CN117705334A - 预应力钢绞线应力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预应力钢绞线应力测量装置及方法，属于土木工程结构检测技术领域。包括钢绞线(2)、测量单元(3)、第一线圈(4)和第二线圈(5)；测量单元(3)包括相互串联的霍尔元件阵列(33)、电流表(32)、磁场强度测量仪(34)和直流电源(31)，第一线圈(4)分别与交流电源(6)、第一电阻(7)串联，第二线圈(5)与第二电阻(8)相串联；通电状态下，通过磁场强度测量仪(34)测量出霍尔元件阵列(33)周围的磁场强度，通过电流表(32)测出通过霍尔元件阵列(33)的电流，进而得到钢绞线(2)的应力。本发明能够灵敏、准确、稳定地对预应力钢绞线(2)应力进行无损检测，方便快捷。

Description

预应力钢绞线应力测量装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程结构检测技术领域，涉及一种预应力钢绞线应力测量装置及方法。

背景技术

目前预应力混凝土结构构件中钢绞线的应力测量方法主要包括声弹法检测、应力释放法检测、光纤传感检测等。声弹法检测的声信号易受外界环境的干扰，且在混凝土结构中的传递会逐渐衰减，以致测量精度不高；应力释放法以机械割断或隔离的半无损检测方式，测得应力释放前后的应变推算测点表面原有应力，因混凝土材料的不均匀性导致较大测量误差且对结构存在一定破坏性；光纤传感检测是将布拉格光栅传感器预埋进预应力混凝土结构中，随着时间的推移，传感器的老化严重影响测量准确性，且无法更换。

综上，对于预应力混凝土结构构件中钢绞线应力的检测，目前还没有同时具备灵敏、准确、稳定且检测器件易于更换的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种预应力钢绞线应力测量装置及方法，能够灵敏、准确、稳定地对预应力钢绞线应力进行无损检测，方便快捷。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种预应力钢绞线应力测量装置，包括钢绞线，以及缠绕在钢绞线上的通电线圈，还包括设置在钢绞线中间部位的测量单元，所述测量单元包括霍尔元件阵列，和与霍尔元件阵列相串联的磁场强度测量仪和电流表。

钢绞线在通电线圈的作用下产生内部电流和磁场，霍尔元件阵列感应到钢绞线周围的磁场，并在所述测量单元内产生相应的磁场和电流，并通过磁场强度测量仪测得所述霍尔元件阵列周围的磁场，通过电流表测得通过所述霍尔元件阵列的电流。

可选的，所述通电线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈分别缠绕在所述钢绞线的两端。

可选的，所述钢绞线靠近所述第一线圈的一端还设置有与所述第一线圈相串联的交流电源和第一电阻。所述交流电源用于对第一线圈进行供电。

可选的，所述钢绞线靠近所述第二线圈的一端还设置有与所述第二线圈相串联的第二电阻。

可选的，所述测量单元上还设置有与所述霍尔元件阵列相串联的直流电源。所述直流电源用于对所述霍尔元件阵列所在的封闭电路进行供电。

可选的，所述钢绞线设置在预应力混凝土结构构件的内部。

可选的，所述测量单元设置在所述预应力混凝土结构构件的表面或内部，即所述霍尔元件阵列可粘贴在所述预应力混凝土结构构件的表面，或预埋于所述预应力混凝土结构构件的内部，以此来精准地感应并测量所述钢绞线的磁场强度。

一种预应力钢绞线应力测量方法，应用于权利要求1～7任一种测量装置；

包括以下步骤：

S1对通电状态下的所述钢绞线施加一已知初始应力σ₀，在所述霍尔元件阵列周围产生第一磁场强度H₁的磁场，所述测量单元内产生第一电流I₁，H₁通过磁场强度测量仪测得，I₁通过与霍尔元件阵列串联的电流表测得；

S2对通电状态下的所述钢绞线施加一未知应力σ，在所述霍尔元件阵列周围产生第二磁场强度H₂的磁场，所述测量单元内产生第二电流I₂，H₂通过磁场强度测量仪测得，I₂通过与霍尔元件阵列串联的电流表测得；

S3根据所述第一磁场强度H₁、第二磁场强度H₂和所述第一电流I₁、第二电流I₂，分别作差计算得到磁场强度变化量ΔH和电流变化量ΔI，计算公式如下：

ΔH＝H₁-H₂ (1)，

S4根据S3中所述磁场强度变化量ΔH和电流变化量ΔI，得到所述钢绞线的所述未知应力σ。

可选的，在所述S4步骤中，所述钢绞线(2)的所述未知应力σ的计算公式为公式(3)：

其中λ_s为磁致伸缩常数，M_s为饱和磁化强度，K_H为霍尔系数，θ为磁场与易磁化轴夹角，V_H为直流电源电压，d为霍尔元件导体厚度，K_μ为单轴磁各项异性常数。

可选的，在所述S4步骤中，所述已知初始应力σ₀的大小在0～1800MPa范围内。

本发明的有益效果在于：

本发明基于Villari效应中应力和磁场的关系，创新性的推导出磁场环境下预应力钢绞线中应力-磁场-电流之间的变化关系；并首次将霍尔元件阵列应用于测量预应力混凝土结构构件中钢绞线的应力值。

本发明的装置可长期监测预应力混凝土结构构件中钢绞线的应力值，且测量装置的维护成本低，应用范围较广，既可布置于既有预应力混凝土结构构件的表面，又可以预埋于预应力混凝土结构构件中；外界微小应力(10MPa级)变化均会引起测量磁场的变化，因此本装置的测量灵敏度和精度均较高，外界非磁场环境因素不影响测量结果，装置的稳定性强。

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优选的详细描述，其中：

图1为预应力钢绞线应力测量装置示意图。

附图标记：

1预应力混凝土结构构件，2钢绞线，3测量单元，31直流电源，32电流表，33霍尔元件阵列，34磁场强度测量仪，4第一线圈，5第二线圈，6交流电源，7第一电阻，8第二电阻。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为一种预应力钢绞线应力测量装置，包括预应力混凝土结构构件1，以及设置在预应力混凝土结构构件1内部的钢绞线2，钢绞线2的两端漏出预应力混凝土结构构件1的截面，还包括缠绕在所述钢绞线2漏出所述预应力混凝土结构构件1两端的第一线圈4和第二线圈5，以及设置在预应力混凝土结构构件1表面或内部的测量单元3。

测量单元3包括包括霍尔元件阵列33，和与霍尔元件阵列33相串联的磁场强度测量仪34、电流表32以及直流电源31。

所述钢绞线2靠近所述第一线圈4的一端还设置有与所述第一线圈4相串联的交流电源6和第一电阻7。所述交流电源6用于对第一线圈4进行供电。

所述钢绞线2靠近所述第二线圈5的一端还设置有与所述第二线圈5相串联的第二电阻8。

当交流电源6和直流电源31打开时，被第一线圈4和第二线圈5缠绕的钢绞线2会产生穿过霍尔元件阵列33的磁场，磁场强度测量仪34可测出霍尔元件阵列33周围的磁场强度，而电流表32可测出通过霍尔元件阵列33的电流，再通过本发明的预应力钢绞线应力测量方法得到钢绞线2的应力大小。

一种预应力钢绞线应力测量方法，应用于上述预应力钢绞线应力测量装置，实施步骤如下：

S1在交流电源6和直流电源31打开状态时，钢绞线2受一已知初始应力σ₀(0-1800MPa范围内)的作用，被第一线圈4和第二线圈5缠绕的钢绞线2会产生穿过霍尔元件阵列33的磁场，通过磁场强度测量仪34测出霍尔元件阵列33周围的用于标定的第一磁场强度H₁；

S2钢绞线2在一未知应力σ的作用下，通过磁场强度测量仪34测出霍尔元件阵列33周围的第二磁场强度H₂；

S3根据第一磁场强度H₁和第二磁场强度H₂计算出磁场强度变化量ΔH：

ΔH＝H₁-H₂(1)；

S4钢绞线2受与S1步骤中相同的已知初始应力σ₀作用下，通过电流表32测出霍尔元件阵列33串联电路中用于标定的第一电流I₁；

S5钢绞线2受与S2中相同的未知应力σ作用下，通过电流表32测出霍尔元件阵列33串联电路中的第二电流I₂；

S6根据S4步骤中第一电流I₁和S5步骤中的第二电流I₂计算出电流变化量ΔI：

ΔI＝I₁-I₂ (2)；

S7根据磁场强度变化量ΔH和电流变化量ΔI，得到钢绞线2应力大小σ：

其中λ_s为磁致伸缩常数，M_s为饱和磁化强度，K_H为霍尔系数，θ为磁场与易磁化轴夹角，V_H为直流电源电压，d为霍尔元件导体厚度，K_μ为单轴磁各项异性常数。

对于上述公式(3)，有如下推导过程：

S1根据Villari效应有公式(4)：

其中Δσ表示应力变化量，ΔM表示磁通量变化量；

S2由铁磁材料磁化理论有公式(5)：

ΔM＝ΔμH (5)，

其中Δμ表示磁导率变化率；

S3又由磁导率定义有公式(6)：

其中ΔB表示磁感应强度变化量；

S4联立公式(4)、(5)、(6)得到公式(7)：

S5又有公式(8)：

S6联立公式(7)、(8)得到公式(3)：

其中λ_s为磁致伸缩常数，M_s为饱和磁化强度，K_H为霍尔系数，θ为磁场与易磁化轴夹角，V_H为直流电源电压，d为霍尔元件导体厚度，K_μ为单轴磁各项异性常数。

Villari效应是指磁致弹性效应，简称磁弹效应，是铁磁性材料在机械应力(应变)的作用下，材料磁性随着改变的现象。磁弹效应与磁致伸缩效应相反，因此也被称为逆磁致伸缩效应，有时也称压磁效应。由于该效应是Villari于1865年发现的，因此称为Villari效应。

本发明基于Villari效应中应力和磁场的关系，创新性的推导出磁场环境下预应力钢绞线中应力-磁场-电流之间的变化关系；并首次将霍尔元件阵列33用于测量预应力混凝土结构构件1中钢绞线2的应力值。

本发明的装置可长期监测预应力混凝土结构构件1中钢绞线2的应力值，且测量装置的维护成本低，便于更换，且应用范围较广，霍尔元件阵列33既可布置于既有预应力混凝土结构构件1的表面，又可以预埋于预应力混凝土结构构件1中；外界微小应力(10MPa级)变化均会引起测量磁场的变化，因此本装置的测量灵敏度和精度均较高，外界非磁场环境因素不影响测量结果，装置的稳定性强。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种预应力钢绞线应力测量装置，包括钢绞线(2)，以及缠绕在钢绞线(2)上的通电线圈，其特征在于：还包括设置在钢绞线(2)中间部位的测量单元(3)，所述测量单元(3)包括霍尔元件阵列(33)，和与霍尔元件阵列(33)相串联的磁场强度测量仪(34)和电流表(32)。

2.根据权利要求1所述的预应力钢绞线应力测量装置，其特征在于：所述通电线圈包括第一线圈(4)和第二线圈(5)，所述第一线圈和所述第二线圈分别缠绕在所述钢绞线(2)的两端。

3.根据权利要求2所述的预应力钢绞线应力测量装置，其特征在于：所述钢绞线(2)靠近所述第一线圈(4)的一端还设置有与所述第一线圈(4)相串联的交流电源(6)和第一电阻(7)。

4.根据权利要求2所述的预应力钢绞线应力测量装置，其特征在于：所述钢绞线(2)靠近所述第二线圈(5)的一端还设置有与所述第二线圈(5)相串联的第二电阻(8)。

5.根据权利要求1所述的预应力钢绞线应力测量装置，其特征在于：所述测量单元(3)上还设置有与所述霍尔元件阵列(33)相串联的直流电源(31)。

6.根据权利要求1所述的预应力钢绞线应力测量装置，其特征在于：所述钢绞线(2)设置在预应力混凝土结构构件(1)的内部。

7.根据权利要求6所述的预应力钢绞线应力测量装置，其特征在于：所述测量单元(3)设置在所述预应力混凝土结构构件(1)的表面或内部。

8.一种预应力钢绞线应力测量方法，其特征在于：应用于权利要求1～7任一种测量装置；

包括以下步骤：

S1对通电状态下的所述钢绞线(2)施加一已知初始应力σ₀，在所述霍尔元件阵列(33)周围产生第一磁场强度H₁的磁场，所述测量单元(3)内产生第一电流I₁；

S2对通电状态下的所述钢绞线(2)施加一未知应力σ，在所述霍尔元件阵列(33)周围产生第二磁场强度H₂的磁场，所述测量单元(3)内产生第二电流I₂；

S3根据所述第一磁场强度H₁、第二磁场强度H₂和所述第一电流I₁、第二电流I₂，分别作差计算得到磁场强度变化量ΔH和电流变化量ΔI，计算公式如下：

ΔH＝H₁-H₂(1)，

ΔI＝I₁-I₂(2)；

S4根据S3中所述磁场强度变化量ΔH和电流变化量ΔI，得到所述钢绞线(2)的所述未知应力σ。

9.根据权利要求8所述的预应力钢绞线应力测量方法，其特征在于：在所述S4步骤中，所述钢绞线(2)的所述未知应力σ的计算公式为公式(3)：

其中λ_s为磁致伸缩常数，M_s为饱和磁化强度，K_H为霍尔系数，θ为磁场与易磁化轴夹角，V_H为直流电源电压，d为霍尔元件导体厚度，K_μ为单轴磁各项异性常数。

10.根据权利要求8所述的预应力钢绞线应力测量方法，其特征在于：在所述S4步骤中，所述已知初始应力σ₀的大小在0～1800MPa范围内。