预应力钢绞线预应力测量装置及方法.pdf

本发明公开了一种预应力钢绞线预应力测量装置，包括开关单元、充电模块和数据处理模块，所述开关单元通过钢绞线给充电模块充电，所述数据处理模块采集钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号，所述数据处理模块将钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号转化为充电模块的充电时间信号，通过充电时间的变化量得到钢绞线电感的变化量，进而得到钢绞线的预应力变化量。本发明能够实现无损测量，可以实现一种方便快捷的预应力检测，无条件限制，可以适合各种场合的预应力检测。

权利要求书
1.  预应力钢绞线预应力测量装置，其特征在于：包括开关单元、充电模块和数据处理模块，所述开关单元通过钢绞线给充电模块充电，所述数据处理模块采集钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号，所述数据处理模块将钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号转化为充电模块的充电时间信号，通过充电时间的变化量得到钢绞线电感的变化量，进而得到钢绞线的预应力变化量。

2.  根据权利要求1所述的预应力钢绞线预应力测量装置，其特征在于：所述开关单元包括MOS管，所述MOS管的栅极接控制信号，MOS管的源极接钢绞线的输入端，MOS管的漏极接VCC。

3.  根据权利要求2所述的预应力钢绞线预应力测量装置，其特征在于：所述充电模块为电容，电容的一端接地，另一端接钢绞线的输出端。

4.  根据权利要求3所述的预应力钢绞线预应力测量装置，其特征在于：所述数据处理模块包括第一非门、第二非门、第一与非门、第二与非门、计数器和MCU，所述第一非门的输入端与钢绞线的输出端连接，第一非门的输出端与第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与钢绞线的输入端连接，第一与非门的输出端与第二非门的输入端连接，第二非门的输出端与第二与非门的第一输入端连接，第二与非门的第二输入端接晶振信号，所述第二与非门的输出端与计数器连接，所述计数器的输出端与MCU连接。

5.  一种预应力钢绞线预应力测量方法，其特征在于：包括
a.通过开关单元向钢绞线的输入端施加开关信号并给充电模块充电；
b.采集钢绞线输入端和输出端的信号；
c.将钢绞线的输入信号和输出信号转化为充电模块的充电时间信号；
d.通过充电时间的变化量得到钢绞线电感的变化量，进而得到钢绞线的预应力变化量。

6.  根据权利要求5所述的预应力钢绞线预应力测量方法，其特征在于：所述开关单元包括MOS管，所述MOS管的栅极接控制信号，MOS管的源极接钢绞线的输入端，MOS管的漏极接VCC。

7.  根据权利要求6所述的预应力钢绞线预应力测量方法，其特征在于：所述充电模块为电容，电容的一端接地，另一端接钢绞线的输出端。

8.  根据权利要求7所述的预应力钢绞线预应力测量方法，其特征在于：所述数据处理模块包括第一非门、第二非门、第一与非门、第二与非门、计数器和MCU，所述第一非门的输入端与钢绞线的输出端连接，第一非门的输出端与第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与钢绞线的输入端连接，第一与非门的输出端与第二非门的输入端连接， 第二非门的输出端与第二与非门的第一输入端连接，第二与非门的第二输入端接晶振信号，所述第二与非门的输出端与计数器连接，所述计数器的输出端与MCU连接。

说明书预应力钢绞线预应力测量装置及方法
技术领域
本发明涉及结构监测领域，具体涉及一种预应力钢绞线预应力测量装置及使用该装置进行预应力测量的方法。
背景技术
目前预应力钢绞线的预应力测量方法主要由磁通量法、声传感法、微压痕技术以及光纤传感技术等。声传感利用超声波信号在材料中发射、衍射过程中出现的传播速度、幅度、频率等变化，但测量精度不高；微压痕检测通过在微细刚性材料阵列中压入受测材料，从而测量材料对微纳入材料的压入抵抗能力及反应情况，确定材料的力学性质，但在预应力钢绞线受力状态下确定应力状态的方法无确定结果，并且会对钢绞线产生一定的损伤；光纤传感技术预先把布拉格光栅传感器预埋进预应力砼内部的方法来实现检测，但随着时间推移，传感器老化加剧，严重影响测量准确性；磁通量法利用钢材的电磁效应来分析应力分布及损伤等与电磁特性变化的一般规律，但预应力混凝土中预应力钢绞线受力，且无法加载磁性线圈而无法使用；综上，对于预应力钢绞线的预应力测量，目前还没有合适准确的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种预应力钢绞线预应力测量装置以及应用该装置进行预应力测量的方法。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，预应力钢绞线预应力测量装置，包括开关单元、充电模块和数据处理模块，所述开关单元通过钢绞线给充电模块充电，所述数据处理模块采集钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号，所述数据处理模块将钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号转化为充电模块的充电时间信号，通过充电时间的变化量得到钢绞线电感的变化量，进而得到钢绞线的预应力变化量。
本发明的目的之二是通过这样的技术方案实现的，一种预应力钢绞线预应力测量方法，包括：
a.通过开关单元向钢绞线的输入端施加开关信号并给充电模块充电；
b.采集钢绞线输入端和输出端的信号；
c.将钢绞线的输入信号和输出信号转化为充电模块的充电时间信号；
d.通过充电时间的变化量得到钢绞线电感的变化量，进而得到钢绞线的预应力变化量。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
a.实现无损测量，使用本方法，可以实现一种方便快捷的预应力检测，无条件限制，可以适合各种场合的预应力检测；
b.设备集成化程度高，测量精度高，稳定性好，能够满足长期监测的需求；
c.不受外界环境影响，能够反映出结构的真实受力状态。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的具体结构电路图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明提供一种预应力钢绞线预应力测量装置，包括开关单元、充电模块和数据处理模块，所述开关单元通过钢绞线给充电模块充电，所述数据处理模块采集钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号，所述数据处理模块将钢绞线的输入信号和钢绞线的输出信号转化为充电模块的充电时间信号，通过充电时间的变化量得到钢绞线电感的变化量，进而得到钢绞线的预应力变化量。
优选的，所述开关单元包括MOS管，所述MOS管的栅极接控制信号，MOS管的源极接钢绞线的输入端，MOS管的漏极接VCC。
优选的，所述充电模块为电容，电容的一端接地，另一端接钢绞线的输出端。
优选的，所述数据处理模块包括第一非门、第二非门、第一与非门、第二与非门、计数器和MCU，所述第一非门的输入端与钢绞线的输出端连接，第一非门的输出端与第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与钢绞线的输入端连接，第一与非门的输 出端与第二非门的输入端连接，第二非门的输出端与第二与非门的第一输入端连接，第二与非门的第二输入端接晶振信号，所述第二与非门的输出端与计数器连接，所述计数器的输出端与MCU连接。
在本发明中，定义第一与非门的第一输入端为b端，第二输入端为a端，第二与非门的第一输入端为c端，输出端为d端。
由单片机控制mos管Q1给钢绞线连接的电容进行充电控制，根据电路可以得到如下逻辑过程：
①初始状态：a逻辑电平＝0；b逻辑电平＝1；c逻辑电平＝0；
②充电过程：a逻辑电平＝1；b逻辑电平＝1；c逻辑电平＝1；
③充电达到门控开启电平：a逻辑电平＝1；b逻辑电平＝0；c逻辑电平＝0；
因此在c端形成了一个门控信号，使得10MHz晶振产生的信号在门控信号时间内通过，然后由单片机对该段门控时间内通过的信号数量进行计数，从而计算出门控时间。
由于加载在钢绞线上的电压U一定，则有根据电磁感应原理，在上电的一瞬间，电流会从0逐渐上升，因此电感会阻碍其上升，造成电容充电时间被延长(电容充满的时间不变，只是开始充电的时间被延迟，因此整体充电时间被延时)。当钢绞线因预应力发生改变后，其电感量会发生相应变化，进而影响电容的充放电时间，因此，只要计算出电容充放电时间的变化量，就可以推算出钢绞线的电感变化量，进而计算出预应力的变化量。
对于钢绞线的电感有：
L=u0l2π(ln2lr-0.75)]]>
L：电感，单位H
l：导体长度，单位m
R：钢绞线半径，单位m
u0：真空磁导率，u0＝4π10-7H/m
而钢绞线应力变化造成钢绞线变形后，电感量会发生改变，因此只需要测量出该钢绞线电感值的变化量，即可得到钢绞线的预应力大小。
∵L=u0l2π(ln2lr-0.75)]]>
∴根据测量得到的电感变化值，可以推算出钢绞线张拉长度的l，钢绞线没发生形变的长度减去发生形变时长度的变化量为Δl；
钢绞线张拉的长度和应力有如下对应关系：

Δl：钢绞线长度变化量；
Pp：钢绞线的预应力；
l钢：钢绞线长度；
Ap：钢绞线横截面积；
Ep：钢绞线弹性模量；
可以得到根据之前计算钢绞线电感量与长度的关系，根据测量的电感求出钢绞线的长度变化量，则可以计算出钢绞线的预应力大小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。