CN102507067A

CN102507067A - 基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统

Info

Publication number: CN102507067A
Application number: CN2011103179683A
Authority: CN
Inventors: 王清标
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN102507067B

Abstract

本发明涉及预应力工程中的锚索受力领域，特别涉及一种基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统。该基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：包括振弦式锚索测力传感器和智能检测仪器，振弦式锚索测力传感器包括相连接的带有中孔的活塞式承压体和振弦式液体压力传感器，振弦式液体压力传感器与智能检测仪器相连接。该基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，提出了新的振弦式传感器通用数学模型，精度高误差小；提出了弱激发原则，设计了高增益弱激发电路；提出了活塞传压和力变换技术，设计了优良的温补偿，并开发设计了配套的便携式智能检测仪和适用于自动化监测的智能型多点检测仪。

Description

基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统

（一）技术领域

本发明涉及预应力工程中的锚索受力状态实时监测领域，特别涉及一种基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统。

（二）背景技术

预应力锚索加固是一种主动加固方式，其加固的实质是对被加固岩体施加锚固力，限制岩体有害变形的发展。其快速、高效、加快工期与提高边坡稳定的优越性以及良好的经济效益和社会效益，是其它传统方法无法比拟的。预应力锚索技术广泛应用于各个领域，其应用范围从坚硬稳定岩石发展到松软破碎岩体，由小巷道发展到大跨度硐室，由静荷条件发展到动荷条件，由基建工程发展到工程抢险和结构补强等。锚索的结构类型不仅种类繁多，而且越来越先进，目前岩体预应力锚索单根预应力承载力已经达到16MN，单根锚索长度114m。预应力锚索加固已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济有效的方法之一。预应力锚索锚固效果（受力状态）受预应力材料性质、被锚固介质力学特性、锚索结构、锚固体系、锚夹具的加工质量、施工工艺、工程地质环境以及运行管理水平等因素的影响而变化，如果锚固锚索受力状态变化异常，超过一定界限值时，给工程带来极大的危害，甚至威胁人民生命财产的安全。预应力锚索受力情况监测不仅为所加固工程的安全可靠性做出及时准确的评价，而且还指导预应力锚索的设计、施工和运行管理，为进一步揭示预应力锚索的工作机理、总结预应力锚固设计经验、提高设计水平提供依据。众多工程实例表明，锚索锚固力的损失将使得结构受力情况恶化，造成受力不均匀，将导致其锚固效果的减弱或失效，会使结构失稳甚至破坏，不仅会造成重大的经济损失，还严重危及人民生命财产的安全。因此预应力锚索受力状态监测系统，对保证锚固工程的设计、施工和安全运行，提高工程的经济效益和社会效益，具有重要的理论意义和工程实践意义。

传统锚索测力传感器具有结构缺陷和量程限制。结构缺陷：为适应在锚索的外锚墩上安装测力传感器，传感器一般都制造成环状产品，同时考虑到锚索安装、张拉过程中不可避免地存在偏心，一般锚索测力传感器内部都装有多个（3—6个）工作弦，并且往往沿环状均匀布置。在仪器交付使用时，生产厂家总会给出仪器率定系数，它是一个包含了多个工作弦的综合系数。在所有工作弦均能正常工作且受力均匀时，用这个综合系数计算锚索测力计的受力是合适的。通常计算锚索测力传感器的应力时有两种方法：一是将各工作弦进行算术平均,得到平均频率,再进行计算；二是用单支传感器系数计算,算出各工作性弦承受的应力然后求和。这两种方法都是将应力分布函数f(x,y)视作一个简单的线性函数。而事实上,锚索测力传感器承压筒上的受力条件非常复杂,除安装、张拉过程偏载的影响外,还有各种侧向应力端面的剪切应力,这使得应力函数f(x,y)很难简单的用线性函数来描述,这决定了使用工作弦平均值作为锚索实际应力的计算方不够精确。当锚索测力传感器安装完成工作一段时间后，由于工作环境条件影响(如放炮、机械震动、温度影响、日晒雨淋、荷载变化等)和时效原因，很容易出现个别工作弦甚至2个、3个工作弦不起振或失效的现象，这时如果继续引用厂家给定的仪器率定系数进行计算，则计算出来的数值与锚索实际受力状况存在较大误差，甚至导致错误的分析。量程限制：从理论上讲，锚索测力传感器的量程可以做到任意大，只要相应地改变其结构尺寸即可。但是由于承力、感应体是一体化设计，考虑到承压体结构材料性能（荷载过大不能保证承压体为线弹性变形）以及振弦工作频率、频宽和工作应力限制，大部分振弦式锚索测力传感器的量程受到限制，一般很难做到500吨以上，做到1000吨以上几乎不可能。此外，随着量程的增大，须相应增大锚索测力传感器的承压体直径与高度，但是，承压体的高度与直径相差不大传感器测得的并不是承压体端面上的等效应力，虽然可以通过增厚传力柱增加承压体的高度,但由于传力柱与承压体并不是一个整体,仍无法保证传感器范围内的承压体为线弹性变形。

国外振弦式传感器虽然性能先进，但是其价格昂贵，性价比低，难以在工程中大量推广应用。且国外研究开发的锚索测力传感器及频率检测仪还存在汉化问题，技术人员需要培训才能使用。国内振弦式传感技术，受工程材料和制造技术的限制，振弦式传感器的分辨率、准确度和长期稳定性等关键技术没有得到很好解决，一直难以满足工程应用要求。国内振弦式锚索测力传感器基本上都是通过频率检测仪测出频率，再通过公式计算出锚索受力大小。没有实现锚索测力传感器与仪表监测自动化系统，实现即时采集数据、远程监控等。国内外厂家都没有研制成功直接数字显示物理量值（力或位移）的检测仪器。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种温度补偿优良、精度高误差小、高增益弱激发、耐震动冲击、长期稳定性好的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：包括振弦式锚索测力传感器和智能检测仪器，振弦式锚索测力传感器包括相连接的带有中孔的活塞式承压体和振弦式液体压力传感器，振弦式液体压力传感器与智能检测仪器相连接。

该基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，振弦式锚索测力传感器的数学模型方程为

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE001

，进程误差小于0.2%FS，综合误差不超过1.0%FS。振弦式锚索测力传感器包括横式结构传感器和竖式结构传感器，横式结构传感器的工作膜与振弦的热膨胀系数接近，竖式结构传感器的弦架与振弦的热膨胀系数接近，振弦式锚索测力传感器的温度补偿做法为：先对传感器初频f₀进行温度标定，然后测量传感器实际应用时的环境温度，将实际频率f代替f₀进行计算，对于可卸载到零的场合，先调零，再检测。振弦与工作膜的几何尺寸相匹配，振弦的直径为0.06～0.015mm，振弦的预应力为147～490MPa，振弦两端与固定端相焊接，通过特殊胶进行固定。带有中孔的活塞式承压体包括缸体，缸体的凹槽内设有大活塞，缸体与大活塞之间设有“O”型密封圈和挡圈，带有中孔的活塞式承压体侧壁与振弦式液体压力传感器的连接处设有小活塞。智能检测仪器包括便携式智能检测仪或智能型多点检测仪，智能检测仪器包括单片机，单片机连接多周期测频电路和高增益弱激发电路，高增益弱激发电路连接感应线圈和激发线圈，单片机连接有功能选择拨码器、数码显示器以及看门狗及存储芯片。高增益弱激发电路通过高精度仪器测频率，随机波动小于0.05Hz，分辨率优于0.01％FS，包括高倍放大装置和限幅限流装置，激发时间小于1秒，激发电线长度为1000米。

本发明的有益效果是：该基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，提出了新的振弦式传感器通用数学模型，精度高误差小；提出了弱激发原则，设计了高增益弱激发电路；提出了活塞传压和力变换技术，耐震动冲击、长期稳定性好；设计了优良的温补偿，并开发设计了配套的便携式智能检测仪和适用于自动化监测的智能型多点检测仪。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统的结构示意图。

附图2为本发明图1中振弦式锚索测力传感器的结构示意图。

附图3为本发明图1中智能检测仪器的结构原理框图。

附图4为本发明图3中高增益弱激发电路结构框图。

图中，1带有中孔的活塞式承压体，2振弦式液体压力传感器，3智能检测仪器，4缸体，5大活塞，6“O”型密封圈，7挡圈。

（五）具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。

图1中，该基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，包括振弦式锚索测力传感器和智能检测仪器3，振弦式锚索测力传感器包括相连接的带有中孔的活塞式承压体1和振弦式液体压力传感器2，振弦式液体压力传感器2与智能检测仪器3相连接。

目前国内外振弦式传感技术研究机构所采用的通用数学模型为：

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE002

（公式1），（公式1）是在种种合理假设条件下导出的，而实际的结构形式、材料性能、热处理及加工工艺、激发器影响等因素使

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE003

的特性并不是严格的线性关系。实际计算表明，（公式1）的计算误差较大，无法直接使用。原因是（公式1）是一种特殊的二次抛物线，因为它缺少

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE004

的一次项，因此只适用于少数振弦传感器。对一般振弦传感器拟合误差偏大，需要修正。本发明振弦式锚索测力传感器的数学模型方程为

（公式2），式中 A、B——传感器常数。显然（公式2）可用来描写任意二次抛物线，该修正公式能够更准确地描述传感器的实际特性，提高传感器在工程应用中的测量准确度。根据标定数据，由最小二乘法拟合求A、B的公式如下：

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE005

（公式3），

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE006

（公式4），

式中N——标定时的校准点数(不包括F=0，

Figure 2011103179683100002DEST_PATH_IMAGE007

)，进程误差小于0.2%FS，综合误差不超过1.0%FS。

振弦式锚索测力传感器包括横式结构传感器和竖式结构传感器，横式结构传感器的工作膜与振弦的热膨胀系数接近，竖式结构传感器的弦架与振弦的热膨胀系数接近，可显著提高温度稳定性，使温度数降低到0.15Hz/℃以下。对特别精密的传感器，可以将振弦所在缸体密封且抽真空，降低了周围介质压力和温度变化引起的振弦的频率不稳定，从而提高传感器的温度稳定性，因工作环境温度变化引起的频率变化甚慢且少。应用修正的数学模型(公式2)，振弦式锚索测力传感器的温度补偿做法为：先对传感器初频f₀进行温度标定，然后测量传感器实际应用时的环境温度，将实际频率f代替f₀进行计算，对于可卸载到零的场合，先调零，再检测。振弦与工作膜的几何尺寸相匹配，竖式结构传感器的振弦的滞后和工作膜的滞后是相叠加的，因此只有选用滞后小的振弦和工作膜才能减小滞后；横式结构传感器的振弦与工作膜的滞后则是互相抵消的，因此恰当选择振弦弦和工作膜的几何尺寸，使其滞后相匹配就能显著减小传感器的滞后。

提高振弦式锚索测力传感器长期稳定性技术途径如下：

（1）材料是决定传感器长期稳定性的第一要素。我们在选择锚索测力传感器的结构材料时，重点考虑物理力学性能：传感器各部件材料在常温下的线膨胀系数尽量接近或相同，或者使其温度胀缩量相匹配；）选用弹性模量低、弹性极限高的材料，在弹性模量基本相同的情况下，尽量提高材料的回弹模量；弹性元器件抵抗蠕变能力要好；元器件加工造成的残余应力要小。

（2）振弦的直径为0.06～0.015mm，极细，抗弯刚度比轴向刚度要小得多，振弦在空气中振动，其阻尼力应极小；激振后的振弦只能在沿着磁力线的平面内运动，其振幅应极小。考虑到以上几点和强度、稳定性等要求，我们选用合适的金属丝。为了使弦丝有很高的稳定性，减小其的弹性后效、蠕变和消除残余应力，需要对弦丝进行自然时效处理。振弦的预应力为147～490MPa，太大或太小对传感器的稳定性影响较大。通常传感器在使用后，作用在膜片上的压力减少，从而导致了弦上的应力大大降低，这样将减小弦的徐变趋势。振弦式传感器的谐振频率主要取决钢弦的长度以及钢弦的应变。在弦长和应变一定时，钢弦直径及材质对其频率影响甚微。在读数设备的精度一定时，频率变化越大，传感器的应变分辨率就越高。对于锚索测力传感器来说，最重要问题是线性度和分辨率。我们制造生产的传感器的指标可以达到线性度为全量程的±0.1%及分辨率为全量程的±0.01%。

（3）振弦两端与固定端相焊接，可使振弦与固定端深层焊透而又不产生热应力，并且焊接不使用填充料以避免腐蚀，通过特殊胶进行固定，其效果是非常好的。

图2中，振弦式锚索测力传感器结构如下：带有中孔的活塞式承压体1包括缸体4，缸体4的凹槽内设有大活塞5，缸体4与大活塞5之间设有“O”型密封圈6和挡圈7，带有中孔的活塞式承压体1侧壁与振弦式液体压力传感器2的连接处设有小活塞。振弦式锚索测力传感器的偏载影响因素中，安装问题、张拉问题及材料质量问题属于主观因素，可以通过提高施工人员素质和施工质量得以降低甚至消除。而传感器本身结构问题则属于客观因素，要想降低偏载影响，就必须从改变现有传感器结构设计着手。受千斤顶工作原理启发，即使有偏载影响存在，但是当总压力不变时，其输出力值还是不变的，因为根据帕斯克原理液体传递压强在各个方向上是相同的。根据这一思路，我们可以把锚索测力传感器承压体内壁设计成液压传力，再由液压把力传递给传感器，这样就可以不受偏载影响。当测量荷载达到1000KN以上时，若采用传统的直接测量法，材料应力很大，长期承载易产生蠕变，导致零点和灵敏度漂移，而且传感器自身质量大体积大，不易热处理，刚度不匹配，性能难以保证。鉴于以上原因，本发明采用间接测量思路，设计了带有中孔的活塞式承压体1，它的力传递方式：大活塞——液体——小活塞，经力变换带有中孔的活塞式承压体1将作用力变小若干倍后传递给振弦式液体压力传感器2。采用液压转换结构可以很好地解决量程限制问题，先将活塞所受的力转换为液体压力经液压转换缩小许多倍以后, 再用压力传感器测量，这样就可以用高精度的小量程液体压力传感器来量测活塞所受的外力，同时可以通过改变油缸活塞直径即可使测力传感器量程系列化。锚索从带有中孔的活塞式承压体1的中孔穿过后被一套锚具固定,调节液压千斤顶张拉锚索, 锚索拉力施压于力变换油缸,经变小许多倍后作用于振弦式液体压力传感器2的工作膜,膜挠曲使弦张力变小, 则固有振动频率降低。若其电缆连接智能检测仪器3，启动电源后锚索拉力被转换为频率信号输出，测频电路测定频率f后，单片机按振弦传感器精确数学模型式（公式2）计算出拉力F并直接数字显示。

图3中，智能检测仪器3包括便携式智能检测仪或智能型多点检测仪，智能检测仪器3包括单片机，单片机连接多周期测频电路和高增益弱激发电路，高增益弱激发电路连接感应线圈和激发线圈，单片机连接有功能选择拨码器、数码显示器以及看门狗及存储芯片。图4中，高增益弱激发电路通过高精度仪器测频率，随机波动小于0.05Hz，分辨率优于0.01％FS，包括高倍放大装置和限幅限流装置，激发时间小于1秒，激发电线长度为1000米。（1）便携式智能检测仪：我们利用单片机控制高精度测频电路，快速准确测定频率，按振弦传感器的精确数学模型（公式2）计算直接显示力值。其与各种双线圈自激型振弦锚索测力传感器配套使用，可测频率，也可直接数字显示待测物理量值。智能检测仪器3以单片机为核心，配有高性能钢弦激发器和高准确度快速测频电路等,使用时，激发电路激励钢弦自振，微机快速准确测量频率。若事先输入传感器的常数，选定测量物理量档，则由微机按数学模型（公式2）计算出物理量值直接数字显示。其性能特点：测量准确，可接长电缆，不产生附加误差。该便携式可配64个传感器直接显示物理量值，适合野外使用。它是便携式、电池供电的结构形式，本质安全型电路，能适合各种工况。适于下列情况应用：1.预应力锚索施工过程中的预应力施加过程动态控制，解决分级张拉力控制、锁定值控制；2.实验室波纹管摩阻的测定过程中锚索受力大小测定；3.钢铰线锚具、夹具组合性能实验过程中加载过程控制。在便携式智能检测仪输入马上测力传感器常数后，直接与锚索测力传感器连接，检测仪直接显示所测力值，简洁明了，易于操作。所测数据可以永久储存在便携式检测仪中。（2）智能型多点检测仪：主要用于大型监测工程，对多点振弦式传感器的测量数据进行定时自动采集，计算显示各测点的物理量值，并存贮于数据库中，进行实时监测。为使系统正常运行，首先要进行系统设置。启动微机，运行监测系统软件，出现主菜单后，鼠标点击系统设置，出现设置窗口。输入分站个数，各分站的测点数及定时采集的时间间隔。再输入各分站的各测点振弦传感器的A、B、f₀常数，校验无误后即可投入运行。其性能参数如下：

微机运行环境	Windows98，VB，VC，Word
		通信波特率	1200
系统容量	16个分站，每分站30个测点，共有480个测点，需扩容的用户可在定货时提出要求。
		每点检测时间	2～3秒
时间间隔	0～24小时，可根据需要设置
		系统测量准确度	主要取决于传感器的准确度

在对预应力锚索应力变化进行长期实时监测时，预应力锚索施工过程中安装锚索测力传感器，铺设电缆至监测室，连接智能型多点监测系统，可以对工程运行过程中锚索受力状态的实时监控，实现远距离自动化监测，具有抑制温漂、数字滤波、故障报警、峰值记忆、数据保存和通讯等功能。

Claims

1.一种基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：包括振弦式锚索测力传感器和智能检测仪器（3），振弦式锚索测力传感器包括相连接的带有中孔的活塞式承压体（1）和振弦式液体压力传感器（2），振弦式液体压力传感器（2）与智能检测仪器（3）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：振弦式锚索测力传感器的数学模型方程为

Figure 2011103179683100001DEST_PATH_IMAGE001

，进程误差小于0.2%FS，综合误差不超过1.0%FS。

3.根据权利要求2所述的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：振弦式锚索测力传感器包括横式结构传感器和竖式结构传感器，横式结构传感器的工作膜与振弦的热膨胀系数接近，竖式结构传感器的弦架与振弦的热膨胀系数接近，振弦式锚索测力传感器的温度补偿做法为：先对传感器初频f₀进行温度标定，然后测量传感器实际应用时的环境温度，将实际频率f代替f₀进行计算，对于可卸载到零的场合，先调零，再检测。

4.根据权利要求3所述的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：振弦与工作膜的几何尺寸相匹配，振弦的直径为0.06～0.015mm，振弦的预应力为147～490MPa，振弦两端与固定端相焊接，通过特殊胶进行固定。

5.根据权利要求1所述的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：带有中孔的活塞式承压体（1）包括缸体（4），缸体（4）的凹槽内设有大活塞（5），缸体（4）与大活塞（5）之间设有“O”型密封圈（6）和挡圈（7），带有中孔的活塞式承压体（1）侧壁与振弦式液体压力传感器（2）的连接处设有小活塞。

6.根据权利要求1所述的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：智能检测仪器（3）包括便携式智能检测仪或智能型多点检测仪，智能检测仪器（3）包括单片机，单片机连接多周期测频电路和高增益弱激发电路，高增益弱激发电路连接感应线圈和激发线圈，单片机连接有功能选择拨码器、数码显示器以及看门狗及存储芯片。

7.根据权利要求6所述的基于振弦传感技术的预应力锚索受力状态实时监测系统，其特征是：高增益弱激发电路通过高精度仪器测频率，随机波动小于0.05Hz，分辨率优于0.01％FS，包括高倍放大装置和限幅限流装置，激发时间小于1秒，激发电线长度为1000米。