CN1013711B - 一种可直接显示出应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置 - Google Patents

Abstract

压磁式混凝土绝对应力检测装置由应力计和应力仪组成。应力计的传感器之压磁元件由新型磁性材料制成。应力计有温度自动补偿装置。具有准确地直接检测出混凝土绝对应力并立即用数字显示出绝对应力值的优良性能。为工程建设及科学研究不可缺少。此装置操作简便，易于掌握，重量轻，体积小，携带方便，性能优良，工作稳定，传感器简便，不易损坏，满足现场使用要求。

Description

本发明属混凝土应力检测仪器。

国内外历来检测圬工结构的混凝土应力的传统方法是先测得应变再换算成应力。现有各种布置在混凝土构件表面的或预埋于混凝土构件内部的应变计，不论这些应变计的工作原理和性能如何，都不能直接检测出混凝土的应力。1950年，美国混凝土学会顾问工程师R·W·卡尔逊与人合作研制出一种液压式混凝土应力计，基本上是双膜压力盒的变形。这种应力计预埋于混凝土内，混凝土的应力传递到外膜板上，外膜板变形改变了水银腔的液压，使得内膜板变形，将此变形用一固定在应力计后底板中央的差动式应变计检测出来，根据预埋前应力计裸露加载标定曲线查找和计算出混凝土应力来。试验结果证明，这种应力计确能直接检测出混凝土应力来。但由于其受到依赖于膜板挠曲变形来工作的检测方式的限制，使其有刚度小，尺寸大，不能进行温度补偿等一系列缺点，至今不能推广使用。1985年武汉工业大学激光研究所宣布研制成一种光纤式混凝土应力计，其埋入混凝土内的传感头是由环氧树脂一类的光弹材料制成，外形为3×3×6mm棱柱体。这种应力计由于其刚度无法与混凝土相匹配等原因，不论裸露加载标定情况如何，也不能准确地检测到混凝土绝对应力。实际上，这种光纤式混凝土应力计并未研制成功。南京生产的国内广泛使用的DI-10和DI-20型电阻应变计，也不能直接检测出混凝土绝对应力值，也需通过换算。所以可以说，国内外尚无实际使用的可直接检测混凝土绝对应力的应力计。

本发明的目的就在于研制出一种由预埋于混凝土构件中的混凝土绝对应力计（亦称混凝土绝对应力传感器）及其配套的应力仪组成的检测装置，适用于各种弹性模量，各种应力水平，各种断面尺寸和各种环境温度的混凝土构件，可以可靠地、长期地随时直接检测到混凝土绝对应力值，并用数字直接显示出来。

本发明的要点是，本装置由应力计与应力仪组成，应力计由膜板、压磁元件（亦称应力敏感元件）、度补偿元件及差动式前置放大单元（亦称前置头）组成。压磁元件为专门研制出的磁性材料制作的磁芯和磁套组成。磁芯上绕有线圈，磁芯和磁套构成一个闭合磁路。压磁元件被夹持在两块对称膜板所形成的内腔中央，压磁元件与膜板间的空隙处有温度补偿元件，压磁元件与温度补偿元件由电缆与差动式前置放大单元连接。应力仪由恒流源、信号调整单元、数据处理单元及数字显示等组成。前置放大单元由电缆与应力仪连接。

当混凝土应力通过膜板直接传送给磁芯，使磁芯沿轴向受力时，磁芯的磁导率将发生变化，引起 磁芯和磁套构成的磁路之磁阻发生变化，由此引起线圈两端之电压发生变化。这个电压变化与混凝土应力的大小有一定的相关关系。这个电压变化信号经前置放大单元预处理后，输入应力仪，再经信号调整、数据处理，然后用数字显示出混凝土的绝对应力值来。即是说，本装置可准确地直接检测并用数字显示出混凝土的绝对应力值。

下面结合附图详细说明之。

图1为检测装置框图。

1为压磁元件（亦称应力敏感元件），2为温度补偿元件，3为差动式前置放大单元（亦称前置头），4为平衡调节，5为灵敏度调节，6为恒流源，7为信号调整单元，8为数据处理单元，9为数字显示，10为打印控制，11为外部磁带机，12为外部打印机。

图2为压磁式混凝土绝对应力计的传感器示意图。

13为磁芯，14为线圈，15为磁套，16为翼缘，17为温度补偿元件，18为电缆，19为膜板，20为装配螺钉，21为空隙。

图3为温度补偿电路框图。

22为温度补偿元件灵敏度适调电阻，23为温度补偿元件，24为敏感元件感抗。

图4为前置放大单元电路框图。

25、26为预放级，27、28为精密检波级，29为差动放大级。

图5为恒流源电路框图。

29为晶体振荡器，30为窄带滤波器，31为恒流功率放大器，32为自动增益控制电路，33为基准。

图7为应力仪框图。

34为信号源，35为分频，36为故障指示，37为多路开关，38为有源滤波，39为通道切换信号，40为控制开关，41为前置头电源指示，42为电源，43为打印接口，44为单位转换。

图8为前置头电路原理图。

图9为电源单元电路原理图。

图10为恒流源电路原理图。

图11为信号调整单元电路原理图。

图12为打印控制单元电路原理图。

磁芯13和磁套15是用专门研制的一种新型磁性材料制成。此种材料以镍铁为基体，添加少量的铬硅和锰等微量元素制成。配合比以Ni63～66%Cr2.7%，Si≤0.3%，Mn≤0.5%，其余为Fe为最佳。此种材料导磁率高，饱和磁致伸缩系数大，物理性能也好，具有满足应力计需要之压磁效应。此种材料的研制成功，解决了应力计压磁元件的关键问题，使得压磁元件输出灵敏度大、重复性好、非线性误差小、变形刚度大、屈服极限高、可以加工成需要的薄片形状。为研制成的应力计，在力学和电磁学两方面都具备良好的性能打下了基础。此种材料属国内首创。

压磁元件制成圆形，周边有翼缘16及槽，槽中绕有线圈14，磁套15套在周边上，温度补偿元件17置于磁芯附近之空隙21处，温度补偿元件17与磁芯13中的线圈14与前置头3相连。压磁元件被两块对称膜板19夹持紧固在膜板形式的内腔中。膜板由高弹材料制成，以45Cr最好。膜板由装配螺钉20紧固，其紧固程度可给予磁芯13以适当之预应力。此预应力可使得应力计在满量程内，都能在标定曲线线性较好的区段内工作。同时也使应力计各部分受力元件之间相互位置不动，消除了接触非弹性变形，增加了稳定性，减少了滞后误差。采用这种结构，传感器中央部分近似实心，刚度大，传感器的等效弹性模量比液压式应力计等依靠膜板挠曲变形来工作的应力计大得多，大大高于混凝土的弹性模量，使得传感器与各种混凝土之间刚度匹配误差趋于一致便于作系统校正。也使得传感器工作量程高，抵抗破坏能力强。传感器可以作成圆形薄板形状和尺寸，具备最佳的直径与厚度比值。此种结构对混凝土的非应力变形，徐变和弹性模量差异极不敏感。模板中央部分对应力敏感，而边缘部分不敏感，极大地消除了传感器埋入混凝土后，边缘应力集中引起的测量误差，克服了技术难点。

传感器温度补偿元件17以用高强漆包线制成为最佳材料，温度补偿元件灵敏度适调电阻22则采用康铜丝制作。

在温度补偿电路中，Rt23的温度系数大于ZL24，且二者都是线性温度系数，Rt经过R₁、R₂的调整，当温度变化时，电路中a、b两点的电压增量关系是△Va＝△Vb。这两个相等的电压增量，分别经过相同的放大、检波、滤波后至差动放大器进行相减运算后将其抵消掉，达到自动进行温度补偿之目的。经过温度补偿后，前置头3只将由应力变化引起的电压信号输入应力仪中。应力计在裸露加载标定的时候，则利用前置头3的平衡电路固定初始状态，再通过灵 敏度适调电阻22调节并固定应力计之灵敏度。经上述前置头3预处理后，每个应力计的输入输出曲线都具有相同的零点和斜率。

应力仪主要包括恒流源单元电路，信号调整单元电路，打印控制单元电路，电源电路以及数字显示电压表等几部分，电路设计以集成电路为主，如运算放大器IC、数字IC、集成稳压器等;采用精密电阻电容元件，针式接插件等，以提高整机精度和可靠性并利用亮度LED数码管显示，信号源取自晶体振荡器，经分频滤波后供给恒流源放大器，由恒流源放大器对信号分两路放大，输出两路同步恒定、稳频稳幅的正弦交流恒流源，然后分别到应力计的力敏感元件和温度补偿元件。前置头对应力传感部分的信号调整后到应力仪八选一电子开关，并具有温度自动补偿功能，电子开关选通某路输入信号，该信号经过调整，滤波后到数字电压表直接显示绝对应力值，这个应力值同时被转换成BCD码打印输出接口，打印控制单元的作用是提供多路选择电子开关的控制码，通道号BCD码，打印信号。用标准精密电阻组成恒流源模拟负载用于校准目的。电源电路采用带屏蔽层的变压器，全波桥式整流器，滤波电容和三端集成稳压器为主体构成。输出四组稳压源：+15V400mA，±12V100mA，±5V100mA，±11.5V30mA。其中±11.5V电源是专门提供应力计前置头的。这组电源取自±12V电源，通过RC滤波器与其隔离。由于前置单元与仪器之间联线较长，容易出现破坏性故障，因而设置了前置头电源工作状态指示灯，指示电路用晶体管对电压，电流状态信号进行取样，若前置头工作正常，联接电缆无破损，则前置头电源的电压电流值正常，取样信号正常，晶体管驱动指示灯发光（绿色LED）。当电源电压降低时，电压指示灯熄灭，指示出现短路类故障，当电源电流减小时，电源指示灯熄灭，指示出现断路类故障。电源设计允许接容性负载，具有过载保护功能。

恒源流电路由晶体振荡器，分频器，选通滤波器恒流放大器等几部分组成。

数字集成门晶体多谐振荡器产生2MHz的方波信号，该信号具有极高的频率稳定性，经过三个串联的CMOS型十分频器产生2KHz的方波信号，方波信号通过振荡器上的微调电容调节占空比，可以达到0.49999。用两个CMOS与非门并联，其输入端接分频器输出的2000Hz方波信号，其输出端到一个二阶有源选通滤波器，起到隔离和提高驱动能力的目的。

有源滤波器Q值较高，选通性能较好，RC元件采用精密型，选通频率稳定。采用运算放大器设计的有源滤波器输出阻抗很小，其输出电压幅度的稳定性取决于供电直流电源电压的稳定性。因此，滤波器的输出即是一个无其它频率成分，频率2000Hz的稳频稳幅信号源，这个信号源接到恒流放大器。

恒流源功率放大器，自动稳流AGC电路各有两套电路，它们产生的两路恒流源分别提供给应力敏感元件和温度补偿元件，它们的直流基准和输入交流信号源都相同。

功率放大器是双通道集成功放HA1392，其增益由外接反馈电阻设定，用3DJ型结型场效应晶体管代替这个反馈电阻，场效应管的电阻值可由栅极加一个电压控制信号而改变，若这个控制信号反映了功率放大器输出电流的变化，则可通过控制信号改变功放的增益，补偿输出电流的变化，达到恒流之目的。

功率放大器为QTL工作方式，其输出通过电解电容到负载，在负载回路上串有一取样电阻，用运放构成的差动式取样放大器对取样交流电压进行放大，如果取样电阻恒定，这个电压就反映了电流之大小，取样放大器输出再到精密检波器产生一个直流电压信号，这个信号大小与恒流源电流成正比，并将其与基准电压比较，由控制放大器放大这个差值，输出一个偏差电压到场效应管的栅极，改变功率放大器的增益，恒定取样电阻上的电压，也就是使功放的输出电流恒定。

AGC电路实际上是由取样放大，精密检波，控制放大三级组成，全部采用运放。恒流源的控制精密（或恒定度）是由AGC增益决定的。精度K＝r/A（负载变化率，A电路增益）。一般说来A值高，恒流精密度高，A值太高，电路不稳定，调试困难，故A值的选取以满足精度为准，在此装置中取A＝55倍。

AGC的响应速度取决于控制放大器滤波时间常数，本装置中取τ＝20ms。这个时间其实就是恒流源的恢复时间，恢复时间为20ms，已能满足一般桥梁的动态测试频率要求。

两路恒源流所有的关键阻容元件都是采用精密型，因此恒流源精度和稳定性指标都较高。功率集成电路运算IC都是单片两路型，分别对称用于两路恒流放大和AGC电路中，阻容元件、场效应晶体管也是配对挑选分别运用在两套电路里，加之两 路恒流源采用同一信号源，同一基准，故两路恒流源输出电流大小和恒流精度基本相同，特别是温度系数，漂移方向也基本相同，这样恒流源的漂移就可以在前置头里抵销。可以这样说，两路恒流源的相对温度系数比较小，相对精度较高。所以，由于恒流源误差（主要是温度漂移）给长期测量带来的一系列问题，在此装置中得到较好解决。

恒流源故障指示电路是利用负载开路时，AGC控制电平超过门限，使三极管饱和，驱动红色LED发光，指示故障情况，两路恒流源均设有故障指示电路。

信号调整单元是使前置单元送来的信号得到修正处理，送到模拟输出接口和数字电压表，由数字直接显示测量应力值，集成多路开关选择出某一测量通道的信号，通过一运放跟随器耦合至有源滤波器，跟随器起阻抗匹配和隔离的作用。有源滤波器滤除杂波，至精密检波器进行半峰整流，峰值滤波后即为测点应力信号，经过输出放大器接到模拟输出接口供动态测试记录和分析，输出放大器另一路输出经过100倍衰减到数字电压表，显示测点应力值。为了实现应力单位kg/cm²和Pa的转换，利用开关切换输出放大器的反馈电阻，改变其增益，同时切换显示器上的显示单位，达到单位转换之目的。信号调整单元电路中设有调零开关，供每次试验前调零，为了保证整个电路的精度，减少温度漂移，关键元件选用精密型。

打印控制单元电路全部采用74LS系列数字集成电路，包括6分频器，通道信号形成电路，组合逻辑电路和10-4译码器，主要实现对打印时间间隔的控制，信号调整单元开关电路选通以及形成通道BCD码等，当操作者按下某一通道键，通道LED指示灯亮，由键开关产生一个电平，经过脉冲形成电路形成一个尖脉冲，经整形后到六分频器，键开关产生的电平也进入10-4译码器，译出该通道号的正逻辑BCD码，到打印接口和信号调整单元的电子开关。六分频器对数字电压表输出的打印信号分频，配合组合逻辑电路形成打印指令。键脉冲控制分频器的清零端，每个键按下时都有一个键脉冲形成，将分频器清零，重新计数，起延时作用，使前置头能在稳定工作后，测点的信号才被打印。打印键和打印状态指示灯的作用是控制和指示打印工作情况，如按下打印键不松开，键开关将使数字电压表输出的打印信号通过组合逻辑门，直接到打印接口，打印机以3次/秒的速度打印，称为“快打状态”，若按下打印键，在0.5秒钟内松开，由于内部RC延时电路作用，不会进入快打状态，而打印键另一组开关将触动一双稳电路，每按键一次，双稳就翻转一次，控制由分频器出来的打印指令是否到打印接口，如果双稳的状态使组合逻辑门打开，打印接口就有0.5次/秒的打印指令驱动打印机，此种称为“慢打状态”，这时打印指示灯（黄色LED）是亮的，如果双稳处的状态禁止打印指示到打印接口，打印指示灯熄灭，在测量过程中打印机就不会工作，称为“不打印状态”。

打印输出BCD码接口全部为TTL电平，正逻辑，打印速度为3次/秒，或0.5次/秒。

此种混凝土绝对应力检测装置的研制成功，使用者们可以可靠地、方便地随时直接检测到混凝土的绝对应力。可为圬工工程结构或模型的施工安全监测，工程质量评价，结构改造加固以及验证设计理论等，提供准确的混凝土应力数据。可以促进检测技术和设计理论的发展。有着明显的社会经济效益，意义重大，该检测装置适用于各种弹性模量，各种应力水平，各种断面尺寸的混凝土构件。该检测装置性能稳定，传感器埋设简便，不易破坏，操作简单，使用方便，易学易会，不仅适用于科研单位专门测试人员应用，也适合于工作单位一般测试人员应用，具有重要的实用价值和使用前景。

图6为实施例。

应力计：

传感器直径100mm，厚8mm。

前置头直径75mm，厚30mm。

应力仪尺寸280×280×95（mm³）。

重量3.3kg。

非线性误差±0.5FS。

温度漂移8×10^-4/C。

时间漂移1×10^-4/小时。

交流电源220V，±10%。

50HZ，-5%，+20%。

应力计使用环境温度-20C～+60C。

应力仪使用环境温度-10C～+40C。

定名为HJY-1型混凝土绝对应力计及应力仪。

Claims (6)

1、一种直接显示应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置，由应力计与应力仪组成，其中：

应力计有力敏感元件和温度补偿元件；应力仪有信号源、分频、恒流放大、故障指示、多路开关、信号调整、基准，有源滤波、通道切换信号、打印控制、前置头电源指示、电源、打印接口及单位转换，其特征在于：应力计的传感器由两块模板(19)和作为应力敏感元件的磁芯(13)构成，磁芯(13)置于两块模板形成的腔中，磁芯(13)旁置温度补偿元件(17)，磁芯(13)绕有线圈(14)，线圈(14)和温度补偿元件(17)用电缆和前置头(3)连接，磁芯(13)上有磁套(15)，前置头输出端与应力仪的多路开关用电缆连接；应力仪的有源滤波后接应力值直接显示装置，恒流放大部分与应力计的磁芯线圈和温度补偿元件用电缆连接，而且，制作磁芯(13)和磁套(15)的磁性材料之配合比为Ni63%～66%，Cr2.7%，Si≤0.3%，Mn≤0.5%，其余为Fe。

2、按照权利要求1所述之直接显示应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置，其特征在于：温度补偿元件由高强漆包线制成。

3、按照权利要求1所述之直接显示应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置，其特征在于：两块模板用装配螺钉固紧。

4、按照权利要求1或3所述之直接显示应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置，其特征在于：模板用高弹性材料制成。

5、按照权利要求1或3所述之直接显示应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置，其特征在于：模板材料为45Cr。

6、按照权利要求1所述之直接显示应力值的压磁式混凝土绝对应力检测装置，其特征在于：应力值显示装置为数字电压表。

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