周雨 汪恒 李运发 李依凌 周尚钱
重庆交通大学土木工程学院
摘 要：现阶段我国服役和在建桥梁其绝大部分为混凝土桥梁，在运营阶段通过监测其结构的特性参数，能及时反映出结构的实际受力状态，进而有效的提供预警信息，避免桥梁结构发生破坏性行为，也为后期桥梁的管养提供参考信息。在众多检测参数中，混凝土应力是反映结构状态的一个至关重要的参数。利用谐振电路向周围空间发射位移电流，其谐振频率特征变化与空间介质材料电磁结构特性有关这一特征，实现非接触应力检测。简述了基于位移电流的结构应变感知机理和埋入式位移电流传感器与混凝土结构之间的应力传递关系；进行不同应力作用下位移电流传感器的工作性能实验。
关键词：混凝土应力、位移电流、非接触式应力测量
1概述
混凝土应力监测是土木工程项目施工与营运中重要的组成部分，现阶段混凝土应力检测传感器的按测量机理不同主要分为电测式、振弦式和光测式传感器三大类。振弦式传感器测量精度偏低、采样频率低、传感器使用周期短；光测式传感器埋设与保护技术要求高、测量范围小、成本高仅限于重要桥梁的健康监测。目前海量监测数据评估技术、桥梁长寿命与传感器短寿命不匹配、监测装置实用性三大制约大型桥梁安全监测系统研发与应用瓶颈[1]，市场上始终缺乏寿命长、精确度高、环境适应性好且成本较低的传感器，基于位移电流效应设计出的传感器的出现将打破现有困境，其对厚度敏感、不受静态环境影响、其敏感元件即探头具有一定延展性可设计成任意形状、结构简单且可透过物体进行探测[2]。在实际工程应用中，该传感器既能有效监测桥梁等混凝土结构的应力情况，又可以及时反映结构的实际受力状态，进而快速提供预警信息，避免混凝土结构发生破坏性行为。
2位移电流传感器原理分析
位移电流是一种虚拟电流，可在空间介质中形成一个电流网。由于位移电流与空间介质的材料有关，可以应用位移电流介质极化效应实现对结构的监测。包括两部分[3]，其前一部分是与电场的变化相联系的，它是一种假想电流，后一部分是介质极化强度的变化。在介质中,位移电流不仅由电场强度的变化所决定,还与介质极化强度的变化相联系。而极化强度的变化是由束缚电荷因电场改变而移动所产生的,对于介电常数不随温度而改变的非极性分子所组成的电介质来说,这种移动是不消耗能量的。因此,这种情形下的位移电流不会产生焦耳热。位移电流激发的磁场：虽然平行板电容器间的磁场主要是由传导电流所提供的,而并非是位移电流起主要作用[4]。位移电流对频率域电磁法的视电阻率的影响主要体现在高频段,且导致高频段视电阻率值低于介质的真实电阻率[5]。低频介质阻挡放电中，放电电极金属板、电介质、放电间隙及接地电极金属板组成的系统可等效地视为Cd和Cg的串联。对Cd而言,不存在微放电,仅有位移电流。电容器充电的过程中,导线中自由电子的定向运动形成的电流中止在极板上,而极板上的正电荷的电量在增加,极板间的电场的场强E在增大,存在场强的变化。凡存在变化电场的地方,周围有闭合的磁感变化的电场必伴随着磁场。这情况与表示变化的磁场必伴随着电场,即与法拉第电磁感应定律相似[6]。
3研究思路
3.1技术路线
首先传感器探头向周围空间发射位移电流，周围电介质封装材料产生极化效应；极化电场反作用于传感探头，引起传感探头内电荷量变化；其次混凝土结构发生应变，将应变传递至电介质封装材料上；封装材料发生形变，引起极化电场特性发生改变，引起探头内电荷量变化；传感电路处理探头内电荷量的改变，转化为电路输出频率变化；最后建立频率与应变关系，达到测量混凝土结构内部应力的目的。
3.2 埋入式位移电流传感器与混凝土结构之间的应变传递研究
基体混凝土结构的应力，通过封装体材料与混凝土材料的层间剪应力及传感器两端受到的正应力，传递到传感器上。
由于封装材料与混凝土材料不同，结构的应变传递受到传感器与混凝土结构的粘接长度、封装材料的弹模及厚度、基体弹模等因素影响，材料间存在相对位移差会导致应变传递损失。利用传感器测量混凝土应力时，需要对不同材料间的应变传递规律进行研究。
3.3 混凝土应力与传感电路输出频率关系模型验证实验
利用尺寸为150mm×150mm×150mm钢筋混凝土试块进行实验。试块中间穿过一根热轧带肋钢筋，并将传感器埋置于试块中间，在混凝土试块表面粘贴电阻式应变片。[7]将钢筋混凝土试块置于材料试验机上，做试块拉伸和压缩实验；对比分析应变片采集到的应力数据和位移电流传感器测得应力数据，验证理论分析的混凝土应力与传感电路输出频率之间的关系模型。
3.4 基于位移电流的传感器研究及应用
从平面接触探头至远离探头的传感器频率变化，传感器的灵敏度与初始频率是一个抛物线关系。由于探头为单金属片,传感器的探头可设计成很大的面积,可延伸到很长的距离,也可设计成任意形状。层数越多,频率变化就越大。由于具有这种对物体厚度敏感的特性,传感器可用于一些监测材料厚度变化的应用。如在材料制造业中监控材料厚度变化及物体内部缺陷的无损检测。[8]
4 总结
基于位移电流的传感器：结构简单,单探测电极,不受静态环境影响,适于微型化及工业应用；传感器的探头可设计成很大的面积,可延伸到很长的距离,也可设计成任意形状；扩展探测范围、厚度敏感,且可透过物体进行探测。将传感器得到的电信号通过计算机转化，使用R、Python对实验结果进行处理、校核并进一步通过模拟仿真和数值模拟验证实验并对实验模型进行修正。
参考文献
[1]张奔牛,张开洪.基于位移电流的非接触式接近传感器[J].传感技术学报,2006(06):2414-2417.
[2]Khansm,Atamturkturs,Chowdhourmy. Integration of Structural Health Monitoring and Intelligent Transportation Systems for Bridge Condition Assessment:currentstatus and future direction[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2016,17(8):2017-2122.
[3]周建庭.大型桥梁安全监测评估新技术探索与实践[A].重庆交通大学学报,2016(11).
[4]王红梅,邹艳,刘辉兰.对验证位移电流激发磁场演示实验的讨论[A].榆林学院学学报,2006(04):38—39.
[5]贺文根.位移电流对频率域测深的影响研究[A].硕士学位论文2013(05):34.
[6]Nikita Bhalla,Sandeep Sharma,Shruti Sharma,Rafat Siddique. Monitoring early-age setting of silica fume concrete using wave propagation techniques[J]. Construction and Building Materials,2018,16.
[7]ZhenghongTian,XiaoSun,WeihaoSu,DongxinLi,BiaoYang,JunWu.Development of realtime visual monitoring system for vibration effects on fresh concrete[J]. Automation in Construction,2019,98.
[8]Giuseppe Lacidogna,Gianfranco Piana,Federico Accornero,Alberto Carpinteri. Multitechnique damage monitoring of concrete beams: Acoustic Emission, Digital Image Correlation, Dynamic Identification[J]. Construction and Building Materials,2020,242.