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)量過程中，預(yù)應(yīng)力的獲取是通過油泵驅(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。
圖1 應(yīng)力傳感器彈性元件
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。
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
預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk，根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋材料的不同而改變，fpk最大取值為1860Mpa。具體設(shè)計(jì)時(shí)，張拉控制應(yīng)力σcON可采用小于0.75fpk（或0.9fpk），但不應(yīng)小于0.4fpk.。我們?cè)谠O(shè)計(jì)應(yīng)力傳感器時(shí)，考慮到損耗及過張拉等因素，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fmax見公式（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)。
圖3 傳感器電路圖
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。
R2、R3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)。
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
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
該新型專用應(yīng)力傳感器適用于張拉過程中預(yù)應(yīng)力的測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡單，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)量問題，具有成本低，穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。
