鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測方法及裝置的製作方法
2023-09-18 10:24:45 1
專利名稱：鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及結構監測領域，特別涉及一種用於鋼索/杆應力測量的沒有外部激勵線圈的磁性監測方法，還涉及一種磁性檢測裝置。
背景技術：
鋼索/杆因具有柔性大、強度高、使用方便等優點，其作為主要的承力和傳力構件大量應用於各種大型結構及建築，如斜拉橋、懸索橋、纜車索道、世博軸、機場、大劇院、大型體育館等。在實際使用過程中，往往因交變應力、腐蝕、風致振動等影響，鋼索/杆構件局部發生疲勞老化，由此引起的鋼絲腐蝕及斷裂會直接體現在鋼索/杆應力上；大型結構及建築整體也會發生變異與老化，由其引起的整體線型、內力分布變化最終也都會在鋼索/杆應力上得到間接集中表現；也就是說，鋼索/杆應力不僅直接反映了鋼索/杆自身的安全狀況，也間接地反映了整體結構的安全狀況。一旦鋼索/杆構件斷裂，由其引發的故事將危機人們的生命和財產安全，造成不可估量的損失。因此，對在役鋼索/杆構件進行應力監測是非常必要的。目前，國內外一直在尋求一種能實時監測、長使用壽命、對結構本身無損、操作簡單方便、既適應已建結構又適應在建結構的鋼索/杆構件應力監測方法。目前已存在的方案主要有四種振頻法、壓力傳感器法、智能纜索技術和磁性方法(1)振頻法(也稱頻率法)利用索力與頻率的關係，通過測量索的振動頻率來間接計算出索力。相對而言，它是最為成熟的一種方法，傳感器安裝維護方便、使用簡單。但是索在張緊狀態下其自由振動方程的解要受纜索的長度、密度、垂度、斜度等多個邊界條件影響，由於索的邊界條件實際上是介於鉸支和固支之間，因此索的不同邊界條件其計算結果差異很大，導致這種方法的監測精度較低，特別是索長度較短時(小於40米)即杆件，測量誤差更大。此外，當採用外部環境隨機激勵時(比如風，車載等)，人工自動求解鋼纜索的自振頻率也是有極大困難的，除非採取人工激勵和人工識別方法求出纜索振動的基頻，從而得到索力。然而，從結構健康長期監測角度來看，必須依賴外部環境隨機激勵來激發索振動，再對振動信號利用基頻自動識別軟體進行分析處理，獲取基頻信號，但難度太大，效果不理想，且不能進行實時監測。該方法有較大的局限性。(2)壓力傳感器法利用各種原理的力傳感器構成壓力環式錨頭索力傳感器，通過測量錨頭的壓力來反映纜索索力，測量精度高。傳感器必須套在錨頭中，因此它只能在索安裝時就事先安裝好，且必須針對每個拉索錨頭的具體結構進行每個傳感器的結構設計， 其製造成本高、安裝工藝複雜，只適應正在安裝的纜索，不能適應已經投入使用的杆索。另外傳感器一旦安裝到位，就永久性地承受杆索的交變壓力，且沒有任何喘息恢復的機會，傳感器壽命較短，且損壞之後無法更換，不能達到應力長期監測的要求，也不適應已建結構。(3)智能纜索技術將耐高溫高壓的大量程光纖光柵傳感器在杆索製作的過程中植入至鋼索/杆錨杯或連接筒，使鋼索/杆具有應力自感知的功能。由於在杆索製作過程中植入光纖光柵傳感器，幹擾了鋼索/杆正常的製作工藝，協調不好就會耽誤工期，且光纖光柵傳感器成活率不高；在智能纜索使用過程中，光纖光柵傳感器如壓力傳感器一樣，時時處於工作狀態，承受交變應力，極易疲勞失效，傳感器失效後無法更換，不適合長期監測，也不適應已建結構。雖然目前已提出一些技術來提高傳感器的成活率及其使用壽命，但仍是一個難點。(4)磁性方法當鋼索/杆受到的應力變化時，此材料的磁疇方向和疇壁大小都將發生變化，導致材料的磁性參數(磁感應強度、磁導率)變化，通過測量某磁性參數而獲知應力。目前已有的方法為雙線圈和多線圈的磁通測量方式，通過測量磁感應強度來獲知應力。在鋼索/杆索身/桿身位置繞制同軸的激勵線圈和感應線圈形成套筒式雙線圈方法， 或者在鋼索/杆索身/桿身位置繞制激勵線圈，在軛鐵製作的旁路上繞制感應線圈形成單旁路式雙線圈方法和雙旁路式多線圈方法。激勵線圈為纜索提供一個激勵磁場，而感應線圈根據電磁感應定律測量鋼纜索磁感應強度的變化，經積分後從而得出應力。在應力測量過程中，傳感器本身不受力，很難被損壞，使用壽命長；但傳感裝置製作繁瑣，後續信號處理複雜，操作使用不便，測量靈敏度低。
圖1為一種典型的採用套筒式雙線圈進行磁性監測的方法示意圖，圖2為一種典型的磁性應力監測傳感器的結構示意圖。綜上所述，在上述的四種方法中，磁性方法滿足應力實時長期監測的需求，不僅可以實時監測，且具有較長的理論使用壽命，既適應已建結構又適應在建結構，對結構本身無損，是最具潛力的一種方法。只要解決磁性方法的不足，它將具有廣泛的應用前景。
發明內容
有鑑於此，針對目前磁性方法的缺陷，本發明的目的之一是提出一種新的鋼索/ 杆構件應力的無源式磁性監測方法，目的之二是提出一種鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測裝置，以有效解決傳感裝置製作及其安裝維護、信號處理、操作使用、測量靈敏度等問題。本發明的目的之一是通過以下技術方案實現的該鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測方法，是通過在鋼索/杆索身/桿身上繞制或穿套單個螺管線圈，由於鋼索/杆是鐵磁性材料，就形成了螺管式電感傳感器，通過測量螺管式電感傳感器的電感值輸出，則可獲知鋼索/杆材料磁導率的變化，進而得知鋼索/ 杆構件應力的變化。進一步，所述螺管式電感傳感器的電感值L與鋼索/杆構件應力σ之間的線性關係如下式所示
權利要求
1.鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測方法，其特徵在於通過在鋼索或杆索身或桿身上繞制或穿套單個螺管線圈，由於鋼索/杆是鐵磁性材料，就形成了螺管式電感傳感器， 通過測量螺管式電感傳感器的電感值輸出，則可獲知鋼索/杆材料磁導率的變化，進而得知鋼索/杆構件應力的變化。
2.如權利要求1所述的鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測方法，其特徵在於所述螺管式電感傳感器的電感值L與鋼索/杆構件應力ο之間的線性關係如下式所示
3.鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測裝置，其特徵在於所述磁性檢測裝置包括螺管線圈、電感測量儀和控制主機；所述螺管線圈通過繞制或穿套在鋼索/杆的索身或桿身上，形成螺管式電感傳感器， 所述電感測量儀與螺管式電感傳感器相連接，並將測得的螺管式電感傳感器在外力作用下的電感值輸出至控制主機，所述控制主機根據實時測得的電感值計算鋼索/杆構件應力的變化。
4.根據權利要求3所述的鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測裝置，其特徵在於所述磁性監測裝置還包括與控制主機相連接的顯示器。
全文摘要
本發明公開了一種鋼索/杆構件應力的無源式磁性監測方法，通過在鋼索/杆索身/桿身上繞制或穿套單個螺管線圈，利用鋼索或杆材料的磁特性，以其作為磁芯，構建成特殊的螺管式電感傳感器，由此獲知因鋼索/杆構件應力變化引起的電感值變化，進而得知鋼索/杆構件應力的變化，其與傳統的磁性監測方法相比，沒有採用專門的激勵線圈，傳感裝置的製作相對簡單，也較易維護更新，省時省力，節約了人力成本；根據上述方法研製出的鋼索/杆構件應力的單線圈無源式磁性監測裝置結構緊湊，使用方便，具有良好的推廣應用價值。
文檔編號G01L1/14GK102175359SQ201110036268
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月11日 優先權日2011年2月11日
發明者劉琳, 章鵬, 羅偉, 陳偉民, 雷小華 申請人:重慶大學