CN103528720A - 体外预应力钢束应力精确检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体外预应力钢束应力精确检测装置和方法，该方法包括如下步骤：对磁感传感器进行张拉试验机标定；安装磁感传感器与振动传感器；采取张拉试验确定瞬时损失系数；获取初始预应力钢束应力预测模型；钢束张拉完成后，测试所述振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率；张拉后按照预定目标和测试时间测定所述磁感传感器的测值x及振动传感器数据；计算应力值；本发明通过采用磁感效应测试方法与振动测试方法结合，弥补了单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。

Description

体外预应力钢束应力精确检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种预应力钢束应力的检测装置及方法，特别是涉及一种用于精确测试体外预应力钢束应力状态的体外预应力钢束应力精确检测装置和方法。

背景技术

体外预应力钢束是钢-混结合段部分重要的结构组成部分，体外预应力状态直接影响钢混结合段的结构刚度和连接可靠性，瓯江大桥主跨采用混合梁结构，为保证钢梁和混凝土有效连接并改善其承载性能，在混合梁内部布置了体外预应力束，体外预应力的实际工作状态直接影响到混合梁的承载可靠性。但目前的检测方法和手段只能在钢束的张拉端测量张拉控制力的大小，属于宏观的测量，不能直接检测预应力钢束沿纵向各个位置的应力状况。体外预应力实际分布状态尤其是转向块及限位阻尼装置对预应力的影响尚不明确，难以量化。研究开发体外钢束预应力状态感知与识别技术可以有效提高桥梁体外预应力工程施工质量和服役能力。

目前，可用于测试钢束预应力状态且效果较好的技术有磁通量传感技术、振动频率识别方法、光纤光栅传感技术等。

磁通量传感技术可被用于检测预应力钢束应力状况，其原理是基于铁磁性材料的磁弹效应，当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应变，相应磁导率发生变化，通过测量磁导率变化，建立磁导率与应力关系，可计算出应力变化情况。磁通量传感器通过直接感应试件的磁特性变化测量应力，属于非接触测量，安装位置灵活，可置于塑料波纹管外面或直接与波纹管相连，可沿钢束长度方向的任意位置，并且具有量程不受限制，保证率高，不易破坏失效的优点，但其测试精度相对较低。磁通量传感器测量体内预应力的技术在南京葫芦鼎桥体内预应力检测、成都双流机场滑道桥体内预应力监测项目中都有应用。

振动频率识别法是测量拉索受力及体外束索力的另外一种行之有效的测试方法。准确测算索力的关键在于得到准确的拉索固有频率。不同于直接测量的方法，振动法测索力是目前测量斜拉桥索力最广泛采用的一种方法。在这种方法中，以环境振动或者强迫激励拉索，传感器记录下时程数据，并由此识别出索的振动频率，索力由测得的频率换算而间接得到。振动法测索力的关键在于通过现场振动实验准确地识别出索的固有频率。在进行桥梁等大型结构动力测试时，由于环境激励具有不需要激励设备，不影响使用等优点，成为普遍采用的动力测试方式。平稳随机环境激励下识别斜拉桥拉索频率的传统方法主要有功率谱频差法和基频法，然而通常由环境振动测试得到的功率谱的结果不是非常理想，尤其是低频部分，代表前几阶频率的峰值很容易混淆，导致真实的峰值有时不容易识别。

分布式光纤传感技术是利用光纤的连续特性进行测量，光纤既作传感元件，又作传输元件，可对光纤经过区的环境参数进行连续测量，获得被测空间分布状态和随时间变化的信息。从20世纪70年代发展至今，分布式光纤传感器主要包括准分布式光纤传感器(QDOFS)和全分布式光纤传感器(DOFS)。全分布式为连续测量法，整个光纤长度上任一点都是敏感点，属于“海量”测量，理论上传感距离任意长，空间分辨率任意小，检测没有盲区。光纤具有不受电磁干扰，灵敏度高，可靠性高，耐腐蚀，体积小等优点，已成为国际研究的热点。分布光纤传感器强度和柔度满足工程复杂环境要求，光纤既作传感器又作数据传输线路，耐久性较好。但是分布光纤传感器的测试精度较光栅传感器低，属于接触式测量方法，安装中易损坏。国际上光纤光栅传感技术研究始于20世纪70年代，通过在实际工程中安装光纤光栅传感器，获取结构状态信息。光栅传感器测试精度可达2~3με，能满足预应力测试的要求。但传感器埋设过程中存在易损坏问题，即在预应力钢束受力产生变形的过程中，局部变形过大损坏光纤传感器和数据引线。1993年加拿大多伦多大学在卡尔加里的贝丁顿特雷尔桥（钢桁架）上布置光纤传感器，成功进行了桥梁结构应变监测。Nellen等（1999）首次将布拉格光栅传感器埋入到CFRP绞索中，测量了桥梁预应力索及预应力锚固端应变演变规律。我国吴忠黄河大桥施工监测也采用了光纤传感技术。但光栅传感器技术也属于接触式的测量方法，在复杂的施工环境中，很容易损坏。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种体外预应力钢束应力精确检测装置及方法，其能够弥补单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。

为达上述及其它目的，本发明提出一种体外预应力钢束应力精确检测装置，包括：

多个磁感传感器，各磁感传感器用于检测预应力钢束的磁通量，输出与应力成比例的电压至磁感数据采集装置；

磁感数据采集装置，用于将各磁感传感器输出的数据进行放大和模数转换后进行数字处理，并输出至控制系统；

振动传感器，用于测量所述预应力钢束在不同应力状态下的振动频率；

振动数据采集装置，连接振动传感器及控制系统，用于量化所述振动传感器的振动频率；

控制系统，根据所述磁感数据采集装置输出的数据建立初始预应力钢束应力预测模型进而应用该模型对所述预应力钢束进行应力状况预测，并利用所述振动数据采集装置输出的振动频率对所述初始预应力钢束应力预测模型所预测的应力进行修正。

进一步地，每个磁感传感器包括传感器不锈钢套筒、环氧树脂封口、韧性PVC骨架、激励线圈、感应线圈、温度传感器及传感器导线，所述传感器韧性PVC骨架以轴为中心从内到外依次铺设所述感应线圈和所述激励线圈，最外层为所述传感器不锈钢套筒，所述传感器导线一端连接所述磁感传感器，另一端连接所述磁感数据采集装置的传感器接口。

进一步地，所述磁感数据采集装置为八通道数据采集装置，所述八通道数据采集装置包括主控制器、片选开关、传感器接口、滤波器、积分器、加法器、差分运算模块、AD转换模块、电压转换模块、放电电容、温度采集模块、控制开关、485接口，所述传感器接口具有八个，分别对应八个通道，各传感器接口与各磁感传感器连接，所述485接口，与控制系统连接，所述片选开关选择将8路传感器数据之一进行处理，所述滤波器用于滤除不需要的杂波，所述积分器用于在设定时间内对滤波后的电压进行积分，所述加法器用于去掉所述磁感传感器的输出中的直流偏置，所述差分运算模块对所述加法器的输出进行放大以提高输出电压幅度减小ADC误差，所述AD转换模块对放大后的电压进行模数转换以利于后续数字处理；所述主控制器控制所述片选开关，所述电压转换模块用于获得电压，所述放电电容用于将未选中的磁感传感器的电源接地进行放电，所述温度采集模块用于测量并采集温度。

为达到上述目的，本发明还提供一种体外预应力钢束的应力检测方法，包括如下步骤：

步骤一，对磁感传感器进行张拉试验机标定，获得初始磁感传感器标定公式，并在恒定拉力下改变温度获得温度测试值修正公式，将其代入所述初始磁感传感器标定公式得到修正后的磁感传感器标定公式；

步骤二，在体外预应力钢束穿束过程中将磁感传感器套在钢绞线外，在体外钢束穿束到位后安装振动传感器；

步骤三，采取张拉试验确定瞬时损失系数；

步骤四，体外钢束张拉前测定所述磁感传感器的无应力状态下积分电压数值，体外钢束张拉到设计应力时，对所述磁感传感器数据进行测试，通过前后数据测试，获取磁感传感器测试数据公式的参数，并将其取代修正后的磁感传感器标定公式中的常系数，获得初始预应力钢束应力预测模型；

步骤五，钢束张拉完成后，测试所述振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率；

步骤六，张拉后按照预定目标和测试时间测定所述磁感传感器的测值x及振动传感器数据；

步骤七，根据所述磁感传感器的测值x利用所述初始预应力钢束应力预测模型计算磁感传感器测试应力值，并利用所述振动传感器测试数据修正所述磁感传感器测试应力值，根据修正后的应力计算公式获得当前应力值。

进一步地，步骤一采用大于等于4个张拉力级别对磁感传感器进行标定，其进一步包括如下步骤： 

利用磁感数据采集装置对所述磁感传感器进行数据采集控制和采集；

当所述磁感传感器对被测钢绞线磁化达到平稳后，采集稳定读数值；

根据各个张拉控制力级别的力值和磁感数据采集装置采集值进行曲线拟合，获得初始磁感传感器标定公式；

采用精确控温试验装置对所述磁感传感器进行温度标定，获得温度测试值修正公式；

将所述温度测试值修正公式代入所述初始磁感传感器标定公式，得到修正后的磁感传感器标定公式。

进一步地，所述初始磁感传感器标定公式为                                                

，其中，y 为体外预应力钢束应力，x 为磁感传感器测试值，A 为二次系数，B 为一次系数，C₀ 为常系数；所述温度测试值修正公式为

，其中为温度测试值，

为 标定基准温度值，K 为标定温度系数，K的取值为标定曲线以温度变化为横坐标、测试数据为纵坐标的拟合直线斜率；所述修正后的磁感传感器标定公式为

,其中：

为温度测试值，为标定基准温度值，K为标定温度系数。

进一步地，所述温度标定采用无应力状态传感器标定及采用体外钢束受应力状态下的传感器的标定，并将标定结果进行取平均值作为标定数据参数结果。

进一步地，步骤三还包括如下步骤：

在体外束锚固端锚具和承压板间布置测力传感器，使用常用的张拉千斤顶进行张拉，张拉完成瞬时，测试锚具和承压板间测力传感器的力值N₁并记录；

张拉完成后一段时间后，待张拉及锚固滑移完全稳定后，测试所述测力传感器数值N₂并记录；

通过计算公式

计算瞬时损失系数S。

进一步地，步骤七还包括如下步骤：

根据所述磁感传感器的测值x，代入到所述初始预应力钢束应力预测模型，进行计算，得到磁感传感器测试应力值y；

引入所述振动传感器测试数据来修正所述磁感传感器测试应力值，用频谱分析方法计算所述振动传感器测试数据得到当前测试时间测试体外钢束振动频率，对比张拉后瞬时频率值，利用修正后的应力计算公式计算获得当前应力值。

进一步地，所述修正后的应力计算公式为：

其中，

 为测试频率， 为张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率，S 为瞬时损失系数，当

时，取

；当

时，取实际计算值

。

与现有技术相比，本发明一种体外预应力钢束应力精确检测装置和方法通过采用磁感效应测试方法与振动测试方法结合，能够弥补单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。

附图说明

图1为本发明一种体外预应力钢束应力精确检测装置的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例中磁感传感器的结构示意图；

图3为本发明较佳实施例中八通道数据采集装置的结构示意图;

图4为本发明较佳实施例中磁感传感器、振动传感器、体外束钢绞线的使用状态示意图；

图5为本发明一种体外预应力钢束的应力检测方法的步骤流程图；

图6是本发明较佳实施例中张拉试验标定磁感传感器的数据曲线图；

图7为本发明较佳实施例中温度试验标定磁感传感器的数据曲线图；

图8为本发明较佳实施例中检测部分的细部流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种体外预应力钢束应力精确检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明一种体外预应力钢束应力精确检测装置，包括：多个磁感传感器10、磁感数据采集装置11、振动传感器12、振动数据采集装置13以及控制系统14。

其中，磁感传感器10用于检测预应力钢束的磁通量，输出与应力成比例的电压至磁感数据采集装置11；磁感数据采集装置11用于将磁感传感器输出的数据（通常为电压）进行放大和模数转换后进行数字处理，并输出至控制系统14，在本发明较佳实施例中，磁感数据采集装置11为八通道数据采集装置，其外接12V直流电源15供电（可以直接连接12V直流电池），布置在预应力钢绞线上；控制系统14根据磁感数据采集装置11输出的数据建立预应力钢束应力预测模型进而应用该模型对预应力钢束进行应力状况预测，在本发明较佳实施例中，控制系统14为一台安装采集控制软件的计算机；振动传感器12用于测量预应力钢束在不同应力状态下的振动频率，应用该振动频率对预应力钢束应力预测模型所预测的应力进行修正；振动数据采集装置13，连接振动传感器及控制系统，用于量化（频率计数）振动传感器的振动频率，八通道数据采集装置和振动数据采集装置组成本发明中的数据采集系统1。

图2为本发明较佳实施例中磁感传感器的结构示意图。在本发明较佳实施例中，每个磁感传感器包括传感器不锈钢套筒21、环氧树脂封口22、韧性PVC骨架23、激励线圈24、采集线圈（感应线圈）25、温度传感器26、传感器导线27组成；所述传感器韧性PVC骨架23以轴为中心从内到外依次铺设感应线圈25和激励线圈24，激励线圈24和感应线圈25线外均涂刷高品质绝缘涂料，保证线圈间绝缘及保真一定的防电压穿透能力，最外层是传感器不锈钢套筒21，厚度达3mm；所述传感器导线27采用六芯屏蔽线，传感器导线27一端连接传感器，另一端连接数据采集装置11的传感器接口。

图3为本发明较佳实施例中八通道数据采集装置的结构示意图。如图3所示，该八通道数据采集装置，连接磁感传感器10、控制系统14及外接电源，其包括：主控制器、片选开关、传感器接口、滤波器、积分器、加法器、差分运算、AD转换、电压转换、放电电容、温度采集、控制开关、485接口；所述主控制器包括：变压控制、激励控制、采集控制；所述传感器接口共八个，分别对应八个通道，接口与传感器连接；所述485接口，与控制系统连接，其中，片选开关选择将8路传感器数据（磁感传感器电压）之一进行处理，滤波器用于滤除不需要的杂波，积分器用于在设定时间内对滤波后的电压进行积分，加法器用于去掉磁感传感器的输出中的直流偏置，差分运算对加法器的输出进行放大以提高输出电压幅度减小ADC误差，AD转换对放大后的电压进行模数转换以利于后续数字处理；主控制器控制片选开关，电压转换用于获得12V电压，放电电容用于将未选中的磁感传感器的电源接地进行放电以免产生不必要的干扰 ，温度采集则用于测量并采集温度。

图4为本发明较佳实施例中磁感传感器、振动传感器、体外束钢绞线的使用状态示意图。在本发明较佳实施例中，磁感传感器10芯筒设计尺寸与被测体外钢束钢绞线41直径相当（可以使磁感传感器筒内径大于钢绞线直径2毫米），应使安装后测试时，磁感传感器10套装在钢绞线41外，钢绞线轴心与磁感传感器筒轴心重合，保证测试精度。振动传感器12布置在钢绞线41外，振动传感器通过固定绑带，固定在钢绞线上。

图5为本发明一种体外预应力钢束的应力检测方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种体外预应力钢束的应力检测方法，包括如下步骤：

步骤501，对磁感传感器进行张拉试验机标定，获得初始磁感传感器标定公式，并在恒定拉力下改变温度获得温度测试值修正公式，将其代入初始磁感传感器标定公式得到修正后的磁感传感器标定公式。

在本发明较佳实施例中，对磁感传感器进行张拉试验机标定，对工程实际使用的预应力钢束进行试验机的张拉试验，其中采用大于等于4个张拉力级别对磁感传感器进行标定。具体如下：采用磁感数据采集装置对磁感传感器进行数据采集控制和采集，采集可以用采集装置进行自动控制；当磁感传感器对被测钢绞线磁化达到平稳后，采集稳定读数值；根据各个张拉控制力级别的力值和磁感数据采集装置采集值进行曲线拟合，获得初始磁感传感器标定公式，该初始磁感传感器标定公式形如：

，其中：y – 体外预应力钢束应力，x – 磁感传感器测试值，A – 二次系数，B – 一次系数，C₀ – 常系数。

获得初始磁感传感器标定公式后，进行磁感传感器温度标定。具体如下：采用精确控温试验装置对磁感传感器进行温度标定，采用标定用温度级别，低温小于等于0℃，高温大于等于50℃，以满足最基本的工程测试要求，温度采集的间隔不大于1℃，采用磁感采集装置进行测试，随温度升高，传感器测值线性减小，获得温度测试值修正公式：，其中：

 - 温度测试值，

 - 标定基准温度值，K - 标定温度系数，K的取值为标定曲线以温度变化为横坐标、测试数据为纵坐标的拟合直线斜率；

将此温度测试值修正公式代入上述初始磁感传感器标定公式，得到修正后的磁感传感器标定公式：

；其中：

 - 温度测试值，

 - 标定基准温度值，K - 标定温度系数。

需说明的是，温度标定采用两种工况进行，采用无应力状态传感器标定及采用体外钢束受应力状态下的传感器的标定，将标定结果进行取平均值，作为标定数据参数结果。

步骤502，安装振动传感器及磁感传感器，在体外预应力钢束穿束过程中将磁感传感器套（圆筒形）在钢绞线外，在体外钢束穿束到位后安装振动传感器，振动传感器用绑带绑在体外钢束表面，安装牢固，传感器的导线均引出到方便测试的位置，并采取保护措施防止施工过程对传感器及其导线的损坏。

步骤503，采取张拉试验确定瞬时损失系数S。根据不同的体外束和其锚固锚具，其瞬时损失系数S会不同，需要采取张拉试验以确定损失系数S。在本发明较佳实施例中，选取实际桥梁中使用的体外钢束钢绞线，做张拉试验。具体地说，在体外束锚固端锚具和承压板间布置测力传感器（已有成熟装置），使用常用的张拉千斤顶进行张拉，张拉完成瞬时，测试锚具和承压板间测力传感器的力值N1并记录；张拉完成后60分钟，待张拉及锚固滑移完全稳定后，测试测力传感器数值N2并记录；计算瞬时损失系数，计算公式

。由于N1大于N2，且都为正数，因此S为正小数。以上实验选取3根实验材料分别进行实验，并取平均值。

步骤504，体外钢束张拉前测定磁感传感器的无应力状态下积分电压数值，体外钢束张拉到设计应力时，对磁感传感器数据进行测试，通过前后数据测试，获取磁感传感器测试数据公式的参数C，用以替换步骤501标定公式中的 

；此步骤获得公式（即前述之预应力钢束应力预测模型）：

，

其余参数含义同上。

步骤505，钢束张拉完成后，测试钢束振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，用频谱分析方法计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率f₀。

步骤506，张拉后按照预定目标和测试时间测定磁感传感器测值x及振动传感器数据d。

步骤507，计算应力值。首先计算磁感传感器测试应力值，传感器根据测试值x，代入到步骤504公式中，进行计算，得到应力值y；然后引入振动传感器测试数据来修正磁感传感器测试应力值，用频谱分析方法计算测试数据得到当前测试时间测试体外钢束振动频率f，对比张拉后瞬时频率值，计算获得当前应力值，得到修正后的应力计算公式如下：

式中：

 - 测试频率，

 - 张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率，S – 瞬时损失系数。

当时，取

；当

时，取实际计算值。

可见，本发明通过将磁感效应测试方法与振动方法相结合，能够弥补单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。

以下将通过一具体实施例来进一步说明本发明之体外预应力钢束应力检测方法。

步骤一，标定磁感传感器；对磁感传感器进行张拉试验机标定，对工程实际使用的预应力钢束进行试验机的张拉试验，采用4张拉力级别对传感器进行标定，为200KN、300KN、400KN、500KN，对应的钢绞线应力分别为476.2MPa、714.3MPa、952.4MPa、1190.5MPa，对应的被测钢束钢绞线张拉控制应力为837MPa，因此标定的应力范围能够包含此钢束的应力使用范围，满足使用要求。采用磁感传感测试装置对磁感传感器进行数据采集控制和采集，采集可以用采集装置进行自动控制，当磁感传感器对被测钢绞线磁化达到平稳后，采集稳定读书值；根据各个张拉控制力级别的力值和磁感采集装置采集值进行曲线拟合，获得初始磁感传感器标定公式，标定公式形如：

，其中：y – 体外预应力钢束应力，x – 磁感传感器测试值，A – 二次系数，B – 一次系数，

 – 常系数。标定结果公式（初始磁感传感器标定公式）为：

，如图6。

进行磁感传感器温度标定，采用精确控温试验装置对磁感传感器进行温度标定，采用标定用温度级别，低温等于0℃，高温等于50℃，以满足最基本的工程测试要求。温度采集的间隔为0.5℃，采用磁感采集装置进行测试，随温度升高，传感器测值线性减小，获得温度测试值修正公式：

，其中：

 - 温度测试值，

 - 标定基准温度值，K - 标定温度系数；测试获得温度修正公式为：

，如图7。

将此代入上述初始磁感传感器标定公式，得到修正后的磁感传感器总的标定公式：

；其中：

 - 温度测试值，

 - 标定基准温度值，K - 标定温度系数。

温度标定采用两种工况进行，采用无应力状态传感器标定及采用体外钢束受应力状态下的传感器的标定，将标定结果进行去平均值，作为标定数据参数结果。

步骤二，安装振动传感器及磁感传感器，在体外预应力钢束穿束过程中将磁感传感器套（圆筒形）在钢绞线外，在体外钢束穿束到位后安装振动传感器，振动传感器用绑带绑在体外钢束表面，安装牢固，传感器的导线均引出到方便测试的位置，并采取保护措施防止施工过程对传感器及其导线的损坏。

步骤三，张拉确定瞬时损失系数S，根据不同的体外束和其锚固锚具，其瞬时损失系数S会不同，需要采取张拉试验以确定损失系数S。选取实际桥梁中使用的体外钢束钢绞线，做张拉试验，在体外束锚固端锚具和承压板间布置测力传感器（已有成熟装置），使用常用的张拉千斤顶进行张拉，张拉完成瞬时，测试锚具和承压板间测力传感器的力值N1=132.3KN；张拉完成后60分钟，待张拉及锚固滑移完全稳定后，测试测力传感器数值N2=127.2KN并记录；计算瞬时损失系数，计算公式。

步骤四，体外钢束张拉前测定传感器的无应力状态下积分电压数值，体外钢束张拉到设计应力时，对磁感传感器数据进行测试，通过前后数据测试，获取磁感传感器测试数据公式的参数C=15608.4，用以替换步骤一标定公式中的

；此步骤获得公式：

；

步骤五，钢束张拉完成后，测试钢束振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，用频谱分析方法计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束1阶振动频率f0=18.7Hz。

步骤六，张拉后按照预定目标和测试时间测定磁感传感器测值x=0.9412V及振动传感器数据f=17.6Hz。

步骤七，计算应力值，此步骤由控制系统软件自动完成；计算磁感传感器测试应力值，传感器根据测试值x=0.9412V，代入到步骤三公式中，进行计算，得到应力值y；振动传感器测试数据修正磁感传感器测试应力值，用频谱分析方法计算测试数据得到当前测试时间测试体外钢束振动频率f=17.6Hz，测试时温度为t=28.5℃，对比张拉后瞬时频率值，计算

，因为

，取

。

计算获得当前应力值： 

。计算获得当前的测试应力为782.03MPa。

图8为本发明较佳实施例中检测部分的细部流程图。具体的说，首先将磁感传感器线路连接到磁感采集装置上并开机，磁感采集装置连接计算机，同时将振动传感器线路连接到振动采集装置上，振动采集装置连接计算机; 开启计算机、数据处理软件；测试控制系统、采集系统、传感器工作正常；控制系统（计算机及软件）发出测试指令，激励测试磁感传感器数据、振动传感器数据；振动传感器直接通过振动采集仪将数据传回控制系统，磁感传感器通过磁感传感器内部数据处理，硬件AD转换等将处理后数据发回控制系统；控制系统对信号进行处理分析，初步计算；控制系统将计算获得的磁感系统数据，用振动测试数据进行修正，结合温度修正等；处理得到体外钢束应力测试计算结果，交给控制软件及计算机显示屏幕进行显示查看

综上所述，本发明一种体外预应力钢束应力精确检测装置和方法通过采用磁感效应测试方法与振动测试方法结合，能够弥补单独用磁感传感器和磁感采集装置测试分析时无法排除体外预应力钢束钢绞线应力松弛影响的弊端，有效提高了测试的精度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明将磁感传感器直接套装在单根钢绞线外，减少了非接触式传感器有效测试线圈与被测钢绞线的间隙，保证了测试的稳定性和精确程度。

2、本发明采用二次多项式作为磁感传感器的应力标定曲线，测试精度较高，能够解决但纯用线形标定公式造成的精度不足。

3、本发明采用磁感效应测试方法与振动测试方法有机结合的方法，提出的新方法有效提高了体外钢束应力检测测试的精度，解决了磁感效应对钢绞线松弛损失不敏感的问题。

4、本发明在工程实际测试时，利用标定公式，对工程张拉前后的实测数据进行计算，以获得实际的传感器计算参数，针对被测钢绞线实际材料进行计算公式参数的确定，使测试数据能够更准确反映被测体外钢束的实际应力状态。

5、本发明的磁感采集装置，设计开发了放电电容，使没有连接磁感传感器的磁感采集装置的通道受到了保护，防止对未连接传感器的通道进行采集操作时，高电压对仪器精密单路产生损伤；另外，对异常情况下，避免过高的电压及电流对仪器精密电路产生损伤。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种体外预应力钢束应力精确检测装置，包括：

多个磁感传感器，各磁感传感器用于检测预应力钢束的磁通量，输出与应力成比例的电压至磁感数据采集装置；

磁感数据采集装置，用于将各磁感传感器输出的数据进行放大和模数转换后进行数字处理，并输出至控制系统；

振动传感器，用于测量所述预应力钢束在不同应力状态下的振动频率；

振动数据采集装置，连接振动传感器及控制系统，用于量化所述振动传感器的振动频率；

控制系统，根据所述磁感数据采集装置输出的数据建立初始预应力钢束应力预测模型进而应用该模型对所述预应力钢束进行应力状况预测，并利用所述振动数据采集装置输出的振动频率对所述初始预应力钢束应力预测模型所预测的应力进行修正。

2.如权利要求1所述的一种体外预应力钢束应力精确检测装置，其特征在于：每个磁感传感器包括传感器不锈钢套筒、环氧树脂封口、韧性PVC骨架、激励线圈、感应线圈、温度传感器及传感器导线，所述传感器韧性PVC骨架以轴为中心从内到外依次铺设所述感应线圈和所述激励线圈，最外层为所述传感器不锈钢套筒，所述传感器导线一端连接所述磁感传感器，另一端连接所述磁感数据采集装置的传感器接口。

3.如权利要求1所述的一种体外预应力钢束应力精确检测装置，其特征在于：所述磁感数据采集装置为八通道数据采集装置，所述八通道数据采集装置包括主控制器、片选开关、传感器接口、滤波器、积分器、加法器、差分运算模块、AD转换模块、电压转换模块、放电电容、温度采集模块、控制开关、接口，所述传感器接口具有八个，分别对应八个通道，各传感器接口与各磁感传感器连接，所述接口，与控制系统连接，所述片选开关选择将8路传感器数据之一进行处理，所述滤波器用于滤除不需要的杂波，所述积分器用于在设定时间内对滤波后的电压进行积分，所述加法器用于去掉所述磁感传感器的输出中的直流偏置，所述差分运算模块对所述加法器的输出进行放大以提高输出电压幅度减小ADC误差，所述AD转换模块对放大后的电压进行模数转换以利于后续数字处理；所述主控制器控制所述片选开关，所述电压转换模块用于获得电压，所述放电电容用于将未选中的磁感传感器的电源接地进行放电，所述温度采集模块用于测量并采集温度。

4.一种体外预应力钢束的应力检测方法，包括如下步骤：

步骤一，对磁感传感器进行张拉试验机标定，获得初始磁感传感器标定公式，并在恒定拉力下改变温度获得温度测试值修正公式，将其代入所述初始磁感传感器标定公式得到修正后的磁感传感器标定公式；

步骤二，在体外预应力钢束穿束过程中将磁感传感器套在钢绞线外，在体外钢束穿束到位后安装振动传感器；

步骤三，采取张拉试验确定瞬时损失系数；

步骤四，体外钢束张拉前测定所述磁感传感器的无应力状态下积分电压数值，体外钢束张拉到设计应力时对所述磁感传感器数据进行测试，通过前后数据测试，获取磁感传感器测试数据公式的参数，并将其取代修正后的磁感传感器标定公式中的常系数，获得初始预应力钢束应力预测模型；

步骤五，钢束张拉完成后，测试所述振动传感器数据，获得张拉后瞬时振动数据，计算获得张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率；

步骤六，张拉后按照预定目标和测试时间测定所述磁感传感器的测值x及振动传感器数据；

步骤七，根据所述磁感传感器的测值x利用所述初始预应力钢束应力预测模型计算磁感传感器测试应力值，并利用所述振动传感器测试数据修正所述磁感传感器测试应力值，根据修正后的应力计算公式获得当前应力值。

5.如权利要求4所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，步骤一采用大于等于4个张拉力级别对所述磁感传感器进行标定，其进一步包括如下步骤：

利用磁感数据采集装置对所述磁感传感器进行数据采集控制和采集；

当所述磁感传感器对被测钢绞线磁化达到平稳后，采集稳定读数值；

根据各个张拉控制力级别的力值和磁感数据采集装置采集值进行曲线拟合，获得所述初始磁感传感器标定公式；

采用精确控温试验装置对所述磁感传感器进行温度标定，获得所述温度测试值修正公式；

将所述温度测试值修正公式代入所述初始磁感传感器标定公式，得到所述修正后的磁感传感器标定公式。

6.如权利要求5所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，所述初始磁感传感器标定公式为                                                

，其中，y 为体外预应力钢束应力，x 为磁感传感器测试值，A 为二次系数，B 为一次系数，C₀ 为常系数；所述温度测试值修正公式为

，其中

为温度测试值，

为标定基准温度值，K 为标定温度系数，K的取值为标定曲线以温度变化为横坐标、测试数据为纵坐标的拟合直线斜率；所述修正后的磁感传感器标定公式为

,其中：

为温度测试值，

为标定基准温度值，K 为标定温度系数。

7.如权利要求6所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于：所述温度标定采用无应力状态传感器标定及采用体外钢束受应力状态下的传感器的标定，并将标定结果进行取平均值作为标定数据参数结果。

8.如权利要求6所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，步骤三还包括如下步骤：

在体外束锚固端锚具和承压板间布置测力传感器，使用常用的张拉千斤顶进行张拉，张拉完成瞬时，测试锚具和承压板间测力传感器的力值N₁并记录；

张拉完成后一段时间后，待张拉及锚固滑移完全稳定后，测试所述测力传感器数值N₂并记录；

通过计算公式计算瞬时损失系数S。

9.如权利要求8所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，步骤七还包括如下步骤：

根据所述磁感传感器的测值x，代入到所述初始预应力钢束应力预测模型，进行计算，得到磁感传感器测试应力值y；

引入所述振动传感器测试数据来修正所述磁感传感器测试应力值，用频谱分析方法计算所述振动传感器测试数据得到当前测试时间测试体外钢束振动频率，对比张拉后瞬时频率值，利用修正后的应力计算公式计算获得当前应力值。

10.如权利要求9所述的一种体外预应力钢束的应力检测方法，其特征在于，所述修正后的应力计算公式为：

其中，

 为测试频率， 为张拉完毕后瞬时体外钢束振动频率，S 为瞬时损失系数，当

时，取；当

时，取实际计算值

。

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