CN1952635A - 差动式温度补偿型桥索索力在线测试方法及测试*** - Google Patents

Abstract

本发明的基于磁弹效应的差动式温度补偿型桥索索力在线测试方法及测试***，利用桥索为铁磁材料，将桥索置于特定磁场中，桥索将被磁化，桥索的磁导率将随受力状态和温度的变化而发生改变。传感器由工作磁路和参考磁路组成，在每个磁路设计中，桥索只是磁路的一部分，而不作为励磁线圈和测量线圈的铁芯。传感器的参考磁路只感受温度的变化，而工作磁路同时感受温度和索力的变化，将工作磁路和参考磁路的输出信号进行差分运算消除温度影响，利用磁导率的变化与索力变化的对应关系，就可测试索力的大小。本发明的索力测试方法具有精度高，动态响应好，温度影响小，传感器价格低廉，安装调试方便、使用寿命长、过载保护能力强、适合于静态和动态索力测量，可以做到全天候适时采样，桥索表面的防腐层和保护塑料套管对测量结果无影响等特点。

Description

差动式温度补偿型桥索索力在线测试方法及测试***

技术领域

本发明涉及磁性物理学、铁磁材料的磁弹效应及传感技术，具体涉及到磁弹效应传感与桥索的索力测试。

技术背景

桥索索力测试方法目前主要有以下几类方法。

1、压力表法

用千斤顶张拉桥索时，通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，就可求得索力。这种方法简单易行，是施工中控制索力最实用的方法。它可以用在斜拉桥施工过程中对索力的调整，但由于压力表本身的一些特性，有指针易偏位，高压时指针抖动激烈，读数人为误差大，负荷示值需转换等缺点，不可用于成桥后的动态索力监测。

2、压力传感器法

在桥索固定锚头与桥体混泥土之间加上垫板和承压环，桥索所受的拉力将全部作用在承压环上，承压环产生应变，只要测出承压环的应变量，就可推算出索力。目前国内外用于测量承压环应变的传感器主要有电阻应变式传感器、振弦式应变传感器、光纤应变传感器等等。

电阻应变式传感器是应用最广泛的压力传感器，将电阻应变片粘贴在承压环外表面上，在索力作用下，承压环产生弹性变形，电阻应变片的阻值将随之改变，将其接到惠斯登电桥电路中，在激励电压的作用下，输出端便有与索力成正比的电信号输出。但是它的最大问题是粘合剂问题，这就制约了电阻应变式压力传感器的精度、线性度及使用范围。

振弦式应变传感器针对电阻应变片式的缺点，用振弦代替应变片。在承压环上内置3、4或6个高精度振弦，将振弦置于磁场中，振弦在激励信号下振动的同时将切割磁力线产生感应电动势，感应电动势的频率就是振弦的振动频率。当承压环受压时，它的变形将改变振弦的张紧状态，从而改变振弦的振动频率和感应电动势频率，所以测量振弦的感应电动势频率就可算出索力。但尺寸比较大、安装不方便，使用寿命不长，容易受到电磁场的干扰，如手机、通信基站、发电厂等电磁场源会明显干扰测试结果，致使测量结果可靠性降低；另外振弦式传感器不能串联使用，不能进行动态响应和动态测量，不易于构成检测网络，如果组网的话，传输信号的电缆非常多，这将直接导致工作量的剧增，并影响测量结果的准确性。

光纤应变传感器其工作原理是：将光纤光栅刚性粘贴于承压环外表面上(沿圆周方向或母线方向均可)，组成穿心式传感头，该传感头安装在斜拉桥锚具和索孔垫板之间，传感头承受桥索的索力。当光源发出的宽带光经光纤传输到被测量点，光栅有选择性地反射回一窄带光，经光分路器传送到波长鉴别器或波长解调仪，然后通过光探测器进行光电转换。传感头受压时，引起FBG中心波长发生相应移动，通过对波长移动量的监测，就可以计算出斜拉索的索力。该传感器具有适应恶劣环境能力强(防潮，防温漂，抗电磁干扰)；质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；可串联分布，易实现分布式测量；灵敏度高，精度高；测量值空间分辨率高等优点，但和电阻应变式一样，存在粘合剂问题，且只适用于新安装的锚索，对于许多已安装好、正在投入使用的锚索，不可能为安装该传感器而把锚索拆掉重新安装。

3、振动法(频率法)

它的测量原理是利用索的动力学结构模型，对模型进行模态分析，可得到斜拉索索力与振动频率的关系，利用精密拾振器，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，再根据频谱图来确定拉索的第n阶自振频率，根据索力与频率的关系得索力。

用频率法测定索力，可以实现索力的在线动态监测，是成桥后索力健康监测的有效方法之一，该方法为间接测量法，传感器使用寿命长，但是索力和频率的关系要受桥索的垂度、斜度和边界条件等多种因素影响，模型的建立和求解很复杂，不能实现全天候监测。

4、磁弹效应法

它的基本原理是利用桥索是铁磁材料，将其置于磁场环境中，索被磁化。当桥索的应力发生变化时，磁滞曲线将随之变化，磁导率将变化，所以可以利用放在索中的小型精密电磁传感器，测定磁导率的变化，就可以推算出拉索的应力变化。

磁弹效应法测索力目前还处于探讨之中，这种方法的研究主要集中在捷克斯洛伐克、日本、和美国等一些研究机构里。主要代表人物有日本Research and Development Keisoku的Sunaryo SUMITRO；捷克Div Fac.of Math.and Physics Dept.of Civil and Materials Eng.of Comenius University的Andrej JAROSEVIC；美国University of Illinois at Chicago的MingL.WANG。

磁弹效应法由于动态响应好，价格低，寿命长，且测试结果直接为索力等优点，可以实现全天候动态监测，是桥索索力健康监测最具潜力的方法，但是目前开发出来的磁弹性传感器主要集中在套筒式磁路结构，其特点是将被测桥索作为励磁线圈和检测线圈的铁芯，因此对于桥索没有建好之前，传感器的安装比较方便，但对于桥索已建好固定之后，安装非常麻烦，只能采用现场绕线机完成励磁线圈和测量线圈的绕制，这不仅技术难度高，工作环境恶劣，且测量精度较低。另外，安装好传感器的桥索固定好后，传感器将无法拆卸，维护特别困难。另一方面，消除温度影响的方法目前均采用查表抵消法，这不仅需要进行磁导率—温度曲线的绘制，工作量极大。而且在宽温度范围内，升温和降温过程中，温度对磁导率的影响不一样，如只采用单一曲线进行补偿，其补偿效果是很有限的。

上述几类方法，虽然能对桥索的索力进行测试，但是，对已建好的桥梁来说，由于磁弹效应法无法安装，采用现场绕线精度又较低的情况下，索力的检测常用频率振动法，由于该方法的模型建立和求解很复杂，测试精度受多种因素影响，且受桥索是否起振的控制，不能实现全天候检测。所以，以上几种方法均不能满足现代桥梁远程健康检测的要求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的之一在于提出一种基于磁弹效应的差动式温度补偿型桥索索力在线测试方法，目的之二在于提出一种实现该方法的测试***，以解决两方面的问题：一是解决安装和维护困难的问题，二是解决温度补偿问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现：

本发明提出的差动式温度补偿型桥索索力在线测试方法的主要思想是利用桥索的材料为铁磁材料，将桥索置于磁场环境中，桥索将被磁化，桥索的磁导率将随桥索的受力状态和温度的变化而发生改变。具体做法是：将被检测桥索置于磁场中作为工作磁路的一部分，不作为励磁线圈和测量线圈的铁芯，同时感受温度和索力的变化，另取与被检测桥索同质的一段桥索作为参考桥索，置于另一相同环境温度的磁场中作为参考磁路的一部分，只感受温度的变化。工作磁路和参考磁路成对称差动式的磁路结构；用励磁电源对两磁路提供相同的励磁信号，将工作磁路和参考磁路的输出信号进行信号调理后再差分运算消除温度影响，进行频谱分析或积分运算，获得桥索磁化特性的变化，利用磁导率的变化与索力变化的对应关系，测试索力的大小。上述方法中，励磁电源的信号源可选用正弦交流信号或脉冲直流横流源。

本发明进一步提出的实现桥索索力在线测试方法的测试***是由励磁电源、传感器、处理电路、差分运算放大电路和处理计算机组成。其中传感器由工作磁路和参考磁路组成。被测桥索、铁芯、磁瓦和轭铁组成工作磁路。用与被测桥索材料一样的一段同质缆索作为参考桥索，参考桥索、铁芯、磁瓦和轭铁组成参考磁路。工作磁路和参考磁路的两对磁瓦分别将工作桥索和参考桥索抱住，中间保留一定间距；一个铁芯上安装励磁线圈，另一个铁芯上安装测量线圈；参考磁路和工作磁路的各部分的结构尺寸完全相同，唯一不同的是被测桥索和参考桥索的长度不相同，参考桥索的长度由传感器的外观尺寸确定。将工作磁路和参考磁路的输出感应电压分别进行放大、滤波等预处理后，送入差分运算放大器进行差分运算。由于参考磁路的输出感应电压只是由于温度引起的，而工作磁路的输出感应电压是由于索力和温度共同引起的，进行差分运算后的结果将消除温度对索力的影响。差分后的输出电压进行积分运算，将得到由于索力引起的磁通的动态变化，在外励磁磁场强度恒定的情况下，便知道工作桥索的磁导率的变化，从而得到索力。

采用本发明的优点在于：

1、动态响应好。由于索力的受力情况直接影响磁路的磁通量变化，测量线圈是通过磁场耦合感受磁通量的变化，因此动态响应好。

2、安装调试方便。由于激励线圈和测量线圈均不以桥索为铁芯，桥索只作为磁路的一部分，与其他部分的联接采用磁瓦结构，因此该方法的使用不受成建桥和在建桥的影响，均可方便地进行索力测试。

3、温度自动补偿。由于整个传感器的磁路结构设计成对称的差动式结构，工作磁路和参考磁路的结构参数完全一致，参考磁路的输出感应电压只与温度有关，而工作磁路的输出感应电压是索力和温度的函数，进行差分运算后的结果将消除温度影响。即差动后的电压不随温度的变化而变化，达到温度自动补偿。

4、过载保护能力强，使用寿命长。本方法为非接触测量方法，传感器的过载保护能力强，使用寿命长。

5、测量结果精度高。由于本方法和***是利用材料的磁特性与索力的关系进行索力测量，与桥索表面的防护层和保护塑料套管无关，也与桥索的振动状态无关，所以测量结果精度高。

6、本发明还可以监测桥索的腐蚀情况，由于桥索的腐蚀将严重影响桥索的磁化状态。

附图说明

图1本发明的测试***结构图

具体实施方式

以下结合图1对本***的结构和方法实现的过程做进一步说明：

截取一段长度合适的被测桥索(或与被测桥索同质同型号的桥索)作为参考桥索[12]，组成参考磁路。通过磁瓦[23][24]将参考磁路中的铁芯[33][34]和轭铁[42]固定在参考桥索[12]上，磁瓦[23][24]将参考桥索[12]抱住，用紧固沉头螺栓[62]进行固定，中间应保留一定的间距，其中磁瓦[23][24]与铁芯[33][34]为一整体；参考磁路的铁芯[34]上安装励磁线圈[53]，铁芯[33]上安装测量线圈[54]，铁芯[33][34]与轭铁[42]的连接采用过盈轴孔配合。

用磁瓦[21][22]将铁芯[31][32]和轭铁安装在被测桥索上[11]上，组成工作磁路。磁瓦[21][22]将工作桥索[11]抱住，用紧固沉头螺栓[61]进行固定，磁瓦与工作桥索固定后，中间应保留一定的间距，其中磁瓦[21][22]与铁芯[31][32]为一整体，工作磁路的铁芯[31]上安装励磁线圈[51]，铁芯[32]上安装测量线圈[52]，铁芯[31][32]与轭铁[41]的连接采用过盈轴孔配合。图中的箭头表示磁力线。

上述两个磁路中，桥索联接的磁瓦结构应与桥索有同轴度要求，工作磁路和参考磁路在实际应用时，可以将两个磁路放在一起工作，也可以分开工作，只要工作磁路和参考磁路所处的环境温度相同即可。

励磁电源所加的恒定电流同时作用在工作磁路和参考磁路的励磁线圈[51][53]上，在两个回路中产生相同的稳定磁场强度，当桥索所受的拉力或温度发生变化时，回路中的磁通量将发生改变，测量线圈[52][54]将产生感应电压。由于参考桥索只感受温度，测量线圈[54]的感应电压只与温度有关，而工作桥索同时感受温度和索力的变化，测量线圈[52]的感应电压与温度和索力的变化有关。

测量线圈[52]和[54]输出的感应电压分别经过预处理电路进行放大、滤波等处理后，分别送入差分运算放大电路的两个输入端口，进行差分运算消除温度的影响。

由高速数据采集卡采集差分运算放大器的输出数据送到处理计算机中，利用信号处理软件获得索力值。其中信号采集与处理设备最好包含有高阻抗的动态信号采集卡的动态信号分析处理仪。

以上采用实例对本发明进行了描述。但那些在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的范畴。

Claims (7)

1、基于磁弹效应的差动式温度补偿型桥索索力在线测试方法，其特征在于：以桥索为铁磁材料，将被检测桥索置于磁场中作为磁路的一部分形成工作磁路，同时感受温度和索力的变化，另取与被检测桥索同质的一段桥索作为参考桥索，置于另一相同环境温度的磁场中作为磁路的一部分形成参考磁路，只感受温度的变化，工作磁路和参考磁路成对称差动式的磁路结构；用励磁电源对两磁路提供相同的励磁信号，将工作磁路和参考磁路的输出信号进行信号调理后再差分运算消除温度影响，进行频谱分析或积分运算，获得桥索磁化特性的变化，利用磁导率的变化与索力变化的对应关系，测试索力的大小。

2、根据权利要求1所述桥索索力在线测试方法，其特征在于：励磁电源的信号源选用正弦交流信号，或选用脉冲直流横流源信号。

3、实现权利要求1或2所述的桥索索力在线测试方法的测试***，其特征在于由励磁电源、传感器、处理电路、差分运算放大电路和处理计算机，其中传感器由工作磁路和参考磁路组成；

工作磁路由工作桥索[11]、磁瓦[21][22]、铁芯[31][32]和轭铁[41]组成；工作磁路的两对磁瓦[21][22]将工作桥索[11]抱住，中间保留间距；铁芯[31]上安装励磁线圈[51]，铁芯[32]上安装测量线圈[52]；

参考磁路由参考桥索[12]、磁瓦[23][24]、铁芯[33][34]和轭铁[42]组成；参考磁路的两对磁瓦[23][24]将参考桥索[12]抱住，中间保留间距；铁芯[34]上安装励磁线圈[53]，铁芯[33]上安装测量线圈[54]；

测量线圈[52][54]的信号线分别连接处理电路，由信号调理模块进行滤波、放大预处理，两路处理电路的输出再连接差分运算放大电路将信号进行差分运算剔除温度影响，差分运算放大电路的输出信号连接处理计算机进行频谱分析或积分运算，获得桥索磁化特性的变化结果。

4、根据权利要求3所述的测试***，其特征在于：工作磁路和参考磁路的铁芯与轭铁连接采用过盈轴孔配合；工作磁路和参考磁路的磁瓦与铁芯均为一整体；工作磁路和参考磁路放在一起工作，或分开工作。

5、根据权利要求3所述的测试***，其特征在于：励磁线圈[51]和测量线圈[52]，励磁线圈[53]和测量线圈[54]分别共用铁芯，或独立分开不共用铁芯。

6、根据权利要求3所述的测试***，其特征在于：励磁线圈[51][53]和测量线圈[52][54]直接缠绕在铁芯[31][32][33][34]上，或缠绕在陶瓷或塑料骨架上。

7、根据权利要求3所述的测试***，其特征在于：磁瓦[21][22][23][24]、铁芯[31][32][33][34]和轭铁[41][42]的材料选用高导磁率工业纯铁或A3低碳钢。

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