專利名稱：差動式溫度補償型橋索索力在線測試方法及測試系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁性物理學、鐵磁材料的磁彈效應及傳感技術，具體涉及到磁彈效應傳感與橋索的索力測試。
背景技術：
橋索索力測試方法目前主要有以下幾類方法。
1、壓力表法用千斤頂張拉橋索時，通過精密壓力表或液壓傳感器測定油缸的液壓，就可求得索力。這種方法簡單易行，是施工中控制索力最實用的方法。它可以用在斜拉橋施工過程中對索力的調整，但由于壓力表本身的一些特性，有指針易偏位，高壓時指針抖動激烈，讀數人為誤差大，負荷示值需轉換等缺點，不可用于成橋后的動態索力監測。
2、壓力傳感器法在橋索固定錨頭與橋體混泥土之間加上墊板和承壓環，橋索所受的拉力將全部作用在承壓環上，承壓環產生應變，只要測出承壓環的應變量，就可推算出索力。目前國內外用于測量承壓環應變的傳感器主要有電阻應變式傳感器、振弦式應變傳感器、光纖應變傳感器等等。
電阻應變式傳感器是應用最廣泛的壓力傳感器，將電阻應變片粘貼在承壓環外表面上，在索力作用下，承壓環產生彈性變形，電阻應變片的阻值將隨之改變，將其接到惠斯登電橋電路中，在激勵電壓的作用下，輸出端便有與索力成正比的電信號輸出。但是它的最大問題是粘合劑問題，這就制約了電阻應變式壓力傳感器的精度、線性度及使用范圍。
振弦式應變傳感器針對電阻應變片式的缺點，用振弦代替應變片。在承壓環上內置3、4或6個高精度振弦，將振弦置于磁場中，振弦在激勵信號下振動的同時將切割磁力線產生感應電動勢，感應電動勢的頻率就是振弦的振動頻率。當承壓環受壓時，它的變形將改變振弦的張緊狀態，從而改變振弦的振動頻率和感應電動勢頻率，所以測量振弦的感應電動勢頻率就可算出索力。但尺寸比較大、安裝不方便，使用壽命不長，容易受到電磁場的干擾，如手機、通信基站、發電廠等電磁場源會明顯干擾測試結果，致使測量結果可靠性降低；另外振弦式傳感器不能串聯使用，不能進行動態響應和動態測量，不易于構成檢測網絡，如果組網的話，傳輸信號的電纜非常多，這將直接導致工作量的劇增，并影響測量結果的準確性。
光纖應變傳感器其工作原理是將光纖光柵剛性粘貼于承壓環外表面上(沿圓周方向或母線方向均可)，組成穿心式傳感頭，該傳感頭安裝在斜拉橋錨具和索孔墊板之間，傳感頭承受橋索的索力。當光源發出的寬帶光經光纖傳輸到被測量點，光柵有選擇性地反射回一窄帶光，經光分路器傳送到波長鑒別器或波長解調儀，然后通過光探測器進行光電轉換。傳感頭受壓時，引起FBG中心波長發生相應移動，通過對波長移動量的監測，就可以計算出斜拉索的索力。該傳感器具有適應惡劣環境能力強(防潮，防溫漂，抗電磁干擾)；質量輕，體積小，對結構影響小，易于布置；可串聯分布，易實現分布式測量；靈敏度高，精度高；測量值空間分辨率高等優點，但和電阻應變式一樣，存在粘合劑問題，且只適用于新安裝的錨索，對于許多已安裝好、正在投入使用的錨索，不可能為安裝該傳感器而把錨索拆掉重新安裝。
3、振動法(頻率法)它的測量原理是利用索的動力學結構模型，對模型進行模態分析，可得到斜拉索索力與振動頻率的關系，利用精密拾振器，拾取拉索在環境振動激勵下的振動信號，經過濾波、放大和頻譜分析，再根據頻譜圖來確定拉索的第n階自振頻率，根據索力與頻率的關系得索力。
用頻率法測定索力，可以實現索力的在線動態監測，是成橋后索力健康監測的有效方法之一，該方法為間接測量法，傳感器使用壽命長，但是索力和頻率的關系要受橋索的垂度、斜度和邊界條件等多種因素影響，模型的建立和求解很復雜，不能實現全天候監測。
4、磁彈效應法它的基本原理是利用橋索是鐵磁材料，將其置于磁場環境中，索被磁化。當橋索的應力發生變化時，磁滯曲線將隨之變化，磁導率將變化，所以可以利用放在索中的小型精密電磁傳感器，測定磁導率的變化，就可以推算出拉索的應力變化。
磁彈效應法測索力目前還處于探討之中，這種方法的研究主要集中在捷克斯洛伐克、日本、和美國等一些研究機構里。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；美國University of Illinois at Chicago的MingL.WANG。
磁彈效應法由于動態響應好，價格低，壽命長，且測試結果直接為索力等優點，可以實現全天候動態監測，是橋索索力健康監測最具潛力的方法，但是目前開發出來的磁彈性傳感器主要集中在套筒式磁路結構，其特點是將被測橋索作為勵磁線圈和檢測線圈的鐵芯，因此對于橋索沒有建好之前，傳感器的安裝比較方便，但對于橋索已建好固定之后，安裝非常麻煩，只能采用現場繞線機完成勵磁線圈和測量線圈的繞制，這不僅技術難度高，工作環境惡劣，且測量精度較低。另外，安裝好傳感器的橋索固定好后，傳感器將無法拆卸，維護特別困難。另一方面，消除溫度影響的方法目前均采用查表抵消法，這不僅需要進行磁導率—溫度曲線的繪制，工作量極大。而且在寬溫度范圍內，升溫和降溫過程中，溫度對磁導率的影響不一樣，如只采用單一曲線進行補償，其補償效果是很有限的。
上述幾類方法，雖然能對橋索的索力進行測試，但是，對已建好的橋梁來說，由于磁彈效應法無法安裝，采用現場繞線精度又較低的情況下，索力的檢測常用頻率振動法，由于該方法的模型建立和求解很復雜，測試精度受多種因素影響，且受橋索是否起振的控制，不能實現全天候檢測。所以，以上幾種方法均不能滿足現代橋梁遠程健康檢測的要求。
發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明的目的之一在于提出一種基于磁彈效應的差動式溫度補償型橋索索力在線測試方法，目的之二在于提出一種實現該方法的測試系統，以解決兩方面的問題一是解決安裝和維護困難的問題，二是解決溫度補償問題。
本發明的目的是通過下述技術方案實現本發明提出的差動式溫度補償型橋索索力在線測試方法的主要思想是利用橋索的材料為鐵磁材料，將橋索置于磁場環境中，橋索將被磁化，橋索的磁導率將隨橋索的受力狀態和溫度的變化而發生改變。具體做法是將被檢測橋索置于磁場中作為工作磁路的一部分，不作為勵磁線圈和測量線圈的鐵芯，同時感受溫度和索力的變化，另取與被檢測橋索同質的一段橋索作為參考橋索，置于另一相同環境溫度的磁場中作為參考磁路的一部分，只感受溫度的變化。工作磁路和參考磁路成對稱差動式的磁路結構；用勵磁電源對兩磁路提供相同的勵磁信號，將工作磁路和參考磁路的輸出信號進行信號調理后再差分運算消除溫度影響，進行頻譜分析或積分運算，獲得橋索磁化特性的變化，利用磁導率的變化與索力變化的對應關系，測試索力的大小。上述方法中，勵磁電源的信號源可選用正弦交流信號或脈沖直流橫流源。
本發明進一步提出的實現橋索索力在線測試方法的測試系統是由勵磁電源、傳感器、處理電路、差分運算放大電路和處理計算機組成。其中傳感器由工作磁路和參考磁路組成。被測橋索、鐵芯、磁瓦和軛鐵組成工作磁路。用與被測橋索材料一樣的一段同質纜索作為參考橋索，參考橋索、鐵芯、磁瓦和軛鐵組成參考磁路。工作磁路和參考磁路的兩對磁瓦分別將工作橋索和參考橋索抱住，中間保留一定間距；一個鐵芯上安裝勵磁線圈，另一個鐵芯上安裝測量線圈；參考磁路和工作磁路的各部分的結構尺寸完全相同，唯一不同的是被測橋索和參考橋索的長度不相同，參考橋索的長度由傳感器的外觀尺寸確定。將工作磁路和參考磁路的輸出感應電壓分別進行放大、濾波等預處理后，送入差分運算放大器進行差分運算。由于參考磁路的輸出感應電壓只是由于溫度引起的，而工作磁路的輸出感應電壓是由于索力和溫度共同引起的，進行差分運算后的結果將消除溫度對索力的影響。差分后的輸出電壓進行積分運算，將得到由于索力引起的磁通的動態變化，在外勵磁磁場強度恒定的情況下，便知道工作橋索的磁導率的變化，從而得到索力。
采用本發明的優點在于1、動態響應好。由于索力的受力情況直接影響磁路的磁通量變化，測量線圈是通過磁場耦合感受磁通量的變化，因此動態響應好。
2、安裝調試方便。由于激勵線圈和測量線圈均不以橋索為鐵芯，橋索只作為磁路的一部分，與其他部分的聯接采用磁瓦結構，因此該方法的使用不受成建橋和在建橋的影響，均可方便地進行索力測試。
3、溫度自動補償。由于整個傳感器的磁路結構設計成對稱的差動式結構，工作磁路和參考磁路的結構參數完全一致，參考磁路的輸出感應電壓只與溫度有關，而工作磁路的輸出感應電壓是索力和溫度的函數，進行差分運算后的結果將消除溫度影響。即差動后的電壓不隨溫度的變化而變化，達到溫度自動補償。
4、過載保護能力強，使用壽命長。本方法為非接觸測量方法，傳感器的過載保護能力強，使用壽命長。
5、測量結果精度高。由于本方法和系統是利用材料的磁特性與索力的關系進行索力測量，與橋索表面的防護層和保護塑料套管無關，也與橋索的振動狀態無關，所以測量結果精度高。
6、本發明還可以監測橋索的腐蝕情況，由于橋索的腐蝕將嚴重影響橋索的磁化狀態。
圖1本發明的測試系統結構圖具體實施方式
以下結合圖1對本系統的結構和方法實現的過程做進一步說明截取一段長度合適的被測橋索(或與被測橋索同質同型號的橋索)作為參考橋索[12]，組成參考磁路。通過磁瓦[23][24]將參考磁路中的鐵芯[33][34]和軛鐵[42]固定在參考橋索[12]上，磁瓦[23][24]將參考橋索[12]抱住，用緊固沉頭螺栓[62]進行固定，中間應保留一定的間距，其中磁瓦[23][24]與鐵芯[33][34]為一整體；參考磁路的鐵芯[34]上安裝勵磁線圈[53]，鐵芯[33]上安裝測量線圈[54]，鐵芯[33][34]與軛鐵[42]的連接采用過盈軸孔配合。
用磁瓦[21][22]將鐵芯[31][32]和軛鐵安裝在被測橋索上[11]上，組成工作磁路。磁瓦[21][22]將工作橋索[11]抱住，用緊固沉頭螺栓[61]進行固定，磁瓦與工作橋索固定后，中間應保留一定的間距，其中磁瓦[21][22]與鐵芯[31][32]為一整體，工作磁路的鐵芯[31]上安裝勵磁線圈[51]，鐵芯[32]上安裝測量線圈[52]，鐵芯[31][32]與軛鐵[41]的連接采用過盈軸孔配合。圖中的箭頭表示磁力線。
上述兩個磁路中，橋索聯接的磁瓦結構應與橋索有同軸度要求，工作磁路和參考磁路在實際應用時，可以將兩個磁路放在一起工作，也可以分開工作，只要工作磁路和參考磁路所處的環境溫度相同即可。
勵磁電源所加的恒定電流同時作用在工作磁路和參考磁路的勵磁線圈[51][53]上，在兩個回路中產生相同的穩定磁場強度，當橋索所受的拉力或溫度發生變化時，回路中的磁通量將發生改變，測量線圈[52][54]將產生感應電壓。由于參考橋索只感受溫度，測量線圈[54]的感應電壓只與溫度有關，而工作橋索同時感受溫度和索力的變化，測量線圈[52]的感應電壓與溫度和索力的變化有關。
測量線圈[52]和[54]輸出的感應電壓分別經過預處理電路進行放大、濾波等處理后，分別送入差分運算放大電路的兩個輸入端口，進行差分運算消除溫度的影響。
由高速數據采集卡采集差分運算放大器的輸出數據送到處理計算機中，利用信號處理軟件獲得索力值。其中信號采集與處理設備最好包含有高阻抗的動態信號采集卡的動態信號分析處理儀。
以上采用實例對本發明進行了描述。但那些在本領域的技術人員閱讀了本公開文件之后變得一目了然的改進和修改，仍然屬于本申請的范疇。
權利要求
1.基于磁彈效應的差動式溫度補償型橋索索力在線測試方法，其特征在于以橋索為鐵磁材料，將被檢測橋索置于磁場中作為磁路的一部分形成工作磁路，同時感受溫度和索力的變化，另取與被檢測橋索同質的一段橋索作為參考橋索，置于另一相同環境溫度的磁場中作為磁路的一部分形成參考磁路，只感受溫度的變化，工作磁路和參考磁路成對稱差動式的磁路結構；用勵磁電源對兩磁路提供相同的勵磁信號，將工作磁路和參考磁路的輸出信號進行信號調理后再差分運算消除溫度影響，進行頻譜分析或積分運算，獲得橋索磁化特性的變化，利用磁導率的變化與索力變化的對應關系，測試索力的大小。
2.根據權利要求1所述橋索索力在線測試方法，其特征在于勵磁電源的信號源選用正弦交流信號，或選用脈沖直流橫流源信號。
3.實現權利要求1或2所述的橋索索力在線測試方法的測試系統，其特征在于由勵磁電源、傳感器、處理電路、差分運算放大電路和處理計算機，其中傳感器由工作磁路和參考磁路組成；工作磁路由工作橋索[11]、磁瓦[21][22]、鐵芯[31][32]和軛鐵[41]組成；工作磁路的兩對磁瓦[21][22]將工作橋索[11]抱住，中間保留間距；鐵芯[31]上安裝勵磁線圈[51]，鐵芯[32]上安裝測量線圈[52]；參考磁路由參考橋索[12]、磁瓦[23][24]、鐵芯[33][34]和軛鐵[42]組成；參考磁路的兩對磁瓦[23][24]將參考橋索[12]抱住，中間保留間距；鐵芯[34]上安裝勵磁線圈[53]，鐵芯[33]上安裝測量線圈[54]；測量線圈[52][54]的信號線分別連接處理電路，由信號調理模塊進行濾波、放大預處理，兩路處理電路的輸出再連接差分運算放大電路將信號進行差分運算剔除溫度影響，差分運算放大電路的輸出信號連接處理計算機進行頻譜分析或積分運算，獲得橋索磁化特性的變化結果。
4.根據權利要求3所述的測試系統，其特征在于工作磁路和參考磁路的鐵芯與軛鐵連接采用過盈軸孔配合；工作磁路和參考磁路的磁瓦與鐵芯均為一整體；工作磁路和參考磁路放在一起工作，或分開工作。
5.根據權利要求3所述的測試系統，其特征在于勵磁線圈[51]和測量線圈[52]，勵磁線圈[53]和測量線圈[54]分別共用鐵芯，或獨立分開不共用鐵芯。
6.根據權利要求3所述的測試系統，其特征在于勵磁線圈[51][53]和測量線圈[52][54]直接纏繞在鐵芯[31][32][33][34]上，或纏繞在陶瓷或塑料骨架上。
7.根據權利要求3所述的測試系統，其特征在于磁瓦[21][22][23][24]、鐵芯[31][32][33][34]和軛鐵[41][42]的材料選用高導磁率工業純鐵或A3低碳鋼。
全文摘要
本發明的基于磁彈效應的差動式溫度補償型橋索索力在線測試方法及測試系統，利用橋索為鐵磁材料，將橋索置于特定磁場中，橋索將被磁化，橋索的磁導率將隨受力狀態和溫度的變化而發生改變。傳感器由工作磁路和參考磁路組成，在每個磁路設計中，橋索只是磁路的一部分，而不作為勵磁線圈和測量線圈的鐵芯。傳感器的參考磁路只感受溫度的變化，而工作磁路同時感受溫度和索力的變化，將工作磁路和參考磁路的輸出信號進行差分運算消除溫度影響，利用磁導率的變化與索力變化的對應關系，就可測試索力的大小。本發明的索力測試方法具有精度高，動態響應好，溫度影響小，傳感器價格低廉，安裝調試方便、使用壽命長、過載保護能力強、適合于靜態和動態索力測量，可以做到全天候適時采樣，橋索表面的防腐層和保護塑料套管對測量結果無影響等特點。
文檔編號G01R33/14GK1952635SQ200610054598
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月14日 優先權日2006年11月14日
發明者黃尚廉, 唐德東, 陳偉民, 廖昌榮 申請人:重慶大學
專業數控銑床產品供應商
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