在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)及方法，該檢測(cè)系統(tǒng)包括可調(diào)信號(hào)源單元，高輸入阻抗單元，A/D轉(zhuǎn)換電路，電壓測(cè)試處理顯示單元，系統(tǒng)參數(shù)輸入單元，阻抗匹配單元和放大單元。本發(fā)明把鋼筋作為一端輸入、一端終端開(kāi)路的導(dǎo)體，電磁波在終端會(huì)發(fā)生反射，形成駐波，駐波的形成與電磁波在鋼筋中的傳播特性直接相關(guān)，該傳播特性與鋼筋磁導(dǎo)率直接關(guān)聯(lián)，而鋼筋的磁導(dǎo)率會(huì)隨受力而發(fā)生變化，因此，端點(diǎn)駐留電磁波電壓變化直接關(guān)聯(lián)鋼筋受力變化，并通過(guò)在鋼筋中多個(gè)波長(zhǎng)傳播，駐波電壓變化能被放大，最終把受力大小直接表現(xiàn)在開(kāi)路終端的駐波電壓變化上，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)應(yīng)力的電化表示，檢測(cè)該電壓便能直接獲得鋼筋所受的絕對(duì)應(yīng)力。
【專利說(shuō)明】在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼筋的應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單線鐵磁材料中慢速電磁波傳輸特性的在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有性能好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)已成為如橋梁、大壩等建筑結(jié)構(gòu)的首選手段。預(yù)應(yīng)力梁承重性決定了這些結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)預(yù)應(yīng)力也是外化損傷的內(nèi)驅(qū)力，如由于內(nèi)部應(yīng)力變化，使得橋梁開(kāi)裂，撓度變大甚至斷裂坍塌等，實(shí)時(shí)檢測(cè)橋梁等結(jié)構(gòu)中鋼筋的內(nèi)在應(yīng)力就變得特別重要，它能具體了解和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其內(nèi)在預(yù)應(yīng)力損失，感知橋梁內(nèi)在性能，也是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋梁監(jiān)測(cè)健康狀況的重要手段。
[0003]目前檢測(cè)和監(jiān)測(cè)應(yīng)力的主要技術(shù)有聲傳感器技術(shù)、磁通量技術(shù)、微壓痕技術(shù)以及光纖傳感器技術(shù)等。聲傳感陣列檢測(cè)利用超聲波信號(hào)在材料中發(fā)射、衍射過(guò)程中出現(xiàn)的傳播速度、幅度、頻譜等變化，測(cè)試獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力、損傷等狀或利用聲檢測(cè)陣列元件拾取材料變化時(shí)產(chǎn)生的特征聲信息，確定聲源位置、大小，進(jìn)而確定預(yù)應(yīng)力束銹蝕與斷絲等，但是，聲陣列在測(cè)試精度上存在一定的問(wèn)題，在實(shí)際測(cè)試時(shí)存在較大的難度，距離工程實(shí)際還有較大差距。壓痕陣列檢測(cè)使用顯微光學(xué)成像、電磁測(cè)深、力-位移檢測(cè)等手段，通過(guò)在微細(xì)剛性材料陣列壓入受測(cè)材料時(shí)，測(cè)定受測(cè)材料對(duì)微納陣列壓入的抵抗能力及反應(yīng)情況，確定受測(cè)材料各種力學(xué)性質(zhì)。但在預(yù)應(yīng)力鋼筋千兆帕級(jí)受力狀態(tài)下確定應(yīng)力狀態(tài)的壓痕測(cè)試方法及檢測(cè)理論嘗無(wú)確定結(jié)果，并且在測(cè)試過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的損傷。光纖傳感技術(shù)采用在建造預(yù)應(yīng)力梁時(shí)把布拉格光柵傳感器預(yù)埋進(jìn)預(yù)應(yīng)力仝內(nèi)部的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)功能，該方法在橋梁建設(shè)初期能很好的檢測(cè)其橋梁的應(yīng)力變化，但隨著時(shí)間的推移，其傳感器老化加劇，測(cè)量的準(zhǔn)確性便會(huì)產(chǎn)生很大的變化；另外如果傳感器損壞，幾乎不能進(jìn)行更換和維修，同時(shí)由于傳感器建造在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體的一些特性形成破壞，這也增加了檢測(cè)結(jié)果的不確定性。鋼材在施工或使用過(guò)程中，其材性或受力狀態(tài)的變化必將導(dǎo)致其內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使其電磁效應(yīng)發(fā)生改變，利用鋼材的電磁效應(yīng)就可研究其實(shí)時(shí)應(yīng)力分布及損傷等與其電磁特性變化的一般規(guī)律。關(guān)于鐵磁構(gòu)件損傷和應(yīng)力的磁性無(wú)損檢測(cè)，目前取得了可信的研究成果，但這些研究集中在航空航天、機(jī)械、石油等領(lǐng)域，主要是針對(duì)均質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)鐵磁構(gòu)建損傷和應(yīng)力的磁性無(wú)損定性檢測(cè)，而在土木工程、橋梁工程領(lǐng)域，針對(duì)多股鋼絞線總體損傷和內(nèi)力分布的電磁無(wú)損檢測(cè)，研究甚少；另外當(dāng)前的拉索傾向去采用鋼保護(hù)套，這樣磁場(chǎng)穿透變差，測(cè)試效果變壞；同時(shí)該方法對(duì)于混凝土預(yù)應(yīng)力鋼梁中鋼筋受力，因體積過(guò)大無(wú)法加載磁性選全而無(wú)法采用；再次，對(duì)于在役預(yù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試，因結(jié)構(gòu)已經(jīng)安裝在指定位置，磁性線圈同樣無(wú)法加載而不能使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種利用磁性材料的磁導(dǎo)率與受力具有直接的關(guān)系這一物理現(xiàn)象而提出的一種全新的基于單線磁性材料中電磁波在鋼筋上傳播形成駐波的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力進(jìn)行直接檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。
[0005]本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)，包括:可調(diào)信號(hào)源單元，與預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端連接，用于輸出不同頻率和相位的電磁波，以滿足不同長(zhǎng)度不同粗細(xì)的預(yù)應(yīng)力鋼筋的阻抗要求；高輸入阻抗單元，與預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸出端連接，使鋼筋等效為開(kāi)路狀態(tài)；峰值檢波單元，連接在高輸入阻抗單元的輸出端處，用于提取出輸出端的駐波峰值電壓；A/D轉(zhuǎn)換電路，將峰值檢波單元輸出的駐波峰值電壓轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；電壓測(cè)試處理顯示單元，把對(duì)應(yīng)的電壓值等效顯示成具體的受力大小；系統(tǒng)參數(shù)輸入單元，與電壓測(cè)試處理顯示單元連接，把對(duì)應(yīng)的鋼筋的物理尺寸與電參數(shù)輸入電壓測(cè)試處理顯示單元，用于計(jì)算獲得鋼筋所受應(yīng)力。
[0006]進(jìn)一步，所述電參數(shù)包括半徑大小、鋼筋的材料混合比例以及相因的未受力的節(jié)點(diǎn)常數(shù)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。
[0007]進(jìn)一步，該檢測(cè)系統(tǒng)還包括放大單元，所述放大單元用于放大可調(diào)信號(hào)源單元輸出的信號(hào)并將可調(diào)信號(hào)單元輸出的信號(hào)導(dǎo)入到預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端。
[0008]進(jìn)一步，該檢測(cè)系統(tǒng)還包括阻抗匹配單元，所述阻抗匹配單元的輸入端與放大單元的輸出端連接，阻抗匹配單元的輸出端與預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端連接，用于使電磁波在預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端不發(fā)生反射。
[0009]進(jìn)一步，預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端不發(fā)生反射包括信號(hào)源到鋼筋上，以及鋼筋輸出端反射回來(lái)的信號(hào)不再發(fā)生反射。
[0010]本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行原位檢測(cè)的檢測(cè)方法，具體包括以下步驟:
[0011]S1:基本校驗(yàn)與標(biāo)定；
[0012]Sll將阻抗匹配單元與鋼筋的一端連接，將高輸入阻抗單元與鋼筋的另一端連接；
[0013]S12通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)輸入單元輸入鋼筋在未受力時(shí)的磁導(dǎo)率；
[0014]S13調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率和相位，首先使得信號(hào)輸出時(shí)相位為O ;調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，使得輸出端電壓達(dá)到最大值，即獲得最大的反射，形成最大的駐波；
[0015]S14根據(jù)不同鋼筋的型號(hào)與粗細(xì)，制定相應(yīng)的頻率表和對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率表；
[0016]S2:絕對(duì)應(yīng)力測(cè)試；
[0017]S21根據(jù)步驟S14中制定的頻率表設(shè)定信號(hào)源頻率，并輸入相應(yīng)的磁導(dǎo)率；
[0018]S22記錄此時(shí)輸出端駐波信號(hào)幅度；
[0019]S23調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率，使得輸出駐波電壓降低到最低，記錄下當(dāng)前頻率，然后計(jì)算出駐波在鋼筋上的個(gè)數(shù)；
【權(quán)利要求】
1.在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括 可調(diào)信號(hào)源單元，與預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端連接，用于輸出不同頻率和相位的電磁波，以滿足不同長(zhǎng)度不同粗細(xì)的預(yù)應(yīng)力鋼筋的阻抗要求； 高輸入阻抗單元，與預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸出端連接，使鋼筋等效為開(kāi)路狀態(tài)； 峰值檢波單元，連接在高輸入阻抗單元的輸出端處，用于提取出輸出端的駐波峰值電壓； A/D轉(zhuǎn)換電路，將峰值檢波單元輸出的駐波峰值電壓轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)； 電壓測(cè)試處理顯示單元，把對(duì)應(yīng)的電壓值等效顯示成具體的受力大??； 系統(tǒng)參數(shù)輸入單元，與電壓測(cè)試處理顯示單元連接，把對(duì)應(yīng)的鋼筋的物理尺寸與電參數(shù)輸入電壓測(cè)試處理顯示單元，計(jì)算獲得鋼筋所受應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述電參數(shù)包括半徑大小、鋼筋的材料混合比例以及相因的未受力的節(jié)點(diǎn)常數(shù)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:該檢測(cè)系統(tǒng)還包括放大單元，所述放大單元用于放大可調(diào)信號(hào)源單元輸出的信號(hào)并將可調(diào)信號(hào)單元輸出的信號(hào)導(dǎo)入到預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:該檢測(cè)系統(tǒng)還包括阻抗匹配單元，所述阻抗匹配單元的輸入端與放大單元的輸出端連接，阻抗匹配單元的輸出端與預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端連接，用于使電磁波在預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端不發(fā)生反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在役結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力原位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:預(yù)應(yīng)力鋼筋的輸入端不發(fā)生反射包括信號(hào)源到鋼筋上，以及鋼筋輸出端反射回來(lái)的信號(hào)不再發(fā)生反射。
6.利用權(quán)利要求5所述的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的方法，其特征在于:具體包括以下步驟: S1:基本校驗(yàn)與標(biāo)定； Sll將阻抗匹配單元與鋼筋的一端連接，將高輸入阻抗單元與鋼筋的另一端連接； S12通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)輸入單元輸入鋼筋在未受力時(shí)的磁導(dǎo)率； S13調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率和相位，首先使得信號(hào)輸出時(shí)相位為O ;調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，使得輸出端電壓達(dá)到最大值，即獲得最大的反射，形成最大的駐波； S14根據(jù)不同鋼筋的型號(hào)與粗細(xì)，制定相應(yīng)的頻率表和對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率表； S2:絕對(duì)應(yīng)力測(cè)試； S21根據(jù)步驟S14中制定的頻率表設(shè)定信號(hào)源頻率，并輸入相應(yīng)的磁導(dǎo)率； S22記錄此時(shí)輸出端駐波信號(hào)幅度； S23調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率，使得輸出駐波電壓降低到最低，記錄下當(dāng)前頻率，然后計(jì)算出駐波在鋼筋上的個(gè)數(shù)；Λ(/2 丨/4其中:[]為取整算符，η為整數(shù)，η為駐波在鋼筋

_ 4(/2 ~ f\) _上的個(gè)數(shù)，fi為最大駐波時(shí)頻率，f2為最小駐波時(shí)頻率； S24輸入η值到電壓測(cè)試處理顯示單元； S25計(jì)算獲得相應(yīng)的絕對(duì)應(yīng)力；J=W桃匕))，其中:δ



{η + \ΙΑ)Αβ{)Αιημ-為鋼筋所受絕對(duì)應(yīng)力，μ是未受力時(shí)磁性材料的磁導(dǎo)率，μ ^為真空中的磁導(dǎo)率，Stl為真空電導(dǎo)率，Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，λ rn為磁致伸縮系數(shù)，A是與鋼筋半徑相關(guān)的常數(shù)，Vffl為不加力的值，是事先做好的標(biāo)稱值，V為拉伸發(fā)生后的電壓； S3:預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)； S31根據(jù)對(duì)應(yīng)鋼筋參數(shù)設(shè)定磁導(dǎo)率與頻率； S32按照步驟S2測(cè)試一次駐波電壓； S33給定時(shí)間間隔再測(cè)試一次駐波電壓； S34根據(jù)計(jì)算公式直接計(jì)算應(yīng)力變化，與設(shè)定值比較獲得預(yù)應(yīng)力損失即預(yù)應(yīng)力變化:
【文檔編號(hào)】G01L1/12GK103557973SQ201310590354
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】張奔牛, 鄭博仁 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)