技术领域
[0001] 本
发明属于预应力状态测试领域，特别是一种用于测试钢束沿程应力分布状态的测试装置及方法。
背景技术
[0002] 预应力钢束作为预应力
混凝土结构构件的重要组成部分，
预应力混凝土构件的正截面承载能力很大程度取决于纵向预应力钢束的应力分布状况。研究纵向预应力钢束的沿程应力分布状况，开发监测其沿程应力分布状况的测试方法及相关测试装置是非常重要的。预应力钢束作为隐蔽性的结构构件组成部分，在
桥梁结构建造过程中的部分时间段或者建成后是包裹在混凝土内部的，其几何线形状态是不可见的，更重要的，其应力分布状态更是难以获知的。考虑到预应力钢束在施工过程中受环境、施工技术、工艺、现场操作等复杂因素的影响，预应力钢束张拉及桥梁结构构件施工完成后，预应力钢束的应力大小（即永存预应力大小）及沿程应力分布状况都是难以估算的。就是说，通过规范中的理论计算是难以得到预应力钢束实际的有效预应力大小及沿程应力分布的状况。随之而来的，桥梁构件实际的承载能力也是难以精确计算的。
[0003] 预应力钢束应力沿程分布状态测试技术是提高施工
质量的有效手段。在理论和设计规范中已有提供预应力损失的计算方法，但与预应力钢束应力实际沿程分布状态测试尚存差距，诸多不确定因素仍然难以量化。
[0004] 测试桥梁结构内的预应力钢束应力分布状态，可通过应变片、分布式光纤
传感器、光栅传感器、
磁性传感手段等来实现，相关研究及应用情况如下：
[0005] 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和全分布式光纤传感器。分布式光纤传感器是利用光纤的连续特性进行测量，光纤既作传感器，又作数据传输线路，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，分布光纤传感器强度和柔度满足工程复杂环境要求，耐久性较好。采用全分布式光纤传感器的全分布式连续测量法，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。全分布式光纤应力传感，利用光纤应力敏感特性，连续实时地监测作用于光纤上的应力、压力或光纤附近的振动，满足许多特殊环境的要求。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，且安装过程中需要改变预应力钢束的原本构造，会影响预应力钢束的受力及工作性能。
[0006] 国际上光栅传感器技术研究始于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2~3 ，能满足预应力测试的要求。但传感器亦数据接触式的传感器，其在埋设过程中存在易损坏问题，并且安装工序复杂，对预应力钢束的正常结构构造存在影响，在预应力钢束受力产生
变形的过程中，会产生由于局部变形过大或者局部
挤压损坏光纤传感器和数据引线的
风险。
[0007] 现有的包括应变片在内的以上接触式的测量手段，均存在安装过程中对预应力钢束结构构造存在影响的情况，并且在安装及后期测试过程中易损坏，测试的可靠性不高的缺点。关于结构监测领域的相关
专利，采用磁性方法利用获知线圈的电感变化，得到结构的应力变化，以省时省力、节约成本。如发明专利
申请CN102175359A提出一种钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法及装置，该装置通过在被测钢索上缠绕或穿套螺管线圈，利用钢索材料的磁特性形成电感传感器，通过获知线圈的电感变化，得到钢索的应力变化。此测试手段同钢索不直接接触，可以避免接触式传感器易损坏的风险。然而此类磁性方法多运用于
斜拉桥或悬索桥的钢索中，对预应力混凝土箱梁中的纵向预应力钢束的沿程应力分布状态的测试适用性不强，且传感器构造较简单，没有考虑
温度对传感器测试结果的影响，会因为温度的变化对数据测试结果造成较大误差，难以满足工程测试需求，并未具有显著的优势。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种预应力钢束应力分布状态测试装置及其测试方法，要解决采用非接触的方式测试预应力钢束应力，能够通过多个测点得到预应力钢束沿程应力分布的技术问题；并解决在预应力钢束受力产生变形的过程中，传感器容易损坏的问题。 [0009] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种预应力钢束沿程应力分布状态测试装置，包括传感器、
数据采集系统、
数据处理系统和供电系统，所述传感器是磁效应传感器，沿预应力钢束的长度方向间隔分布布置的，每个磁效应传感器包括传感器
导线、传感器保护
外壳、传感器芯筒轴、激励线圈、感应线圈、绝缘保护层和温度传感元件；所述传感器芯筒轴以轴为中心从内到外依次铺设感应线圈、绝缘保护层和激励线圈，最外层是传感器保护外壳，所述传感器芯筒轴套在
波纹管外；所述传感器导线采用六芯屏蔽线，传感器导线一端连接传感器，另一端连接数据采集系统的
信号输入端；所述传感器的信号输出端连接数据采集系统的信号输入端，数据采集系统的信号输出端连接
数据处理系统的信号输入端，所述供电系统与数据采集系统连接。
[0011] 所述数据采集系统，包括主采集仪和激励产生及储能器；所述激励产生及储能器，主要包括升压器和储能电容；还包括激励产生及储能器保护壳、数据
电路正极、控制电路、接地电路、高压输出正极电路和
输出电压正极电路；所述电压正极电路连接储能电容，储能电容通过高压输出正极电路连接升压器，升压器与数据电路正极和控制电路连接，升压器与接地电路连接成回路；所述主采集仪包括激励选择器、片选
开关、感应信号器、计算电路、
滤波器和主控制系统；所述主控制系统包括中央
控制器、激励控制器、信号转换器和片选控制器。
[0012] 所述数据处理系统是一台将采集的数据进行数据分析处理，得到预应力钢束应力并进行显示的计算机，所述计算机可以是台式计算机或是便携式计算机。 [0013] 所述传感器芯筒轴有两个轴肩，所述轴肩呈阶梯状，激励线圈和感应线圈）位于两个轴肩之间的空间里。
[0014] 所述传感器内置集成温度传感元件，所述温度传感元件用于采集预应力钢束的温度值，对采集结果进行温度修正；所述温度传感元件为圆柱体，通过胶固定安装在传感器芯筒轴制作成型后的预留孔内，所述温度传感元件在安装固定后距离传感器芯筒轴的内
侧壁1厘米处，贴近被测预应力钢束。
[0015] 所述传感器导线采用6芯屏蔽线，由2根连接温度传感元件的导线，2根连接激励线圈和2根连接感应线圈的导线组成。
[0016] 一种预应力钢束沿程应力分布状态测试方法，步骤如下：
[0017] 步骤一，标定磁效应传感器；对磁效应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，每一个应力控制级别张拉到位后，采集磁效应
传感器数据多次；由标定结果获得初步的标定公式： ，其中： - 预应力钢束应力标定值， - 标定积分电压值， - 标定初始常数， - 应力标定系数。
[0018] 对磁效应传感器进行温度标定，采用
温度控制设备对磁效应传感器进行加温及降温控制，在每个温度级别，对传感器进行多次测试数据采集，结合前面张拉试验结果，获得公式 ，其中： - 标定温度测试值， - 标定基准温度值， -标定温度系数。
[0019] 步骤二，安装磁效应传感器，在桥梁结构
钢筋绑扎时布置传感器线路，将传感器同轴套在测点
位置的预应力钢束的波纹管（15）外，将传感器导线（14）引出。 [0020] 步骤三，预应力钢束张拉前测定传感器的积分电压数值，获得初始状态参数；数据x；由此步骤获得的数据计算标定公式中的c 测试公式常数值，用c 替换 ，得到公式：。
[0021] 步骤四，预应力钢束张拉后测定传感器的积分电压数值x 及温度测试值t。 [0022] 步骤五，计算预应力钢束应力值；根据步骤一及步骤三的标定结果，由步骤四获得的积分电压数值x 及温度测试值t，使用步骤三获得的公式，通过上位机
软件分析计算获得测点位置的预应力钢束应力测试值 。
[0023] 步骤六，由数据分析处理系统分析预应力钢束上各测点位置的预应力钢束应力，根据离散测点的预应力钢束应力值，处理得到预应力钢束沿长度方向的应力分布状态，并用视图显示。
[0024] 所述步骤一，采用桥梁的实际预应力钢束材料和数量进行磁效应传感器标定。 [0025] 与
现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
[0026] 本发明提供了预应力钢束沿程应力分布状态测试装置及测试方法，为难于获知的预应力钢束纵向锚固端内部的分布位置应力状态提供了测试方法及装置。采用整体式的测量手段，相比与应变片等其他的局部测试手段，更能直观反映预应力钢束的应力状态。传感器采用非接触式传感器，无需和预应力钢束保持紧密接触，可以有效降低传感器在实际结构的施工及使用过程中被损坏的风险。相比已有的接触式应变片、分布式光纤传感器、光栅传感器等测试手段，可以有效的提高传感器的成活率以及使用寿命。
[0027] 本发明考虑到对磁效应传感器进行采集获得的数据是积分电压数据，考虑直接对积分电压和张拉应力进行拟合，获得积分电压和张拉应力的关系公式。通过试验发现，采集的积分电压数据同钢束张拉应力之间关系明确，拟合曲线线形度很好，确定直接采用积分电压同钢束张拉应力进行标定试验的公式拟合。
[0028] 通过标定试验直接测量预应力钢束不同应力级别下磁效应传感器的感应积分电压数据，对数据进行拟合，获得由积分电压测试值计算预应力钢束应力的公式，无需计算其他参数，大大提高了标定效率及计算效率。无需进行理论计算，直接采用标定试验及现场实测数据拟合计算公式，能够更准确的反应工程实际情况。并且结合传感器的温度标定结果，获得了明确的实际测试时使用的计算公式，提高了测试效率及准确性。 [0029] 在工程现场实际预应力张拉前，测试预应力钢束未受力状态的初始值，由此初始值对计算公式进行修正，获得针对此传感器所处环境及内部钢束的实际传感器公式，保证了应力测试的准确性。
[0030] 并且，本发明提供了由各测点应力结果换算获得预应力钢束的沿程应力分布状态结果的方法，通过离散的测点测试结果获得了预应力钢束长度方向的应力分布结果。 [0031] 本发明中传感器芯筒轴采用的是阶梯式形状，对激励及感应线圈的起到嵌固作用，对线圈保护作用更好，更好的固定线圈的位置，消除线圈错位对测试结果的影响。 [0032] 通过对工程中实际使用的预应力钢束构件，预先进行磁效应传感器的受力标定和温度影响标定，有针对性的获得被测钢束的传感器标定计算公式，可以有效提高测试系统的测试精度和测试结果的准确性，获得的预应力钢束力值精度满足工程测试要求。传感器内置温度传感元件，数据采集同时测试被测构件的温度，对测试结果进行温度修正，有效的消除了测试结果受温度变化的巨大影响，保证测试数据的准确性。同时，通过对比试验研究，在主采集仪中的计算电路上，使用了低温度影响的高精度计算元器件，使得数据采集系统受温度的影响可以被忽略，也有效的降低了采集仪的工作受外界环境的影响。激励产生及储能器中采用了精确的储能时间控制方法控制储能器储能总量，有效的控制了
激励信号的
稳定性，对传感器数据的稳定性进行了改善。
[0033] 通过数据处理系统将分布的测点的钢束应力状态测试结果处理成为钢束的沿程应力分布状态结果，并用视图的方式直观显示预应力钢束的沿程应力分布状态。
附图说明
[0034] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0035] 图1是本发明的测试装置结构示意图。
[0037] 图3是本发明装置的激励产生及储能系统的结构示意图。
[0038] 图4是本发明的张拉试验标定磁效应传感器的数据曲线图。
[0039] 图5是本发明的温度试验标定磁效应传感器的数据曲线图。
[0040] 图6是本发明的钢束沿程应力分布状态图。
[0041] 图7是本发明的传感器结构示意图。
[0042] 图8是本发明的传感器、波纹管和预应力钢束使用状态示意图。 [0043] 图9是本发明的测试方法检测部分的
流程图。
[0044] 附图标记：1－传感器、2－主采集仪、3－激励产生及储能器、4－供电系统、5－数据处理系统、6－保护壳、7－数据电路正极、8－控制电路、9－接地电路、10－高压输出正极电路、11-激励输出正极电路、12-升压器、13-储能电容、14-传感器导线、15-波纹管、16-预应力钢束、17-传感器保护壳、18-传感器芯筒轴、19-激励线圈、20-感应线圈、21-绝缘保护层、22-温度传感元件。
[0045] 具体实施方式
[0046] 本发明是一种预应力钢束沿程应力的分布状态的测试装置及测试方法，更具体的说，通过测试钢束在若干关键点的永存预应力应力状态表征预应力钢束的沿程永存预应力分布状态，得到沿钢束长度的应力分布状态图。
[0047] 参见图1所示，本发明的测试装置结构示意图。这预应力钢束沿程应力分布状态测试装置，包括传感器1、数据采集系统、数据处理系统5和供电系统4，所述传感器1是沿预应力钢束16的长度方向间隔分布的磁效应传感器，每个磁效应传感器包括传感器导线14、传感器保护外壳17、传感器芯筒轴18、激励线圈19、感应线圈20、绝缘保护层21和温度传感元件22，所述温度传感元件22嵌入传感器芯筒轴18的实体内部，所述传感器芯筒轴
18套在预应力钢束的波纹管15外侧，传感器芯筒轴18外侧从内到外依次缠绕感应线圈和激励线圈，感应线圈和激励线圈之间铺设绝缘保护层21，最外层是传感器保护外壳。传感器导线14连接数据采集系统5的信号输入端；数据采集系统的信号输出端连接数据处理系统
5的信号输入端，所述供电系统4与数据采集系统连接。
[0048] 所述传感器芯筒轴18有两个轴肩，所述轴肩呈阶梯状，激励线圈19和感应线圈20位于两个轴肩之间的空间里。
[0049] 所述传感器内置集成温度传感元件,所述温度传感元件用于采集预应力钢束的温度值，对采集结果进行温度修正；所述温度传感元件为圆柱体，通过胶固定安装在传感器芯筒轴制作成型后的预留孔内，所述温度传感元件在安装固定后距离传感器芯筒轴的内侧壁1厘米处，贴近被测预应力钢束。
[0050] 所述传感器导线14采用6芯屏蔽线，由2根连接温度传感元件的导线，2根连接激励线圈和2根连接感应线圈的导线组成。传感器导线14一端连接传感器1，另一端连接数据采集系统5的信号输入端。
[0051] 所述传感器1的信号输出端连接数据采集系统的信号输入端，数据采集系统的信号输出端连接数据处理系统5的信号输入端，所述数据处理单元5是一台将采集的数据进行数据分析处理，得到预应力钢束应力并进行显示的计算机，所述计算机可以是台式计算机或是便携式计算机。所述供电系统与数据采集系统连接，为整个数据采集系统提供持久电量，所述数据采集系统，包括主采集仪2和激励产生及储能器3。
[0052]
实施例如下：通过供电系统向数据采集采集系统供电，首先数据处理系统向数据采集系统发送采集指令，数据采集系统中的激励产生及储能系统向主采集仪发射激励电压20V，磁效应传感器中的激励线圈产生
磁场，磁化磁效应传感器中的
铁质磁芯物质，之后磁效应传感器中的磁感应线圈感应到信号，将感应信号返回到数据采集系统的主采集仪中，经过计算电路和滤波处理将采集的信号数据传送到主控制系统，通过主控制系统的信号转换器发送至数据处理系统。
[0053] 参见图2所示，本发明测试装置系统框图。所述主采集仪包括激励选择器、片选开关、感应信号器、计算电路、滤波器、主控制系统和信号通信系统；所述主控制系统还包括中央控制器、激励控制器、信号转换器和片选控制器。所示主采集仪用于接收
传感器系统采集的数据，传感系统将数据传输到主采集仪的片选开关，再通过感应信号器、计算电路和滤波电路将所采集的数据通过主控系统的信号转换器转换，主控制系统的片选控制器用于控制片选开关，激励控制器用于控制激励选择器，所述激励选择器与激励产生及储能系统连接。所述信号通信系统用于控制采集到的信号数据传送，数据处理系统通过RS232通讯
接口接收、响应数据处理系统的命令，并将采集结果反馈给数据处理系统。所述数据处理系统安装有上位机软件。
[0054] 参见图3所示，本发明装置的激励产生及储能系统的结构示意图。所述激励产生及储能器3，主要由升压器12和储能电容13组成，还包括保护壳6、数据电路正极7、控制电路8、接地电路9、高压输出正极电路10和输出电压正极电路11；所述电压正极电路11连接储能电容13，储能电容13通过高压输出正极电路10连接升压器12，升压器12与数据电路正极7和控制电路8连接，升压器12与接地电路9连接成回路。
[0055] 这种预应力钢束沿程应力分布状态测试方法，将磁效应传感器套在测点位置的预应力钢束波纹管外进行测量时，磁效应传感器的激励线圈内通入激励信号，预应力钢束被磁化，在钢束的纵向产生脉冲磁场，因此磁感应线圈中产生感应电压，通过感应电压对时间积分可得到积分电压数值，通过试验及数据拟合，构件的采集的积分电压 与钢束的应力的关系，可用多次多项式表示，如： ，
[0056] 式中 、 、 、 为对磁效应传感器标定拟合的系数；通过拟合试验研究，系数中的 、 很小，可以忽略，因此此关系式可以简化为线性公式 ，便于实际应用。
[0057] 通过磁效应传感器中的温度传感元件测量构件的温度，消除温度对传感器数据的影响。温度修正公式的形式为：
[0058]
[0059] 式中 为测量时温度， 为计算力值采用的温度， 为计算温度下的积分电压增量， 为测量温度下的积分电压增量， 为每摄氏度的积分电压修正系数，根据传感器的型号和钢绞线情况进行温度标定试验确定。
[0060] 根据上述原理，得到的预应力钢束沿程应力分布状态的具体测试步骤如下： [0061] 步骤一，标定磁效应传感器；对磁效应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，每一个应力控制级别张拉到位后，采集磁效应传感器数据多次；由标定结果获得初步的标定公式： ，其中： - 预应力钢束应力标定值， - 标定积分电压值， -标定初始常数， - 应力标定系数；
[0062] 对磁效应传感器进行温度标定，采用温度控制设备对磁效应传感器进行加温及降温控制，在每个温度级别，对传感器进行多次测试数据采集，结合前面张拉试验结果，获得公式 ，其中： -标定温度测试值， - 标定基准温度值， - 标定温度系数。
[0063] 参见图4所示，本发明的张拉试验标定磁效应传感器的数据曲线图。在磁感应传感器制作完成后，对磁效应传感器进行数据测试标定，在不同的拉力级别 的控制下，采集磁效应传感器感的标定数据积分电压值 ，对获得的若干组数据进行曲线拟合，得到磁效应传感器的张拉试验标定公式。其曲线如图所示，图中 （MPa)为张拉控制应力级别，x（V）表示磁效应传感器的标定电压数据。张拉力标定数据拟合获得的公式为：。
[0064] 参见图5所示 ，本发明的温度标定磁效应传感器的数据曲线图。对磁效应传感器进行加温和降温控制试验，在每个温度级别T下，采集磁效应传感器积分电压数据x，对比获得的若干组数据进行拟合，得到磁效应传感器的温度标定公式。其曲线如图，图中T（℃）为温度级别，x（V）表示磁效应传感器的积分电压采集数据。温度标定数据拟合公式为 ，最终获得传感器的标定公式为：。
[0065] 步骤二，参见图8所示，传感器、波纹管和预应力钢束使用状态示意图。安装磁效应传感器，在桥梁结构钢筋绑扎时布置传感器线路，将磁效应传感器同轴套在测点位置的预应力钢束的波纹管外，传感器导线从结构中引出，便于传感器数据测试。 [0066] 步骤三，预应力钢束张拉前测定传感器的积分电压数值，获得初始状态积分电压数据 ，代入公式，由此步骤获得的数据计算标定公式中的 （测试公式常数）值，用 替换 ，得到公式： 。例如在某实际钢束上安装了磁效应传感器，在钢束张拉之前测试初始状态，获得传感器计算公式：
。
[0067] 步骤四，预应力钢束张拉后测定传感器的积分电压值x 及温度测试值t。 [0068] 步骤五，计算预应力钢束应力值；根据步骤一及步骤三的标定结果，由步骤四获得的积分电压数值x及温度测试值t，计算预应力钢束应力测试值 ，通过上位机软件分析计算获得测点位置的预应力钢束应力。
[0069] 步骤六，得到预应力钢束沿程应力分布状态，用视图显示；由数据分析处理系统分析预应力钢束上各测点位置的预应力钢束应力，根据离散测点的预应力钢束应力值，得到预应力钢束沿长度方向的应力分布状态，并用视图显示。
[0070] 上述步骤三至步骤六，具体检测流程参见图9所示，本发明检测部分的流程图。本发明以预应力钢束本身产生变化时其周围包裹的磁效应传感器的线圈能够感应到其磁导率的变化的原理为
基础，先将传感器线路连接到主采集仪上，开启主采集仪及计算机，开启数据处理
系统软件，测试计算机同主采集仪通讯正常，数据处理系统向主采集仪发射指令，激励产生及储能器中的升压器产生
指定的激励电压并储存在储能电容中，数据处理系统向主采集仪发射指令，主采集仪通过片选控制器及片选开关选择目标传感器，由激励产生及储能器向目标传感器发射激励电压。主采集仪感应信号器采集传感器感应电压信号。主采集仪计算电路对感应信号数据进行初步计算。主采集仪滤波器对初步计算数据滤波处理。主采集仪信号转换器将滤波后数据转
化成电压数据。采集电压数据传输到数据处理系统，由数据处理系统。数据处理系统中对获得的各传感器数据进行处理，得到预应力钢束沿程应力状态结果，并通过视图方式显示。
[0071] 参见图6所示，本发明测试预应力钢束沿程分布状态图。当磁效应传感器在桥梁结构预应力钢束外安装、布置在预应力钢束沿长度方向的各重要位置后，经过数据采集系统对各磁效应传感器的数据进行采集，对获得数据经过数据处理系统的分析处理得到各离散测点的预应力钢束应力数值，由各离散测点数据可以得到预应力钢束沿长度方向的预应力分布状态图。图中 （MPa）为应力测试结果，S（m）表示距预应力钢束张拉端的长度。 [0072] 具体实施例：按照步骤一至步骤四，经过主采集仪处理得到磁效应传感器的积分电压值0.4227V，温度测试值27.25℃，将积分电压数值传输到数据处理系统中，由软件利用步骤三获得的公式计算得到预应力钢束目前的预应力值为1353.4MPa。同理由一根预应力钢束上的多个传感器单元，采集计算获得了钢束上若干离散测点的预应力值为1353.4MPa、1307.1MPa、1300.2MPa、1259.9MPa，由离散测点的预应力值分析处理即得到预应力钢束沿程应力分布状态测试结果，所得到的预应力钢束沿程分布状态成果图。
