一种周向滑动测量的磁弹索力传感器及其测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种周向滑动测量的磁弹索力传感器及其测量系统，它主要由单“U”形电磁铁和滑轨筒形封装组成。其测量方法为：通过摇杆使“U”形电磁铁和桥索分离，转动封装盖，将电磁铁降下并固定于桥索表面，采集此时的感应信号，重复上述步骤，完成至少12个不同方向的测量，将所有获得的感应信号分别积分，而后进行加权平均，以此作为有效的积分电压值，代入桥索的应力-积分电压关系式即可获得桥索应力值大小。该传感器结构由于是可分离式的，安装方便，而且由于封装内的电磁铁能够进行周向滑动测量，极大的减小甚至消除了桥索的特殊结构对测量结果的影响，能够精确测量横截面为非圆形的桥索应力值。
【专利说明】一种周向滑动测量的磁弹索力传感器及其测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无损检测领域，适应于已建成桥梁的体索及横截面为非圆形的各种规 格钢索的应力测量，具体涉及一种周向滑动测量的磁弹索力传感器及其测量系统。
【背景技术】
[0002] 桥索作为斜拉桥的重要承力构件，长期受到交变应力、风振等因素的影响，极易造 成桥索局部疲劳、应力过大或集中甚至损伤，危及桥梁的安全，而桥索的应力大小是衡量桥 体结构状态的重要标志。
[0003] 目前，在斜拉桥体索应力测量中使用较多的方法有：液压法、压力传感器测定、频 率测定、磁弹效应法(磁通量法)。其中磁弹效应法由于具有输出功率大、信号强、结构简单、 使用寿命长、过载保护能力强和动态响应好等优点，在桥索应力测量领域的应用日益广泛。
[0004] 实际应用的斜拉桥的体索结构由若干根高强度镀锌钢缆索平行并拢、扎紧并封装 在高强聚酯带内构成，其钢索部分的横截面并非传统意义上的圆形，而是正六边形。目前应 用较多的套筒式的磁弹传感器，虽然不受钢索横截面影响，但其现场安装难以统一标定，其 实际应用时受到限制。
[0005] 专利申请号01240121. 8公开了一种在后张拉锚索体系中应用的压磁式索力传感 器(套筒式磁弹传感器)，虽然能够精确测量桥索的应力值，但缺点是只能在桥梁建成前安 装好，对于已建成桥梁的体索需要现场绕制线圈，不仅费时费力，对操作工技术要求较高， 而且较难实现线圈参数的统一标定。专利申请号200610054598. 8公开了一种差动式温度 补偿型桥索索力在线测试方法及测试系统，它不仅解决了传统磁弹索力传感器在现场安装 方面的问题，还克服了温度对测量结果的影响，但由于其并未考虑到桥索结构的特殊性，而 且测量时需要对比另一根不受力的桥索，使得该传感器并不能实际应用于桥梁体索的应力 测量。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述技术难题，本发明的目的在于提供一种周向滑动测量的磁弹索力传 感器及其测量系统，其可以测量及监测斜拉桥体索应力，可以针对桥梁体索的特殊结构进 行设计完善，降低或消除由于桥索结构的特殊性导致的测量误差。
[0007] 本发明根据桥索的结构特征设计了圆筒形封装结构，其封装盖由两部分组成，其 上半部分安装了升降装置，可以使"U"形电磁铁分离或固定于桥索表面，两个封装盖通过螺 栓连接后，可以在燕尾槽形的筒壁上进行周向滑动；根据磁弹效应，钢索的应力与其材料的 磁导率变化成正比，而磁导率变化量与积分电压成线性关系；若测量前对桥索进行应力一 积分电压标定，则可通过测量积分电压值推算出索力大小。其特征在于测量步骤包括： (1) 将两块半圆形筒壁通过螺栓紧固于桥索表面； (2) 转动上封装盖的升降摇杆，使"U"形电磁铁升至最高位置，将上、下封装盖安装至 筒壁上，使其形成封闭的、可滑动的结构； (3) 降下"U"形电磁铁并将其固定于桥索表面，给激励线圈施加方波或脉冲激励，将检 测线圈的感应电压采集并保存于数据库中； (4) 转动升降摇杆使"U"形电磁铁和桥索分离，滑动封装盖后，重复步骤（3)，完成至少 12个方向的信号采集工作； (5) 将12次采集得到的感应信号分别积分并进行加权平均，取其值为有效积分电压值 作为应力评判标准，根据缆索应力-积分电压标定曲线获得桥索的应力值。
[0008] 实现上述步骤的测量系统，其特征在于：该系统包括依次连接的磁弹传感器、一级 滤波放大电路、模拟积分电路、二级滤波放大电路、A/D转换及采集系统、信号处理软件、显 示屏。
[0009] 本发明的有益效果是，传感器能不仅适应于常规的圆形钢索，还适应于斜拉桥体 索及横截面为非圆形的各种规格钢索的应力的测量，而且结构简单，安装方便，抗干扰能力 强。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0011] 图1是斜拉桥体索结构示意图； 图2是传感器剖面示意图； 图3是传感器侧面构造图； 图4是测量系统示意图； 图5是积分电压波形图。
[0012] 图中1.激励线圈，2.检测线圈，3.桥索，4.上封装盖，5.下封装盖，6.升降装置， 7. "U"形电磁铁(或磁轭)，8.磁极，9.燕尾槽，10.筒壁，11.航空插头，12. -级滤波放大 电路，13.模拟积分电路，14.二级滤波放大电路，15. A/D转换及采集系统，16.信号处理软 件，17.显示屏。
【具体实施方式】
[0013] 本发明的桥索应力测量装置，其测量原理是基于铁磁性材料的磁弹效应(逆磁致 伸缩效应、压磁效应)，即当铁磁性材料处于外磁场中被磁化时，若其应力状态发生改变(拉 力、压力或扭转),则其磁特性参数也相应改变(相对磁导率、矫顽力、剩磁等)。钢索的应力 与其材料的磁导率变化成正比，而磁导率变化量和积分电压成线性关系，若测量前对桥索 进行应力--积分电压标定，则可通过获得测量积分电压值获得索力大小。
[0014] 如图1所示，实际应用的斜拉桥体索的结构包括了横截面为正六边形的钢索部 分，传统的旁路式传感器一旦安装固定后，只能在某一个方向进行测量，如果安装至A处， 由于探头和钢索的距离较小，则此时的感应信号最大；若将探头安装至B处，则感应信号最 小，而实际安装过程中，由于钢索外的保护层阻挡，传感器的安装位置无从知晓，这种采用 单一方向测量的传感器，将很有可能在应力评价时对桥索的应力状态造成误判。
[0015] 为了降低或消除由于探头和钢索的提离距离对测量结果的影响，至少应该在12 个方向进行测量，将所有的测量结果进行平均后即可消除影响，其测量步骤包括： (1)将两块半圆形筒壁10通过螺栓紧固于桥索表面； (2) 转动上封装盖4的升降摇杆6,使"U"形电磁铁7升至最高位置，安装上、下封装4、 5盖于筒壁10上，使其形成一封闭、可滑动的结构； (3) 降下"U"形电磁铁7并将其固定于桥索3表面，给激励线圈1施加方波或脉冲激 励，将检测线圈2的感应电压采集并保存于信号处理软件16中； ⑷转动升降摇杆6使"U"形电磁铁7和桥索3分离，将封装盖4滑动30°度，重复步 骤（3)，完成至少12个方向的信号采集工作； (5)将信号处理软件16中的12组感应信号分别积分并进行加权平均，作为有效积分电 压值，代入预先储存于数据库18中的桥索应力-积分电压关系式即得出此时桥索3的应力 值。
[0016] 本发明的磁弹传感器示意图如图2所示，传感器通过筒壁10固定于桥索3表面， 其边缘刻有环形燕尾槽9。上、下两块封装盖4、5由螺栓拼接并位于筒壁10上，且能通过燕 尾槽9自由滑动。其中，上封装盖4中还安装了两个升降装置6,可使"U"形电磁铁7分离 或紧固于桥索3表面以及1个航空插头11分别和激励线圈1及检测线圈2相连。
[0017] 在图3所示的构造图中，两块半圆形筒壁10在靠近其外端口处均有半圆形扣环， 当两块筒壁10合拢后，可通过螺栓扣紧并固定于桥索3表面。
[0018] 如图4所示，本发明的测量系统包括依次连接的磁弹传感器、一级滤波放大电路 12、模拟积分电路13、二级滤波放大电路14、A/D转换及采集系统15、信号处理软件16、显 示屏17。
[0019] 实施测量前，应该使用同规格的桥索在其工作的应力范围内进行静载拉伸实验， 使用该传感器进行应力--积分电压的标定，将其存入信号处理软件16中，作为实际测量 的应力评价标准。
[0020] 实施测量时，由激励线圈1产生的正负或脉冲磁场在"U"形电磁铁7和桥索3中 形成闭合磁路，并将桥索3磁化，检测线圈2随即产生感应电动势(该感应信号包含了桥索 的应力信息)。以激励信号为方波信号的测量系统为例，检测线圈2拾取的12个方向的感 应信号，通过一级滤波放大电路12后，作为输入端接入模拟积分电路13,该积分电路将原 始的感应信号积分后通过二级滤波放大电路14后被A/D转换及采集系统15采集并保存至 信号处理软件中16,其波形图如图5所示。采集软件提取积分电压波形的最大值处作为某 一方向测量的积分电压值，将12个方向的积分电压值加权平均，作为有效的积分电压值， 并其带入信号处理软件16中的标定关系式，即得出此时桥索3的应力值。
【权利要求】
1. 一种周向滑动测量的磁弹索力传感器，其特征是：传感器结构主要由单"U"形电磁 铁和滑轨筒形封装构成。
2. 根据权利要求1所述的一种周向滑动测量的磁弹索力传感器，其特征是：单"U"形 电磁铁通过升降装置分离和固定于缆索表面。
3. 根据权利要求1所述的一种周向滑动测量的磁弹索力传感器，其特征是：滑轨式封 装盖使得电磁铁可以周向滑动并完成至少12个方向的测量，从而减少由于桥索的特殊结 构导致的探头提离高度不同对测量结果的影响。
4. 根据权利要求1所述的一种周向滑动测量的磁弹索力传感器，其特征是：适应于已 建成桥梁的体索及横截面为非圆形的各种规格钢索的应力的测量。
5. 根据权利要求1所述的一种周向滑动测量的磁弹索力传感器，其测量步骤包括： (1) 将两块半圆形筒壁通过螺栓紧固于桥索表面； (2) 转动上封装盖的升降摇杆，使"U"形电磁铁升至最高位置，安装上、下封装盖于筒 壁上，使其形成封闭的、可滑动的结构； (3) 降下"U"形电磁铁并将其固定于桥索表面，施加方波或脉冲激励，采集并保存其感 应信号数据； (4) 转动升降摇杆使"U"形电磁铁和桥索分离，转动封装盖后，重复步骤（3)，完成至少 12个方向的信号米集； (5) 将12次采集得到的感应信号分别积分并进行加权平均，取其值为有效积分电压值 作为应力评判标准，代入桥索应力-积分电压关系式即得出此时桥索的应力值。
6. -种根据权利要求1所述的周向滑动测量的磁弹索力测量系统，其特征在于：该系 统包括依次连接的磁弹传感器、一级滤波放大电路、模拟积分电路、二级滤波放大电路、A/D 转换及采集系统、信号处理软件和显示屏。
【文档编号】G01L1/12GK104062043SQ201410257775
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】宋凯, 柳权, 张丽攀 申请人:南昌航空大学