CN103557973A - 在役结构预应力原位检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在役结构预应力原位检测系统及方法，该检测系统包括可调信号源单元，高输入阻抗单元，A/D转换电路，电压测试处理显示单元，系统参数输入单元，阻抗匹配单元和放大单元。本发明把钢筋作为一端输入、一端终端开路的导体，电磁波在终端会发生反射，形成驻波，驻波的形成与电磁波在钢筋中的传播特性直接相关，该传播特性与钢筋磁导率直接关联，而钢筋的磁导率会随受力而发生变化，因此，端点驻留电磁波电压变化直接关联钢筋受力变化，并通过在钢筋中多个波长传播，驻波电压变化能被放大，最终把受力大小直接表现在开路终端的驻波电压变化上，实现绝对应力的电化表示，检测该电压便能直接获得钢筋所受的绝对应力。

Description

在役结构预应力原位检测系统及方法

技术领域

本发明涉及钢筋的应力检测领域，具体涉及一种基于单线铁磁材料中慢速电磁波传输特性的在役结构预应力原位检测系统及方法。

背景技术

预应力结构具有性能好、重量轻等优点已成为如桥梁、大坝等建筑结构的首选手段。预应力梁承重性决定了这些结构的使用寿命，同时预应力也是外化损伤的内驱力，如由于内部应力变化，使得桥梁开裂，挠度变大甚至断裂坍塌等，实时检测桥梁等结构中钢筋的内在应力就变得特别重要，它能具体了解和实时监测其内在预应力损失，感知桥梁内在性能，也是长期监测桥梁监测健康状况的重要手段。

目前检测和监测应力的主要技术有声传感器技术、磁通量技术、微压痕技术以及光纤传感器技术等。声传感阵列检测利用超声波信号在材料中发射、衍射过程中出现的传播速度、幅度、频谱等变化，测试获得结构应力、损伤等状或利用声检测阵列元件拾取材料变化时产生的特征声信息，确定声源位置、大小，进而确定预应力束锈蚀与断丝等，但是，声阵列在测试精度上存在一定的问题，在实际测试时存在较大的难度，距离工程实际还有较大差距。压痕阵列检测使用显微光学成像、电磁测深、力-位移检测等手段，通过在微细刚性材料阵列压入受测材料时，测定受测材料对微纳阵列压入的抵抗能力及反应情况，确定受测材料各种力学性质。但在预应力钢筋千兆帕级受力状态下确定应力状态的压痕测试方法及检测理论尝无确定结果，并且在测试过程中对结构有一定的损伤。光纤传感技术采用在建造预应力梁时把布拉格光栅传感器预埋进预应力仝内部的方法来实现其检测功能，该方法在桥梁建设初期能很好的检测其桥梁的应力变化，但随着时间的推移，其传感器老化加剧，测量的准确性便会产生很大的变化；另外如果传感器损坏，几乎不能进行更换和维修，同时由于传感器建造在结构体内部，会对结构体的一些特性形成破坏，这也增加了检测结果的不确定性。钢材在施工或使用过程中，其材性或受力状态的变化必将导致其内部微观组织结构发生变化，从而使其电磁效应发生改变，利用钢材的电磁效应就可研究其实时应力分布及损伤等与其电磁特性变化的一般规律。关于铁磁构件损伤和应力的磁性无损检测，目前取得了可信的研究成果，但这些研究集中在航空航天、机械、石油等领域，主要是针对均质钢结构铁磁构建损伤和应力的磁性无损定性检测，而在土木工程、桥梁工程领域，针对多股钢绞线总体损伤和内力分布的电磁无损检测，研究甚少；另外当前的拉索倾向去采用钢保护套，这样磁场穿透变差，测试效果变坏;同时该方法对于混凝土预应力钢梁中钢筋受力，因体积过大无法加载磁性选全而无法采用;再次，对于在役预结构应力测试,因结构已经安装在指定位置，磁性线圈同样无法加载而不能使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用磁性材料的磁导率与受力具有直接的关系这一物理现象而提出的一种全新的基于单线磁性材料中电磁波在钢筋上传播形成驻波的特性来实现对预应力钢筋的应力进行直接检测的检测系统及检测方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，在役结构预应力原位检测系统，包括：可调信号源单元，与预应力钢筋的输入端连接，用于输出不同频率和相位的电磁波，以满足不同长度不同粗细的预应力钢筋的阻抗要求；高输入阻抗单元，与预应力钢筋的输出端连接，使钢筋等效为开路状态；峰值检波单元，连接在高输入阻抗单元的输出端处，用于提取出输出端的驻波峰值电压；A/D转换电路，将峰值检波单元输出的驻波峰值电压转变成数字信号；电压测试处理显示单元，把对应的电压值等效显示成具体的受力大小；系统参数输入单元，与电压测试处理显示单元连接，把对应的钢筋的物理尺寸与电参数输入电压测试处理显示单元，用于计算获得钢筋所受应力。

进一步，所述电参数包括半径大小、钢筋的材料混合比例以及相因的未受力的节点常数、电导率和磁导率。

进一步，该检测系统还包括放大单元，所述放大单元用于放大可调信号源单元输出的信号并将可调信号单元输出的信号导入到预应力钢筋的输入端。

进一步，该检测系统还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元的输入端与放大单元的输出端连接，阻抗匹配单元的输出端与预应力钢筋的输入端连接，用于使电磁波在预应力钢筋的输入端不发生反射。

进一步，预应力钢筋的输入端不发生反射包括信号源到钢筋上，以及钢筋输出端反射回来的信号不再发生反射。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，使用在役结构预应力原位检测系统进行原位检测的检测方法，具体包括以下步骤：

S1:基本校验与标定；

S11将阻抗匹配单元与钢筋的一端连接，将高输入阻抗单元与钢筋的另一端连接；

S12通过系统参数输入单元输入钢筋在未受力时的磁导率；

S13调节信号源的频率和相位，首先使得信号输出时相位为0；调节信号频率，使得输出端电压达到最大值，即获得最大的反射，形成最大的驻波；

S14根据不同钢筋的型号与粗细，制定相应的频率表和对应的磁导率表；

S2:绝对应力测试；

S21根据步骤S14中制定的频率表设定信号源频率，并输入相应的磁导率；

S22记录此时输出端驻波信号幅度；

S23调节信号源频率，使得输出驻波电压降低到最低，记录下当前频率，然后计算出驻波在钢筋上的个数；

其中：[]为取整算符，n为整数，n为驻波在钢筋上的个数，f₁为最大驻波时频率，f₂为最小驻波时频率；

S24输入n值到电压测试处理显示单元；

S25计算获得相应的绝对应力； $\mathrm{\δ}=\frac{B_m^2(\mathrm{A\μ}{\mathrm{\ϵ}}_0+8\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0)(\mathrm{\π}/2-\mathrm{ar}\cos (V_m^{\′}/V_m))}{(n+1/4){\mathrm{A\ϵ}}_0{\mathrm{\λ}}_m{\mathrm{\μ}}^2},$ 其中：δ为钢筋所受绝对应力，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λm为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数，V_m为不加力的值，是事先做好的标称值，V_m'为拉伸发生后的电压；

S3：预应力损失监测；

S31根据对应钢筋参数设定磁导率与频率；

S32按照步骤S2测试一次驻波电压；

S33给定时间间隔再测试一次驻波电压；

S34根据计算公式直接计算应力变化，与设定值比较获得预应力损失即预应力变化：

其中：Δδ为钢筋所受绝对应力变化，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λm为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数；V_m为不加力的值，是事先做好的标称值，V_m'为拉伸发生后的电压；ΔV'_m为加载应力后随应力变化而引起的驻波电压变化。

有益技术效果：

1、本发明把钢筋作为终端开路的导体，电磁波在终端会发生反射，形成驻波，驻波的形成能放大因受力变化所引起的电磁波电压变化，把受力大小直接表现在电压变化上，实现绝对应力的电化表示，检测该电压便能直接获得钢筋所受的绝对应力。

2、本发明的输入信号直接作用与预应力筋上，测试具有直接性；

3、测试采用原位测试，对试件和对象无损伤；

4、能够获得钢筋的绝对预应力；

5、由于采用单线方式，测试加装的简单，不需要其他辅助设备；

6、设备简单，价格便宜。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为在役结构预应力原位检测系统结构图；

图2为单线慢速电磁驻波法测量绝对预应力原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图2所示，AA1表示驻波电压幅度变化，BB1表示拉伸形变，一般较小可以忽略，C表示终端开路测试驻波幅度变化，DD1表示钢筋受力前后波长在钢筋长度上的改变量，δ表示绝对应力（其箭头方向代表受力方向），λ₁表示钢筋受力前电磁波波长，λ₂表示钢筋受力后电磁波波长。由于钢筋是磁导率较大的导体，钢筋的受力会使其磁导率发生变化，而电磁波在钢筋上传播，其波长、波速及相位等都会随磁导率的变化而发生变化，由于波长的变化则会在电磁波形成驻波的情况下使得输出驻波电压发生变化而表现出受力的电参数变，测试该变化则得到其受力变化，如其较大的磁导率使电磁波传播速度变慢，更易形成驻波。

为了满足一些在役预应力钢筋的测试，即在原位测试和安装，根据预应力钢筋的安装方式即钢筋在预应力筋中只能留下两头最为锚固端，因此，该测试方式是把一根预应力钢筋看成是一个单导线的电磁波传输系统，当一定频率的电磁波加载在一端后，另一端不做任何加载，形成完全开路段，当给定电磁波的波长与钢筋长度可比拟的时候，按照传输线上电磁波传播方式，在开路终端线上形成如图2所示的驻波。另外，根据焦耳效应，钢筋在受力作用后，其磁导率μ会随受力的大小发生正比关系变化，由于钢筋是磁导率较大的导体(钢筋磁导率在几百或几千甚至上万)，电磁波在其中传播与在导体中传播最大的区别是磁导率会影响其传播特性，最明显的是其传播速度会随磁导率的变化发生变化。磁导率越大则传播速度越慢，由于电磁波在钢筋中的传播速度变慢，则波长变短，可以在较低的频率上形成驻波。同时波长与磁导率存在直接的相关性，并且磁导率与受力也具有直接的相关性，按照图2中实线所示，给定起始的电磁波相位为0，并使得输出端相位为90°（驻波振幅为最大值），按照波长计算即初始为0°相位的电磁波波在钢筋上形成n+1/4个波长的驻波；当钢筋受力使得其磁导率发生变化，则对应的电磁波驻波波长发生变化，如图2中虚线所示，钢筋受拉力，磁导率变大，波长变短，在输出端表现出来的是该点的驻波幅度发生变化了，变化的原因是波长变短，两者相差(n+1/4)Δλ，而钢筋则认为长度不发生变化（钢筋受力拉长的大小与波长改变(n+1/4)Δλ相比可以忽略），这样在输出端、测量的电压变化就与钢筋受力存在直接的关系，利用该方式就能原位测量出钢筋受力的情况，即可以用以监测也可以用以检测其受力大小。

如图1所示，一种在役结构预应力原位检测系统，包括：

可调信号源单元，与预应力钢筋的输入端连接，用于输出不同频率和相位的电磁波，以满足不同长度不同粗细的预应力钢筋的阻抗要求；

高输入阻抗单元，与预应力钢筋的输出端连接，使钢筋等效为开路状态，不仅实现了钢筋的单线传输的特性又能测试驻波电压；

峰值检波单元，连接在高输入阻抗单元的输出端处，用于提取出输出端的驻波峰值电压；

A/D转换电路，将峰值检波单元输出的驻波峰值电压转变成数字信号；

电压测试处理显示单元，把对应的电压值等效显示成具体的受力大小；

系统参数输入单元，与电压测试处理显示单元连接，把对应的钢筋的物理尺寸与电参数（半径大小、钢筋的材料混合比例以及相因的未受力的节点常数、电导率和磁导率）输入电压测试处理显示单元，用于计算获得钢筋所受应力。

该检测系统还包括放大单元，所述放大单元用于放大可调信号源单元输出的信号并将可调信号单元输出的信号导入到预应力钢筋的输入端。

该检测系统还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元的输入端与放大单元的输出端连接，阻抗匹配单元的输出端与预应力钢筋的输入端连接，用于使电磁波在预应力钢筋的输入端不发生反射。电磁波在输入端不发生反射包括信号源到钢筋上，以及钢筋输出端反射回来的信号不再发生反射。

基于上述系统，本发明提供一种采用在役结构预应力原位检测系统进行预应力检测的检测方法，具体包括以下步骤：

S1:基本校验与标定；

S11将阻抗匹配单元与钢筋的一端连接，将高输入阻抗单元与钢筋的另一端连接；

S12通过系统参数输入单元输入钢筋在未受力时的磁导率；

S13调节信号源的频率和相位，首先使得信号输出时相位为0；调节信号频率，使得输出端电压达到最大值，即获得最大的反射，形成最大的驻波；

S14根据不同钢筋的型号与粗细，制定相应的频率表和对应的磁导率表；

S2:绝对应力测试；

S21根据步骤S14中制定的频率表设定信号源频率，并输入相应的磁导率；

S22记录此时输出端驻波信号幅度；

S23调节信号源频率，使得输出驻波电压降低到最低，记录下当前频率，然后计算出驻波在钢筋上的个数；

其中：[]为取整算符，n取整数，n为驻波在钢筋上的个数，f₁为最大驻波时频率，即步骤S13记录下的频率；f₂为最小驻波时频率，即步骤S23记录下的频率；

S24输入n值到电压测试处理显示单元；

S25计算获得相应的绝对应力； $\mathrm{\δ}=\frac{B_m^2(\mathrm{A\μ}{\mathrm{\ϵ}}_0+8\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0)(\mathrm{\π}/2-\mathrm{ar}\cos (V_m^{\′}/V_m))}{(n+1/4){\mathrm{A\ϵ}}_0{\mathrm{\λ}}_m{\mathrm{\μ}}^2},$ 其中：δ为钢筋所受绝对应力，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λm为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数，V_m为不加力的值，是事先做好的标称值，V_m'为拉伸发生后的电压；

S3：预应力损失监测；

S31根据对应钢筋参数设定磁导率与频率；

S32按照步骤S2测试一次驻波电压；

S33给定时间间隔再测试一次驻波电压；

S34根据计算公式直接计算应力变化，与设定值比较获得预应力损失即预应力变化：

其中：Δδ为钢筋所受绝对应力变化，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λm为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数；V_m为不加力的值，是事先做好的标称值，V_m'为拉伸发生后的电压；ΔV'_m为加载应力后随应力变化而引起的驻波电压变化。

本发明把钢筋作为一端输入、一端终端开路的导体，电磁波在终端会发生反射，形成驻波，驻波的形成能放大因受力变化所引起的开路端点驻波电磁波电压变化，把受力大小直接表现在电压变化上，实现绝对应力的电化表示，检测该电压便能直接获得钢筋所受的绝对应力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.在役结构预应力原位检测系统，其特征在于：包括

可调信号源单元，与预应力钢筋的输入端连接，用于输出不同频率和相位的电磁波，以满足不同长度不同粗细的预应力钢筋的阻抗要求；

高输入阻抗单元，与预应力钢筋的输出端连接，使钢筋等效为开路状态；

峰值检波单元，连接在高输入阻抗单元的输出端处，用于提取出输出端的驻波峰值电压；

A/D转换电路，将峰值检波单元输出的驻波峰值电压转变成数字信号；

电压测试处理显示单元，把对应的电压值等效显示成具体的受力大小；

系统参数输入单元，与电压测试处理显示单元连接，把对应的钢筋的物理尺寸与电参数输入电压测试处理显示单元，计算获得钢筋所受应力。

2.根据权利要求1所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于：所述电参数包括半径大小、钢筋的材料混合比例以及相因的未受力的节点常数、电导率和磁导率。

3.根据权利要求1所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于：该检测系统还包括放大单元，所述放大单元用于放大可调信号源单元输出的信号并将可调信号单元输出的信号导入到预应力钢筋的输入端。

4.根据权利要求3所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于：该检测系统还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元的输入端与放大单元的输出端连接，阻抗匹配单元的输出端与预应力钢筋的输入端连接，用于使电磁波在预应力钢筋的输入端不发生反射。

5.根据权利要求4所述的在役结构预应力原位检测系统，其特征在于：预应力钢筋的输入端不发生反射包括信号源到钢筋上，以及钢筋输出端反射回来的信号不再发生反射。

6.利用权利要求5所述的检测系统进行检测的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1:基本校验与标定；

S11将阻抗匹配单元与钢筋的一端连接，将高输入阻抗单元与钢筋的另一端连接；

S12通过系统参数输入单元输入钢筋在未受力时的磁导率；

S13调节信号源的频率和相位，首先使得信号输出时相位为0；调节信号频率，使得输出端电压达到最大值，即获得最大的反射，形成最大的驻波；

S14根据不同钢筋的型号与粗细，制定相应的频率表和对应的磁导率表；

S2:绝对应力测试；

S21根据步骤S14中制定的频率表设定信号源频率，并输入相应的磁导率；

S22记录此时输出端驻波信号幅度；

S23调节信号源频率，使得输出驻波电压降低到最低，记录下当前频率，然后计算出驻波在钢筋上的个数；

其中：[]为取整算符，n为整数，n为驻波在钢筋上的个数，f₁为最大驻波时频率，f₂为最小驻波时频率；

S24输入n值到电压测试处理显示单元；

S25计算获得相应的绝对应力； $\mathrm{\δ}=\frac{B_m^2(\mathrm{A\μ}{\mathrm{\ϵ}}_0+8\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0)(\mathrm{\π}/2-\mathrm{ar}\cos (V_m^{\′}/V_m))}{(n+1/4){\mathrm{A\ϵ}}_0{\mathrm{\λ}}_m{\mathrm{\μ}}^2},$ 其中：δ为钢筋所受绝对应力，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λm为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数，V_m为不加力的值，是事先做好的标称值，V_m'为拉伸发生后的电压；

S3：预应力损失监测；

S31根据对应钢筋参数设定磁导率与频率；

S32按照步骤S2测试一次驻波电压；

S33给定时间间隔再测试一次驻波电压；

S34根据计算公式直接计算应力变化，与设定值比较获得预应力损失即预应力变化：

其中：Δδ为钢筋所受绝对应力变化，μ是未受力时磁性材料的磁导率，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空电导率，Bm为饱和磁感应强度，λm为磁致伸缩系数，A是与钢筋半径相关的常数；V_m为不加力的值，是事先做好的标称值，V_m'为拉伸发生后的电压；ΔV'_m为加载应力后随应力变化而引起的驻波电压变化。

Images