摘要：文章介紹了一種應用于智能張拉設備的專用應力傳感器，通過該應力傳感器，可以直接獲取預應力鋼筋張拉過程中預應力的變化，實現(xiàn)了張拉過程預應力測量的實時化和數(shù)字化。該應力傳感器是與上海千斤頂廠生產的QFZ600-25型張拉千斤頂配套研制的，傳感器電路具有通用性。標定試驗結果顯示，該應力傳感器的輸入和輸出具有良好的線性關系，精度較高，達到了設計要求。 關鍵詞：預應力測量； 應力傳感器； 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 該應力傳感器的設計是智能張拉設備研制過程中的一個重要環(huán)節(jié)。預應力張拉涉及到環(huán)境、磨損等諸多方面的因素，是一個非線性的傳遞過程。預應力張拉精度直接影響著預應力構件的安全和壽命。所以，張拉過程一旦失控，輕則引起構件錨固端的縱向裂紋或構建應力不足，日后構件發(fā)生形變，重則引起構件裂痕，或者拉斷預應力筋等重大事故。張拉過程中，準確地測量預應力是關鍵的一步。 在傳統(tǒng)的預應力測量過程中，預應力的獲取是通過油泵驅動千斤頂對預應力鋼筋進行張拉，預應力的是通過測量油泵的油壓間接獲取的，然后進行人工讀數(shù)。存在讀數(shù)慢、預應力獲取需要轉換、傳輸過程有損耗等缺點。新型應力傳感器是針對傳統(tǒng)預應力張拉設備的缺點進行設計的。通過該傳感器，將預應力鋼筋受到的張拉力轉化為電壓信號，經西門子模數(shù)轉換模塊EM235 CN輸入處理器進行處理。該傳感器精度高、讀數(shù)快，最大限度地減少了測量誤差。 1 傳感器機械結構設計 1.1 結構描述 圖1為新型專用應力傳感器的彈性元件結構圖。該應力傳感器是根據QFZ600-25型張拉千斤頂進行設計的穿心式傳感器，配合千斤頂、張拉油泵及配套錨具完成對中、錨固和測力三項功能。傳感器的核心部件由彈性元件和電阻應變電橋構成。彈性元件材料為40CrMnTi鋼。箔式應變片在粘貼時需要硅膠進行保護，防止因振動等外部因素引起的脫落。信號線采用四芯屏蔽電纜，有助于降低外部強電信號的干擾。 [align=center] 圖1 應力傳感器彈性元件[/align] 1.2 基本原理 圖2為應力傳感器工作原理圖，千斤頂在油泵的驅動下進行錨固作用，其張拉力量的大小通過在千斤頂和錨具之間應力傳感器獲取。應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。根據受力的大小，電阻值有相應的變化，電橋輸出相應的電壓值。電橋的穩(wěn)定性等因素，我們在設計傳感器電路作重點研究。 [align=center] 1.錨具 2.專用應力傳感器 3.張拉千斤頂 4.預應力鋼筋 圖2 應力傳感器應用原理圖[/align] 預應力鋼筋強度標準值f[sub]pk[/sub]，根據預應力鋼筋材料的不同而改變，f[sub]pk[/sub]最大取值為1860Mpa。具體設計時，張拉控制應力σ[sub]con[/sub]可采用小于0.75f[sub]pk[/sub]（或0.9f[sub]pk[/sub]），但不應小于0.4f[sub]pk[/sub].。我們在設計應力傳感器時，考慮到損耗及過張拉等因素，取傳感器可控最大張拉應力為1860Mpa。應力傳感器和QFZ600-25型千斤頂中間位置的通孔直徑為43mm，設計最大可張拉預應力鋼筋直徑20mm，千斤頂提供最大為600KN的張拉力。則應力傳感器應能夠承受的最大壓力f[sub]max[/sub]見公式（1）： （1） r為可張拉預應力鋼筋直徑. 2 傳感器電路設計 圖3為應力傳感器的電路圖。電阻應變片組成測量電橋，彈性元件受力，電橋失去平衡。由于該輸出信號是毫伏級信號，若不加以變送，則在傳輸過程中，信號很容易受到外部信號的嚴重干擾。為了解決這一問題，我們采用變送器將該毫伏信號轉變成4-20mA的電流信號，該變送器的芯片是BURR-BROWN公司生產的XTR101。利用阻值為250歐姆的負載電阻將輸出電流信號轉變成電壓信號，然后將轉變后的電壓信號作為西門子模數(shù)轉換模塊EM235 CN 的模擬量輸入信號。 [align=center] 圖3 傳感器電路圖[/align] 用e2表示pin4、pin6點的電壓，e1表示pin3、pin5點的電壓，則輸入電壓見公式（2）： 調節(jié)電阻RS的取值，可以實現(xiàn)對測量電橋漂移的補償。 R[sub]2[/sub]、R[sub]3[/sub]是調零電阻，當電壓輸入為零，輸出電流不為4mA時，調節(jié)R2，使電流輸出為4mA。電容C1對傳感器的電源進行濾波。 3 結果分析 我們用壓力試驗機對該傳感器進行四次張拉試驗，記錄了不同的壓力下相應的輸出電壓VRL（見表1），將在相同的壓力值下的輸出電壓取平均值。根據壓力取值和平均輸出電壓值，我們擬合出一個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。 [align=center]表1壓力傳感器的標定 圖4 壓力值與輸出電壓值關系曲線[/align] 圖4為壓力值和輸出電壓值的關系曲線，雖存在電橋電路的非線性，電阻應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系。 4 結束語 該新型專用應力傳感器適用于張拉過程中預應力的測量，結構簡單，測量精度較高，很好地解決了智能內應力測量系統(tǒng)中的預應力測量問題，具有成本低，穩(wěn)定性能好等特點。 參考文獻 【1】黃賢武. 傳感器實際應用電路設計[M]. 電子科技大學出版社， 1997. 【2】中國電子學會敏感技術分會， 北京電子學會, 北京電子商會傳感器分會. 2004/2005傳感器與執(zhí)行器大全[M]. 機械工業(yè)出版社， 2006. 【3】李科杰. 新編傳感器技術手冊[M]. 國防工業(yè)出版社， 2002. 【4】（日） 松井邦彥著，梁瑞林譯. 傳感器實用電路設計與制作[M]. 科學出版社， 2005. 【5】李珠. 預應力結構數(shù)控張拉技術的研究[J]. 施工技術, 2003, 32[7]: 54-55. 【6】馬良埕. 應變電測與傳感技術[M]. 中國計量出版社, 1994. 【7】朱伯芳. 土木工程計算機應用的現(xiàn)狀與展望[J ]. 土木工程學報, 1992, 25（4）:71-72 【8】吳衛(wèi)榮. 傳感器與PLC技術[M]. 中國輕工業(yè)出版社, 2006. 作者簡介：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)大學自動化學院智能科學系副主任。 林錦國（1957-），男，教授，南京工業(yè)學院自動化學院院長。