在役结构预应力原位检测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种在役结构预应力原位检测系统及方法，该检测系统包括可调信号源单元，高输入阻抗单元，A/D转换电路，电压测试处理显示单元，系统参数输入单元，阻抗匹配单元和放大单元。本发明把钢筋作为一端输入、一端终端开路的导体，电磁波在终端会发生反射，形成驻波，驻波的形成与电磁波在钢筋中的传播特性直接相关，该传播特性与钢筋磁导率直接关联，而钢筋的磁导率会随受力而发生变化，因此，端点驻留电磁波电压变化直接关联钢筋受力变化，并通过在钢筋中多个波长传播，驻波电压变化能被放大，最终把受力大小直接表现在开路终端的驻波电压变化上，实现绝对应力的电化表示，检测该电压便能直接获得钢筋所受的绝对应力。
【专利说明】在役结构预应力原位检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢筋的应力检测领域，具体涉及一种基于单线铁磁材料中慢速电磁波传输特性的在役结构预应力原位检测系统及方法。
【背景技术】
[0002]预应力结构具有性能好、重量轻等优点已成为如桥梁、大坝等建筑结构的首选手段。预应力梁承重性决定了这些结构的使用寿命，同时预应力也是外化损伤的内驱力，如由于内部应力变化，使得桥梁开裂，挠度变大甚至断裂坍塌等，实时检测桥梁等结构中钢筋的内在应力就变得特别重要，它能具体了解和实时监测其内在预应力损失，感知桥梁内在性能，也是长期监测桥梁监测健康状况的重要手段。
[0003]目前检测和监测应力的主要技术有声传感器技术、磁通量技术、微压痕技术以及光纤传感器技术等。声传感阵列检测利用超声波信号在材料中发射、衍射过程中出现的传播速度、幅度、频谱等变化，测试获得结构应力、损伤等状或利用声检测阵列元件拾取材料变化时产生的特征声信息，确定声源位置、大小，进而确定预应力束锈蚀与断丝等，但是，声阵列在测试精度上存在一定的问题，在实际测试时存在较大的难度，距离工程实际还有较大差距。压痕阵列检测使用显微光学成像、电磁测深、力-位移检测等手段，通过在微细刚性材料阵列压入受测材料时，测定受测材料对微纳阵列压入的抵抗能力及反应情况，确定受测材料各种力学性质。但在预应力钢筋千兆帕级受力状态下确定应力状态的压痕测试方法及检测理论尝无确定结果，并且在测试过程中对结构有一定的损伤。光纤传感技术采用在建造预应力梁时把布拉格光栅传感器预埋进预应力仝内部的方法来实现其检测功能，该方法在桥梁建设初期能很好的检测其桥梁的应力变化，但随着时间的推移，其传感器老化加剧，测量的准确性便会产生很大的变化；另外如果传感器损坏，几乎不能进行更换和维修，同时由于传感器建造在结构体内部，会对结构体的一些特性形成破坏，这也增加了检测结果的不确定性。钢材在施工或使用过程中，其材性或受力状态的变化必将导致其内部微观组织结构发生变化，从而使其电磁效应发生改变，利用钢材的电磁效应就可研究其实时应力分布及损伤等与其电磁特性变化的一般规律。关于铁磁构件损伤和应力的磁性无损检测，目前取得了可信的研究成果，但这些研究集中在航空航天、机械、石油等领域，主要是针对均质钢结构铁磁构建损伤和应力的磁性无损定性检测，而在土木工程、桥梁工程领域，针对多股钢绞线总体损伤和内力分布的电磁无损检测，研究甚少；另外当前的拉索倾向去采用钢保护套，这样磁场穿透变差，测试效果变坏；同时该方法对于混凝土预应力钢梁中钢筋受力，因体积过大无法加载磁性选全而无法采用；再次，对于在役预结构应力测试，因结构已经安装在指定位置，磁性线圈同样无法加载而不能使用。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用磁性材料的磁导率与受力具有直接的关系这一物理现象而提出的一种全新的基于单线磁性材料中电磁波在钢筋上传播形成驻波的特性来实现对预应力钢筋的应力进行直接检测的检测系统及检测方法。
[0005]本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，在役结构预应力原位检测系统，包括:可调信号源单元，与预应力钢筋的输入端连接，用于输出不同频率和相位的电磁波，以满足不同长度不同粗细的预应力钢筋的阻抗要求；高输入阻抗单元，与预应力钢筋的输出端连接，使钢筋等效为开路状态；峰值检波单元，连接在高输入阻抗单元的输出端处，用于提取出输出端的驻波峰值电压；A/D转换电路，将峰值检波单元输出的驻波峰值电压转变成数字信号；电压测试处理显示单元，把对应的电压值等效显示成具体的受力大小；系统参数输入单元，与电压测试处理显示单元连接，把对应的钢筋的物理尺寸与电参数输入电压测试处理显示单元，用于计算获得钢筋所受应力。
[0006]进一步，所述电参数包括半径大小、钢筋的材料混合比例以及相因的未受力的节点常数、电导率和磁导率。
[0007]进一步，该检测系统还包括放大单元，所述放大单元用于放大可调信号源单元输出的信号并将可调信号单元输出的信号导入到预应力钢筋的输入端。
[0008]进一步，该检测系统还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元的输入端与放大单元的输出端连接，阻抗匹配单元的输出端与预应力钢筋的输入端连接，用于使电磁波在预应力钢筋的输入端不发生反射。
[0009]进一步，预应力钢筋的输入端不发生反射包括信号源到钢筋上，以及钢筋输出端反射回来的信号不再发生反射。
[0010]本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，使用在役结构预应力原位检测系统进行原位检测的检测方法，具体包括以下步骤:
[0011]S1:基本校验与标定；
[0012]Sll将阻抗匹配单元与钢筋的一端连接，将高输入阻抗单元与钢筋的另一端连接；
[0013]S12通过系统参数输入单元输入钢筋在未受力时的磁导率；
[0014]S13调节信号源的频率和相位，首先使得信号输出时相位为O ;调节信号频率，使得输出端电压达到最大值，即获得最大的反射，形成最大的驻波；
[0015]S14根据不同钢筋的型号与粗细，制定相应的频率表和对应的磁导率表；
[0016]S2:绝对应力测试；
[0017]S21根据步骤S14中制定的频率表设定信号源频率，并输入相应的磁导率；
[0018]S22记录此时输出端驻波信号幅度；
[0019]S23调节信号源频率，使得输出驻波电压降低到最低，记录下当前频率，然后计算出驻波在钢筋上的个数；
【权利要求】
1.在役结构预应力原位检测系统，其特征在于:包括 可调信号源单元，与预应力钢筋的输入端连接，用于输出不同频率和相位的电磁波，以满足不同长度不同粗细的预应力钢筋的阻抗要求； 高输入阻抗单元，与预应力钢筋的输出端连接，使钢筋等效为开路状态； 峰值检波单元，连接在高输入阻抗单元的输出端处，用于提取出输出端的驻波峰值电压； A/D转换电路，将峰值检波单元输出的驻波峰值电压转变成数字信号； 电压测试处理显示单元，把对应的电压值等效显示成具体的受力大小； 系统参数输入单元，与电压测试处理显示单元连接，把对应的钢筋的物理尺寸与电参数输入电压测试处理显示单元，计算获得钢筋所受应力。
2.根据权利要求1所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于:所述电参数包括半径大小、钢筋的材料混合比例以及相因的未受力的节点常数、电导率和磁导率。
3.根据权利要求1所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于:该检测系统还包括放大单元，所述放大单元用于放大可调信号源单元输出的信号并将可调信号单元输出的信号导入到预应力钢筋的输入端。
4.根据权利要求3所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于:该检测系统还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元的输入端与放大单元的输出端连接，阻抗匹配单元的输出端与预应力钢筋的输入端连接，用于使电磁波在预应力钢筋的输入端不发生反射。
5.根据权利要求4所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于:预应力钢筋的输入端不发生反射包括信号源到钢筋上，以及钢筋输出端反射回来的信号不再发生反射。
6.利用权利要求5所述的检测系统进行检测的方法，其特征在于:具体包括以下步骤: S1:基本校验与标定； Sll将阻抗匹配单元与钢筋的一端连接，将高输入阻抗单元与钢筋的另一端连接； S12通过系统参数输入单元输入钢筋在未受力时的磁导率； S13调节信号源的频率和相位，首先使得信号输出时相位为O ;调节信号频率，使得输出端电压达到最大值，即获得最大的反射，形成最大的驻波； S14根据不同钢筋的型号与粗细，制定相应的频率表和对应的磁导率表； S2:绝对应力测试； S21根据步骤S14中制定的频率表设定信号源频率，并输入相应的磁导率； S22记录此时输出端驻波信号幅度； S23调节信号源频率，使得输出驻波电压降低到最低，记录下当前频率，然后计算出驻波在钢筋上的个数；Λ(/2 丨/4其中:[]为取整算符，η为整数，η为驻波在钢筋
_ 4(/2 ~ f\) _上的个数，fi为最大驻波时频率，f2为最小驻波时频率； S24输入η值到电压测试处理显示单元； S25计算获得相应的绝对应力；J=W桃匕))，其中:δ
{η + \ΙΑ)Αβ{)Αιημ-为钢筋所受绝对应力，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ ^为真空中的磁导率，Stl为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λ rn为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数，Vffl为不加力的值，是事先做好的标称值，V为拉伸发生后的电压； S3:预应力损失监测； S31根据对应钢筋参数设定磁导率与频率； S32按照步骤S2测试一次驻波电压； S33给定时间间隔再测试一次驻波电压； S34根据计算公式直接计算应力变化，与设定值比较获得预应力损失即预应力变化:
【文档编号】G01L1/12GK103557973SQ201310590354
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】张奔牛, 郑博仁 申请人:重庆交通大学