Page 73 - 无损检测2023年第八期

黎亮亮, 等:

预应力混凝土结构开裂检测用弱磁传感器的研发与应用

展, 形成的腐蚀介质传输通道将导致钢筋出现锈蚀, 位置的磁荷密度, 在x-O- y 平面任一点处的磁场强
最终引起混凝土结构服役性能的快速劣化 [ 2-3 ] 。因 度分量可由微元体在P ( x , ) 处的积分得到。 V 型
y
此, 发展一种能够有效监测预应力混凝土开裂的方法 缺口的磁偶极子模型如图1所示, 磁场分布如图2
对于桥梁的管理养护意义重大。 所示, 缺口附近的磁场切向分量出现极大值, 磁场法
目前, 人工巡检是最常用的混凝土结构开裂监 向分量出现过零点, 即
测方法。但由于混凝土结构初裂时裂缝宽度很小, q d y
dH x = r ( 1 )
且混凝土易开裂的部位还存在光照差、 位置隐蔽等 2π μ 0 r 2
客观不利因素, 定期进行人工巡检的可靠性和时效 q dx
dH y = r ( 2 )
性较差, 无法达到发现即治理的目的 [ 4 ] 。此外, 光纤 2π μ 0 r 2
传感技术也被用于结构开裂的监测, ZOU 等 [ 5 ] 利用 式中: dH x 为磁场切向分量; dH y 为磁场法向分
布里渊散射的光纤应变来判断陶瓷表面的裂缝开展 量; 为真空磁导率; r 为位置矢量。
μ 0
过程; 毛江鸿 [ 6 ] 提出了布里渊光频域分析计结合斜
交光纤组的裂缝监测方法。但通过布设光纤监测混
凝土裂缝不仅光纤存活率低、 易损坏, 还需要配套仪
器进行数据解析。综上所述, 需要研制一种对混凝
土开裂敏感、 安装方便、 数据解读高效的开裂监测技
术。弱磁理论及方法由于不需要外加磁化装置而被
广泛应用于航空航天、 输油管道等领域的无损检测
中, 研究主要包括弱磁信号分布与其在应力作用下
的演化特征 [ 7-8 ] 等内容。由于混凝土的磁性非常弱, 图1 V 型缺口的磁偶极子模型
而钢筋是一种铁磁性材料, 混凝土开裂时会产生显
著的漏磁效应, 金伟良等 [ 9 ] 发现当混凝土梁初裂时,
构件表面的磁场会出现非常显著波动, 且会随着裂
缝发展而变化; ZHANG 等 [ 10 ] 研究了漏磁场与钢筋
混凝土锈蚀宽度之间的关系。因此, 可基于该现象
研制预应力混凝土开裂监测传感器。
常见的磁传感器主要包括霍尔传感器、 各向异
性磁阻传感器( AMR )、 巨磁阻传感器( GMR ) 和磁 图2 V 型缺口附近的磁场分量分布
通门传感器等 [ 11 ] 。霍尔传感器的灵敏度低, 信号漂 对于预应力钢筋混凝土结构, 一种工况是在无
移大; AMR 和 GMR 传感器在电子罗盘、 停车位传 车辆荷载作用下的混凝土开裂, 另一种工况是车辆
感器等场景中有广泛应用, 但是也存在信号漂移大 等荷载导致的混凝土开裂。对于第一种工况一, 由
的问题。磁通门传感器具有分辨率高、 弱磁场测量 于混凝土和钢筋磁导率存在巨大差异, 在地磁场作
范围宽、 可靠性高、 能够直接测量磁场分量等优点, 用下钢筋的磁场将出现“ 泄漏”, 即混凝土裂缝附近
被认为是精度最高的磁传感器之一 [ 12 ] 。文章以磁 的磁场会产生波动, 类似金属的漏磁效应。对于第
通门传感器为基础, 结合混凝土开裂特征和物联网 二种工况, 裂纹附近的磁场不仅会产生波动, 在车辆
技术研发了预应力混凝土结构开裂弱磁传感器, 并 经过后, 由于应力致磁化效应存在很大的剩余磁场,
通过试验研究了传感器测量的稳定性和测量精度, 弱磁信号还会随混凝土结构裂缝发展产生变化, 其
分析了其在实际工程中的应用效果。 变化曲线如图3所示 [ 14 ] 。因此, 可以通过分析弱磁
1 混凝土开裂监测系统工作原理 信号的变化规律判断混凝土是否开裂, 以此作为研
发预应力混凝土开裂弱磁传感器的基础。
1.1 漏磁效应 1.2 弱磁传感器设计与系统运行
漏磁效应可以用磁偶极子模型解释 [ 13 ] : V 型缺 传统的磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁
口处产生应力集中, 两侧面磁荷密度 q 远大于其他 铁芯在交变磁场的饱和激励下, 其磁感应强度与磁

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2023年 第45卷 第8期
无损检测