CN113176016B - 钢绞线应力的检测方法、检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钢绞线应力的检测方法、检测装置及其使用方法，该检测方法以近场磁耦合谐振理论和磁弹效应理论为基础，通过在待进行预应力监测的钢绞线处设有具有激励线圈、增强线圈和感应线圈的近磁场耦合谐振传感器，当钢绞线的预应力发生变化时，所述近磁场耦合谐振传感器的感应线圈的谐振频率发生偏移并导致所述感应线圈的感应电压发生变化，通过对所述感应线圈的感应电压进行测量，即可得到钢绞线的预应力值。该检测装置包括近磁场耦合谐振传感器、激励装置、信号采集装置和后处理装置。本发明检测精度高，同时能对钢绞线的预应力进行实时检测。

Description

钢绞线应力的检测方法、检测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构检测技术领域，具体涉及钢绞线应力的检测方法、检测装置及其使用方法。

背景技术

在土木工程发展过程中，预应力混凝土结构起到了重要的作用。为了避免钢筋混凝土结构裂缝过早出现，充分利用钢绞线的性能，设法在结构构件受荷载作用前，通过预加一定外力，使它受到预压应力来减小或者抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而使结构构件截面的拉应力不至于过大而导致混凝土过早开裂。由于构件长期应用于恶劣环境中，且随着使用年限的不断增长，预应力损失的大小将影响到已建立的预应力，也影响到结构的工作性能，因此，为了保证结构的工作性能，需要对钢绞线中的现存应力进行实时检测。

在常规的混凝土钢绞线体内预应力的应力检测技术当中，因为自身的一些技术及工艺缺陷，不能有效地对体内预应力钢绞线进行准确可靠稳定的应力检测。如现有技术中采用光纤光栅应力检测技术需要在钢绞线中预先粘结应变式的光纤光栅，不仅工艺复杂，而且也不能对体内预应力的绝对应力值进行检测；又如采用将应变片应用到预应力钢绞线的应力测量中，通过测量相对应变来计算应力，所以也不能测得应力的绝对值，而且应变片在混凝土体内很容易受到破坏，这种技术难以推广；还有通过在锚具下面安装压力传感器的方法，该方法虽然可以对体内预应力钢绞线进行应力测量，但是这种方法由于其受到锚具的压力不均匀而使得压力传感器容易损坏，而且也无法适用于长期检测。

以逆磁致伸缩效应为测试原理的构件内力检测方法是近年来正逐步成熟的用于检测钢绞线应力的非破坏性方法。然而，目前基于磁弹效应法的传感器体积大，需要将被测构件磁化至饱和状态，对励磁结构和电源要求高，不适合对钢绞线预应力的实时检测。

综合上述分析可知，虽然目前针对钢绞线应力检测的研究较多，但这些检测方法和检测装置普遍存在检测精度底、且无法实时对钢绞线的预应力进行检测的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种检测精度高，同时能对钢绞线的预应力进行实时检测的钢绞线应力检测方法。

另外，本发明还提供一种钢绞线应力的检测装置及其使用方法，以达到检测精度高，同时能对钢绞线的预应力进行实时检测的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

钢绞线应力的检测方法，以近场磁耦合谐振理论和磁弹效应理论为基础，通过在待进行预应力监测的钢绞线处设有具有激励线圈、增强线圈和感应线圈的近磁场耦合谐振传感器，当钢绞线的预应力发生变化时，所述近磁场耦合谐振传感器的感应线圈的谐振频率发生偏移并导致所述感应线圈的感应电压发生变化，通过对所述感应线圈的感应电压进行测量，即可得到钢绞线的预应力值。

磁弹效应是指铁磁性材料的磁特性(即磁导率)会在内力以及温度的影响下发生改变，同时，根据近场磁耦合谐振理论，当置于磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线磁化强度因磁弹效应发生改变，近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感也随之发生变化，从而引起近磁场耦合谐振传感器各线圈谐振频率的改变，当近磁场耦合谐振传感器各线圈谐振频率变化后，激励信号的频率将偏离近磁场耦合谐振传感器的谐振电压，导致各线圈间磁耦合强度衰减，体现为感应线圈中的感应电动势降低，因此，通过对感应线圈中的感应电压的测量，就可以进一步计算得到钢绞线的预应力值。

本方案的近场磁耦合谐振传感器采用激励线圈、增强线圈和感应线圈三线圈构型，使得感应线圈的感应电压对钢绞线应力变化具有更高的灵敏度；同时，本方案的测量方法在对钢绞线的预应力进行检测时，钢绞线的预应力变化将实时的导致感应线圈感应电压值的变化，因此，通过测量感应线圈的感应电压值就能实时的对钢绞线的预应力值进行检测，综上，本发明不仅检测精度高，同时还能实现对钢绞线预应力的实时检测。

优选的，向所述激励线圈中通入与所述感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，所述增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，所述感应线圈和所述增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，所述感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离所述近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，所述感应线圈的感应电压发生变化。

这样，激励线圈与增强线圈间产生强耦合，增强线圈与感应线圈间产生强耦合，激励线圈与感应线圈间为弱耦合，通过近场磁耦合谐振的方式在它们之间传输电磁信号；当钢绞线的受力情况发生变化时，各线圈之间的耦合强度发生变化，进而导致感应线圈的感应电压发生变化，从而使得钢绞线预应力的变化情况将体现在感应线圈的感应电压变化情况，通过监测感应线圈的感应电压的变化，就可以进一步通过公式换算得到钢绞线的预应力数据。

优选的，根据磁弹效应，钢绞线轴向预应力σ与钢绞线磁导率改变量Δμ之间的关系式为：

式中：σ是钢绞线轴向应力；E为钢绞线的弹性模量；K_u为钢绞线单轴各向异性磁化常数；λ_s为钢绞线轴向应变常数；M_s为钢绞线饱和磁化强度(A/m)；θ₀为钢绞线易磁化轴与磁场方向间的夹角(rad)；Δμ为钢绞线磁导率改变量(H/m)；H为外部磁场强度(A/m)；

根据电磁感应效应，钢绞线磁导率μ与线圈电感L间的关系式为：

式中：L是电感；N是线圈匝数；μ为钢绞线磁导率(H/m)；r为螺旋电感的半径；l为电感长度，η为l与r的比值；

各线圈的谐振频率f的计算公式为：

式中：L是线圈电感；C是线圈的寄生电容；f是线圈谐振频率；

增强线圈和感应线圈之间互感强度M的计算公式为：

式中：M是增强线圈和感应电感之间的互感；k是和电感形状相关的耦合系数，其值在0和之间；L₀为增强线圈的电感；L_s为感应线圈的电感；

感应线圈的感应电压u计算公式为：

Ψ＝MI₀(6)

式中：u为感应线圈的感应电压(V)；ψ为穿过感应线圈的磁链束(Wb)；t为时间(s)；I₀为增强线圈中的电流。

这样，根据上述公式可以看出，线圈的谐振频率因钢绞线预应力的变化而改变，该变化通过磁谐振，将谐振频率的改变转化为感应线圈的感应电压的变化，即可根据感应线圈的感应电压与钢绞线应力间的关系，确定钢绞线预应力值。

一种用于实现上述钢绞线应力的检测方法的检测装置，包括近磁场耦合谐振传感器、激励装置、信号采集装置和后处理装置，所述近磁场耦合谐振传感器包括激励线圈、增强线圈和感应线圈，所述激励装置的输出端与所述激励线圈电连接，以向所述激励线圈提供激励信号，所述增强线圈的两端进行连接以形成闭合回路，所述信号采集装置的输入端与所述感应线圈电连接，以对所述感应线圈的感应电压进行采集，所述后处理装置与所述信号采集装置的输出端数据连接，以对所述信号采集装置采集到的所述感应线圈的感应电压进行数据分析和计算而得到钢绞线的预应力数据。

本方案的检测装置在使用时，先在待检测的钢绞线处预埋近磁场耦合谐振传感器；然后将近磁场耦合谐振传感器的激励线圈引出并与激励装置的输出端电连接，将近磁场耦合谐振传感器的感应线圈引出并与信号采集装置的输入端电连接，信号采集装置的输出端与后处理装置数据连接；

进行检测时，启动激励装置、信号采集装置和后处理装置；激励装置向激励线圈提供与感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，感应线圈和增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，感应线圈的感应电压发生变化；信号采集装置采集感应线圈的感应电压数据，后处理装置获取信号采集装置采集到的感应线圈的感应电压数据，并对感应线圈的感应电压数据进行分析和计算后得到钢绞线的预应力数据。

优选的，所述近磁场耦合谐振传感器包括用于套设在钢绞线外的线圈骨架，所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈沿所述线圈骨架的轴向进行分布，且所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈在所述线圈骨架上沿相同方向进行缠绕，所述激励线圈的两端从所述线圈骨架引出并与所述激励装置电连接，所述感应线圈的两端从所述线圈骨架引出并与所述信号采集装置电连接。

这样，线圈骨架起到对激励线圈、增强线圈和感应线圈进行支撑的目的，同时线圈骨架、激励线圈、增强线圈和感应线圈共同形成近磁场耦合谐振传感器。

优选的，在所述线圈骨架外还套设有磁屏蔽外壳，所述磁屏蔽外壳与所述线圈骨架同轴，且所述磁屏蔽外壳轴向方向的两端分别凸出于对应位置的所述激励线圈和所述感应线圈并与所述线圈骨架连接。

这样，磁屏蔽外壳一方面可以防止外界磁场的影响，另一方面也可以减少近磁场耦合谐振传感器产生的感应磁场向外扩散，同时，磁屏蔽外壳轴向方向的两端凸出于对应位置的激励线圈和感应线圈后并与线圈骨架连接，这样使得激励线圈和感应线圈完全处于磁屏蔽外壳的磁屏蔽范围内，由此进一步提高钢绞线预应力监测的准确性。

优选的，所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈具有相同的谐振频率，且谐振频率小于200kHz。

这样，可以避免趋肤效应对钢绞线应力检测的影响。

优选的，所述激励装置包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，以将所述信号发生器产生的激励信号输入到所述功率放大器中进行放大处理，所述功率放大器的输出端与所述激励线圈连接，以将放大后的激励信号输入到所述激励线圈。

这样，信号发生器用于产生激励信号，功率放大器用于将激励信号放大后输出给激励线圈，使得激励线圈能产生较大的激励磁场。

优选的，所述信号采集装置包括虚拟示波器，所述虚拟示波器与所述感应线圈连接，以对所述感应线圈的感应电压进行采集显示，所述后处理装置包括PC终端，所述PC终端与所述虚拟示波器连接，以获取所述虚拟示波器采集到的所述感应线圈的感应电压数据，并计算得到钢绞线的预应力数据。

这样，虚拟示波器能对采集到的数据进行显示，同时PC终端能够将感应线圈的感应电动势数据进行计算得到钢绞线的预应力数据，以便监测人员能够实时直观的对钢绞线的预应力情况进行监测。

一种上述钢绞线应力的检测装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1)在待检测的钢绞线处预埋所述近磁场耦合谐振传感器；

步骤2)将所述近磁场耦合谐振传感器的激励线圈引出并与所述激励装置的输出端电连接，将所述近磁场耦合谐振传感器的感应线圈引出并与所述信号采集装置的输入端电连接，所述信号采集装置的输出端与所述后处理装置数据连接；

步骤3)启动所述激励装置、所述信号采集装置和所述后处理装置；

步骤4)所述激励装置向所述激励线圈提供与所述感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，所述增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，所述感应线圈和所述增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，所述感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离所述近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，所述感应线圈的感应电压发生变化；

步骤5)所述信号采集装置采集所述感应线圈的感应电压数据，所述后处理装置获取所述信号采集装置采集到的所述感应线圈的感应电压数据，并对所述感应线圈的感应电压数据进行分析和计算后得到钢绞线的预应力数据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用磁屏蔽外壳与线圈骨架紧密连接，使得近磁场耦合谐振传感器不受外界环境中的磁场干扰；信号发生器和功率放大器与激励线圈相连，增强线圈形成闭合回路，感应线圈与虚拟示波器相连，操作简洁；近场磁耦合谐振传感器采用三线圈构型，感应电压对钢绞线应力变化具有更高的灵敏度；信号采集装置与PC终端进行连接，对接收的数据进行处理，因此，本发明装置不仅可以提高检测精度，还可以实现对钢绞线应力进行准确实时检测。

2、本发明的结构简单，方法新颖，价格低廉，体积小，灵敏度高，动态响应好，容易实现钢绞线应力实时检测，测试要求低，十分利于进行钢绞线应力检测。

3、本发明采用近磁场耦合谐振传感器将钢绞线应力转换为感应线圈的电感，并通过近场磁耦合谐振原理将与测试频率相关的感应线圈电感转换为与测试频率无关的感应电压，根据感应电压计算钢绞线应力，实现钢绞线应力检测目的，因此，本方案的近磁场耦合谐振传感器灵敏度高，传感器尺寸小，动态响应快非常适合检测位于狭小密闭空间内的预应力钢绞线的应力。

附图说明

图1为本发明钢绞线应力的检测装置的连接框图；

图2为本发明钢绞线应力的检测装置使用时近磁场耦合谐振传感器的工作示意图。

附图标记说明：钢绞线1、线圈骨架2、感应线圈3、感应线圈接头31、增强线圈4、激励线圈5、激励线圈接头51、磁屏蔽外壳6、信号发生器7、功率放大器8、虚拟示波器9、PC终端10。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

一种钢绞线应力的检测方法，以近场磁耦合谐振理论和磁弹效应理论为基础，通过在待进行预应力监测的钢绞线处设有具有激励线圈、增强线圈和感应线圈的近磁场耦合谐振传感器，当钢绞线的预应力发生变化时，近磁场耦合谐振传感器的感应线圈的谐振频率发生偏移并导致感应线圈的感应电压发生变化，通过对感应线圈的感应电压进行测量，即可得到钢绞线的预应力值。

磁弹效应是指铁磁性材料的磁特性(即磁导率)会在内力以及温度的影响下发生改变，同时，根据近场磁耦合谐振理论，当置于磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线磁化强度因磁弹效应发生改变，近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感也随之发生变化，从而引起近磁场耦合谐振传感器各线圈谐振频率的改变，当近磁场耦合谐振传感器各线圈谐振频率变化后，激励信号的频率将偏离近磁场耦合谐振传感器的谐振电压，导致各线圈间磁耦合强度衰减，体现为感应线圈中的感应电动势降低，因此，通过对感应线圈中的感应电压的测量，就可以进一步计算得到钢绞线的预应力值。

本方案的近场磁耦合谐振传感器采用激励线圈、增强线圈和感应线圈三线圈构型，使得感应线圈的感应电压对钢绞线应力变化具有更高的灵敏度；同时，本方案的测量方法在对钢绞线的预应力进行检测时，钢绞线的预应力变化将实时的导致感应线圈感应电压值的变化，因此，通过测量感应线圈的感应电压值就能实时的对钢绞线的预应力值进行检测，综上，本发明不仅检测精度高，同时还能实现对钢绞线预应力的实时检测。

在本实施例中，向激励线圈中通入与感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，感应线圈和增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，感应线圈的感应电压发生变化。

这样，激励线圈与增强线圈间产生强耦合，增强线圈与感应线圈间产生强耦合，激励线圈与感应线圈间为弱耦合，通过近场磁耦合谐振的方式在它们之间传输电磁信号；当钢绞线的受力情况发生变化时，各线圈之间的耦合强度发生变化，进而导致感应线圈的感应电压发生变化，从而使得钢绞线预应力的变化情况将体现在感应线圈的感应电压变化情况，通过监测感应线圈的感应电压的变化，就可以进一步通过公式换算得到钢绞线的预应力数据。

在本实施例中，根据磁弹效应，钢绞线轴向预应力σ与钢绞线磁导率改变量Δμ之间的关系式为：

式中：σ是钢绞线轴向应力；E为钢绞线的弹性模量；K_u为钢绞线单轴各向异性磁化常数；λ_s为钢绞线轴向应变常数；M_s为钢绞线饱和磁化强度(A/m)；θ₀为钢绞线易磁化轴与磁场方向间的夹角(rad)；Δμ为钢绞线磁导率改变量(H/m)；H为外部磁场强度(A/m)；

根据电磁感应效应，钢绞线磁导率μ与线圈电感L间的关系式为：

式中：L是电感；N是线圈匝数；μ为钢绞线磁导率(H/m)；r为螺旋电感的半径；l为电感长度，η为l与r的比值；

各线圈的谐振频率f的计算公式为：

式中：L是线圈电感；C是线圈的寄生电容；f是线圈谐振频率；

增强线圈和感应线圈之间互感强度M的计算公式为：

式中：M是增强线圈和感应电感之间的互感；k是和电感形状相关的耦合系数，其值在0和之间；L₀为增强线圈的电感；L_s为感应线圈的电感；

感应线圈的感应电压u计算公式为：

Ψ＝MI₀(6)

式中：u为感应线圈的感应电压(V)；ψ为穿过感应线圈的磁链束(Wb)；t为时间(s)；I₀为增强线圈中的电流。

这样，根据上述公式可以看出，线圈的谐振频率因钢绞线预应力的变化而改变，该变化通过磁谐振，将谐振频率的改变转化为感应线圈的感应电压的变化，即可根据感应线圈的感应电压与钢绞线应力间的关系，确定钢绞线预应力值。

如附图1和附图2所示，一种用于实现上述钢绞线应力的检测方法的检测装置，包括近磁场耦合谐振传感器、激励装置、信号采集装置和后处理装置，近磁场耦合谐振传感器包括激励线圈5、增强线圈4和感应线圈3，激励装置的输出端与激励线圈5电连接，以向激励线圈5提供激励信号，增强线圈4的两端进行连接以形成闭合回路，信号采集装置的输入端与感应线圈3电连接，以对感应线圈3的感应电压进行采集，后处理装置与信号采集装置的输出端数据连接，以对信号采集装置采集到的感应线圈3的感应电压进行数据分析和计算而得到钢绞线1的预应力数据。

本方案的检测装置在使用时，先在待检测的钢绞线1处预埋近磁场耦合谐振传感器；然后将近磁场耦合谐振传感器的激励线圈5引出并与激励装置的输出端电连接，将近磁场耦合谐振传感器的感应线圈3引出并与信号采集装置的输入端电连接，信号采集装置的输出端与后处理装置数据连接；

进行检测时，启动激励装置、信号采集装置和后处理装置；激励装置向激励线圈5提供与感应线圈3的初始谐振频率相同的激励信号，增强线圈4在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，感应线圈3和增强线圈4在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，感应线圈3在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；当处于交变磁场中的钢绞线1受力发生变化时，钢绞线1的磁导率因磁弹效应而发生改变，近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，感应线圈3的感应电压发生变化；信号采集装置采集感应线圈3的感应电压数据，后处理装置获取信号采集装置采集到的感应线圈3的感应电压数据，并对感应线圈3的感应电压数据进行分析和计算后得到钢绞线1的预应力数据。

在本实施例中，近磁场耦合谐振传感器包括用于套设在钢绞线1外的线圈骨架2，激励线圈5、增强线圈4和感应线圈3沿线圈骨架2的轴向进行分布，且激励线圈5、增强线圈4和感应线圈3在线圈骨架2上沿相同方向进行缠绕，激励线圈5的两端从线圈骨架2引出形成激励线圈接头51并与激励装置电连接，感应线圈3的两端从线圈骨架2引出形成感应线圈接头31并与信号采集装置电连接。

这样，线圈骨架2起到对激励线圈5、增强线圈4和感应线圈3进行支撑的目的，同时线圈骨架2、激励线圈5、增强线圈4和感应线圈3共同形成近磁场耦合谐振传感器。

在本实施例中，在线圈骨架2外还套设有磁屏蔽外壳6，磁屏蔽外壳6与线圈骨架2同轴，且磁屏蔽外壳6轴向方向的两端分别凸出于对应位置的激励线圈5和感应线圈3并与线圈骨架2连接。

这样，磁屏蔽外壳6一方面可以防止外界磁场的影响，另一方面也可以减少近磁场耦合谐振传感器产生的感应磁场向外扩散，同时，磁屏蔽外壳6轴向方向的两端凸出于对应位置的激励线圈5和感应线圈3后并与线圈骨架2连接，这样使得激励线圈5和感应线圈3完全处于磁屏蔽外壳6的磁屏蔽范围内，由此进一步提高钢绞线1预应力监测的准确性。

在本实施例中，激励线圈5、增强线圈4和感应线圈3具有相同的谐振频率，且谐振频率小于200kHz。

这样，可以避免趋肤效应对钢绞线1应力检测的影响。

在本实施例中，激励装置包括信号发生器7和功率放大器8，信号发生器7的输出端与功率放大器8的输入端连接，以将信号发生器7产生的激励信号输入到功率放大器8中进行放大处理，功率放大器8的输出端与激励线圈5连接，以将放大后的激励信号输入到激励线圈5。

这样，信号发生器7用于产生激励信号，功率放大器8用于将激励信号放大后输出给激励线圈5，使得激励线圈5能产生较大的激励磁场。

在本实施例中，信号采集装置包括虚拟示波器9，虚拟示波器9与感应线圈3连接，以对感应线圈3的感应电压进行采集显示，后处理装置包括PC终端10，PC终端10与虚拟示波器9连接，以获取虚拟示波器9采集到的感应线圈3的感应电压数据，并计算得到钢绞线1的预应力数据。

这样，虚拟示波器9能对采集到的数据进行显示，同时PC终端10能够将感应线圈3的感应电动势数据进行计算得到钢绞线1的预应力数据，以便监测人员能够实时直观的对钢绞线1的预应力情况进行监测。

在本实施例中，磁屏蔽外壳6要求采用具有较大的最大磁导率和饱和磁通密度的材料，如工业纯铁、坡莫合金等材料或结构形式，均在本发明的保护范围之内。

线圈骨架2要求与磁屏蔽外壳6紧密连接，并采用相对磁导率近似等于1的非金属材料，如塑料、树脂、玻璃、橡胶等材料，均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，通过将近磁场耦合谐振传感器预埋在钢绞线1处，可以实现对埋入式钢绞线1预应力的监测。同时，还可以在钢绞线1的轴向方向预埋多个近磁场耦合谐振传感器，以实现对钢绞线1预应力沿轴向分布的准确实时与低成本监测。

一种上述钢绞线应力的检测装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1)在待检测的钢绞线1处预埋近磁场耦合谐振传感器；

步骤2)将近磁场耦合谐振传感器的激励线圈5引出并与激励装置的输出端电连接，将近磁场耦合谐振传感器的感应线圈3引出并与信号采集装置的输入端电连接，信号采集装置的输出端与后处理装置数据连接；

步骤3)启动激励装置、信号采集装置和后处理装置；

步骤4)激励装置向激励线圈5提供与感应线圈3的初始谐振频率相同的激励信号，增强线圈4在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，感应线圈3和增强线圈4在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，感应线圈3在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线1受力发生变化时，钢绞线1的磁导率因磁弹效应而发生改变，近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，感应线圈3的感应电压发生变化；

步骤5)信号采集装置采集感应线圈3的感应电压数据，后处理装置获取信号采集装置采集到的感应线圈3的感应电压数据，并对感应线圈3的感应电压数据进行分析和计算后得到钢绞线1的预应力数据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用磁屏蔽外壳6与线圈骨架2紧密连接，使得近磁场耦合谐振传感器不受外界环境中的磁场干扰；信号发生器7和功率放大器8与激励线圈5相连，增强线圈4形成闭合回路，感应线圈3与虚拟示波器9相连，操作简洁；近场磁耦合谐振传感器采用三线圈构型，感应电压对钢绞线1应力变化具有更高的灵敏度；信号采集装置与PC终端10进行连接，对接收的数据进行处理，因此，本发明装置不仅可以提高检测精度，还可以实现对钢绞线1应力进行准确实时检测。

2、本发明的结构简单，方法新颖，价格低廉，体积小，灵敏度高，动态响应好，容易实现钢绞线1应力实时检测，测试要求低，十分利于进行钢绞线1应力检测。

3、本发明采用近磁场耦合谐振传感器将钢绞线1应力转换为感应线圈3的电感，并通过近场磁耦合谐振原理将与测试频率相关的感应线圈3电感转换为与测试频率无关的感应电压，根据感应电压计算钢绞线1应力，实现钢绞线1应力检测目的，因此，本方案的近磁场耦合谐振传感器灵敏度高，传感器尺寸小，动态响应快非常适合检测位于狭小密闭空间内的预应力钢绞线1的应力。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.钢绞线应力的检测方法，其特征在于，以近场磁耦合谐振理论和磁弹效应理论为基础，通过在待进行预应力监测的钢绞线处设有具有激励线圈、增强线圈和感应线圈的近磁场耦合谐振传感器，当钢绞线的预应力发生变化时，所述近磁场耦合谐振传感器的感应线圈的谐振频率发生偏移并导致所述感应线圈的感应电压发生变化，通过对所述感应线圈的感应电压进行测量，即可得到钢绞线的预应力值；

向所述激励线圈中通入与所述感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，所述增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，所述感应线圈和所述增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，所述感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离所述近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，所述感应线圈的感应电压发生变化；

采用近磁场耦合谐振传感器将钢绞线应力转换为感应线圈的电感，并通过近场磁耦合谐振原理将与测试频率相关的感应线圈电感转换为与测试频率无关的感应电压，根据感应电压计算钢绞线应力，实现钢绞线应力检测目的；

根据磁弹效应，钢绞线轴向预应力σ与钢绞线磁导率改变量Δμ之间的关系式为：

式中：σ是钢绞线轴向应力；E为钢绞线的弹性模量；K_u为钢绞线单轴各向异性磁化常数；λ_s为钢绞线轴向应变常数；M_s为钢绞线饱和磁化强度(A/m)；θ₀为钢绞线易磁化轴与磁场方向间的夹角(rad)；Δμ为钢绞线磁导率改变量(H/m)；H为外部磁场强度(A/m)；

根据电磁感应效应，钢绞线磁导率μ与线圈电感L间的关系式为：

式中：L是电感；N是线圈匝数；μ为钢绞线磁导率(H/m)；r为螺旋电感的半径；l为电感长度，η为l与r的比值；

各线圈的谐振频率f的计算公式为：

式中：L是线圈电感；C是线圈的寄生电容；f是线圈谐振频率；

增强线圈和感应线圈之间互感强度M的计算公式为：

式中：M是增强线圈和感应电感之间的互感；k是和电感形状相关的耦合系数，其值在0和之间；L₀为增强线圈的电感；L_s为感应线圈的电感；

感应线圈的感应电压u计算公式为：

Ψ＝MI₀(6)

式中：u为感应线圈的感应电压(V)；ψ为穿过感应线圈的磁链束(Wb)；t为时间(s)；I₀为增强线圈中的电流。

2.一种用于实现如权利要求1所述的钢绞线应力的检测方法的检测装置，其特征在于，包括近磁场耦合谐振传感器、激励装置、信号采集装置和后处理装置，所述近磁场耦合谐振传感器包括激励线圈、增强线圈和感应线圈，所述激励装置的输出端与所述激励线圈电连接，以向所述激励线圈提供激励信号，所述增强线圈的两端进行连接以形成闭合回路，所述信号采集装置的输入端与所述感应线圈电连接，以对所述感应线圈的感应电压进行采集，所述后处理装置与所述信号采集装置的输出端数据连接，以对所述信号采集装置采集到的所述感应线圈的感应电压进行数据分析和计算而得到钢绞线的预应力数据。

3.根据权利要求2所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，所述近磁场耦合谐振传感器包括用于套设在钢绞线外的线圈骨架，所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈沿所述线圈骨架的轴向进行分布，且所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈在所述线圈骨架上沿相同方向进行缠绕，所述激励线圈的两端从所述线圈骨架引出并与所述激励装置电连接，所述感应线圈的两端从所述线圈骨架引出并与所述信号采集装置电连接。

4.根据权利要求3所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，在所述线圈骨架外还套设有磁屏蔽外壳，所述磁屏蔽外壳与所述线圈骨架同轴，且所述磁屏蔽外壳轴向方向的两端分别凸出于对应位置的所述激励线圈和所述感应线圈并与所述线圈骨架连接。

5.根据权利要求2所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈具有相同的谐振频率，且谐振频率小于200kHz。

6.根据权利要求2所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，所述激励装置包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，以将所述信号发生器产生的激励信号输入到所述功率放大器中进行放大处理，所述功率放大器的输出端与所述激励线圈连接，以将放大后的激励信号输入到所述激励线圈。

7.根据权利要求2所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，所述信号采集装置包括虚拟示波器，所述虚拟示波器与所述感应线圈连接，以对所述感应线圈的感应电压进行采集显示，所述后处理装置包括PC终端，所述PC终端与所述虚拟示波器连接，以获取所述虚拟示波器采集到的所述感应线圈的感应电压数据，并计算得到钢绞线的预应力数据。

8.一种如权利要求2所述的钢绞线应力的检测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)在待检测的钢绞线处预埋所述近磁场耦合谐振传感器；

步骤2)将所述近磁场耦合谐振传感器的激励线圈引出并与所述激励装置的输出端电连接，将所述近磁场耦合谐振传感器的感应线圈引出并与所述信号采集装置的输入端电连接，所述信号采集装置的输出端与所述后处理装置数据连接；

步骤3)启动所述激励装置、所述信号采集装置和所述后处理装置；

步骤4)所述激励装置向所述激励线圈提供与所述感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，所述增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，所述感应线圈和所述增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，所述感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离所述近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，所述感应线圈的感应电压发生变化；

步骤5)所述信号采集装置采集所述感应线圈的感应电压数据，所述后处理装置获取所述信号采集装置采集到的所述感应线圈的感应电压数据，并对所述感应线圈的感应电压数据进行分析和计算后得到钢绞线的预应力数据。