要

(22)

在光纖端點上設置儀器空間,唯有等干涉儀和感應器普遍化,才會有 被大量使用的可能。

利用感光元件之反射式光彈法於混凝土梁上之應用,優點是利用 拍照技術和影像處理即可得知結果,不需再試體上大費周章,缺點感 測精度受光源影響,會使感測時受到光線強弱和架設儀器空間所影響,

且處理影像費時,不易改善。

採用應變計做為感測器,其優點在於操作方便且易於裝設、價格 上便宜,但是缺點在於易受外界因素的影響而造成不穩定,且不能重 複使用,但是如果能將應變計設計成一個感測元件,用於量測結構的 受力變形,不但可以讓應變計受到保護,且可重複使用,發揮感測器 最大效益。

(23)

第三章 研究方法 3-1 前言

本研究主要目的在於開發與設計混凝土位移計用於量測混凝土 結構受力變形之狀況。為達成此目標,本實研究分為三大部分:一、

設計並製作混凝土位移計,做為量測混凝土梁之感測器;二、利用校 正平台與載重架,將製做完成的混凝土位移計作精確度校正;三、為 在實驗室內對鋁製梁和鋼筋混凝土梁進行三點彎矩試驗,並使用混凝 土位移計、線性差動位移計,搭配 LabVIEW 所寫成的資料擷取系統的 方法進行量測。

3-2 夾式位移計設計與製作

本研究所設計的夾式位移計為間接量測混凝土應變之工具,利用 黏貼材料將特製固定基座黏牢至混凝土上,並使用基座上的特製螺絲 將夾式位移計旋緊固定於固定基座上(圖 3.1),使混凝土在變形時可 傳遞應力至夾式位移計,並量測混凝土的應變。

混凝土應變量測會因為混凝土受力開裂而影響量測結果的正確 性,加大量測範圍可減少混凝土裂紋對量測結果的影響,但僅能擷取 量測範圍的平均應變而無法量測某一位置的實際應變,因此量測範圍 大小的設定對量測結果有極大的影響,本研究參考 VISHAY 公司混凝 土應變計最大量測範圍 100mm,並用以作為設計夾式位移計的依據。

由於夾式位移計固定基座必須有足夠勁度,來抵抗夾式位移計在 實驗過程中因為黏結力不足造成脫落情形,讓夾式位移計無法繼續位 移的量測,為了解決此一問題,本研究設計固定基座其底面積為 10mm

×20mm。當最大量測範圍 100mm 減去兩邊固定基座的一半寬度(10mm),

即可得到設計夾式位移計設所需的寬度為 90mm。

(24)

為了讓夾式位移計能有效的量測鋼筋混凝土梁應變,本研究考慮 鋼筋混凝土梁在極限載重時,梁頂端承受壓力應變,其破壞時應變為 0.003,因底層張力由鋼筋來承受,而極限載重時鋼筋混凝土梁中性 軸往上移,約為梁深的五分之一的位置,因此混凝土底端應變約為 0.012,0.012 的應變乘上量測範圍 100mm,則可得知固定基座兩端位 移約為 1.2mm,因此為了讓夾式位移計在鋼筋混凝土梁極限載重時能 有效量測的上下應變,本研究要求夾式位移計量測位移的最大量測範 圍為±2mm。

本研究在設計夾式位移計時所經流程簡述說明如下:

1. 幾何形狀的選擇與設計:其基本要求為,在夾式位移計承受微小 位移變形時,應變規貼設位置能產生較大的應變,以加強量測訊 號的大小;為了避免固定基座承受過大的剪力而造成固定基座的 脫落,夾式位移計施予固定基座的反力宜越小越好,但不可過小 以保持位移計固定的穩定度,並且施工要容易。本研究嘗試運用 圓形、半圓形、三角形、矩形、等形狀設計混凝土夾式位移計。

2. 材料選擇: 夾式位移計為極度靈敏之感測器,材料的溫度膨脹 係數會造夾式位移計在溫度變化下造成位移計長度的改變,影響 位移量測的正確性,因此夾式位移計在材料選擇上必須和混凝土 之溫度膨脹係數越相近越好。為了符合長期使用之條件,材料必 須具有極佳的耐久性與耐候性。為了確保夾式位移計具有良好的 量測精確度與可靠性,必須選擇在彈性範圍中具有高線性的材料。

此外選擇的材料比需考慮施工與購買的難易程度。

3. 理論計算:為了快速得知最有效的尺寸設計,利用 Excel 加上材 料力學【15】公式(3.1、3.2、3.3)做多種尺寸的理論計算,並 以材料最大應變之 7 成做設計,作挑選最佳的材料尺寸。

(25)

ε M

IE (3.1)

θ ML

IE (3.2) δ=PL3

3IE (3.3)

其中,ε=應變、M=彎矩、C =距離、I =截面積、E =楊氏模數、

θ=撓角、δ=撓度、P =作用力、L =長度

4. 數值分析:運用有限元素法可有效分析結構與桿件受力時各部位 所承受的應力、應變與位移,所以本研究使用 ANSYS 有限元素軟 體(圖 3.6)做尺寸驗算和模擬混凝土位移計在實驗試體過程中 變化情形,並驗證混凝土位移計感測片與固定基座位移之關係、

固定基座位移與混凝土相對點應變之關係、混凝土個相對點積分 中間點位移與直接由中間點得知位移之關係。

5. 應變規的選擇與黏貼:本研究採用 350Ω電阻應變規作為感測元 件,與 120Ω電阻應變規相比較,除了在相同激發電壓下可降低 電流量,避免感測器因溫度影響所造成訊號飄移現象,或是在相 同的電流下,可提高激發電壓以增加應變規量測訊號的強度。感 測元件的精準度在於感應元件與感應金屬黏接是否完好,本研究 參考惠達科技股份有限公司網站【16】上的應變規介紹與應用的 方法使應變規有效的黏著於感測材料上。

6. 配線設計與導線焊接:配線設計基本上依據惠斯登電橋的配線方 式,為了讓位移計能同時量測張與壓應變,必須再電橋兩側加裝 電阻,調整位移計的歸零點。運用熱縮套管做為導線束緊的工具,

為了避免繁雜的配線導致意外發生。本研究採用刺入型接頭以方 便位移計的裝設,惠斯登電橋外加電阻亦可焊接隱藏於接頭內的 空間。

(26)

3-3 夾式位移計的特性及校正

為了讓夾式位移計能夠有效的量測位移

本研究設計並製作校 正平台,利用位移控制,將夾式位移計的位移量與量測的對應電壓值 繪製成直線圖,尋找量測電壓值與位移的對應關係,求得校正係數,

以作為實驗量測之用,而校正平台須具備功能如下:

1. 校正平台的固定基座能有效安裝夾式位移計,而且固定基座不但 必須符合夾式位移計量測寬度,並可適度的調整量測寬度。

2. 利用特製螺絲旋鈕作為夾式位移計位移控制與施力工具。

3. 必須有可裝設測微計、線性差動位移計等位移量測儀器做對照校 正夾式位移計之用。

為了探討夾式位移計特性,本研究分別做以下分析,一、製做完 成之夾式位移計量測電壓值與理論值(公式 2.2)相比較,是否相等或 者有所誤差。二、夾式位移計分別對校正平台與載重架作相對比較,

得知校正平台勁度是否足夠。三、夾式位移計量測小範圍至大範圍,

分析是否一致。四、探討夾式位移計在安全操作範圍時遲滯現象與量 測範圍之關係、遲滯現象與初始預壓大小之關係、遲滯現象與時間之 關係。

利用校正平台與測微計的幫助,本研究利用校正平台的位移旋鈕 控制夾式位移計的位移量,首先將夾式位移計向內預壓 2mm,並以此 位移設為量測基準點,以±2mm 作為量測最大範圍並記錄每一移動 0.1mm 位移所對應感測訊號的電壓值,並將校正資料輸入 Excel 中並 做線性迴歸分析,求取電壓與位移轉換係數,已獲得夾式位移計未來 使用時所需的校正係數,並可從位移對電壓曲線中得知夾式位移計的 線性程度與精確度。

(27)

3-4 驗證實驗

為了驗證本研究所發展的夾式位移計能夠有效的量測鋼筋混凝 土梁的上下應變,並能運用量測的應變估算梁中間點的垂直位移,本 研究分別對鋁梁與鋼筋混凝土梁作三點彎矩實驗,希望從夾式位移計 量測兩種不同的材料的應變結果,確認夾式位移計的實用性。

3-4-1 三點彎矩實驗配置

實驗過程中同時使用 LVDT、夾式位移計來量測梁的受力變形,

透過資料擷取系統將各量測之訊號接收傳遞至電腦,並以 LabVIEW 圖 控程式計算各中間點位移並顯示在螢幕上,以 LVDT 所量測中間點位 移推算載重之 ACI 理論值和纖維應力法作相互比較,來了解混凝土位 移計之可靠度。

為完成本實驗所需實驗設備軟體與硬體並加以詳細說明:

1. 手動式載重架(圖 3.8):本實驗使用手動式載重架來進行三點 彎矩實驗,實驗試體必須平穩的固定於三點彎矩實驗固定座兩端 支承點上方,試體與支承點間需墊置牛皮以確保兩端的支承反力 均勻地施加於鋁合金梁與鋼筋混凝土梁兩端。由於加載方式為手 動緩慢加載,不同於一般油壓載重架會產生震動,因此對於實驗 不易造成干擾。而其以螺桿旋入方式進行加載,其加載行為如同 位移控制制之加載方式,可增加載重之穩定性。載重架上的載重 子(Load cell)則用於量測載重架施力的大小。

2. 資料擷取系統:本研究使用資料擷取系統(Data Acquisition system),主要分成兩個層次,一為連接與設定資料擷取系統中 各部份的硬體(圖 3.9);二為使用軟體擷取實驗資料並以圖表 的方式展示於電腦螢幕(圖 3.10)。硬體工作流程,是由感測儀

(28)

器如混凝土位移計、應變計、線性差動位移計,將物理訊號和電 壓訊號傳至訊號放大器,再經過纜線轉換器將資料傳到資料擷取 卡中。軟體部分,使用 National Instrument 公司所發展的 LabVIEW 圖控程式語言所完成具有視窗功能的應用程式。

3.

線性差動位移計(圖 3.11):本實驗使用 SENSOTEC 所生產的 AC-AC Ultra Precision LVDT Model S5 型三支,其最大可量測

±5mm 的位移量。將 LDVT 經過訊號放大器後輸出之訊號連接至 Distributed Data Acquisition System 上,再利用自製校正平 台,配合測微計量測電壓變化,求得校正係數,並將之運用於監 測系統中。

3-4-2 實驗試體與感測器配置

本研究分別運用鋁合金梁與鋼筋混凝土梁驗證夾式位移計的實 用性,實驗試體尺寸與感測器安裝方式可分別敘述如下:

鋁合金梁部分,本研究運用 7075 鋁合金製作長寬高分別為 1100mm×50 mm×80mm 的鋁梁,如圖 3.7 所示。感測器裝設方式為,利 用 8 個應變計, 黏貼置 L/2、3L/8、L/4、L/8 等上下緣處,量測 4 個斷面應變。配合夾式位移計,分別裝置於左上、左下、右上、右下 之 L/2、3L/8、L/4、L/8 位置,來量測 4 處設計位置之平均應變。再 以 3 個線性差動位移計,分別用於量測鋁梁兩端支承處與梁中間點之 位移,如圖 3.12、3.13a、3.13b 所示。

應變計、LVDT、夾式位移計量測結果可透過資料擷取系統將各量 測之訊號接收傳遞至電腦,以 LabVIEW 圖控程式計算各中間點位移並 顯示在螢幕上,以 Load cell 所算出之中間點位移理論值 PL

EI 做相 互比較。並分別作左上、左下、右上、右下實驗,可了解混凝土位移

(29)

計在不同裝設位置推算之結果是否一至。

鋼筋混凝土梁部分本研究使用三點彎矩實驗對三號 4 根、四號 3 根、六號 1 根分別不同鋼筋數量與號數的鋼筋混凝土梁進行加載,其 規格為 120mm×120mm×1200mm、混凝土抗壓強度為 420kgf/cm 、鋼 筋降伏強度為 4200kgf/cm 。

本研究以 3 個線性差動位移計,固定於其專用之固定座上並且 配置於兩端支承處之梁頂位置以及梁中點之固定鐵條下方以量測梁 中間點垂直位移量及支承處之沉陷量。而夾式位移計則需固定於其專 用基座之間,因此事先需以塑鋼土將固定基座黏貼於鋼筋混凝土側面 上下緣,裝置於鋼筋混凝土之 L/2、3L/8、L/4、L/8 處斷面上下緣位 置,量測 8 處設計位置之平均應變。實驗配置圖如(圖 3.14a,3.14b)。

希望藉由鋁合金梁與鋼筋混凝土量的實驗結果,能夠用於比較 LDVT、應變計、混凝土位移計,量測變形的能力,量測結果並與理論 值相互比較,並探討夾式位移計取代應變計的可能性。

(30)

第四章 感應器製作與分析 4-1 前言

經由不斷的研究與改進,本研究成功的設計與製作ㄇ形夾式位 移計,其設計與製作過程包含兩大部分:一、ㄇ形夾式位移計的設計 與製作,其內容包括幾何形狀選擇、材料選擇、理論計算、有限元素 法驗算、應變規選擇與黏貼、配線設計與導線焊接;二、ㄇ形夾式位 移計的測試與校正,了解感測器特性,其內容包括校正平台設計與製 作、位移計校正曲線、遲滯現象、精確度與校正係數。其詳細說明如 下:

4-2 夾式位移計設計

4-2-1 幾何形狀選擇與規格

本研究在設計的過程中分別針對圓形、半圓形、三角形與矩形 結構做有系統的分析與設計,過程可分別敘述如下:

首先運用 6061 鋁合金設計圓形夾式位移計,並運用有限元素軟 體下做簡單的應力應變分析如圖 4.1、圖 4.2 所示,直徑為 90mm 的 鋁合金、寬度為 10mm 且厚度為 1.6mm 時,當夾式位移計位移達到 2.55mm 時可獲得應變規黏貼位置所需的應變,然而為達到所需要的 應變與位移量,所需施加的應力為 210kgf。由於夾式位移計固定基 座無法承受如此高的力量,為了避免在實驗過程中夾式位移計固定基 座的脫落,因此本研究不考慮圓形作為夾式位移計的主體結構。

其次本研究運用 304 不銹鋼設計半圓形夾式位移計,並運用材料 力學公式(3.1、3.2、3.3)計算,直徑為 90mm、寬度為 10mm 且厚度 為 1.6mm 時,當夾式位移計施加的應力為 8kgf 時,應變規黏貼位置 應變為 0.0067,然而為達到所需要的施力與應力,所造成位移量已

(31)

經遠遠超出所設計之±2mm,若將半圓形夾式位移計感測片部分加厚使 應變集中,其位移量能夠縮減至設計位移範圍,但施工不易、增加成 本,因此本研究不考慮半圓形作為夾式位移計的主體結構。

在三角形的結構設計中,本研究運用 Becu 鈹銅設計三角形夾式 位移計,並運用材料力學公式(3.1、3.3)計算,長度為 90mm、寬度 為 10mm、高度為 70mm、厚度為 1mm,當夾式位移計施加的應力為 10kgf 時,應變規黏貼位置應變為 0.0066,然而為達到所需要的施力與應 力,所造成位移為 150mm。由於位移量已遠遠超過所設計位移量±2mm,

所以將感測片部分加厚,使位移量減少至符合設計位移量±2mm。然而 三角形夾式位移計可示為兩懸臂梁,由於彎矩曲線成圓弧形,所以造 成應變並不是每點都相等,使其影響應變規精確度,因此本研究不考 慮三角形作為夾式位移計的主體結構。

本研究運用 Becu 鈹銅設計矩形夾式位移計,並運用材料力學計 算(3.1、3.2、3.3) ,長度為 90mm、寬度為 10mm、高度為 10mm、厚 度為 1mm,當夾式位移計施加的應力 15Kgf 時,應變規黏貼位置應變 為 0.0063,然而為達到所需要的施力與應力,所造成位移為 5.6mm。

由於位移量已超過所設計之±2mm,所以將感測片部分加厚(圖 4.3)應 變範圍集中至 10mm,所造成位移為 1.27mm,已接近符合本研究基本 要求。因此本研究選擇矩形作為夾式位移計的主體結構。

4-2-2 材料選擇

為了讓夾式位移計能夠提供較佳的應變反應訊號,本研究所設 計的ㄇ形夾式位移必須將受力變形所產生的應變集中於應變規貼附 位置,因此ㄇ形夾式位移計整體結構分為三部分分別是側桿、感測片 與主體結構,其中側桿與主體結構必須要有較大的勁度,受力後不易

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變形,感測片的部分則屬於夾式位移計的核心部分,必須具備較大的 彈性應變範圍,以及良好的材料受力應變線性行為,此外所選擇的材 料中必須具有相同的膨脹係數,避免位移計因冷縮熱脹造成個零件間 分離破壞。

依據 Micro-Measurements 公司網站【13】資料中,本研究分別 分析鈹銅(Becu)、鋁合金(7075-T6、6061-T6)、不銹鋼(304、17-7PH)

等材料,選擇適合的製作材料。

1. 側桿:從材料選擇中,其密度和硬度最大的為不銹鋼(17-7PH),

雖然此材料在國外為常見材料,但根據調查,台灣只有在核能發 電廠使用排放熱水管用到此材料。而不銹鋼(304)密度與硬度略 低於不銹鋼(17-7PH),且在台灣為常見材料,所以本研究在側桿 材料上使用不銹鋼(304)。

2. 感測片:線性程度上,鈹銅(Becu)略高於各鋁合金而不銹鋼最低;

遲滯現象為不銹鋼為最小,鈹銅(Becu)與鋁合金相近。所以最低 線性的不銹鋼不能作為選擇在感測片的材料上,而銅合金和鋁合 金兩者性質相近,但銅合金在最大應變上比鋁合金高出許多,可 使量測範圍提高,此外鈹銅的溫度膨脹係數為 9.3 106ppm/℉與 不銹鋼的溫度膨脹係數 9.6 106ppm/℉十分相近,而鋁合金的溫 度膨脹係數為 ,因此並不適合,此外在台灣鈹銅(Becu)為科技 業常用材料,常見厚度分別為 1mm、0.3mm,所以本研究在感測片 上使用鈹銅(Becu)。

3. 主體:由於不銹鋼在硬度、抗腐蝕性都比鋁合金與銅合金來的高,

為了讓本研究所製作的ㄇ形夾式位移計具有良好的耐候性,所以 本研究在主體材料選擇上使用不銹鋼(304)。

(33)

4-2-3 理論計算

為了得知ㄇ形夾式位移計最佳的尺寸,本研究利用公式(3.1、

3.2、3.3),利用 Excel 表格做ㄇ形夾式位移計尺寸設計,輸入ㄇ形 夾式位移計所有可能的尺寸,分別計算在這尺寸下夾式位移計夾腳達 到最大允許位移時所需施加的外力與應變規黏貼位置的應變,以用於 分析ㄇ形夾式位移計所能提供的量測訊號大小,並且了解固定基座所 需承受的應力。計算步驟包括:位移計算ㄇ形夾式位移計施力所造成 的感應片上應變規應變、ㄇ形夾式位移計施力所造成感應片上的撓角、

利用三角函數計算感測片撓角所造成的夾腳位移量,以獲得ㄇ形夾式 位移計在已知力的作用下的相對位移。

由於本研究運用不銹鋼與鈹銅製作ㄇ形夾式位移計,因此採用不 銹鋼與鈹銅的揚氏模數分別為 28 10 psi 和 17 10 psi 。為了讓 ㄇ形夾式位移計量測位移時所產生的應變能夠集中於較小的範圍以 獲得最佳的訊號位移比,但受限於應變規與焊接點的大小,因此本研 究設計鈹銅應變感測寬度為 10mm。由於鈹銅的降伏應變為 0.01,為 了降低感測片的遲滯效應並避開接近降伏應變時非線性的材料行為,

本研究採用降伏應變的百分之七十作為感測片所允許的最大應變。

計算結果由表 4.1、表 4.2、表 4.3 所示,鈹銅在厚度 0.3mm 下,

其作用力最大為 1.5kgf 就達到設計應變值,其此作用力不足以提供 足夠固定的穩定度,所以 0.3mm 厚度之鈹銅不被採用。

由表 4.4、表 4.5、表 4.6 所示,在鈹銅厚度為 1mm、側桿 10mm 之下,作用力為 15kgf 可達所需應變 0.006,但位移僅 1.26mm,並未 達到±2mm;而側桿 20mm 之下,作用力雖然只需 8kgf,位移為 2.69mm,

所造成的位移量已過大;側桿 15mm 之下,作用力為 10kgf,位移 1.89mm,

應變為 0.0068,此尺寸符合應變與位移之設計要求。所以本研究選

(34)

擇 1mm 厚度、側桿 15mm 作為設計ㄇ型夾式位移計,其設計完成圖如 圖 4.4 所示。

4-2-4 有限元素法分析

本研究使用有限元素法對設計好的ㄇ型夾式位移計做應力分析 以驗證設計的正確性,有限元素法數值分析分為兩部分:一、運用有 限元素法對理論值所設計完成的ㄇ形夾式位移計結構作驗算,模擬是 否與理論值計算應變與位移量相同;二、模擬ㄇ形夾式位移計在混凝 土梁三點彎矩受壓之變形,得知ㄇ形夾式位移計用於量測鋼筋混凝土 梁是否可行。有限元素法設計分析流程如圖 4.5 所示。

由於 ANSYS 有限元素法無法於程式內部設定單位,所以本研究事 先設定施力單位為 Kgf 與長度單為 M。雖然 ANSYS 力學行為設定分別 有流力、靜力、動力,但本研究只使用靜力分析。元素網格設定為 Solid 92。在材料設定方面本研究使用到鈹銅、不銹鋼與混凝土等材 料元素,其設定為鈹銅密度為 8253 kg/m 、楊氏模數為 1.20E+10 kgf/m 、蒲松比為 0.3,不銹鋼密度為 8030 kg/m 、楊氏模數為 1.97E+10 kgf/m 、蒲松比為 0.3,混凝土密度為 234.69 kg/m 、楊 氏模數為 3.84E+9 kgf/m 、蒲松比為 0.2。

製做模型時(圖 4.6、圖 4.7),因無法模擬螺絲鎖緊動作,所以 省去螺絲將各構鍵鎖為一體和固定基座黏置混凝土上之動作,採用 Booleans 中的 Glue,將各構件視為完全黏合在一體。在逐一得對各 構件製做有限元素網格,同時設定各構件之材料。

ㄇ型夾式位移計作用力方面,假設位移計正中央為固定不動而施 力時只移動兩側之側桿,所以將施力點為兩端點最外邊側面中間位置,

作用力各為 10kgf,並在位移計中央下端中心線設定三軸固定之固定

(35)

端點。而混凝土梁作用力方面,模擬載重架配置位置,其施力點為混 凝土梁正中央位置,作用力為模擬混凝土未開裂載重2.0√Fc 約 40Kg,

兩端點之固定點一邊設定 X 與 Y 軸不動,一邊設定 Y 軸不動。

由有限元素法靜力分析計算結果與理論值做驗算,利用 Plot Resul 圖形化分析如圖 4.8、圖 4.9 所示,可得知混凝土位移計由表 4.4 理論值計算感應片應變為 0.0062 與有限元素法分析感應片上應 變為 0.006,而理論值計算 X 向位移為 1.89mm 與有限元素法分析位 移為 1.56,其兩者數值都很相近。

模擬ㄇ形夾式位移計在混凝土梁三點彎矩結果,使用 List Resul 求得 L/2、3L/8、L/4、L/8 位置上下緣之ㄇ形夾式位移計感測片上應 變與固定基座中間點位移量和混凝土應變(表 4.7) 。

感測片應變利用公式(3.1、3.2)計算比較兩側桿之位移量與兩固 定端中間位移量。由表 4.8 所示,感測片應變計算為位移量比由直接 得知固定基座中間點位移量來的小,原因在於有限元素分析將混凝土 是為彈性體,使固定基座與混凝土接觸面受混凝土位移計反作用力而 產生些許變形並造成固定基座傾斜使混凝土位移計應變損失,如圖 4.10 所示。

而兩固定基座中間位移量所計算應變比由直接得知混凝土應變 來的小(表 4.9),原因在於有限元素分析將混凝土是為彈性體,使固 定基座與混凝土接觸面受混凝土位移計反作用力而產生些許變形。

由表 4.10 所示,感測片應變經公式計算與積分得知混凝土中間 點位移為 0.0128mm 與固定基座計算積分得知混凝土中間點位移為 0.0129mm 以及由混凝土斷面應變積分混凝土中間點位移為 0.0146mm 和直接由 List Resul 得知中間點位移為 0.0130mm,其數值非常相近。

由分析結果得知,使用有限元素分析ㄇ形夾式位移計計算應變與

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位移量和理論值所設計ㄇ形夾式位移計應變與位移量幾乎相同,因此 證實理論值計算正確無誤;再者,使用有限元素模擬ㄇ形夾式位移計 量測混凝土梁,其ㄇ形夾式位移計感測片應變計算中間點垂直位移與 直接由 List Resul 得知中間點位移兩者數值非常相近,證實ㄇ形夾 式位移計可用於量測混凝土梁三點彎矩實驗上。

4-2-5 應變規選擇與黏貼

為了減少溫度效應,應變計的溫度膨脹補償係數,必須吻合鈹銅 的膨脹係數,採用 VISHAY 公司適用於鈹銅 CEA-09-062UW-350 應變 計(圖 4.11)。並參考惠達科技股份有限公司應變規應用的方法黏貼 應變規。

在應變計的黏貼過程中,首先以藥用酒精將試片上所要黏貼應變 計的區域之油膜去除(圖 4.12),再以 1000 號之砂紙拋光表面(圖 4.13),配合水性之酸洗劑(Condition A),將表面清潔(圖 4.14), 接下來使用 4H 之鉛筆畫上應變計黏貼位子計號(圖 4.15、圖 4.16),

再使用水性之酸洗劑,將殘留的碳粉與油漬去除,最後用水性中性劑

(Neutralizer 5A),以棉花棒將表面再清除一遍(圖 4.17)。

徹底清潔好應變計黏貼位子後,以夾子將應變計置於黏貼並對準 之座標上(圖 4.18)。以透明膠帶(3M)將應變計覆蓋,以反方向撕 起時,膠帶應與水平成 45 度角,直到應變計整個離開銅合金表面,

將膠帶後翻,使應變計欲黏貼面朝上。

正式黏貼時,必須使用 M-BOND 200 應變規黏貼劑其中包括藍色 玻璃瓶裝之催化劑與透明黏著劑,首先以毛刷沾取催化劑,並於瓶口 沾抹十次,再以毛刷輕刷於應變計背面(圖 4.19),再將黏著劑滴一 滴於應變計預定黏著之位置上(圖 4.20)。用左手將膠帶拉起,與水

(37)

平成 30 度,右手拿一軟布,順勢向尾端推去,再以手指壓住應變計,

利用手指施壓力並將溫度傳給應變計(圖 4.21),持續一分鐘。將透 明膠帶以幾近水平之角度反向撕下,完成應變計的黏貼。

4-2-5 配線設計與導線焊接

為了使ㄇ形夾式位移計能在外部環境中長期監測,使裝設時不 受到交雜的導線所影響與避免導線受環境而導致風化,並降低ㄇ形夾 式位移計受作用力時導線勁度影響訊號大小。考慮以後ㄇ形感測器可 方便置換,將導線與導線之間做接頭處理。本研究將配線設計分為三 部分:

第一部分為因電線保護層會受到風化和時間老化影響,使保護作 用降低,所以本研究將電線隱藏並固定於ㄇ型夾式位移計本體,避免 位移計導線滑移鬆脫損害應變規,如圖 4.22 所示。穿過本體之後的 電線使用熱縮套管將分散的電線包束其保護(圖 4.23)。

第二部分為有效的排列導線,使ㄇ型夾式位移計受到作用力時,

不會因導線應力作用使其影響應變計數據,本研究將導線彎折成口字 型,使應力作用會經過四次懸臂梁的方式降低其勁度,再焊接於應變 計上(圖 4.24)。

第三部分為本研究考慮到置換問題,方便導線連結,其將導線做 刺入型公母連接頭(圖 4.25)處理,並將惠斯登電橋與平衡電組隱 藏在連接頭中。

導線焊接部分本研究使用導線為 1007#24 單芯,其阻值約 30Ω /M(圖 4.26)。將要焊接於應變計之口字型導線前端去除絕緣外皮,

並沾抹焊錫膏於應變計焊接端子與去除絕緣的導線頭,再使用溫度可 調式電洛鐵以銲錫連接起來,避免洛鐵溫度過高損壞應變規,並量測

(38)

其電阻確認黏著是否良好。

末端導線去除絕緣,使八條連至應變計的導線組成惠斯登電橋並 焊接再刺入型接頭中(圖 4.27),並將平衡電阻隱藏焊接在刺入型接 頭中(圖 4.28),最後利用螺絲將各構件組合,即可完成ㄇ型夾式位 移計(圖 4.29)。

4-3 感應器特性

4-3-1 校正平台設計與製作

為了使校正平台不受到ㄇ型夾式位移計反力影響而產生變形,

本研究使用 304 不銹鋼做為製作校正平台的材料,校正平台斷面為 150mm×150mm,讓其有足夠勁度在夾式位移計施力作用下變形可以忽 略不計。平台長度必須能夠同時放置ㄇ形夾式位移計、固定基座、和 校正用的測微計或線性差動位移計,所以本研究設計校正平台長度為 250mm。並將平台主體做溝槽,可使固定基座可隨著需求而變換位置。

其設計圖和完成圖如(圖 4.30、圖 4.31)

4-3-2 位移計校正曲線

本研究所製作的ㄇ型夾式位移計和校正平台完成之後。提供 5V 電壓給ㄇ型夾式位移計,配合測微計做對應(圖 4.32),量出下列各 種情況所得的資料:

1. 使用校正平台對ㄇ型夾式位移計做預壓 2mm 做±1mm 實驗,測量 出所得電壓值和理論值做比較,如圖 4.33。由圖可得知,ㄇ型夾 式位移計所量測的電壓值約為原始設計理論值的 75%。其主要原 因是感應片與夾式位移計不銹鋼主體之間是以螺絲固定,因此無 法完全限制感應片的應變完全集中於兩端各 10mm 的範圍,而且

(39)

感應片與支腳之間用螺絲固定也無法讓兩部份完全緊密接合,但 結果以達到預期的目標。

2. 本研究同時使用校正平台和載重架對ㄇ型夾式位移計做預壓 2mm 做±0.5mm 實驗(圖 4.34)。由圖可得知,校正平台和載重架所得 結果約為一至,並不會因校正平台逕度不足,而造成數據不確 實。

3. 使用校正平台對ㄇ型夾式位移計做預壓 2mm 分別做±0.25mm、±

0.5mm、±1mm、±2mm 實驗(圖 4.35)。由圖可得知,ㄇ型夾式位 移計分別在做各種範圍測量時,量測範圍增加其量測電壓略有不 同,其相對誤差量約小於 1.5%,此誤差並不足以影響量測實驗 之圖形。

4-3-3 遲滯現象

遲滯現象屬於材料在彈性範圍所產生的現象【16】,主要是因為 彈性材料在加載與卸載作用週期中,部份能量於拉伸的過程,其內部 結構分子相互摩擦轉變成熱能散失。所以在量測範圍越大時,遲滯現 象就相對累積,使其中間差值變大。

本研究發現混凝土位移計,經過一次的加載和卸載,其數據並不 會歸零而回到初始值。所以本研究分別對不同的位移情況做分析,以 了解本研究所發展的ㄇ形夾式位移計的特性,這些詳細說明如下:

1. 首先預壓夾式位移計至 2mm,而後分別量測夾式位移計位移量為±

0.25mm、±0.5mm、±1mm、±2mm 的數據結果,並分別在校正平台和 載重架下做相同的實驗,以比較量測結果(圖 4.36)。由圖可知:

一、夾式位移計並不會因施加作用力工具不同而有所改變;二、

當夾式位移計量測範圍越大時,受遲滯現象越大。三、由圖中可

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知ㄇ形夾式位移計所產生的遲滯現象較傳統夾式位移計為小,唯 有位移±0.25mm 時兩者表現一致。

2. 分別預壓 0.25mm、0.5mm、1mm、2mm,並量測±0.25mm、±0.5mm、

±1mm、±2mm 在校正平台上的位移量變化(圖 4.37)。由圖可知,

固定量測範圍下,初始能量越小,其遲滯現象越明顯;而在固定 預壓量下,量測範圍越大,其遲滯現象也比較明顯。

3. 預壓 2mm 做+1mm 每隔 1 小時位移 0.1mm 量測(圖 4.38)。由圖 可知,因每點位移時間拉長,數據有所改善,但其遲滯現象所造 成的誤差值依然不變。

綜合以上三點,遲滯現象並不會因監測時間長或短而產生極大 變化,初始預壓在原本設計為預壓 2mm 之下影響為最小,遲滯現象對 於精確度影響方面,其最大量測範圍±2mm 之下誤差約 1%,並不會使 精確度有很大改變。

4-3-4 精確度與校正係數

本研究將使用ㄇ型夾式位移計和校正平台,運用測微計從事位 移校正的工作,尋求各ㄇ型夾式位移計支腳張開閉合的電壓差與位移 量之間轉換係數。在校正過程中旋轉特製螺絲,讀取測微計位移變化 量對應的混凝土位移計電壓值資訊,分別記錄下來。

將所記錄資料運用 Microsft Excel 作線性迴歸分析求取電壓與 位移轉換校正係數。其校正完成如(圖 4.39 至圖 4.47),由圖所示,

本研究所製做的混凝土位移計,在不同的位移下顯示良好的線性行為

(約 0.999),並且提供足夠的精度作為應變量測的工具。本研究同 時製作九支ㄇ形夾式位移計其校正係數如表 4.11 所示,每支ㄇ形夾 式位移計的校正係數變化不大,顯示本研究所製作的夾式位移計品質

(41)

的一致性。

4-4 結論

完成此ㄇ形夾式位移計後,配合資料擷取系統,即可進行實驗 操作執行部分。運用 LabVIEW 圖控程式語言所發展之監控程式,可對 實驗結果進行觀察,並於實驗結束後進行結果討論,尋找誤差原因與 改善方式,以驗證本研究之可靠性。

(42)

第五章 位移感測器用於量測之應用

5-1 前言

為了驗證ㄇ型夾式位移計在量測混凝土梁撓曲作用下之變形變 位之可靠度,本研究分別對鋁梁與三種不同鋼筋數量與號數之鋼筋混 凝土矩形梁作三點彎矩實驗。實驗結果包含集中載重對應變計、線性 差動位移計、ㄇ型夾式位移計與理論值所推算的中間點垂直位移結果 並相互比較,實驗量測結果說明如下。

5-2 鋁合金梁實驗驗證

在鋁合金梁三點彎矩實驗中,本研究使用手動式載重架做為加 載工具,並分別運用四組應變計、三支線性差動位移計以及四支ㄇ型 夾式位移計來作擷取鋁梁的上下應變與中間點垂直位移的資訊,實際 配置圖如圖 5.1 至圖 5.5 所示。實驗過程中將鋁梁加載至 1600kgf,

並利用資料擷取系統,同時擷取資料並顯示在電腦螢幕內(圖 5.6)。

如圖 5.7 所示,在加載過程中應變計與ㄇ形夾式位移計分別裝設 於梁 L/2、3L/8、L/4 與 L/8 位置,同時運用應變計與ㄇ形夾式位移 計量測鋁梁上下端的應變,量測結果再利用兩次積分求得中間點垂直 位移,並與線性差動位移計直接量測的中間點垂直位移、Load sell 量測之重量利用理論公式所算出的中間點垂直位移相互比較,實驗結 果顯示這四種量測方式所獲得的中間點垂直位移均為一至。

由圖 5.8 所示,應變計、線性差動位移計、ㄇ型夾式位移計所計 算的中間點垂直位移與 Load cell 所推算之中間點垂直位移比較,可 得知初始量測時,由於訊號過小,量測訊號較不穩定,但是當位移加 大後,量測結果就處於穩定狀態,其主要原因在於中間點垂直位移在

(43)

0.5mm 之內,鋁梁變形與變位較小導致感測器所產生的對應訊號較微 小,受限於量測系統的解析度所造成監測資料不穩定之現象。

由圖 5.9~圖 5.12 所示,分別為ㄇ型夾式位移計裝置於鋁梁左 下、左上、右上、右下不同位置量測中間點垂直位移的結果,可得知 四個方向由ㄇ形夾式位移計、應變計與線性差動位移計所量測中間點 垂直位移結果都與 Load cell 所推算之中間點垂直位移幾乎一致。由 圖 5.13 所示,ㄇ型夾式位移計四個不同方向量測中間點垂直位移結 果與 Load cell 所推算之中間點垂直位移比較,可得四個方向誤差量 幾乎一致,並且兩條曲線為正,兩條曲線為負,正好為左上與右上、

左下與右下之分別。

5-3 混凝土梁實驗驗證

在混凝土梁實驗中,本研究同時使用手動式載重架做為加載工 具,並運用線性差動位移計量測混凝土梁兩端與中間點的垂直位移、

ㄇ型夾式位移計量測混凝土梁 L/2、3L/8、L/4 與 L/8 位置的上下應 變,實際配置圖如圖 5.14 至圖 5.17 所示。為了了解ㄇ型夾式位移計 之可靠性,本研究分別對三種不同鋼筋數量與號數之鋼筋混凝土梁進 行三點彎矩實驗,利用手動式載重架對三支梁加載至 1100kgf。

由圖 5.18 至圖 5.20 為對主筋三號四根、主筋四號三根、主筋六 號一根之筋混凝土梁加載實驗情形。利用圖 5.21 與圖 5.23 實驗所示,

ㄇ型夾式位移計與線性差動位移計所量測之中間點垂直位移有時較 大有時較小,原因在於混凝土梁承受載重時,混凝土梁開裂裂紋經過 的位置對量測結果有極大的影響,如裂紋經過ㄇ型夾式位移計所量測 範圍內時,ㄇ型夾式位移計量測應變結果較大;反之,如裂紋途徑未 經過ㄇ形夾式位移計量測範圍,混凝土應變量測值較小。

(44)

在載重為 550kgf 時為數值模擬開裂之載重,由圖 5.21 與圖 5.22 所示,三號主筋四根與四號主筋三根之鋼筋混凝土梁受載重時裂縫為 緩緩發生,並未和數值模擬一次開裂相同。原因在於鋼筋數量多時,

使梁下部混凝土受到鋼筋握裹力之約束,裂紋發展速度較緩慢,並產 生較多的細微裂縫。反之鋼筋數量少時,如圖 5.23 所示,混凝土開 裂時由於沒有鋼筋握裹力的約束,裂紋會快速的走向中性軸的位置,

因此混凝土梁破壞時僅產生少數但裂縫較大的裂紋,因此六號主筋一 根的鋼筋混凝土梁承受載重時,載重對梁中間點垂直位移的力學行為 與數值模擬相近。

此外混凝乾縮造成混凝土梁中的鋼筋承受壓力與混凝土承受張 力對實驗結果亦造成極大的影響,由圖 5.24 所示,六號主筋一根的 混凝土梁因第一次加載時受初始殘留應力影響,ㄇ形夾式位移計與 LVDT 量測結果有較大的差異,然而在反覆加載時,因為初始殘留應 力以釋放出來,所以ㄇ型夾式位移計與 LVDT 所量測中間點垂直位移 結果較為一致。

5-4 結論

鋁梁因均質並且一體成型,並不像鋼筋混凝土梁使用多種材料 灌製而成,而且無乾縮所產生的初始殘留應力,由實驗得知ㄇ型夾式 位移計量測鋁梁中間點垂直位移與其它感測器所計算的中間點垂直 位移均為一至,並且在不同量測位置都可以量測相同的結果,證實了 ㄇ型夾式位移計有非常好的可靠性。

鋼筋混凝土方面,雖然因為混凝土受載重時造成混凝土內部應力 所產生裂縫,使得ㄇ型夾式位移計與 LVDT 有些許不同,但仍然可顯 示出混凝土梁中間點垂直位移變化,當反覆加載量無內部應力影響時,

(45)

ㄇ型夾式位移計與 LVDT 約為一至,代表ㄇ型夾式位移計用於量測混 凝土梁變形時擁有高度可靠性。

(46)

第六章 結論與建議 6-1 結論

1. 鋁梁垂直位移經由持續的研究努力,本研究獲得下列結論:大於 0.5mm 時,ㄇ型夾式位移計可提供足夠強度的量測訊號,因此可 有效的量測梁承受彎矩時的垂直變位。

2. 由實驗結果可發現用運 LVDT、應變計與ㄇ型夾式位移計量測梁的 垂直變位時,接獲得一致的量測結果,表示這三種方法皆可用於 量測梁承受彎矩時的中間點垂直變位。

3. 與應變計相比,ㄇ型夾式位移計不但裝設容易,且可重複使用,

因此在量測較大應變時足可取代應變計使用。

4. ㄇ型夾式為移計量測寬度為 10cm,可有效的量測混凝土構件的受 力之應變,並可避免混凝土受彎矩時裂縫所產生的變位所造成的 變形集中的問題。

5. 本研究所製做的ㄇ型位移感測器,原料加上工廠加工,每組花費 約 3000 元台幣,並擁有極佳的精度,對於須要做長期監測的混 凝土橋梁和混凝土結構,提供更方便且更便宜的監檢測的解決方 案。

6-2 建議

在ㄇ型夾式位移計的輸出靈敏度是否良好,主要取決於感測彈 性體的變形能力。在實驗中發現幾點影響ㄇ型夾式位移計所量測的 值:

1. 在本研究導線配置時,發現導線形狀、長度,如何焊接在應變計 上有極大影響,如果導線過短,ㄇ型夾式位移計受力變形時會導 致焊接點受力較大,會使焊接點發生脫離而且不易發覺,且銅線

(47)

的勁度亦會影響感測器的精確性。

2. 本研究覺得結構材質越是複雜,接合處越是多的情況下,所產生 的遲滯效應越是明顯,因本研究只能製做此一成品,無法直接驗 證。

3. 焊接導線後,必須仔細檢查是否焊接完好,如有焊接缺陷,會導 致感測器電阻不穩定,若有稍微脫離現象,導致量測數據漂移。

本人建議感測器內的相關元件最好一體加工成型,可避免接合處 磨擦產生遲滯效應,為了提高感測器之精確度,亦應做測試與補償校 正之工作,感測器的特性測試乃關係製品之品質管制,可進行線性度、

遲滯性、重現率、零點飄移、靈敏度飄移、熱零點飄移、熱靈敏度飄 移等等之特性測試,以明瞭製品之實際品質。

(48)

參考文獻

【1】劉迎春、葉湘濱,『傳感器原理、設計與應用(第四版)』,國防 科技大學出版社,民 93。

【2】盧明智、盧鵬任,『感測器應用與線路分析(修訂版)』,全華科 技圖書股份有限公司,民 92。

【3】石立暐,『活性粉混凝土板於反覆加載下之內部應變光纖之量測』,

國立台灣大學土木工程學系,碩士論文, 民 96。

【4】周维彬,『裂紋感測器用於量測簡支梁彎矩變形之研究』,中華 大學土木學系,碩士論文,民 92。

【5】吳嘉原,『橋梁監測之感應技術』,國立中央大學土木工程學系,

碩士論文,2002。 

【6】洪章智,『混凝土含內部裂縫之表面光彈應力分佈行為探討』, 中華大學土木工程學系,碩士論文,1999。 

【7】陳凌傑,『以低潛變應變計來長期監測預力鋼件之預力損失』, 國立雲林科技大學營建工程學系,碩士論文,2002。 

【8】陳汶鋅,『內埋干涉型光纖感測器結構分析與量測研究』,元智 學機械工程學系,碩士論文,2002。 

【9】郭啟文,『地震對新澆置混凝土柱之影響研究』,國立台灣大學 土木工程學系,碩士論文,2002。 

(49)

【10】郭原宏,『光纖光柵感測器於結構監測之應用』,國立台灣大學 土木工程學系,碩士論文,2002。 

【11】潘治良,『光纖光柵感測器於實尺寸橋梁監測之應用』,國立台 灣大學土木工程學系,碩士論文,2001。 

【12】蕭森浩,『光學微位移感測器封裝製程之研究』,國立清華大學 工程與系統科學研究所微機電組,碩士論文,2001。

【13】Marco Quirion and Gerard Ballivy,『CONCRETE STRAIN MONITORING WITH FABRY-PEROT FIBER-OPTIC SENSOR』,Université de Sherbrooke,2000。

【14】http://www.measurementsgroup.com 

【15】陳長成、邱勤山、簡國雄、徐永平,『材料力學』,新文京開發 出版有限公司,民 91。 

【16】http://www.fedtec.com.tw 

【17】林世偉、郭哲宏、張禹衍,『‧筋‧疲‧力‧盡‧』,宜蘭縣立 國華國民中學,2000。 

 

(50)

表 4.1 作用力為控制分析表一(單位 kgf、M)

作用力 感測厚度 側桿高度 端點位移 感測片應變 1.1 0.0003 0.01 0.00339 0.0051 1.2 0.0003 0.01 0.00370 0.0055

1.3 0.0003 0.01 0.00392 0.0060 1.4 0.0003 0.01 0.00420 0.0065 1.5 0.0003 0.01 0.00448 0.0069

1.6 0.0003 0.01 0.00490 0.0074 1.7 0.0003 0.01 0.00520 0.0078

表 4.2 作用力為控制分析表二 (單位 kgf、M)

作用力 感測厚度 側桿高度 端點位移 感測片應變 0.7 0.0003 0.015 0.00486 0.0048 0.8 0.0003 0.015 0.00554 0.0055

0.9 0.0003 0.015 0.00609 0.0062 1 0.0003 0.015 0.00672 0.0069

1.1 0.0003 0.015 0.00758 0.0076 1.2 0.0003 0.015 0.00825 0.0083 1.3 0.0003 0.015 0.00892 0.0090

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