一种新型专用应力传感器的研制

　　0   引言

　　该应力传感器的设计是智能张拉设备研制过程中的一个重要环节。预应力张拉涉及到环境、磨损等诸多方面的因素，是一个非线性的传递过程。预应力张拉直接影响着预应力构件的安全和寿命。所以，张拉过程一旦失控，轻则引起构件锚固端的纵向裂纹或构建应力不足，日后构件发生形变，重则引起构件裂痕，或者拉断预应力筋等重大事故。张拉过程中，准确地测量预应力是关键的一步。

　　在传统的预应力测量过程中，预应力的获取是通过油泵驱动千斤顶对预应力钢筋进行张拉，预应力的是通过测量油泵的油压间接获取的，然后进行人工读数。存在读数慢、预应力获取需要转换、传输过程有损耗等缺点。新型应力传感器是针对传统预应力张拉设备的缺点进行设计的。通过该传感器，将预应力钢筋受到的张拉力转化为电压信号，经西门子模数转换模块EM235 CN输入处理器进行处理。该传感器高、读数快，限度地减少了测量误差。

　　1  传感器机械结构设计

　　1.1 结构描述

　　图1为新型专用应力传感器的弹性元件结构图。该应力传感器是根据QFZ600-25型张拉千斤顶进行设计的穿心式传感器，配合千斤顶、张拉油泵及配套锚具完成对中、锚固和测力三项功能。传感器的部件由弹性元件和电阻应变电桥构成。弹性元件材料为40CrMnTi钢。箔式应变片在粘贴时需要硅胶进行保护，防止因振动等外部因素引起的脱落。信号线采用四芯屏蔽电缆，有助于降低外部强电信号的干扰。

　　图1 应力传感器弹性元件

　　1.2  基本原理

　　图2为应力传感器工作原理图，千斤顶在油泵的驱动下进行锚固作用，其张拉力量的大小通过在千斤顶和锚具之间应力传感器获取。应力传感器在轴向受到挤压后发生形变，粘贴于弹性元件表面的电阻应变片阻值发生变化，从而引起电桥自平衡状态到不平衡。根据受力的大小，电阻值有相应的变化，电桥输出相应的电压值。电桥的稳定性等因素，我们在设计传感器电路作重点研究。

　　1.锚具 2.专用应力传感器

　　3.张拉千斤顶 4.预应力钢筋

　　图2 应力传感器应用原理图

　　预应力钢筋强度标准值fpk，根据预应力钢筋材料的不同而改变，fpk取值为1860Mpa。具体设计时，张拉控制应力σcon可采用小于0.75fpk（或0.9fpk），但不应小于0.4fpk.。我们在设计应力传感器时，考虑到损耗及过张拉等因素，取传感器可控张拉应力为1860Mpa。应力传感器和QFZ600-25型千斤顶中间位置的通孔直径为43mm，设计可张拉预应力钢筋直径20mm，千斤顶提供为600KN的张拉力。则应力传感器应能够承受的压力fmax见公式（1）：

　　（1）

　　r为可张拉预应力钢筋直径.

　　2  传感器电路设计

　　图3为应力传感器的电路图。电阻应变片组成测量电桥，弹性元件受力，电桥失去平衡。由于该输出信号是毫伏级信号，若不加以变送，则在传输过程中，信号很容易受到外部信号的严重干扰。为了解决这一问题，我们采用变送器将该毫伏信号转变成4-20mA的电流信号，该变送器的芯片是BURR-BROWN公司生产的XTR101。利用阻值为250欧姆的负载电阻将输出电流信号转变成电压信号，然后将转变后的电压信号作为西门子模数转换模块EM235 CN 的模拟量输入信号。

　　图3 传感器电路图

　　用e2表示pin4、pin6点的电压，e1表示pin3、pin5点的电压，则输入电压见公式（2）：

　　调节电阻RS的取值，可以实现对测量电桥漂移的补偿。

　　R2、R3是调零电阻，当电压输入为零，输出电流不为4mA时，调节R2，使电流输出为4mA。电容C1对传感器的电源进行滤波。

　　3   结果分析

　　我们用压力试验机对该传感器进行四次张拉试验，记录了不同的压力下相应的输出电压VRL（见表1），将在相同的压力值下的输出电压取平均值。根据压力取值和平均输出电压值，我们拟合出一个反映压力值和电压值的特性曲线，该曲线为我们编制张拉控制程序提供了重要的依据。

　　表1压力传感器的标定

 

　　图4 压力值与输出电压值关系曲线

　　图4为压力值和输出电压值的关系曲线，虽存在电桥电路的非线性，电阻应变片的非线性和弹性元件的非线性等因素，但由传感器工作特性曲线我们可以看出，在重要工作区间（1～500KN），压力值和输出电压值存在较好的线性关系。

　　4   结束语

　　该新型专用应力传感器适用于张拉过程中预应力的测量，结构简单，测量较高，很好地解决了智能内应力测量系统中的预应力测量问题，具有成本低，稳定性能好等特点。

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