基于磁通量传感器技术的箱梁预应力监控研究

段跃华 伍圣华 卓海金 邓年春

摘要：预应力混凝土梁通过张拉钢绞线对梁预先施加匝应力，可以部分抵消梁在使用过程中产生的混凝土拉力，避免了混凝土裂缝过早出现。预应力筋张拉值的大小是控制预应力梁质量的关键之一。文章利用磁通量传感技术，研制了CDC16型单根钢绞线磁通量传感器，对柳南高速公路扩建工程的预应力混凝土梁钢绞线索力进行监测，并对钢绞线索力的大小与均匀性进行精度测量研究。

关键词：磁通量;传感技术;预应力;钢绞线

中图分类号：U448.213 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.030

文章编号：1673-4874（2019）09-0103-04

0引言

预应力混凝土梁广泛应用于我国公路和铁路桥梁中，而预应力钢束是保证预应力混凝土梁结构性能的重要因素。预应力钢束由多根钢绞线组成，通过在混凝土梁内合理布置并进行张拉发挥作用。在张拉预应力钢束的过程中，若张拉实际值小于规定的设计值，则预应力混凝土梁结构性能达不到预期效果，甚至在使用过程中会出现严重裂缝;若张拉实际值大于规定的设计值范围，则会对预应力混凝土梁本身结构造成一定的破坏并且会使受拉钢绞线产生塑性变形，这也会影响混凝土梁的质量。由此可见，预应力钢束张拉终值合适与否是控制其施工质量的关键因素之一。由于钢绞线在张拉过程中，控制应力值达75%极限强度值比较高，而钢绞线张拉过程是在钢绞线穿束之后，安装千斤顶和锚具进行整束张拉，并没有对钢绞线受力均匀性进行调整，钢绞线一旦受力不均匀，可能会引起局部钢绞线张拉应力过高而出现断丝现象，或造成过大的预应力损失。本文通过磁通量传感技术的工作特性，结合柳南高速公路扩建工程项目，研制出CDC16型单根钢绞线磁通量传感器，用于预应力混凝土梁钢绞线索力监测，精准测量预应力钢束张拉时索力大小与钢束受力的均匀性。

1磁通量传感器测量原理

钢绞线是一种铁磁性材料。当对铁磁性材料施加外力作用时，其内部会产生应力和应变，相应的磁导率也会随之变化。为此，通过测定材料的磁导率变化量，来测算出材料的内力，这就是磁通量传感器的工作原理。它由初级线圈、次级线圈和温度传感器组成（见下页图1）。当初级线圈通入脉冲电流的瞬间，由于铁磁性试件的存在，根据作用原理，次级线圈将产生瞬时电流，于是可测得一个瞬时电压。铁磁性材料的磁导率会直接影响到感应电压的大小，而磁导率又与铁芯试件的应力状态相关联，通过感应电压与应力之间的关系实现测量。传感器及试件的温度可通过内置一个温度传感器进行修正，消除影响.

材料的磁化过程一般由磁场强度H和磁通量密度B之间的关系来描述：

B=μ·H

材料的磁化特性可通过磁感应原理研究，即在初级线圈上接通直流电，此时线圈周围产生一个强度為H的磁场，被测材料中产生的磁通量密度为B。通过确定线圈中B和H的比值B/H，就可以计算出此时偏压条件下的磁导率.直接测量磁通量或磁通量密度比较困难，可通过在初级线圈两端加一个脉冲激励信号，产生一个随时间变化而变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律：式中：μ——空气的磁导率;

V——同一构件放置磁通量传感器的感应

电压;

V——磁通量传感器通过空气的感应电压;

S——次级线圈包围的截面面积;

S——试件的截面面积为常数。

相对磁导率为：

钢绞线试件的相对磁导率增量μ与张拉力f的关系，用三次方程表示，则为：

f=Co+Cμ+Cμ+Cμ （4）

式中：C，，C，C，C——拟合系数，通过试验标定确定。

式（3）和式（4）即为测量公式。对于引起磁导率变化的温度因素，可通过数值方法进行修正：

μ（f，T）=μ（f，T）-α（T-T） （5）

式中：T——测量时温度;

T——计算力值时采用的标定温度或标准温度（20℃）;

μ（f，T）——标定温度或标准温度（20℃）下的磁导率增量;

μ（f，T）——测量温度下的磁导率增量;

α——温度补偿系数.

在对构件进行测定时，传感器的面积、构件的面积、传感器空载值都为已知常量.由相对磁导率公式（3）可知，磁导率μ的变化与感应电压V的变化成正比：

Δμ∞ΔV（6）

因此可直接用感应电压的变化来拟合力值。感应电压拟合曲线和磁导率的拟合曲线形状类似，但系数不同。

磁通量传感器在现场测试之前需进行编号并标定。标定在实验室内张拉台上进行，使用千斤顶对钢绞线进行张拉，用2000标准负荷测量仪读取钢绞线拉力数值，磁弹仪测量感应电压值，得到不同温度、不同索力与感应电压值的对应关系，即温度-拉力-电压曲线。将测量的数据进行三次方程拟合，计算出不同编号的感应电压值的三次方程系数，保存每个感应电压值的数据.现场测试时，将磁通量传感器穿过待测钢绞线上并紧固，使用磁弹仪量测感应电压值，导出每个磁通量传感器的数据进行计算即可测得现场钢绞线受力情况.

2磁通量传感器标定

2.1标定目的

待测构件选取φ15.24mm钢绞线，在试验中心5000kN实验台上进行张拉，建立钢绞线不同拉力值与输出感应电压差值的对应关系，记录数据并进行拟合，得出计算公式的系数。建立输出感应电压差值与构件内力的对应关系后，用来测量构件内力。

2.2 磁弹仪功能与特点

本试验所采用的磁弹仪（见图2）可直接测量出传感器安装点的温度、构件感应电压，由此计算并显示构件内力。该磁弹仪的特点为：（1）直接测量构件信息;（2）属于高精度的非接触测量;（3）支持多通道传感器测量;（4）自动温度补偿;（5）支持远程测量和现场测量两种模式，可独立操作磁弹仪进行测量。

2.3 磁通量传感器的特点

试验使用CDC16型磁通量传感器（如图3所示）。CDC16磁通量传感器外形尺寸较小，内径为16mm，外径为28mm，高度为40mm，能穿过φ15.24mm的钢绞线内进行测量。其技术参数为：（1）数据采集方式;（2）测量一次时间约为10S;（3）静态测量;（4）最大接线长为传感器与磁弹仪之间250m;（5）使用环境温度为-40℃-80℃;（6）供电电源为AC110-240V，60/50HZ。

2.4试验方法

如图4所示，将CDC16磁通量传感器编号为CDC16-1至CDC16-10传感器，然后穿入φ15.24mm的钢绞线内并固定。为避免磁通量传感器在标定过程中的相互影响，两传感器间距离必须保持30cm以上.将钢绞线穿入试验张拉台中，两端安装工具锚、千斤顶、压力传感器及2000标准负荷测量仪，将压力传感器作为标准传感器并使用2000标准负荷测量仪进行读数（如图5所示）。电阻应变传感器与油压表共同控制张拉力值，从钢绞线预紧状态开始，将整个标定过程分为8級，每级30kN进行逐级张拉加载，同时记录压力传感器读数及磁弹仪感应电压数据，根据记录的数据进行拟合，得到拟合曲线。

2.5 标定结果

通过标定试验分别得出CDC16-1-CDC16-10。传感器磁通量传感器的拟合系数表（见表1），传感器CDC16-1、CDC16-2、CDC16-3号为典型的测量数据和拟合曲线（见表2-4和图6-8）。

3 工程应用

预应力梁现场采用磁弹仪和磁通量传感器，在预应力梁张拉前将传感器安装至梁内。安装方法为：将传感器套在钢绞线上并固定在锚垫板内，外端安装开槽的工作锚并将传感器引线引出，引线端与磁弹仪连接。本次预应力箱梁索力检测试验通过桥梁预应力智能张拉系统进行张拉，张拉值为0%、10%、20%、100%。在开始测量前对磁弹仪进行调试，在张拉值为0%即还未开始张拉时用磁弹仪测量，并记录数据，将所测得的积分值输入磁弹仪中即完成调试，然后再进行张拉，测量张拉值为100%时的数据并记录（见表5）。

从表5可以看出，预应力梁位置偏差分别为：左1#孔预应力钢束中，标准偏差为9.6kN，占单根绞线破断力的3.7%，总预应力张力偏差为-3.4%，单根测量力值偏差为9.5kN;左2#预应力钢束中，标准偏差为9.4kN，占单根绞线破断力的3.6%，总预应力张力偏差为2%，单根测量力值偏差为9.3kN。从上述可知，检测结果表明最终控制张拉力在5%范围内，控制结果正常。

4 结语

通过试验和现场应用表明，CDC16传感器通过感应构件的磁特性变化测量预应力筋张拉时的内力，是一种无损且非接触量测方法，对预应力张拉均匀性能起到较好的监控，能将整束钢绞线的终值张拉力控制在5%范围内，对今后同类施工具有较好指导作用。同时该传感器外形尺寸较小，便于施工测量。