体外预应力钢束应力精确检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种体外预应力钢束应力精确检测装置和方法，该方法包括如下步骤：对磁感传感器进行张拉试验机标定；安装磁感传感器与振动传感器；采取张拉试验确定瞬时损失系数；获取初始预应力钢束应力预测模型；钢束张拉完成后，测试所述振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率；张拉后按照预定目标和测试时间测定所述磁感传感器的测值x及振动传感器数据；计算应力值；本发明通过采用磁感效应测试方法与振动测试方法结合，弥补了单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。
【专利说明】体外预应力钢束应力精确检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种预应力钢束应力的检测装置及方法，特别是涉及一种用于精确测试体外预应力钢束应力状态的体外预应力钢束应力精确检测装置和方法。
【背景技术】
[0002]体外预应力钢束是钢-混结合段部分重要的结构组成部分，体外预应力状态直接影响钢混结合段的结构刚度和连接可靠性，瓯江大桥主跨采用混合梁结构，为保证钢梁和混凝土有效连接并改善其承载性能，在混合梁内部布置了体外预应力束，体外预应力的实际工作状态直接影响到混合梁的承载可靠性。但目前的检测方法和手段只能在钢束的张拉端测量张拉控制力的大小，属于宏观的测量，不能直接检测预应力钢束沿纵向各个位置的应力状况。体外预应力实际分布状态尤其是转向块及限位阻尼装置对预应力的影响尚不明确，难以量化。研究开发体外钢束预应力状态感知与识别技术可以有效提高桥梁体外预应力工程施工质量和服役能力。
[0003]目前，可用于测试钢束预应力状态且效果较好的技术有磁通量传感技术、振动频率识别方法、光纤光栅传感技术等。
[0004]磁通量传感技术可被用于检测预应力钢束应力状况，其原理是基于铁磁性材料的磁弹效应，当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应变，相应磁导率发生变化，通过测量磁导率变化，建立磁导率与应力关系，可计算出应力变化情况。磁通量传感器通过直接感应试件的磁特性变化测量应力，属于非接触测量，安装位置灵活，可置于塑料波纹管外面或直接与波纹管相连，可沿钢束长度方向的任意位置，并且具有量程不受限制，保证率高，不易破坏失效的优点，但其测试精度相对较低。磁通量传感器测量体内预应力的技术在南京葫芦鼎桥体内预应力检测、成都双流机场滑道桥体内预应力监测项目中都有应用。
[0005]振动频率识别法是测量拉索受力及体外束索力的另外一种行之有效的测试方法。准确测算索力的关键在于得到准确的拉索固有频率。不同于直接测量的方法，振动法测索力是目前测量斜拉桥索力最广泛采用的一种方法。在这种方法中，以环境振动或者强迫激励拉索，传感器记录下时程数据，并由此识别出索的振动频率，索力由测得的频率换算而间接得到。振动法测索力的关键在于通过现场振动实验准确地识别出索的固有频率。在进行桥梁等大型结构动力测试时，由于环境激励具有不需要激励设备，不影响使用等优点，成为普遍采用的动力测试方式。平稳随机环境激励下识别斜拉桥拉索频率的传统方法主要有功率谱频差法和基频法，然而通常由环境振动测试得到的功率谱的结果不是非常理想，尤其是低频部分，代表前几阶频率的峰值很容易混淆，导致真实的峰值有时不容易识别。
[0006]分布式光纤传感技术是利用光纤的连续特性进行测量，光纤既作传感元件，又作传输元件，可对光纤经过区的环境参数进行连续测量，获得被测空间分布状态和随时间变化的信息。从20世纪70年代发展至今，分布式光纤传感器主要包括准分布式光纤传感器(QDOFS)和全分布式光纤传感器(DOFS)。全分布式为连续测量法，整个光纤长度上任一点都是敏感点，属于“海量”测量，理论上传感距离任意长，空间分辨率任意小，检测没有盲区。光纤具有不受电磁干扰，灵敏度高，可靠性高，耐腐蚀，体积小等优点，已成为国际研究的热点。分布光纤传感器强度和柔度满足工程复杂环境要求，光纤既作传感器又作数据传输线路，耐久性较好。但是分布光纤传感器的测试精度较光栅传感器低，属于接触式测量方法，安装中易损坏。国际上光纤光栅传感技术研究始于20世纪70年代，通过在实际工程中安装光纤光栅传感器，获取结构状态信息。光栅传感器测试精度可达2?3μ ε，能满足预应力测试的要求。但传感器埋设过程中存在易损坏问题，即在预应力钢束受力产生变形的过程中，局部变形过大损坏光纤传感器和数据引线。1993年加拿大多伦多大学在卡尔加里的贝丁顿特雷尔桥(钢桁架)上布置光纤传感器，成功进行了桥梁结构应变监测。Nellen等(1999)首次将布拉格光栅传感器埋入到CFRP绞索中，测量了桥梁预应力索及预应力锚固端应变演变规律。我国吴忠黄河大桥施工监测也采用了光纤传感技术。但光栅传感器技术也属于接触式的测量方法，在复杂的施工环境中，很容易损坏。
【发明内容】
[0007]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种体外预应力钢束应力精确检测装置及方法，其能够弥补单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。
[0008]为达上述及其它目的，本发明提出一种体外预应力钢束应力精确检测装置，包括:
多个磁感传感器，各磁感传感器用于检测预应力钢束的磁通量，输出与应力成比例的电压至磁感数据采集装置；
磁感数据采集装置，用于将各磁感传感器输出的数据进行放大和模数转换后进行数字处理，并输出至控制系统；
振动传感器，用于测量所述预应力钢束在不同应力状态下的振动频率；
振动数据采集装置，连接振动传感器及控制系统，用于量化所述振动传感器的振动频
率；
控制系统，根据所述磁感数据采集装置输出的数据建立初始预应力钢束应力预测模型进而应用该模型对所述预应力钢束进行应力状况预测，并利用所述振动数据采集装置输出的振动频率对所述初始预应力钢束应力预测模型所预测的应力进行修正。
[0009]进一步地，每个磁感传感器包括传感器不锈钢套筒、环氧树脂封口、韧性PVC骨架、激励线圈、感应线圈、温度传感器及传感器导线，所述传感器韧性PVC骨架以轴为中心从内到外依次铺设所述感应线圈和所述激励线圈，最外层为所述传感器不锈钢套筒，所述传感器导线一端连接所述磁感传感器，另一端连接所述磁感数据采集装置的传感器接口。
[0010]进一步地，所述磁感数据采集装置为八通道数据采集装置，所述八通道数据采集装置包括主控制器、片选开关、传感器接口、滤波器、积分器、加法器、差分运算模块、AD转换模块、电压转换模块、放电电容、温度采集模块、控制开关、485接口，所述传感器接口具有八个，分别对应八个通道，各传感器接口与各磁感传感器连接，所述485接口，与控制系统连接，所述片选开关选择将8路传感器数据之一进行处理，所述滤波器用于滤除不需要的杂波，所述积分器用于在设定时间内对滤波后的电压进行积分，所述加法器用于去掉所述磁感传感器的输出中的直流偏置，所述差分运算模块对所述加法器的输出进行放大以提高输出电压幅度减小ADC误差，所述AD转换模块对放大后的电压进行模数转换以利于后续数字处理；所述主控制器控制所述片选开关，所述电压转换模块用于获得电压，所述放电电容用于将未选中的磁感传感器的电源接地进行放电，所述温度采集模块用于测量并采集温度。
[0011]为达到上述目的，本发明还提供一种体外预应力钢束的应力检测方法，包括如下步骤:
步骤一，对磁感传感器进行张拉试验机标定，获得初始磁感传感器标定公式，并在恒定拉力下改变温度获得温度测试值修正公式，将其代入所述初始磁感传感器标定公式得到修正后的磁感传感器标定公式；
步骤二，在体外预应力钢束穿束过程中将磁感传感器套在钢绞线外，在体外钢束穿束到位后安装振动传感器；
步骤三，采取张拉试验确定瞬时损失系数；
步骤四，体外钢束张拉前测定所述磁感传感器的无应力状态下积分电压数值，体外钢束张拉到设计应力时，对所述磁感传感器数据进行测试，通过前后数据测试，获取磁感传感器测试数据公式的参数，并将其取代修正后的磁感传感器标定公式中的常系数，获得初始预应力钢束应力预测模型；
步骤五，钢束张拉完成后，测试所述振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率；
步骤六，张拉后按照预定目标和测试时间测定所述磁感传感器的测值X及振动传感器数据；
步骤七，根据所述磁感传感器的测值X利用所述初始预应力钢束应力预测模型计算磁感传感器测试应力值，并利用所述振动传感器测试数据修正所述磁感传感器测试应力值，根据修正后的应力计算公式获得当前应力值。
[0012]进一步地，步骤一采用大于等于4个张拉力级别对磁感传感器进行标定，其进一步包括如下步骤:
利用磁感数据采集装置对所述磁感传感器进行数据采集控制和采集；
当所述磁感传感器对被测钢绞线磁化达到平稳后，采集稳定读数值；
根据各个张拉控制力级别的力值和磁感数据采集装置采集值进行曲线拟合，获得初始磁感传感器标定公式；
采用精确控温试验装置对所述磁感传感器进行温度标定，获得温度测试值修正公式；将所述温度测试值修正公式代入所述初始磁感传感器标定公式，得到修正后的磁感传感器标定公式。
[0013]进一步地，所述初始磁感传感器标定公式为
【权利要求】
1.一种体外预应力钢束应力精确检测装置，包括: 多个磁感传感器，各磁感传感器用于检测预应力钢束的磁通量，输出与应力成比例的电压至磁感数据采集装置； 磁感数据采集装置，用于将各磁感传感器输出的数据进行放大和模数转换后进行数字处理，并输出至控制系统； 振动传感器，用于测量所述预应力钢束在不同应力状态下的振动频率； 振动数据采集装置，连接振动传感器及控制系统，用于量化所述振动传感器的振动频率； 控制系统，根据所述磁感数据采集装置输出的数据建立初始预应力钢束应力预测模型进而应用该模型对所述预应力钢束进行应力状况预测，并利用所述振动数据采集装置输出的振动频率对所述初始预应力钢束应力预测模型所预测的应力进行修正。
2.如权利要求1所述的一种体外预应力钢束应力精确检测装置，其特征在于:每个磁感传感器包括传感器不锈钢套筒、环氧树脂封口、韧性PVC骨架、激励线圈、感应线圈、温度传感器及传感器导线，所述传感器韧性PVC骨架以轴为中心从内到外依次铺设所述感应线圈和所述激励线圈，最外层为所述传感器不锈钢套筒，所述传感器导线一端连接所述磁感传感器，另一端连接所述磁感数据采集装置的传感器接口。
3.如权利要求1所述的一种体外预应力钢束应力精确检测装置，其特征在于:所述磁感数据采集装置为八通道数据采集装置，所述八通道数据采集装置包括主控制器、片选开关、传感器接口、滤波器、积分器、加法器、差分运算模块、AD转换模块、电压转换模块、放电电容、温度采 集模块、控制开关、接口，所述传感器接口具有八个，分别对应八个通道，各传感器接口与各磁感传感器连接，所述接口，与控制系统连接，所述片选开关选择将8路传感器数据之一进行处理，所述滤波器用于滤除不需要的杂波，所述积分器用于在设定时间内对滤波后的电压进行积分，所述加法器用于去掉所述磁感传感器的输出中的直流偏置，所述差分运算模块对所述加法器的输出进行放大以提高输出电压幅度减小ADC误差，所述AD转换模块对放大后的电压进行模数转换以利于后续数字处理；所述主控制器控制所述片选开关，所述电压转换模块用于获得电压，所述放电电容用于将未选中的磁感传感器的电源接地进行放电，所述温度采集模块用于测量并采集温度。
4.一种体外预应力钢束的应力检测方法，包括如下步骤: 步骤一，对磁感传感器进行张拉试验机标定，获得初始磁感传感器标定公式，并在恒定拉力下改变温度获得温度测试值修正公式，将其代入所述初始磁感传感器标定公式得到修正后的磁感传感器标定公式； 步骤二，在体外预应力钢束穿束过程中将磁感传感器套在钢绞线外，在体外钢束穿束到位后安装振动传感器； 步骤三，采取张拉试验确定瞬时损失系数； 步骤四，体外钢束张拉前测定所述磁感传感器的无应力状态下积分电压数值，体外钢束张拉到设计应力时对所述磁感传感器数据进行测试，通过前后数据测试，获取磁感传感器测试数据公式的参数，并将其取代修正后的磁感传感器标定公式中的常系数，获得初始预应力钢束应力预测模型； 步骤五，钢束张拉完成后，测试所述振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率； 步骤六，张拉后按照预定目标和测试时间测定所述磁感传感器的测值X及振动传感器数据； 步骤七，根据所述磁感传感器的测值X利用所述初始预应力钢束应力预测模型计算磁感传感器测试应力值，并利用所述振动传感器测试数据修正所述磁感传感器测试应力值，根据修正后的应力计算公式获得当前应力值。
5.如权利要求4所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，步骤一采用大于等于4个张拉力级别对所述磁感传感器进行标定，其进一步包括如下步骤: 利用磁感数据采集装置对所述磁感传感器进行数据采集控制和采集； 当所述磁感传感器对被测钢绞线磁化达到平稳后，采集稳定读数值； 根据各个张拉控制力级别的力值和磁感数据采集装置采集值进行曲线拟合，获得所述初始磁感传感器标定公式； 采用精确控温试验装置对所述磁感传感器进行温度标定，获得所述温度测试值修正公式； 将所述温度测试值修正公式代入所述初始磁感传感器标定公式，得到所述修正后的磁感传感器标定公式。
6.如权利要求5所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，所述初始磁感传感器标定公式为
7.如权利要求6所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于:所述温度标定采用无应力状态传感器标定及采用体外钢束受应力状态下的传感器的标定，并将标定结果进行取平均值作为标定数据参数结果。
8.如权利要求6所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，步骤三还包括如下步骤: 在体外束锚固端锚具和承压板间布置测力传感器，使用常用的张拉千斤顶进行张拉，张拉完成瞬时，测试锚具和承压板间测力传感器的力值N1并记录； 张拉完成后一段时间后，待张拉及锚固滑移完全稳定后，测试所述测力传感器数值N2并记录； 通过计算公式
9.如权利要求8所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，步骤七还包括如下步骤:根据所述磁感传感器的测值X，代入到所述初始预应力钢束应力预测模型，进行计算，得到磁感传感器测试应力值I; 引入所述振动传感器测试数据来修正所述磁感传感器测试应力值，用频谱分析方法计算所述振动传感器测试数据得到当前测试时间测试体外钢束振动频率，对比张拉后瞬时频率值，利用修正后的应力计算公式计算获得当前应力值。
10.如权利要求9所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，所述修正后的应力计算公式为:
【文档编号】G01L1/12GK103528720SQ201310511252
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】郑毅, 张科超, 陈建璋, 李万恒, 傅宇方 申请人:交通运输部公路科学研究所