摘要：文章介紹了一種應(yīng)用于智能張拉設(shè)備的專用應(yīng)力傳感器，通過(guò)該應(yīng)力傳感器，可以直接獲取預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力的變化，實(shí)現(xiàn)了張拉過(guò)程預(yù)應(yīng)力測(cè)量的實(shí)時(shí)化和數(shù)字化。該應(yīng)力傳感器是與上海千斤頂廠生產(chǎn)的QFZ600-25型張拉千斤頂配套研制的，傳感器電路具有通用性。標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果顯示，該應(yīng)力傳感器的輸入和輸出具有良好的線性關(guān)系，精度較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力測(cè)量； 應(yīng)力傳感器； 傳感器電路 [align=center]Study of One Kind of New Dedicated Stress Sensor QIAN Houliang， MEI Xue， LIN Jinguo （Nanjing University of Technology，Nanjing 210009, china）[/align] 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 該應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)是智能張拉設(shè)備研制過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。預(yù)應(yīng)力張拉涉及到環(huán)境、磨損等諸多方面的因素，是一個(gè)非線性的傳遞過(guò)程。預(yù)應(yīng)力張拉精度直接影響著預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的安全和壽命。所以，張拉過(guò)程一旦失控，輕則引起構(gòu)件錨固端的縱向裂紋或構(gòu)建應(yīng)力不足，日后構(gòu)件發(fā)生形變，重則引起構(gòu)件裂痕，或者拉斷預(yù)應(yīng)力筋等重大事故。張拉過(guò)程中，準(zhǔn)確地測(cè)量預(yù)應(yīng)力是關(guān)鍵的一步。 在傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力的獲取是通過(guò)油泵驅(qū)動(dòng)千斤頂對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉，預(yù)應(yīng)力的是通過(guò)測(cè)量油泵的油壓間接獲取的，然后進(jìn)行人工讀數(shù)。存在讀數(shù)慢、預(yù)應(yīng)力獲取需要轉(zhuǎn)換、傳輸過(guò)程有損耗等缺點(diǎn)。新型應(yīng)力傳感器是針對(duì)傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備的缺點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。通過(guò)該傳感器，將預(yù)應(yīng)力鋼筋受到的張拉力轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)西門子模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊EM235 CN輸入處理器進(jìn)行處理。該傳感器精度高、讀數(shù)快，最大限度地減少了測(cè)量誤差。 1 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.1 結(jié)構(gòu)描述 圖1為新型專用應(yīng)力傳感器的彈性元件結(jié)構(gòu)圖。該應(yīng)力傳感器是根據(jù)QFZ600-25型張拉千斤頂進(jìn)行設(shè)計(jì)的穿心式傳感器，配合千斤頂、張拉油泵及配套錨具完成對(duì)中、錨固和測(cè)力三項(xiàng)功能。傳感器的核心部件由彈性元件和電阻應(yīng)變電橋構(gòu)成。彈性元件材料為40CrMnTi鋼。箔式應(yīng)變片在粘貼時(shí)需要硅膠進(jìn)行保護(hù)，防止因振動(dòng)等外部因素引起的脫落。信號(hào)線采用四芯屏蔽電纜，有助于降低外部強(qiáng)電信號(hào)的干擾。 [align=center] 圖1 應(yīng)力傳感器彈性元件[/align] 1.2 基本原理 圖2為應(yīng)力傳感器工作原理圖，千斤頂在油泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行錨固作用，其張拉力量的大小通過(guò)在千斤頂和錨具之間應(yīng)力傳感器獲取。應(yīng)力傳感器在軸向受到擠壓后發(fā)生形變，粘貼于彈性元件表面的電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，從而引起電橋自平衡狀態(tài)到不平衡。根據(jù)受力的大小，電阻值有相應(yīng)的變化，電橋輸出相應(yīng)的電壓值。電橋的穩(wěn)定性等因素，我們?cè)谠O(shè)計(jì)傳感器電路作重點(diǎn)研究。 [align=center] 1.錨具 2.專用應(yīng)力傳感器 3.張拉千斤頂 4.預(yù)應(yīng)力鋼筋 圖2 應(yīng)力傳感器應(yīng)用原理圖[/align] 預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f[sub]pk[/sub]，根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋材料的不同而改變，f[sub]pk[/sub]最大取值為1860Mpa。具體設(shè)計(jì)時(shí)，張拉控制應(yīng)力σ[sub]con[/sub]可采用小于0.75f[sub]pk[/sub]（或0.9f[sub]pk[/sub]），但不應(yīng)小于0.4f[sub]pk[/sub].。我們?cè)谠O(shè)計(jì)應(yīng)力傳感器時(shí)，考慮到損耗及過(guò)張拉等因素，取傳感器可控最大張拉應(yīng)力為1860Mpa。應(yīng)力傳感器和QFZ600-25型千斤頂中間位置的通孔直徑為43mm，設(shè)計(jì)最大可張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑20mm，千斤頂提供最大為600KN的張拉力。則應(yīng)力傳感器應(yīng)能夠承受的最大壓力f[sub]max[/sub]見(jiàn)公式（1）： （1） r為可張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑. 2 傳感器電路設(shè)計(jì) 圖3為應(yīng)力傳感器的電路圖。電阻應(yīng)變片組成測(cè)量電橋，彈性元件受力，電橋失去平衡。由于該輸出信號(hào)是毫伏級(jí)信號(hào)，若不加以變送，則在傳輸過(guò)程中，信號(hào)很容易受到外部信號(hào)的嚴(yán)重干擾。為了解決這一問(wèn)題，我們采用變送器將該毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)變成4-20mA的電流信號(hào)，該變送器的芯片是BURR-BROWN公司生產(chǎn)的XTR101。利用阻值為250歐姆的負(fù)載電阻將輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后將轉(zhuǎn)變后的電壓信號(hào)作為西門子模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊EM235 CN 的模擬量輸入信號(hào)。 [align=center] 圖3 傳感器電路圖[/align] 用e2表示pin4、pin6點(diǎn)的電壓，e1表示pin3、pin5點(diǎn)的電壓，則輸入電壓見(jiàn)公式（2）： 調(diào)節(jié)電阻RS的取值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量電橋漂移的補(bǔ)償。 R[sub]2[/sub]、R[sub]3[/sub]是調(diào)零電阻，當(dāng)電壓輸入為零，輸出電流不為4mA時(shí)，調(diào)節(jié)R2，使電流輸出為4mA。電容C1對(duì)傳感器的電源進(jìn)行濾波。 3 結(jié)果分析 我們用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)該傳感器進(jìn)行四次張拉試驗(yàn)，記錄了不同的壓力下相應(yīng)的輸出電壓VRL（見(jiàn)表1），將在相同的壓力值下的輸出電壓取平均值。根據(jù)壓力取值和平均輸出電壓值，我們擬合出一個(gè)反映壓力值和電壓值的特性曲線，該曲線為我們編制張拉控制程序提供了重要的依據(jù)。 [align=center]表1壓力傳感器的標(biāo)定 圖4 壓力值與輸出電壓值關(guān)系曲線[/align] 圖4為壓力值和輸出電壓值的關(guān)系曲線，雖存在電橋電路的非線性，電阻應(yīng)變片的非線性和彈性元件的非線性等因素，但由傳感器工作特性曲線我們可以看出，在重要工作區(qū)間（1～500KN），壓力值和輸出電壓值存在較好的線性關(guān)系。 4 結(jié)束語(yǔ) 該新型專用應(yīng)力傳感器適用于張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力的測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，很好地解決了智能內(nèi)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)中的預(yù)應(yīng)力測(cè)量問(wèn)題，具有成本低，穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) 【1】黃賢武. 傳感器實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M]. 電子科技大學(xué)出版社， 1997. 【2】中國(guó)電子學(xué)會(huì)敏感技術(shù)分會(huì)， 北京電子學(xué)會(huì), 北京電子商會(huì)傳感器分會(huì). 2004/2005傳感器與執(zhí)行器大全[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006. 【3】李科杰. 新編傳感器技術(shù)手冊(cè)[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社， 2002. 【4】（日） 松井邦彥著，梁瑞林譯. 傳感器實(shí)用電路設(shè)計(jì)與制作[M]. 科學(xué)出版社， 2005. 【5】李珠. 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)數(shù)控張拉技術(shù)的研究[J]. 施工技術(shù), 2003, 32[7]: 54-55. 【6】馬良埕. 應(yīng)變電測(cè)與傳感技術(shù)[M]. 中國(guó)計(jì)量出版社, 1994. 【7】朱伯芳. 土木工程計(jì)算機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀與展望[J ]. 土木工程學(xué)報(bào), 1992, 25（4）:71-72 【8】吳衛(wèi)榮. 傳感器與PLC技術(shù)[M]. 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2006. 作者簡(jiǎn)介：錢厚亮（1982-），男，江蘇泰州人，碩士研究生。電話：13655181114，E-mail: qianhouliang@sina.com 。 梅雪（1975-），女，江蘇南京人，博士，南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能科學(xué)系副主任。 林錦國(guó)（1957-），男，教授，南京工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院院長(zhǎng)。