专利名称：压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器及其压磁应变仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器及其压磁应变仪，属于钢筋混凝土工程结构应变和应力的电测技术领域。
背景技术：
混凝土和钢筋应变(应力)测量是所有大型钢筋混凝土结构强度检测或安全评 估必须进行的检测项目。目前国内外最普遍的方法是电阻应变测量法，即在混凝土表面贴 电阻应变片，或用电阻应变片制成的测量元件埋入混凝土中来进行应变测量，再根据混凝 土的弹性模量算出结构的应力。这种方法的最大问题是温度、湿度、水潮……等环境因素 对测量结果的巨大影响，特别是对量值较小的拉应变测量造成不能容忍的测量误差。近年 来随着光纤技术的发展，使光纤传感器在本领域里得到越来越多的研究和应用。中国专利 CN100449261C公开的“可更换的埋入式光纤应变传感器”、CN1869582A公开的“光纤光栅增 减敏应变传感器设计方法与制作工艺”就是一组典型的实例。这些专利虽然对其原理和结 构都有详尽的论述。但未能提供灵敏度和测量精度以及使用效果等重要的数据，其可靠性 和实用性尚不可知。影响光纤传感器的因素较多，传感器和检测设备昂贵，因此急需研发新 的更可靠的传感器及相应的检测设备和检测技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种压磁涡耗式钢筋混凝土应变传 感器及其压磁应变仪，其特点是采用压磁涡耗效应为传感机制研制成功的，用于表面应变、 内应变和钢筋应变测量的压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器及其压磁应变仪，该传感器设 计了双弹性自由端组合悬臂梁或悬臂曲梁的力学模型和变形结构；应用了整体加工和锥孔 连接的无间隙连接技术以及分量分离的信号处理方法。本发明者发现在一个铁磁体和一个通电线圈组成的磁路中，铁磁体受力产生的机 械变形所引起的导磁率变化，不仅能改变线圈的电感及其阻抗，而且更能显著地改变铁磁 体的涡流损耗(涡耗)特性。由于人们已经把前者称为“压磁效应”，所以为示区别，发明者 把后者称为“压磁涡耗效应”。初步研究表明，后者的灵敏度比前者高得多，几乎是前者的 3 5倍(识铁磁体种类而定)。虽然限于条件，本发明还没有弄清压磁涡耗效应的微观机 制，但大量的宏观试验和分析证明了它的客观存在，并且将在非电量测量领域里开辟了一 条全新的途径。本发明以压磁涡耗效应为传感机制研制而成的压磁涡耗式应变传感器，与现有的 以压磁效应为传感机制的压磁式传感器相比不仅具有许多更优越的技术性能，而且从本质 上是完全不同的。现有的压磁式传感器利用铁磁材料机械变形产生的电感变化，不仅没有 认识到压磁涡耗效应的极大效益，而且常常采用叠层铁芯等措施把涡耗作为一个负面因素 来处理。本发明的目的由以下技术措施实现
压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器包括铁磁体、与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂梁、铁氧体线圈、锥孔与锥体配合连接的铁磁体脚标、定位孔、制动螺钉 和出线电缆插头，铁氧体线圈是用环氧树脂粘接在铁磁体的框架上，并位于悬臂梁固端的 中心线上，保持线圈铁芯与悬臂梁表面之间的间隙为0. 1 0. 15mm。双弹性自由端组合悬臂梁为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S形弹性自由 端的组合悬臂梁。应变传感器包括铁磁体、与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂曲 梁、铁氧体线圈、端头、出线电缆插头、带有环糟的铝合金外壳和环氧密封。铁氧体线圈是用 环氧树脂胶粘结在铁磁体的框架上，并位于悬臂曲梁固端的直段中心线上，保持线圈铁芯 与曲梁表面之间的间隙为0. 1 0. 15mm，带有环槽的铝合金外壳和双弹性自由端组合悬臂 曲梁构成了 一种外承式传感器结构。双弹性自由端组合悬臂曲梁为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S型弹性自 由端的组合悬梁曲梁。应变传感器包括铁磁体、与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂曲 梁、铁氧体线圈、橡胶密封圈、基脚螺钉、铝合金外壳、硅橡胶密封隔离层、出线电缆插头和 端盖。铁氧体线圈是用环氧树脂胶粘结在铁磁体的框架上，并位于悬臂曲梁固端的直段中 心线上，保持线圈铁芯与曲梁表面之间的间隙为0. 1 0. 15mm。双弹性自由端组合悬臂曲梁为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S形弹性自 由端的组合悬臂曲梁。压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器的压磁应变仪依次由标准正弦波发生器、预调 平衡电路、传感器测量电路、放大器电路、相干检波器电路、A/D转换器电路和输出显示器电 路连接构成。为了使传感器具有优良的力学性能和实现压磁涡耗效应的变形结构，本发明设计 了一种“双弹性自由端组合悬臂梁”的力学模型和相应的变形结构，使双梁等同于两根真实 的悬臂梁，既能实现谐调变形而不产生任何附加位移，又能提供差动变形的半桥互补偿机 制。在设计混凝土内埋应变传感器和钢筋应变传感器时，为了减小结构尺寸，本发明又设计 了 “双弹性自由端组合悬臂曲梁”更好地满足了内应变和钢筋应变测量技术要求。由于传感器工作时，压磁效应和压磁涡耗效应同时产生，测量桥路的输出信号中， 包含了两种效应的信号分量，而且分别集中在输出信号的虚部和实部。为此本发明采用了 “分量分离”的措施把它们分离并分别处理，最后采用实部的压磁涡耗效应信号分量作为传 感器的输出，从而基本上消除了压磁效应的影响。为了提高系统的稳定性，本发明设计了“标准正弦波发生器”，采用单片机控制的 精密D/A转换器产生的阶梯波来逼近标准正弦波的方法，给出了一个高精度、高稳定的交 流电源作为测量桥的桥源。本发明设计了外承式混凝土内埋应变传感器结构，其测点应变由内设压磁涡耗式 应变传感器测定，但其应力由铝合金外壳来承受。根据变形谐调条件，外壳的应变和混凝土 的应变是相同的，因此我们不需混凝土的弹性模量，只需铝合金弹性模量(可事前精确测 定的常量)就可直接折算出混凝土的应力，从而消除了混凝土弹性模量带来的测量误差以 及标定和运行状态不同带来的差异。另外考虑到混凝土的非均勻性，本发明设计传感器的测量标距为12cm，基本上是混凝土平均骨料粒径的2 3倍，这不仅克服了骨料分布不均的 缺陷，而且拉压应力均可测定。为了有效地隔离钢筋与混凝土的变形和保护传感器不受混凝土浇注时的机械损 伤，在设计钢筋应变传感器时，采用了铝合金外壳和硅橡胶隔离层。由于硅橡胶材质细密、 弹性模量低、弹性变形大，几乎完全不会约束强劲的钢筋变形，从而达到有效隔离的目的。 考虑到混凝土及钢筋断面的不均勻性及安装件的影响，我们设定钢筋应变传感器的测量标 距为10cm。性能测试1、线性测量范围位移0. 00005 0. Imm应变 0. 4 1000 μ ε2、测量误差不超过2%3、传感器灵敏系数标距 IOcm 12cm 14cm灵敏系数 96 116 1354、应变仪灵敏系数50、100、150、2005、分辨率位移 0. 00005mm6、稳定性8小时零点漂移一0以上性能可根据不同的测量要求作适当地调整，比如适当降低灵敏度可大幅扩展 线性测量范围。本发明具有如下优点1、本发明传感器具有极高的灵敏度。其灵敏系数几乎是电阻应变片的70倍，是压 磁传感器的3 5倍。如有必要，其值还可以成倍地提高。2、本发明具有极好的稳定性和可靠性。在连续工作8小时的情况下，其零点漂移 几乎为“0”。特别适合于结构的长期观测。3、涡流损耗是纯电阻性质的阻抗，测量桥的输出具有很好的线性，使本发明的线 性得到进一步的扩展和提升。4、双弹性自由端组合悬臂梁(含悬臂曲梁)以及无间隙锥孔连接和定位粘结等安 装措施，保证了传感器运行中不产生任何附加位移，从而极大地提高了测量精度。5、分量分离措施把压磁效应和压磁涡耗效应两种分量分离并分别处理，基本上消 除了压磁效应的影响，建立起了单一的压磁涡耗效应分量和被测量的直接关系。6、高精度高稳定的交流桥源保证了压磁应变仪的高稳定性，只要灵敏系数测选得 当，其现场测量误差一般不会超过5 %。7、外承式混凝土内埋应变计测得应变后，不需混凝土弹性模量就能直接折算出混 凝土应力。8、本发明结构简单、造价低廉、使用方便。特别是表面应变传感器还是装卸式的长期使用的工具型传感器，每支都可长期反复装卸重复使用，大幅度减少检测成本。
图1为压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器之一图2为图1的俯视图
1.铁磁体，2.双弹性自由端组合悬臂梁，3.铁氧体线圈，4.锥孔与锥体配合连接铁磁体的脚标，5.定位孔，6.制动螺钉，7.出线电缆插头。图3为压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器之二1.铁磁体，2.双弹性自由端组合悬臂曲梁，3.铁氧体线圈，4.端头(带标定及埋 设用螺孔)，5.出线电缆，6.带有环槽的铝合金外壳，7.环氧密封图4为应变传感器之二埋设示意图1.应变传感器，2.连接杆，3.构造钢筋，4.焊接点图5为压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器之三1.铁磁体，2.双弹性自由端组合悬臂曲梁，3.铁氧体线圈，4.橡胶密封圈，5.基脚 螺钉，6.铝合金防护外壳，7.硅橡胶密封隔离层，8.出线电缆，9.端盖图6为应变传感器之三安装示意图1.应变传感器，2.钢筋，3.定位卡，4.调节螺钉，5.焊接点，6.环氧胶合层图7为压磁应变仪基本单元框图1.标准正弦波发明器，2.预调平衡电路，3.传感器测量电路，4.放大器电路，5.相 干检波电路，6. A/D转换电路，7.输出显示图8为压磁应变仪测量电路9为压磁应变仪电路图
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于 对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员 可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。实施例压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器之一如图1所示，该应变传感器包括铁磁体1、 与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂梁2、铁氧体线圈3、锥孔与锥体配合连 接的铁磁体脚标4、定位孔5、制动螺钉6和出线电缆插头7。其中，双弹性自由端组合悬臂 梁为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S形弹性自由端的组合悬臂梁。组装时，首先 将铁氧体线圈3用环氧树脂粘接在铁磁体的框架上，并位于悬臂梁固端的中心线上，保持 线圈铁芯与悬臂梁表面之间的间隙为0. 1 0. 15mm，然后将脚标、制动螺钉以及出线电缆 及插头部件装上即可。测量时，用环氧树脂胶把传感器脚标粘结在事先处理好的测点表面 上，并通过定位孔用木螺钉拧入事前在定位孔下面预埋的塑料膨胀螺钉中将传感器临时固 定。待环氧胶完全固化后，取出临时固定木螺钉、松开制动螺钉、接好应变仪就可进行测试。压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器之二如图2所示，该应变传感器包括铁磁体1、 与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂曲梁2、铁氧体线圈3、端头4、出线电缆 插头5、和带有环糟的铝合金外壳6、环氧密封7、组装时，将铁氧体线圈3用环氧树脂胶粘 结在铁磁体的框架上，并位于悬臂曲梁固端的直段中心线上，保持线圈铁芯与曲梁表面之 间的间隙为0. 1 0. 15mm,带有环槽的铝合外壳6和双弹性自由端组合悬臂曲梁2构成了 一种外承式传感器结构。其中，双弹性自由端组合悬臂曲梁为两根一端固定，一端带有半圆 形、U形或S形弹性自由端的组合悬臂曲梁。最后按图所示，把其余部件分别装在铁磁体上，构成一个完整的外承式混凝土应变传感器。测量时，如图三所示，将连接杆带有螺纹的一端 拧进传感器的端头，另一端焊接在测点附近的构造钢筋上，把传感器支撑在测点的待测应 变方向上。如测定平面应力或三向应力状态，可如法布置成应变花。在混凝土浇注到结构安 装运行的全过程中都可进行应变测量。这种外承式结构传感器测出混凝土应变后，不需混 凝土的弹性模量，只需利用混凝土和承载外壳的变形谐调条件就可折算出混凝土的应力。压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器之三如图4所示，该应变传感器包括铁磁体1、 与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂曲梁2、铁氧体线圈3、橡胶密封圈4、基 脚螺钉5、铝合金外壳6、硅橡胶密封隔离层7、出线电缆插头8和端盖9，其中，双弹性自由 端组合悬臂曲梁为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S形弹性自由端的组合悬臂曲 梁。组装时，将铁氧体线圈3用环氧树脂胶粘结在铁磁体的框架上，并位于悬臂曲梁固端的 直段中心线上，保持线圈铁芯与曲梁表面之间的间隙为 0. 1 0. 15mm。然后将其余部件装 在铁磁体上，并用硅橡胶密封隔离构成一个完整的钢筋应变传感器。测量时首先将事前根 据待测钢筋尺寸加工好的定位卡焊接在被测钢筋上，如图5所示，其中心间距正好是该传 感器标距10cm。然后将传感器基脚螺钉自由地(不受约束)放入其直径稍大的卡孔中，借 助应变仪的指示调整调节螺钉，在保证传感器“零点，，不变的条件下，锁紧调节螺钉并浇入 环氧胶封死，待24小时，环氧胶固化后，就可浇注混凝土，开始测试。压磁应变仪的框图如图6所示该压磁应变仪依次由标准正弦波发生器1、预调平 衡电路2、传感器及测量电路3、放大器电路4、相干检波器电路5、A/D转换器电路6和输出 显示器电路7连接构成。传感器测量电路如图7所示，测量电路是由安装在传感器双梁外侧或内侧固端的 两个铁氧体磁芯线圈和双梁铁磁体组成的半桥互补偿电路，该电路由铜耗电阻R1、涡耗电 阻R2和线圈电感L2组成的外半桥，通过A、B、C三点与应变仪内两组预调电阻R3、R4组成的 内半桥连接构成。预调平衡电路2由电阻粗调R2tl R29，电感粗调L2,电阻细调W3和电感细调W2,组 成，并以D点为中心与桥路电源端A、C连接，通过调节使传感器未工作时，测量桥处于平衡 状态，电桥输出为零。标准正弦波发生器1采用单片机89C51控制的精密D/A转换器0832产生的阶梯 波来逼近标准正弦波的方法，给出一个高精度高稳定的交流电源，0832的输出经一级RC滤 波，一级LC滤波和功率放大后向测量电路提供2KH2，IV的电源，从测量电路A、C端引入。放大器电路4由放大倍数受灵敏系数开关K3控制的由两个LF356组成的正反相 放大器构成。测量电路的输出径LC滤波器将其非线性产生的谐波成分减少后送入放大器 放大。相干检波电路由单片机89C51控制的多路开关4052构成。由放大器放大后产生 的正反两路信号同时送入相干检波器电路完成检波和分量分离。把集中于实部的压磁涡耗 效应信号分量和集中于虚部的压磁效应信号分量分离出来。为保证电路的电气隔离，89C51 的控制信号不是直接，而是通过7406驱动的光电耦合器4N28接入相干检波电路。A/D转换器电路6由7135双积分A/D构成。经分离后的任意分量的直流电压，均 可通过面板上的转换开关的选择并送入A/D转换器进行A/D转换，将-2V+2V的直流电压变 成-19999 +19999的四位半数字结果。
输出显示器电路7由7135、1413、4511和LED器件构成。它利用7135的扫描功能，通过1413和4511驱动，对6个LED数码管进行扫描，在面板上显示四位半数字加一个符号 的结果数据。系统运行时，各种传感器的控制标距的脚标、端头和基脚螺钉等装置是和被测物 体(混凝土表面、内部或钢筋)紧密结合在一起的。当结构在荷载作用下产生应力时，传感 器标距就会改变并产生位移，从而带动双悬臂梁(含曲梁)，使其装有电感线圈的部位出现 大小相等符号(拉压)相反的机械变形。此时在线圈和铁磁体构成的磁回路中，压磁涡耗 效应和压磁效应同时产生，其信号经测量桥路输出，再经应变仪分离后，得到纯压磁涡耗效 应信号分量输出，从而建立起被测位移和应变仪测量读数的线性关系，再经标定和计算就 得被测结构各部位的应变和应力，达到结构检测的最终目的。
权利要求
压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器，其特征在于该应变传感器包括铁磁体(1)、与铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂梁(2)、铁氧体线圈(3)、锥孔与锥体配合连接的铁磁体脚标(4)、定位孔(5)、制动螺钉(6)和出线电缆插头(7)，铁氧体线圈(3)是用环氧树脂粘接在铁磁体的框架上，并位于悬臂梁固端的中心线上，保持线圈铁芯与悬臂梁表面之间的间隙为0.1～0.15mm。
2.如权利要求1所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器，其特征在于双弹性自由端组 合悬臂梁(2)为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S形弹性自由端的组合悬臂梁。
3.压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器，其特征在于该应变传感器包括铁磁体(1)、与 铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂曲梁(2)、铁氧体线圈(3)、端头(4)、出线 电缆插头(5)、带有环糟的铝合金外壳(6)和环氧密封(7)，铁氧体线圈(3)是用环氧树脂 胶粘结在铁磁体的框架上，并位于悬臂曲梁固端的直段中心线上，保持线圈铁芯与曲梁表 面之间的间隙为0.1 0.15mm，带有环槽的铝合外壳(6)和双弹性自由端组合悬臂曲梁(2)构成了一种外承式传感器结构。
4.压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器，其特征在于该应变传感器包括铁磁体(1)、与 铁磁体整体加工在一体的双弹性自由端组合悬臂曲梁(2)、铁氧体线圈(3)、橡胶密封圈 (4)、基脚螺钉(5)、铝合金外壳(6)、硅橡胶密封隔离层(7)、出线电缆插头(8)和端盖(9)， 铁氧体线圈(3)是用环氧树脂胶粘结在铁磁体的框架上，并位于悬臂曲梁固端的直段中心 线上，保持线圈铁芯与曲梁表面之间的间隙为0. 1 0. 15mm。
5.如权利要求3或4所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器，其特征在于双弹性自由 端组合悬臂曲梁(2)为两根一端固定，一端带有半圆形、U形或S形弹性自由端的组合悬臂 曲梁。
6.如权利要求1 5之一所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器的压磁应变仪，其 特征在于该压磁应变仪依次由标准正弦波发生器(1)、预调平衡电路(2)、传感器测量电路(3)、放大器电路(4)、相干检波器电路(5)、A/D转换器电路(6)和输出显示器电路(7)连 接构成。
7.如权利要求6所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器的压磁应变仪，其特征在于传 感器测量电路(3)是由安装在传感器双梁外侧或内侧固端的两个铁氧体磁芯线圈和双梁 铁磁体组成的半桥互补偿电路，该电路由铜耗电阻R1、涡耗电阻R2和线圈电感L2组成的外 半桥，通过A、B、C三点与应变仪内两组预调电阻R3、R4组成的内半桥连接构成。
8.如权利要求6所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器的压磁应变仪，其特征在于预 调平衡电路(2)由电阻粗调R2tl R29、电感粗调L2、电阻细调w3，电感细调w2，组成，并以D 点为中心与桥路电源端A、C连接，通过调节使传感器未工作时，测量桥处于平衡状态。
9.如权利要求6所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器的压磁应变仪，其特征在于标 准正弦波发生器(1)采用单片机89C51控制的精密D/A转换器0832产生的阶梯波来逼近 标准正弦波的方法，给出一个高精度高稳定的交流电源，0832的输出经一级RC滤波，一级 LC滤波和功率放大后向测量电路提供2KHz，IV的电源，从电路A、C端引入。
10.如权利要求6所述压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器的压磁应变仪，其特征在于 相干检波电路(5)是由单片机89C51控制的多路开关4052构成，由放大器放大后产生的正 反两路信号，同时送入相干检波器电路完成检波和分量分离，把集中于实部的压磁涡耗效应 信号分量和集中于虚部的压磁效应信号分量分离出来，为保证电路的电气隔离，89C51的 控制信号不是直接，而是通过7406驱动的光电耦合器4N28接入相干检波电路。
全文摘要
本发明公开了一种压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器，其特点是采用压磁涡耗效应为传感机制研制成功的，用于表面应变、内应变和钢筋应变测量的压磁涡耗式钢筋混凝土应变传感器及其压磁应变仪，该传感器设计了双弹性自由端组合悬臂梁或悬臂曲梁的力学模型和变形结构；应用了整体加工和锥孔连接的无间隙连接技术以及分量分离的信号处理方法。与现有技术相比，它具有灵敏度高、稳定性好、测量误差小、可靠性强、结构简单、造价低廉、使用方便的特点和广阔的应用前景。
文档编号G01B7/24GK101806577SQ20101015153
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者何思龙, 陈孟诗, 黄先应 申请人:何思龙