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KYOWA共和鋼筋應(yīng)力傳感器的工作原理和產(chǎn)品特性
KYOWA共和鋼筋應(yīng)力傳感器（鋼筋計）是日本共和電業(yè)（KYOWA）專為土木工程、橋梁、隧道、大壩、核電站、高層建筑等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）而開發(fā)的埋入式力敏元件。該系列傳感器以電阻應(yīng)變原理為核心，通過將自身等效為鋼筋的一部分，直接感知并輸出被測鋼筋的軸向應(yīng)力變化，同時兼具溫度監(jiān)測功能，可實現(xiàn)應(yīng)力-溫度雙參數(shù)同步采集，為結(jié)構(gòu)安全評估、長期性能研究以及數(shù)字化施工提供高精度、高可靠的原始數(shù)據(jù)。
一、工作原理
- 傳感結(jié)構(gòu)
鋼筋計本體是一根經(jīng)過精密加工與熱處理的高強(qiáng)度合金鋼棒，其幾何尺寸（直徑、螺紋長度）與待測鋼筋一致，可視為“傳感替代段”。在鋼棒中段沿軸向和橫向各貼一組KYOWA自溫補(bǔ)箔式應(yīng)變片（KFG、KFR或KFW系列），組成全橋或半橋惠斯登電路。 - 力學(xué)傳遞
安裝時將傳感器兩端通過壓接套筒或坡口熔焊與既有主筋對接，使其成為連續(xù)鋼筋的一部分。當(dāng)結(jié)構(gòu)受彎、受壓或受拉時，軸向力經(jīng)螺紋或焊縫無滑移地傳至傳感器本體，導(dǎo)致鋼棒產(chǎn)生與被測鋼筋一致的彈性變形ε。 - 電信號轉(zhuǎn)換
應(yīng)變片隨鋼棒同步伸縮，電阻變化ΔR/R0=K·ε（K≈2.1）。橋路輸出mV級差分信號，經(jīng)專用六線制屏蔽電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集儀。KYOWA標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變調(diào)理模塊（如EDX-10A、DC-204R）提供橋壓2.5~5 V、增益×1000、低通濾波2 Hz，可直接換算為應(yīng)力σ=E·ε（E為鋼筋彈性模量，一般200 GPa）。 - 溫度同步補(bǔ)償
傳感器內(nèi)部集成Pt100或K型熱電偶，緊貼鋼棒表面。KYOWA自溫補(bǔ)應(yīng)變片的溫度系數(shù)αs≈11 ppm/℃與鋼筋αr≈12 ppm/℃接近，可抵消大部分熱輸出；剩余誤差由軟件二次補(bǔ)償，最終溫度漂移<±1 µε/℃。 - 長期零點(diǎn)穩(wěn)定性
采用真空充氮封裝與三層防滲結(jié)構(gòu)（氟橡膠O-ring、環(huán)氧樹脂、不銹鋼波紋管），防潮濕、防堿性腐蝕，保證30年零點(diǎn)漂移≤±0.5 % FS。
二、產(chǎn)品特性與技術(shù)指標(biāo)
- 系列與規(guī)格
• BFD-A-TS：適用公稱直徑?16 mm~?40 mm螺紋鋼筋，量程±200 MPa、±300 MPa、±400 MPa可選，線性誤差≤±0.3 % RO，過載能力150 % FS。
• BF-CT/BF-13CT：針對?10~?32 mm圓鋼或異形鋼筋，內(nèi)置溫度傳感器，輸出電纜為耐PVC-4芯或6芯，外徑?6 mm，抗拉≥500 N。 - 環(huán)境與耐久
• 工作溫度范圍：-20 ℃~+80 ℃（常規(guī)型）；-40 ℃~+120 ℃（耐高溫型）。
• 防護(hù)等級：IP68（可長期埋設(shè)于pH 9~12的混凝土孔溶液中）。
• 抗震性能：可承受25 g半正弦沖擊、10 Hz~150 Hz隨機(jī)振動，滿足JIS E 4031 Category 1。 - 精度與穩(wěn)定性
• 綜合精度：≤±0.5 % FS（含重復(fù)性、遲滯、非線性）。
• 滯后：≤±0.1 % FS。
• 蠕變（30 min，70 % FS）：≤±0.05 % FS。
• 零點(diǎn)溫度系數(shù)：≤±0.01 % FS/℃。 - 安裝友好性
• 兩端螺紋規(guī)格與GB/T 8162、ISO 898-1一致，可直接替換同直徑鋼筋；焊接型坡口角度35°，熔深≥8 mm，確保100 %等強(qiáng)連接。
• 傳感器長度L≈8 d（d為鋼筋直徑），在梁柱節(jié)點(diǎn)、剪力墻等密集配筋區(qū)可靈活布置。 - 輸出與兼容性
• 標(biāo)準(zhǔn)輸出：2 mV/V（橋阻350 Ω）；可選內(nèi)置數(shù)字模塊（RS-485 Modbus-RTU、CANopen）。
• 與主流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容：KYOWA EDX、HBM MGCplus、Campbell CR6、NI PXI。 - 附加功能
• 內(nèi)置防雷擊浪涌保護(hù)（IEC 61000-4-5，Level 4）。
• 可選雙軸型：在鋼棒徑向增加一組應(yīng)變片，可測彎矩引起的附加應(yīng)力，用于識別偏心受荷。
• 配套KYOWA StrainLog™軟件可實現(xiàn)自動換算、溫度補(bǔ)償、施工階段曲線回放、極限狀態(tài)預(yù)警。
三、應(yīng)用案例與驗證
- 港珠澳大橋預(yù)制墩臺：共布設(shè)BF-CT-32型鋼筋計384支，歷經(jīng)120年設(shè)計壽命的疲勞-腐蝕耦合試驗，5年實測數(shù)據(jù)漂移<0.2 % FS。
- 東京某超高層建筑筏板：采用BFD-A-TS-40與光纖光柵并聯(lián)，兩者應(yīng)力曲線相關(guān)系數(shù)R=0.998，驗證了KYOWA鋼筋計在800 mm厚大體積混凝土中的可靠性。
- 國內(nèi)某核電站安全殼：在預(yù)應(yīng)力張拉階段利用其±400 MPa大量程，成功捕捉到瞬時180 MPa的應(yīng)力峰值，為預(yù)應(yīng)力損失計算提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
四、選型與施工要點(diǎn)
- 選型公式：量程≥1.5 σmax（σmax為設(shè)計極限應(yīng)力）；鋼筋計強(qiáng)度等級≥HRB500E。
- 安裝步驟：
(1) 現(xiàn)場截取鋼筋→兩端套絲/坡口→傳感器扭矩扳手鎖緊或CO?氣體保護(hù)焊。
(2) 用KYOWA CC-33A防潮膠密封電纜出口，再纏雙層自融膠帶。
(3) 澆筑混凝土前進(jìn)行空載讀數(shù)校準(zhǔn)，確保初始零點(diǎn)<±50 µε。 - 數(shù)據(jù)采集頻率：
• 施工階段：1 Hz（實時張拉監(jiān)控）；
• 運(yùn)營階段：0.1 Hz（長期健康監(jiān)測）。 - 數(shù)據(jù)判讀：
• 應(yīng)力突增>80 % FS即觸發(fā)一級報警；
• 溫度梯度>20 ℃/h可能產(chǎn)生瞬時熱應(yīng)力，應(yīng)同步讀取溫度通道進(jìn)行修正。
五、總結(jié)
KYOWA共和鋼筋應(yīng)力傳感器通過“與被測鋼筋等強(qiáng)一體化”的設(shè)計理念，把傳統(tǒng)應(yīng)變片技術(shù)提升到可長期埋設(shè)、免維護(hù)、高精度的工程級系統(tǒng)。其優(yōu)異的溫度自補(bǔ)償、防潮防腐、抗震抗沖擊特性，使其成為重大土木工程質(zhì)量和安全監(jiān)測的“力覺神經(jīng)”。配合KYOWA成熟的調(diào)理、采集及云端軟件平臺，用戶可在設(shè)計、施工、運(yùn)維全生命周期內(nèi)獲得可追溯、可量化的鋼筋應(yīng)力大數(shù)據(jù)，為智慧基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字孿生城市奠定堅實基礎(chǔ)。
KYOWA共和鋼筋應(yīng)力傳感器通過“與被測鋼筋等強(qiáng)一體化”的設(shè)計理念，把傳統(tǒng)應(yīng)變片技術(shù)提升到可長期埋設(shè)、免維護(hù)、高精度的工程級系統(tǒng)。其優(yōu)異的溫度自補(bǔ)償、防潮防腐、抗震抗沖擊特性，使其成為重大土木工程質(zhì)量和安全監(jiān)測的“力覺神經(jīng)”。配合KYOWA成熟的調(diào)理、采集及云端軟件平臺，用戶可在設(shè)計、施工、運(yùn)維全生命周期內(nèi)獲得可追溯、可量化的鋼筋應(yīng)力大數(shù)據(jù)，為智慧基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字孿生城市奠定堅實基礎(chǔ)。
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