磁通量传感器在高边坡预应力锚索索力监测中的应用

■王晓琳，周庠天

■1.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545005;2.柳州欧维姆结构检测技术有限公司，广西 柳州 545005

1 引言

因为高边坡锚固工程属隐蔽工程，而且影响锚固效果的因素较多，设计时很难掌握完全情况，所以对预应力锚固工程开展健康安全监测很有必要［i］。同时，在施工和运营期，用于加固边坡的预应力锚索不可避免的会出现预应力损失，锚索有效预应力大小也是关系到加固工程成败的关键因素之一［ii］。新建的高边坡锚索应考虑增设长效的锚索索力监测系统，用以验证设计假定、监视施工质量和服役期安全状态;确保边坡结构的安全、适用与耐久性［iii］。磁通量传感器监测法是基于一种铁磁性材料的磁弹效应原理的测量方法。即当铁磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其铁材质内部的磁导率随之发生变化，通过测量铁磁性材料制成的构件的磁导率变化，来测量构件的内力。该方法可有效的监测预应力锚索的索力，是一种有效的非接触式无损检测技术。

2 磁通量传感器测量原理

当预应力锚索受到外荷载作用时，其内部产生机械应力，相应地磁导率发生改变，通过测定磁导率变化来反映机械应力的变化，按照此原理制成磁通量传感器。

一般由磁场强度H 和磁通量密度B 之间的关系来描述铁磁性材料的磁化过程:

(2-1)中μ 为介质的磁导率，它依赖于H。根据磁感应原理可研究材料的磁化性能，一般采用两个线圈，一个激励(初级)线圈，一个感应(次级)线圈，将被测铁磁性材料作为线圈的铁心。如果在激励(初级)线圈上加一个直流电流，它就会产生一个强度为H 的磁场，此时被测材料中产生的磁通量密度为B。如果能够确定线圈中B 和H 的比值B/H，则能够求出该下的条件磁导率来。

若直接测量磁通量或磁通量密度是比较困难的，可采用变通的方法。一种较简便的方法是测量缠绕在试件上的线圈两端的感应电压。如果在激励(初级)线圈的两端加一个交流激励信号，将会产生一个随时间而变化的交变磁场，并且根据法拉第电磁感应定律，在感应(次级)线圈中就会产生一个感生电动势。

在某一恒定温度下，铁磁材料内应力与磁导率变化为一线性关系，利用铁磁材料的磁导率-应力关系曲线，可以直接测量出铁磁材料内力［］。磁通量传感器就是依照上述原理，其结构简图如图2-1 所示，

图2-1 磁通量传感器示意图

它由激励(初级)和感应(次级)两层线圈组成。当给激磁(初级)线圈通入脉冲电流时，铁磁性材料被磁化后，会在产生纵向脉冲磁场。由于相互感应，在感应(次级)线圈中产生感应电压，感应电压同施加的磁通量成正比关系。对任何一种铁磁性材料，在试验室进行几组应力、温度下的试验，建立磁导率变化与温度、结构应力的对应关系后，即可在实际使用中测量用该种材料制造的构件的应力［5］。

3 磁通量传感器性能试验

3.1 温度试验

温度对锚索的磁导率随温度变化有一定影响，从而影响其测量结果，测量时需要做温度补偿。常温下(-40℃～80℃)，构件磁导率与应力关系曲线自身的斜率却并不会改变。在构件不受力情况下做好温度率定实验，然后能够通过温度补偿在任何测量范围内的环境温度状况使用。

为了得出温度修正系数，将磁通量传感器模拟现场应力钢绞线的情况下，放入恒温装置进行升降温试验，可以获取温度与磁导率的变化曲线，温度和磁导率成反比关系，由此获得其温度修正系数。将不同规格的构件和对应型号的传感器，选用类似的方法进行试验，其结果基本一致。

3.2 力值验证试验

为了研究磁通量传感器的一致性，首先对1 台单根钢绞线用CCT20B 磁通量传感器标定后，另取3 台同型号磁通量传感器，安装在同一根∮15.24 的钢绞线上的依次放在相同位置，用已经获取的传感器的标定曲线，进行反测。在试验台座张拉端安装标准力传感器，采用标准力传感器测量张拉力。在不同的荷载下，张拉力与相对磁导率的对应变化拟合曲线见图3-4，从图显示磁通量传感器具有良好的一致性。

图3-4 传感器的磁导率与力值曲线

4 新疆某边坡项目工程应用

新疆某水库坝肩处理工程对梁进行削坡卸荷，从山坡上部滑裂缝张开处，到坝顶高程以上坡脚处，将坡面突出岩体削掉。顶部用预应力锚索加固。预应力锚索在桩号W105m～W245m 范围内，布置3—5 层预应力锚索，锚索间距为4m，排距为5m，单根锚索提供1000kN 的锚固力，内锚同段位于新鲜岩体内，“井”字锚固梁设置在坡面上，预应力锚索布置在井字梁的交叉点上。［6］

对预应力锚索72 根钢绞线中选取36 根钢绞线安装磁通量传感器，磁通量传感器安装示意图如图4-1 所示。

边坡锚索健康安全监测系统有四个子系统组成的数字采集子系统、数据传输子系统、数据存储与分析子系统及预警报警子系统对锚索在运行期的预应力进行实时监测与分析，实时监控坝间边坡的稳定性的目的。通过GPRS 数据传输模块发布实时数据到互联网，管养单位可以实时观测边坡安全状态。数据如图4-2 所示。

锚索索力受温度影响的变化见图4-3，受水位影响的变化见图4-4。

图4-1 磁通量传感器安装示意图

图4-2 锚索监测系统架构图

图4-3 锚索索力受温度影响示意图

图4-4 锚索索力受水位影响示意图

图4-3 和图4-4 所示，磁通量传感器索力监测系统很好的监测到随着温度变化、水位变化实际锚索索力变化情况。能够为边坡稳定性的评判和科学的管养提供理论依据。

5 结论

磁通量传感器测量方法具备精度高、耐久性好、寿命长等优点，且是一种无损、非接触式的测量方法，能够实现多截面的安装与测量。通过对温度试验获取温度修正系数，能够消除现场温度对测量的影响。磁通量传感器监测法能有效地用于边坡锚索的全寿命周期的长效监测，有着良好的应用前景。

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［6］曲苓，宋瑞华，汪洋等.克孜尔水库右坝肩边坡稳定分析及加固措施［J］.农业科技与信息，2009，(23):58-59.DOI∶10.3969/j.issn.1003-6997.2009.23.043.