CN101201275B - 测力传感器及用于测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种测力传感器及其用于测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法，该传感器包括由带空腔的刚性储液承压体和装在刚性储液承压体空腔中的惰性液体组成的复合弹性体，油嘴座固定在刚性储液承压体上，一端开孔与惰性液体相通，油嘴座另一端直接或间接地安装一个测量元件，该测量元件与外接测量电路相连通，所述测力方法是使外力的一部分由复合弹性体中的刚性储液承压体承受，另一部分由复合弹性体中的惰性液体来承受，测量电路通过测量元件送出的电信号测量惰性液体液压的变化，利用计算方程：Y＝AX2+BX-C算出或查图得出传感器所受外力的大小。该测力传感器高度低、外径小、体积小、长期稳定性好，受环境影响小；其测力方法简单可靠。

Description

测力传感器及用于测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法
技术领域：
本发明涉及一种测力传感器，特别是预应力锚索和桥梁支座监测用测力传感器及用于测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法。
背景技术：
随着预应力技术的发展，预应力技术在很多大型工程建设如桥梁拉索、预应力混凝土、环向加固及岩土锚固等方面得到大量应用，而作为重要承重构件的锚索，其使用状况关系到结构的安全运行与使用寿命。然而，目前国内外大多数结构锚索都未进行有效的监控监测，锚索基本上处于一种模糊使用状态，之所以出现这种情况，一个很重要的原因就是没有满足要求的传感器。
现有用于测量锚索的传感器有两种，其一是应变片式测力传感器，即在钢制应力环上贴若干应变片，其原理是当应力环受外力作用时，应变片的电阻会变化，测出其变化便可换算出所受外力的大小，其存在的缺点为：(1)高度太高(300mm以上)，即占用锚索轴向长度太大，需较大结构安装空间，且不美观；(2)长期稳定性差，传感器受环境(温湿度等)影响较大，需定期标定，不能达到长期监测要求；(3)传感器采用硅胶等粘合剂固定贴应变片，在长期使用中粘合剂容易失效，使整个传感器失去功能。(4)对安装条件要求较高，当负载出现偏载、受压面不平及接触面不够大时，精度影响很大。
另一种传感器为振弦式传感器，其原理是采用类似千斤顶结构，油缸中灌满黄油，振弦棒安在油缸外壁上与缸内黄油接触，外力压在活塞上时使缸内黄油油压变大，引起振弦棒内振弦变化，从而测出外力大小。振弦式传感器的主要缺点在于：(1)寿命短，传感器采用橡胶制品密封，而橡胶制品在压力下寿命不超过5年，当橡胶密封圈失去密封性时，会使整个传感器失效；(2)体积大，由于采用密封圈密封高度高，缸内压力一般在50MPa以下，所以受压面积一般要比锚索螺母或锚板大几倍。(3)长期稳定性差。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种高度低、外径小、体积小、长期稳定性好，受环境影响小的预应力锚索及桥梁支座监测用测力传感器，以解决已有传感器高度高、体积大、长期稳定性差、不能在正常使用负载的情况下，更换测量元件等问题，并提供了运用该测力传感器测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法。
解决其上述技术问题的技术方案是：一种测力传感器，该传感器包括由带空腔的刚性储液承压体和装在刚性储液承压体空腔中的惰性液体组成的复合弹性体，油嘴座固定在刚性储液承压体上，一端开孔与惰性液体相通，油嘴座另一端直接或间接地安装一个能将液压变化转换成电信号变化的测量元件，该测量元件与一外接测量电路相连通。
本发明的进一步技术方案是：油嘴座通过连接管与截止阀相连，截止阀上装有一个能将液压变化转换成电信号变化的测量元件，该测量元件与一外接测量电路连通，截止阀内有一两端带有锥形密封杆的截止阀杆，其一端套有定位弹簧，截止阀的另一端连有带内螺纹的顶杆连接套，其内装有一带弹簧的顶杆装置。
本发明的另一技术方案是：一种测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法，它是采用本发明上述的测力传感器，使外力的一部分由复合弹性体中的刚性储液承压体承受，另一部分由复合弹性体中的惰性液体来承受，测量电路通过测量惰性液体液压的变化，利用计算方程；Y＝AX2+BX-C算出或查表得出传感器所受外力的大小；
上式中：Y表示预应力锚索和桥梁支座监测压力、单位KN，
X表示电流或电压值、单位mA或mV；
A、B、C是常数，不同规格的传感器在不同工作条件下，A、B、C数值不同，应根据标定数据进行计算。
由于采用上述技术方案，本发明测力传感器的有益效果是：
一、高度小、外径小、体积小，总高度在100mm以下：
由于本发明之测力传感器由刚性储液承压体和装在刚性储液承压体空腔中的惰性液体一起组成复合弹性体，当外力通过导力板作用在复合弹性体会使惰性液体液压变大，而该液压的大小除了与外力大小有关外，还与储液承压环的弹性有关，而储液承压环的弹性可以通过调整其壁厚(即惰性液体与导力板之间的距离)来调节，也就是说外力的一部分是复合弹性体中的钢结构承受，另一部分由复合弹性体中的液压来承受，这样在储液承压环外径不变的情况下，可实现复合弹性体承压很大的外力，而其中的惰性液体液压并不大，这样就解决了要求传感器体积小、外径小、高度也很小的问题，所有吨位的传感器都可以做到高度在100mm以下。
二、由于刚性储液承压体是密闭的，其油嘴座固定在刚性储液承压体外圆周上，并开孔与惰性液体相通，油嘴座通过连接管与截止阀相连，截止阀上装有测量元件，测量元件可外接测量电路，测量电路通过测量元件送出的电信号测量惰性液体液压的变化算出传感器所受外力的大小，因而，其长期稳定性好，受环境影响小。
三、在正常使用负载的情况下，可以更换测量元件。本发明通过加接一个阀内有一带截止阀杆可以两端密封的截止阀，在正常使用时它在定位弹簧的作用下，堵住截止阀中通往顶杆装置的孔，使惰性液体不外泄，当传感器在使用过程中遇到特殊情况需更换测量元件时，旋紧顶杆装置，截止阀杆顶开定位弹簧，堵住连接管通往截止阀的孔，然后拆下测量元件，更换新的测量元件。
四、其测量方法简单、实用，传感器寿命长，可更换测量元件，适合长期监测。
由于以上特点，本发明之测力传感器比现有的传感器更能满足长期监测锚索索力及桥梁支座压力等类似结构的测力所要求的结构、性能、安装方面的要求。
下面，结合附图和实施例对本发明之测力传感器及用于测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明：
图1：适用于监测锚索索力的穿心式测力传感器结构示意图；
图2：适用于监测锚索索力的穿心式测力传感器的简化结构示意图；
图3：适用于监测桥梁支座压力的非穿心式测力传感器结构示意图；
图4：适用于监测桥梁支座压力的非穿心式测力传感器的简化结构示意图；
图5：本发明测力传感器用于监测锚索索力时的安装位置示意图；
图6：本发明测力传感器用于监测桥梁支座压力时的安装位置示意图；
图7：采用本发明测力传感器测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法采用的拟合曲线图。
图中：1—储液承压环，2—导力板，3—惰性液体，4—垫板，5—油嘴座，6—连接管，7—截止阀，8—定位弹簧，9—测量元件，10—截止阀杆，11—顶杆连接套，12—弹簧，13—顶杆装置，14—储液扁圆柱体。
具体实施方式：
实施例一：一种适用于长期监测锚索索力的穿心式测力传感器。
该测力传感器采用带空腔的刚性储液承压体和装在刚性储液承压体空腔中的惰性液体组成复合弹性体，如图1所示，所述的复合弹性体是由不锈钢制成的带空腔的储液承压环1和装在储液承压环1空腔中的惰性液体——硅油3组成，油嘴座5固定在储液承压环1外圆周上，一端开孔与惰性液体3相通，油嘴座5通过连接管6与截止阀7相连，截止阀7阀体上装有可将液压变化转换成电信号变化的测量元件——液压变送器9，液压变送器9外接一测量电路，截止阀7内有一两端带有锥形密封杆的截止阀杆10，其一端套有定位弹簧8，截止阀7的另一端连有带内螺纹的顶杆连接套11，其内装有一带弹簧12的顶杆装置13；在储液承压环1上连接有一导力板2。
作为本发明实施例的一种变换，为防止外压面不平及接触面太小，可在导力板上加一垫板4，使外力更平稳的作用在复合弹性体上。
在正常使用时，截止阀杆10在定位弹簧8的作用下，堵住截止阀7中通往顶杆装置13的孔，使惰性液体3不外泄，当传感器在使用过程中遇到特殊情况需更换测量元件9时，旋紧顶杆装置13，截止阀杆10顶开定位弹簧8，堵住连接管6通往截止阀7的孔，然后拆下测量元件9，更换新的测量元件，松开顶杆装置13，截止阀杆10在定位弹簧8的作用下复位，堵住截止阀7中通往顶杆装置13的孔，此时新的测量元件即可测到惰性液体3的液压。正常使用时可以不安装顶杆装置13，只是在顶杆连接套11的螺纹孔内安装螺栓标准件防尘。
实施例二：用于监测锚索索力的简化穿心式测力传感器。
该传感器包括由带空腔的储液承压环1和装在储液承压环1空腔中的惰性液体——硅油3组成的复合弹性体，油嘴座5固定在储液承压环1外圆周上，一端开孔与惰性液体3相通，油嘴座5直接与测量元件——液压变送器9连接。
作为本发明实施例一、二的一种变换，为防止外压面不平及接触面太小，可在导力板上加一垫板4，使外力更平稳的作用在复合弹性体上。
实施例三：一种适用于长期监测桥梁支座压力的非穿心式测力传感器。
如图3所示，该传感器的基本结构同实施例一，所不同之处在于：所述带空腔的刚性储液承压体是适用于桥梁支座监测用的带空腔的储液扁圆柱体14，油嘴座5固定在带空腔的储液扁圆柱体14外圆周上。
实施例四：用于监测桥梁支座压力的简化非穿心式测力传感器。
如图4所示，该传感器的基本结构同实施例二，所不同之处在于：所述带空腔的刚性储液承压体是适用于桥梁支座监测用的带空腔的储液扁圆柱体14，油嘴座5固定在带空腔的储液扁圆柱体14外圆周上。
作为本发明各实施例的一种变换，所述装在带空腔的刚性储液承压体内腔中的惰性液体3还可以是添加了SAB-1稳定剂的硅油，所述的SAB-1稳定剂是一种硅油稳定剂，它是由二官能团和单官能团有机硅单体经水解缩聚而得的油状物。
作为本发明各实施例的一种变换，所述的测量元件除采用液压变送器9外，还可采用其他可将液压变化转换成电信号变化的元器件。
作为本发明各实施例的一种变换，所述制造复合弹性体的带空腔的刚性储液承压体的材料还可以是其他既有一定刚度、又耐腐蚀的金属—合金钢。
作为本发明实施例三、实施例四的一种变换，所述适用于桥梁支座监测用的带空腔的刚性储液承压体的形状还可以是横截面为四边形或六边形的扁形柱体。
将实施例一或实施例二所述的穿心式测力传感器用于长期监测锚索索力，一般安装在锚具螺母内的两垫板之间(参见图5)。图中，15—拉索锚杯，16—螺母，17—穿心式测力传感器，18—预埋板，19—混凝土，20—拉索。
将实施例三或实施例四所述的非穿心式测力传感器用于监测桥梁支座受力时，一般安装在橡胶支座上的两平板之间，直接受桥梁的压力(参见图6)。图中，21—桥梁，22—测力传感器，23—橡胶支座，24—桥梁支柱。
实施例五：
一种测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法
采用本发明实施例一、实施例二中所述的任意一种穿心式测力传感器，对预应力锚索受力进行监测时，一般安装在锚具螺母内的两垫板之间(参见图5)，
采用本发明实施例三、实施例四中所述的任意一种非穿心式测力传感器用于监测桥梁支座受力时，一般安装在橡胶支座上的两平板之间，直接受桥梁的压力(参见图6)。使外力的一部分由复合弹性体中的刚性储液承压体1承受，另一部分由复合弹性体中的惰性液体3来承受，测量电路通过液压变送器9送出的电信号测量惰性液体3液压的变化，利用计算方程：Y＝AX2+BX-C算出传感器所受外力的大小；
上式中：Y表示预应力锚索或桥梁支座监测压力、单位KN，
X表示电流或电压值、单位mA或mV；
A、B、C是常数，不同规格的传感器在不同工作条件下，A、B、C数值不同，应根据标定数据进行计算。
下面，说明上述计算方程：Y＝AX2+BX-C中的常数A、B、C的计算方法。
具体方法为：将标定数据拟合成标定曲线，同时得到曲线方程。
在试验室利用精密的液压机对传感器进行“压力——电信号电流或电压”标定，得到至少六组一一对应的“压力——电信号的数值，压力、单位KN，电信号以电流或电压表示，单位mA或mV”，利用计算机工具，将标定数据拟合成标定曲线，同时得到曲线方程。从而计算出A、B、C的基本数值，再通过拟合曲线修正。
例如：试制的测量范围0～3000KN的测力传感器的标定数据如下(参见附表一)：得出的拟合曲线(参见图7)及计算力的拟合定曲线方程为：
Y＝5.7756X2+151.65X-880.78，
上式中：Y表示压力，单位：KN，
X代表电流或电压，单位：mA或Mv，
图7中：R＝0.9999。
在使用时，测出传感器输出电流值，便可带入方程算出传感器所测力值；或设计或购卖出相应的测量仪表，测量传感器输出电流值，直接显示传感器所测力值。
附表一  测量范围0～3000KN的测力传感器的标定数据
Figure G061C5502220070108D000061

Claims (11)

1.一种测力传感器，其特征在于：该传感器包括由带空腔的刚性储液承压体和装在刚性储液承压体空腔中的惰性液体组成的复合弹性体，油嘴座固定在刚性储液承压体上，一端开孔与惰性液体相通，油嘴座另一端直接或间接地安装一个能将液压变化转换成电信号变化的测量元件，该测量元件与外接测量电路相连通。
2.根据权利要求1所述一种测力传感器，其特征在于：油嘴座(5)通过连接管(6)与截止阀(7)相连，截止阀(7)上装有测量元件，测量元件外接一测量电路，截止阀(7)内有一两端带有锥形密封杆的截止阀杆(10)，其一端套有定位弹簧(8)，截止阀(7)的另一端连有带内螺纹的顶杆连接套(11)，其内装有一带弹簧(12)的顶杆装置(13)。
3.根据权利要求1或2所述一种测力传感器，其特征在于：所述带空腔的刚性储液承压体是适用于预应力锚索监测用的带空腔的圆环形承压环(1)，在储液承压环(1)上连接有一导力板(2)。
4.根据权利要求1或2所述一种测力传感器，其特征在于：所述带空腔的刚性储液承压体是适用于桥梁支座监测用的带空腔的扁圆柱体或横截面为四边形或六边形的扁形柱体。
5.根据权利要求3所述一种测力传感器，其特征在于：装在带空腔的刚性储液承压体内腔中的惰性液体(3)是硅油或添加了SAB-1稳定剂的硅油，所述的SAB-1稳定剂是一种硅油稳定剂，它是由二官能团和单官能团有机硅单体经水解缩聚而得的油状物。
6.根据权利要求4所述一种测力传感器，其特征在于：装在带空腔的刚性储液承压体内腔中的惰性液体(3)是硅油或添加了SAB-1稳定剂的硅油，所述的SAB-1稳定剂是一种硅油稳定剂，它是由二官能团和单官能团有机硅单体经水解缩聚而得的油状物。
7.根据权利要求5所述一种测力传感器，其特征在于：所述能将液压变化转换成电信号变化的测量元件是液压变送器(9)。
8.根据权利要求6所述一种测力传感器，其特征在于：所述能将液压变化转换成电信号变化的测量元件是液压变送器(9)。
9.根据权利要求8所述一种测力传感器，其特征在于：制造复合弹性体的带空腔的刚性储液承压体的材料是一种耐腐蚀的金属—合金钢或不锈钢。
10.一种测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法，其特征在于：采用权利要求1至权利要求9中任意一项所述的测力传感器，使外力的一部分由复合弹性体中的刚性储液承压体承受，另一部分由复合弹性体中的惰性液体来承受，测量电路通过测量元件送出的电信号测量惰性液体液压的变化，利用计算方程；Y＝AX2+BX-C算出或查表得出传感器所受外力的大小；
上式中：Y表示预应力锚索和桥梁支座监测压力、单位KN，
X表示电流或电压值、单位mA或mV；
A、B、C是常数，不同规格的传感器在不同工作条件下，A、B、C数值不同，应根据标定数据进行计算。
11.根据权利要求10所述的一种测量预应力锚索和桥梁支座受力的方法，其特征在于：上述计算方程：Y＝AX2+BX-C中的常数A、B、C的计算方法是：将标定数据拟合成标定曲线，同时得到曲线方程；即：在试验室利用精密的液压机对传感器进行“压力——电信号电流或电压”标定，得到至少六组一一对应的“压力——电信号的数值，压力、单位KN，电信号以电流或电压表示，单位mA或mV”，利用计算机工具，将标定数据拟合成标定曲线，同时得到曲线方程；从而计算出A、B、C的基本数值，再通过拟合曲线修正。
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