一种新型专用应力传感器的研制

摘要：文章介绍了一种应用于智能张拉设备的专用应力传感器，通过该应力传感器，可以直接获取预应力钢筋张拉过程中预应力的变化，实现了张拉过程预应力测量的实时化和数字化。该应力传感器是与上海千斤顶厂生产的QFZ600-25型张拉千斤顶配套研制的，传感器电路具有通用性。标定试验结果显示，该应力传感器的输入和输出具有良好的线性关系，精度较高，达到了设计要求。
关键词：预应力测量； 应力传感器； 传感器电路

Abstract: In this paper, authors present the idea of one kind of dedicated stress sensor. With this sensor, we can obtain the chang of the prestress in the process of tension directly, and make the tension process achieve real-time and digital. The structure of this kind of stress sensor is developed according to the QFZ600-25 tension jack, and the circuit of the sensor is current. The results of the experiment present that, there is a quality of linearity between the values of input and output of the stress sensor, and achieve the qualified precision.
Keywords: prestress measure;  stress sensor;  circuit of the sensor

 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。预应力张拉精度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。该传感器精度高、读数快，最大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。传感器的核心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。

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。

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

   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。

    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，测量精度较高，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。

参考文献
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作者简介：钱厚亮（1982-），男，江苏泰州人，硕士研究生。电话：13655181114，E-mail: qianhouliang@sina.com 。
梅雪（1975-），女，江苏南京人，博士，南京工业大学自动化学院智能科学系副主任。
林锦国（1957-），男，教授，南京工业学院自动化学院院长。