专利名称：一种铬镍钢或镍钢高温位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于土木工程试验中的位移及变形测量技术领域，应用于建筑结构构件在模拟火灾情况下的高温位移及变形测量中，涉及到使用耐高温、低导热系数、低热胀系数的合金材料与陶瓷材料进行隔热降温的方法。
背景技术：
目前，建筑结构在模拟火灾情况下的高温位移及变形的直接随时测量一直是一个困扰结构构件及材料高温性能研究与评价的关键问题之一。国内已有的一些结构构件高温性能试验中的高温位移及变形测量一般都采用了间接测量法，即将构件在试验炉内高温环境下的位移及变形通过一定的方法引伸到试验炉外的室温环境中，然后在室温下测得待测的位移及变形值，但这种间接测量法对大型构件很难实现且成本很高。而在实际工程及科学试验的许多情况中，需要用位移传感器接触待测部位进行高温环境下位移及变形的直接随时测量。
然而，目前国内外已有的位移传感器主要是线性差动变压式位移传感器(Linear Variable Displacement Transducers-LVDT)，其工作温度一般都介于-30℃到+60℃之间，其最高工作温度不超过+150℃，远低于火灾及高温试验中所要求的工作温度。因此，目前已有的LVDT位移传感器无法满足在1000℃时的高温环境下进行位移及变形直接随时测量的要求。
石英玻璃高温位移传感器虽然能够在模拟火灾的高温环境下进行位移及变形的直接随时测量，但是由于石英玻璃棒的材质较脆，在测量过程中易发生折断破坏，因此更适合于试验室使用，而不太适合在环境恶劣的施工现场使用。
发明内容
本发明的目的就是提供一种既可用于试验室，又适合于在工作条件比较恶劣的室外环境或施工现场使用，且结实耐用、操作方便、组装灵活的高温位移传感器，解决由于普通位移传感器工作温度低而不适合于在高温环境下进行位移及变形直接随时测量的问题，达到在火灾等高温环境下可进行位移及变形直接随时测量的目的，其最高安全使用温度取决于所选用材料的热性能，但均可高于1000℃。
本发明的技术方案是使用耐高温、低导热系数、低热胀系数的耐热合金材料如铬镍钢丝或镍钢丝作为LVDT的探头延长段，并在延长段顶端接触高温部位安装一个起主要隔热降温作用的耐高温陶瓷隔热帽，其构造如图1所示。由于LVDT的探头直径一般为5mm，所以延长段材料也应选择直径为5mm的合金钢丝与之相连接。当延长段一端接触高温位移待测部位时，经过延长段的降温，可将LVDT探头端(D端)的温度降至室温，即保证LVDT探头处的温度处于其正常工作温度范围之内。铬镍钢和镍钢的主要热性能参数如表1所示。
表1 铬镍钢和镍钢的主要热性能参数
耐高温且低导热系数、低热胀系数的陶瓷材料有多种，如氧化铝陶瓷、二氧化硅(石英)陶瓷、氧化锆陶瓷等等，其热性能如表2所示。
表2 几种耐高温、低导热、低热胀陶瓷的主要热性能参数
当进行高温环境下的位移及变形测量时，陶瓷隔热帽首先接触高温待测部位，由于陶瓷材料的导热系数很低，绝大部分的温度衰减发生在该部分，所以合金钢丝段的温度较低，其热胀伸长量很�。挥忠蛭沾筛羧让钡娜日拖凳苄。酵费映ざ斡捎谌扰蛘鸵鸬淖艿牟饬课蟛詈苄。圆饬烤让挥杏跋�。
这里分别以氧化锆陶瓷和二氧化硅(石英)陶瓷为例，选作陶瓷隔热帽的材料。陶瓷隔热帽对高温的衰减作用与其长度之间的关系具体如表3所示。假设当陶瓷隔热帽接触800℃的高温测点时，30mm长的氧化锆陶瓷或20mm长的二氧化硅(石英)陶瓷隔热帽就可将温度降至接近200℃，再经过耐热合金钢丝的进一步降温，就可将LVDT探头处的温度降至室温附近。两种耐热合金钢丝对温度的衰减作用与其长度之间的关系如表4所示。其间，延长段上温度沿长度方向的分布曲线如图2所示(以T＝800℃，隔热帽采用二氧化硅陶瓷，延长段采用铬镍钢丝为例)。
表3a 氧化锆陶瓷材料对高温的衰减作用与其长度之间的对应关系
表3b 二氧化硅陶瓷材料对高温的衰减作用与其长度之间的对应关系
表4 将温度由高温(T)将至室温所需耐热合金钢丝的最小长度
上表中的长度值只是将温度由高温降至室温所需的最小值，高温位移及变形测量中延长段的实际长度可以等于或大于它(视具体测量情况而定，比如有时需要将LVDT延长段伸入到试件内部或穿过外部的隔热保护层进行位移及变形测量，则延长段的实际长度就必须大于此最小值)，但是延长段的实际长度无论等于还是大于此最小长度都对测量结果及精度没有影响。
该高温位移传感器的主体与延长段通过简单而可靠的方法进行连接，如图3所示。该连接构件(图6)可用普通钢材经过机械加工得到(如图4、图5所示)。在高温位移及变形测量之前，将LVDT的探头插入到连接件的一端并用螺丝固定，将延长段材料(铬镍钢丝或镍钢丝)插入到连接件的另一端并将外螺母拧紧，再将耐高温陶瓷隔热帽安装在延长段的顶端，这样即可将位移传感器的主体与延长段连接起来，进行高温环境下位移及变形的直接随时测量。组装好的高温位移传感器如图7所示。
本发明的效果和益处是1、能够在高温环境下进行位移及变形的直接随时测量；
2、测量位移及变形时的最高工作温度可以超过1000℃；3、位移及变形测量精度高，具有很高的线性度(优于±0.05％)和分辨率，与LVDT无延长段时的测量精度相当；4、位移传感器主体与延长段的连接方式灵活，拆卸、保存及携带方便；5、铬镍钢或镍钢延长段不易破损，适于在工作条件比较恶劣的室外环境或施工现场使用；6、该铬镍钢或镍钢高温位移传感器可以根据实际情况灵活地选择不同长度的延长段与仪器主体相连接；7、本发明成本低，具有显著的经济效益和社会效益。
本发明可广泛应用于试验室内或施工现场对各种建筑结构构件在高温环境下的位移及变形进行直接随时的测量。
附图1是该铬镍钢或镍钢高温位移传感器的构造示意图。
图中1 LVDT主体；2 LVDT探头；3铬镍钢或镍钢延长段；4耐高温陶瓷隔热帽；延长段即DE段总长为Xmm。
附图2是该高温位移传感器延长段上温度沿长度方向的分布曲线图。
图中横坐标L表示延长段上距高温端的距离，单位是mm；纵坐标T表示温度，单位是℃。
附图3是LVDT与延长段的连接方法示意图。
图中2 LVDT探头；3铬镍钢或镍钢延长段；5固定螺丝；6连接构件；d1表示LVDT探头及延长段的直径。
附图4是连接构件侧面示意图。
图中d1表示LVDT探头及延长段的直径；d2表示连接件外径；d3表示外螺母内径；L1、L2、L3、L4表示连接件各段长度。
附图5是连接构件正面示意图。
图中7外螺母；R1表示延长段半径；R2表示外螺母内半径；R3表示外螺母外半径。
附图6是连接构件实物图。
图中6连接件；7外螺母。
附图7是该铬镍钢或镍钢高温位移传感器组装后的实物图。
图中1 LVDT；2 LVDT探头；3铬镍钢或镍钢延长段；4耐高温陶瓷隔热帽；5固定螺丝；6连接件；7外螺母。
附图8是试件横截面及测点布置示意图。
图中8热气温度；9烟囱试件；10、11、12、13分别为东南西北四个方向的铬镍钢或镍钢高温位移传感器。
附图9是试件纵截面及测点布置示意图。
图中8热气温度；9烟囱试件；10、12分别铬镍钢或镍钢高温位移传感器；14底座；15燃气进气口；16试验钢架；H1＝1200mm；H2＝800mm；H3＝90mm。
附图10是实测的温度-位移曲线图。
图中横坐标T表示试件外壁温度，单位是℃；纵坐标D表示试件平均外壁变形，单位是mm。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例。
实施例该铬镍钢或镍钢高温位移传感器在大连理工大学结构研究所丁一宁教授主持的国家自然科学基金资助项目(50278013)的试验研究得到了应用。试验模拟烟囱在受高温荷载时的截面位移，对耐火砖砌成的方筒型烟囱试件按照德国工业标准的温度曲线(包括升温段和降温段)施加高温荷载。试验中采用所发明的该铬镍钢或镍钢高温位移传感器测量构件的外壁变形(试验布置情况如图8和图9所示)。
由于试验中所使用的LVDT的探头直径为5mm，故合金钢延长段直径也相应地取为5mm。与之相对应的连接件各部分尺寸分别如下d1＝5mm；d2＝10mm；d3＝8mm；L1＝20mm；L2＝3mm；L3＝2mm L4＝15mm；R1＝2.5mm；R2＝4.0mm；R3＝6.0mm(图4和图5)。当然，如果LVDT的探头直径不是5mm，则连接件各部分的尺寸也应做适当的调整。
试验前，将LVDT的探头插入到连接件的一端并用螺丝固定，将延长段(铬镍钢丝或镍钢丝)插入到连接件的另一端并将外螺母拧紧，再将耐高温陶瓷隔热帽安装在延长段的顶端，组装完毕。本试验中构件外壁待测部位的最高温度不超过1000℃，根据前面表格可以查得，采用30mm长的氧化锆陶瓷或20mm长的二氧化硅陶瓷隔热帽与170mm长的铬镍钢丝组合成探头延长段，即可将温度由1000℃降至30℃附近，保证LVDT探头处的工作温度为室温。
将组装好的铬镍钢或镍钢高温位移传感器固定在试件外面的试验钢架上，延长段顶端陶瓷隔热帽接触待测部位，并将位移传感器的信号传输导线与数据采集�？榱雍茫谑莶杉低持卸猿跏嘉灰魄辶悖饬壳暗淖急腹ぷ骶托鳌�
试验过程中，按照升温曲线对试件持续加热，试件外壁的温度也在不断升高。由于热膨胀及试件内外壁存在较大的温差，试件的内外边发生不同变形。固定于东西南北四个方向的高温位移传感器将各自测点处的位移值直接随时测得，并反映在数据采集系统中。
本试验中的高温位移测量结果如图10所示。该铬镍钢或镍钢高温位移传感器准确测量了升温时的位移增长及降温时的位移恢复，满足了测量精度的要求，并与计算结果相吻合。
权利要求
1.一种铬镍钢或镍钢高温位移传感器，其特征是选用铬镍钢丝或镍钢丝作为该高温位移传感器的探头延长段(3)，并在延长段顶端安装一个陶瓷隔热帽(4)，用连接构件(6)、(7)将延长段与位移传感器探头(2)相连接。
2.根据权利要求1中所述的一种铬镍钢或镍钢高温位移传感器，其特征是对于不同温差下，通过计算并选择铬镍钢或镍钢延长段(3)的长度与陶瓷隔热帽(4)的长度，使当陶瓷隔热帽(4)接触高温位移待测部位时，位移传感器探头(2)处的温度在其工作温度范围之内。
全文摘要
本发明属于土木工程试验中的位移及变形测量技术领域，应用于结构构件在模拟火灾情况下的高温位移及变形测量中。其特征是选用耐高温、低导热系数、低热胀系数的铬镍钢或镍钢与陶瓷材料作为该高温位移传感器的探头延长段，并由连接构件与位移传感器的探头相连接。探头延长段的总长度，是保证当延长段一端接触高温位移待测部位时，将温度由高温降至另一端的室温所需的最小值，实际测量中延长段的长度不应小于该最小值。本发明的效果和益处是能够在1000℃以上的高温环境下进行位移及变形的直接随时测量，位移传感器主体与延长段的连接方式灵活，拆卸、保存及携带方便，并可广泛适用于工作条件比较恶劣的室外环境或施工现场使用。
文档编号G01M99/00GK1632504SQ20041010047
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者丁一宁, 甘泉, 董香军, 王岳华, 杨楠, 曹继峰 申请人:大连理工大学
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