基于磁通量传感器技术的箱梁预应力监控研究

伍圣华(1989—)，工程师，主要从事高速公路工程建设管理工作；

卓海金(1989—)，工程师，研究方向：高速公路建设管理；

邓年春(1975—)，教授级高级工程师，主要从事桥梁工程技术研究工作。

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。

图1 磁通量传感器结构示意图

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：

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为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：μ0——空气的磁导率；

Vout——同一构件放置磁通量传感器的感应电压；

V0——磁通量传感器通过空气的感应电压；

S0——次级线圈包围的截面面积；

Sf——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：

式中：C0，C1，C2，C3——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：

式中：T——测量时温度；

T0——计算力值时采用的标定温度或标准温度(20 ℃)；

μ(f，T0)——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Vc的变化成正比：

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2 000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。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0613/427.html