專利名稱：一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于橋梁工程測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
拉索是梁-索組合橋梁結(jié)構(gòu)重要的傳力及受力構(gòu)件，如斜拉橋中的斜拉索，梁拱組合橋梁中的吊桿及懸索橋的懸吊桿等。拉索索力的精確測(cè)量不僅是該類(lèi)橋梁施工監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)，而且對(duì)后期橋梁養(yǎng)護(hù)管理與健康監(jiān)測(cè)也起著非常重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用中，拉索索力常用的測(cè)量方法有油壓表測(cè)定法、壓力傳感器標(biāo)定法及頻率法。油壓表測(cè)定法適用于施工階段進(jìn)拉索張拉索力標(biāo)定，此時(shí)通過(guò)油壓表控制油壓千斤頂是比較方便的，但該方法只適用于施工階段索力測(cè)定。傳感器標(biāo)定法是在錨 具下預(yù)埋應(yīng)力傳感器，通過(guò)傳感器應(yīng)變讀數(shù)計(jì)算索力，但該類(lèi)傳感器成本較高，而且在溫度和濕度影響下長(zhǎng)期穩(wěn)定性也是不容忽視的問(wèn)題。成橋后的拉索索力測(cè)量一般采用頻率法，頻率法測(cè)量索力精度高、適合長(zhǎng)期觀測(cè)。目前振動(dòng)頻率法測(cè)索力一般采用加速度傳感器。此方法將加速度傳感器固定于拉索表面拾取拉索的振動(dòng)信號(hào)，再對(duì)信號(hào)頻譜分析獲取拉索固有頻率，然后通過(guò)拉索頻率與索力力學(xué)方程計(jì)算出拉索的索力。但是使用加速度傳感器測(cè)拉索頻率有以下幾方面的缺點(diǎn)(I)傳感器成本高，數(shù)據(jù)采集設(shè)備復(fù)雜；(2)對(duì)于套有PE保護(hù)管的拉索，PE管與拉索之間存在間隙，由于無(wú)法將加速度傳感器直接固定在拉索表面而應(yīng)用受到限制；(3)大跨橋梁主梁剛度相對(duì)小，橋面橫向、豎向振動(dòng)明顯，因此加速度拾取的信號(hào)是拉索振動(dòng)與橋面振動(dòng)耦合效應(yīng)，測(cè)試精度受到影響。光纖光柵是近幾十年發(fā)展最為迅速的一種新型全光纖無(wú)源器件，以光纖光柵為傳感元件研制的應(yīng)變傳感器，具有靈敏度高、體積小、耐腐蝕、抗電磁輻射干擾等優(yōu)點(diǎn)；克服了傳統(tǒng)電類(lèi)傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性差以及信號(hào)傳輸距離短的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)張力結(jié)構(gòu)纜索狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并且多個(gè)光纖光柵還可以組成準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，采用一根光纜就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。公開(kāi)號(hào)為CN101526409的中國(guó)專利公開(kāi)了一種基于光纖應(yīng)變傳感的測(cè)力技術(shù)，其將光纖應(yīng)變傳感元件預(yù)埋入鋼纜索的錨固區(qū)內(nèi)，通過(guò)測(cè)量光纖應(yīng)變傳感元件的應(yīng)變量實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼纜索索力的測(cè)量；但光纖應(yīng)變傳感器測(cè)量精度受環(huán)境溫度，濕度影響大，需要安裝溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行溫度修正，對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備要求高，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)成本高。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本實(shí)用新型提供了一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，不受環(huán)境因素所影響，測(cè)量精度高，成本低。一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，包括電磁傳感單元；[0010]與電磁傳感單元相連的信號(hào)采集單元； 與信號(hào)采集單元相連的信號(hào)處理單元。所述的電磁傳感單元用于感應(yīng)拉索在環(huán)境激勵(lì)下的橫向振動(dòng)，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；所述的信號(hào)采集單元用于采集所述的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；所述的信號(hào)處理單元接收信號(hào)采集單元采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并拾取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，進(jìn)而根據(jù)所述的頻率計(jì)算出拉索索力。所述的電磁傳感單兀由一個(gè)或兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成；所述的電磁傳感器包括一永磁體，所述的永磁體上繞制有感應(yīng)線圈，所述的感應(yīng)線圈與信號(hào)采集單元相連。優(yōu)選的技術(shù)方案中，若所述的電磁傳感單兀由一個(gè)電磁傳感器構(gòu)成，則該電磁傳感器通過(guò)固定支架固定于拉索一側(cè)；若所述的電磁傳感單元由兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成，則兩個(gè)電磁傳感器通過(guò)固定支架分別固定于拉索兩側(cè)，且兩個(gè)電磁傳感器與拉索的間距相等；能夠使得兩個(gè)電磁傳感器磁阻相等，進(jìn)而提高電磁傳感器的靈敏度，可有效消除零點(diǎn)殘余電壓。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的電磁傳感單元由兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成；其中，第一電磁傳感器的感應(yīng)線圈的一端與第二電磁傳感器的感應(yīng)線圈的一端相連，第一電磁傳感器的感應(yīng)線圈的另一端和第二電磁傳感器的感應(yīng)線圈的另一端均與信號(hào)采集單元相連。采用由兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成的差動(dòng)式電磁傳感單元相對(duì)于采用單個(gè)電磁傳感器的，靈敏度和線性度都有明顯改善，可部分消除拉索垂直傳感器方向振動(dòng)的影響。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的永磁體為U型永磁體，所述的U型永磁體兩端設(shè)有感應(yīng)探頭；感應(yīng)探頭可減少端部漏磁，提聞感應(yīng)線圈的電感值。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的固定支架上設(shè)有調(diào)距部件；能夠通過(guò)調(diào)整電磁傳感器與拉索的間距，保證電磁傳感器的靈敏度。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的感應(yīng)線圈通過(guò)繞線管繞制于永磁體上；可有效保護(hù)感應(yīng)線圈免受損壞。所述的信號(hào)處理單元根據(jù)公式T = 4ml2f2計(jì)算索力；其中T為索力，m為拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，f為拉索基頻，即等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的基頻，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的基頻為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率中的第一個(gè)頻率值(頻率值最低)，其可從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻譜圖中識(shí)別，I為拉索計(jì)算長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度值由拉索的幾何長(zhǎng)度和拉索的錨固約束條件決定。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的信號(hào)處理單元連接有人機(jī)界面單元；能夠?qū)崟r(shí)顯示拉索的索力信息，并方便用戶對(duì)信號(hào)處理單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。所述的信號(hào)處理單元為DSP。本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果為(I)本實(shí)用新型通過(guò)電磁傳感單元與拉索非接觸感應(yīng)，不受拉索表面防腐層及PE保護(hù)管的影響；(2)本實(shí)用新型的電磁傳感單元設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，且測(cè)量精度高；(3)本實(shí)用新型不需要外部電源驅(qū)動(dòng)，信號(hào)采集處理設(shè)備簡(jiǎn)單方便，適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，且不受環(huán)境溫度、濕度等因素影響。
圖I為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意圖。圖2為本實(shí)用新型電磁傳感單元一種實(shí)例的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意圖。圖3為本實(shí)用新型電磁傳感單元另一種實(shí)例的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意圖。圖4為本實(shí)用新型電磁傳感單元另一種實(shí)例的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用俯視圖。
具體實(shí)施方式
為了更為具體地描述本實(shí)用新型，
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其測(cè)量原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例I·如圖I所示，一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，包括電磁傳感單元、信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元和人機(jī)界面單元；其中如圖2所示，電磁傳感單元用于感應(yīng)拉索在環(huán)境激勵(lì)下的橫向振動(dòng)，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；其由一個(gè)電磁傳感器構(gòu)成，該電磁傳感器通過(guò)固定支架5固定于拉索一側(cè)；電磁傳感器包括一 U型永磁體1，U型永磁體I上套有繞線管4，繞線管4上繞制有感應(yīng)線圈2，U型永磁體I兩端均設(shè)有感應(yīng)探頭3，感應(yīng)線圈2的兩端與信號(hào)采集單元相連。本實(shí)施例中，U型永磁體采用合金永磁體；合金永磁材料矯頑力大,磁能體高,永久性好，體積小，其磁場(chǎng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)磁鐵提高了近20倍；合金永磁材料另一優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械性能好，可以切割成需要的形狀。繞線管選用鋁質(zhì)的弱磁性材料。感應(yīng)線圈采用銅質(zhì)漆包線，均勻細(xì)密繞制在繞線管上；由于在環(huán)境振動(dòng)下，拉索振動(dòng)幅值很小，為提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，應(yīng)降低線圈電阻，選擇較粗的導(dǎo)線，故選擇直徑
O.06 O. Imm的漆包線，匝數(shù)在3000 5000匝左右。感應(yīng)探頭選用導(dǎo)磁率高，漏磁小的硒鋼加工而成。信號(hào)采集單元與電磁傳感單元相連，其用于采集感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；本實(shí)施例中，信號(hào)采集單元采用型號(hào)為RS-1161 (深圳諾順)的模塊電路。信號(hào)處理單元與信號(hào)采集單元相連，其接收信號(hào)采集單元采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并拾取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，進(jìn)而根據(jù)頻率計(jì)算出拉索索力。本實(shí)施例中，信號(hào)處理單元采用美國(guó)TI公司型號(hào)為T(mén)MS320C2812的DSP芯片。人機(jī)界面單元與信號(hào)處理單元相連，其用于根據(jù)用戶的指令對(duì)信號(hào)處理單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并實(shí)時(shí)顯示拉索的索力信息。本實(shí)施例中，人機(jī)界面單元采用型號(hào)為6AV66420AA110AX0(西門(mén)子)的產(chǎn)品。實(shí)施例2如圖I所示，一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，包括電磁傳感單元、信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元和人機(jī)界面單元；其中如圖3和圖4所示，電磁傳感單元用于感應(yīng)拉索在環(huán)境激勵(lì)下的橫向振動(dòng)，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；其由兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成，兩個(gè)電磁傳感器通過(guò)固定支架5分別固定于拉索兩側(cè)，固定支架5上設(shè)有調(diào)距螺栓6 ；電磁傳感器包括一 U型永磁體，U型永磁體上套有繞線管4，繞線管4上繞制有感應(yīng)線圈，U型永磁體兩端均設(shè)有感應(yīng)探頭；[0046]感應(yīng)線圈21的一端與感應(yīng)線圈22的一端相連，感應(yīng)線圈21的另一端和感應(yīng)線圈22的另一端均與信號(hào)采集單元相連；感應(yīng)探頭31與拉索的間距等于感應(yīng)探頭32與拉索的間距。本實(shí)施例中，U型永磁體采用合金永磁體；合金永磁材料矯頑力大,磁能體高,永久性好，體積小，其磁場(chǎng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)磁鐵提高了近20倍；合金永磁材料另一優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械性能好，可以切割成需要的形狀。繞線管選用鋁質(zhì)的弱磁性材料。感應(yīng)線圈采用銅質(zhì)漆包線，盡量均勻細(xì)密繞制在繞線管上；由于在環(huán)境振動(dòng)下，拉索振動(dòng)幅值很小，為提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，應(yīng)降低線圈電阻，選擇較粗的導(dǎo)線，故選擇直徑O. 06 O. Imm的漆包線，匝數(shù)在3000 5000匝左右。感應(yīng)探頭選用導(dǎo)磁率高，漏磁小的硒鋼加工而成。信號(hào)采集單元與電磁傳感單元相連，其用于采集感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；本實(shí)施例中，信號(hào)采集單元采用型號(hào)為RS-1161 (深圳諾順)的模塊電路。信號(hào)處理單元與信號(hào)采集單元相連，其接收信號(hào)采集單元采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并拾取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，進(jìn)而根據(jù)頻率計(jì)算出拉索索力。本實(shí)施例中，信號(hào)處理單元采用美國(guó)TI公司型號(hào)為T(mén)MS320C2812的DSP芯片。人機(jī)界面單元與信號(hào)處理單元相連，其用于根據(jù)用戶的指令對(duì)信號(hào)處理單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并實(shí)時(shí)顯示拉索的索力信息。本實(shí)施例中，人機(jī)界面單元采用型號(hào)為6AV66420AA110AX0(西門(mén)子)的產(chǎn)品。測(cè)量時(shí)，將兩個(gè)電磁傳感器安裝于固定支架5上，通過(guò)調(diào)距螺栓6調(diào)節(jié)感應(yīng)探頭31 32與拉索的間距，在滿足拉索振動(dòng)過(guò)程中不觸及感應(yīng)探頭31 32的情況下，應(yīng)盡量減小兩者之間的間距，以提高傳感的靈敏度，并使兩個(gè)U型永磁體11 12對(duì)稱布置在拉索兩側(cè)。拉索在環(huán)境激勵(lì)下產(chǎn)生橫向振動(dòng)，在兩個(gè)U型永磁體11 12的感應(yīng)線圈21 22上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，用信號(hào)采集單元采集感應(yīng)線圈21 22的疊加電動(dòng)勢(shì)，將這感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)上傳至上位計(jì)算機(jī)(信號(hào)處理單元)進(jìn)行頻譜分析，就可得到拉索振動(dòng)頻率，然后通過(guò)拉索振動(dòng)頻率與索力之間的關(guān)系式即可計(jì)算出拉索索力。將U型永磁體固定于支架上，感應(yīng)探頭與拉索之間的初始間距為(V拉索一般是鋼絞線或平行鋼絲等鐵磁性材料，因此，U型永磁體與拉索之間形成磁路；拉索在車(chē)輛等外部荷載激勵(lì)下產(chǎn)生橫向振動(dòng)，拉索與感應(yīng)探頭之間的距離d隨之發(fā)生變化，從而引起磁路中的磁阻變化，在感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，具體公式表達(dá)如下E = j ω LI(I)式I中L為感應(yīng)線圈的電感，I為感應(yīng)線圈上的感應(yīng)電流，ω為感應(yīng)電流的頻率。感應(yīng)線圈的電感L可由下式表示
^ Yl2 Tl2UaSaL = - = ———( 2 )
R 2α0式2中η為感應(yīng)線圈的匝數(shù)，μ ^為空氣的導(dǎo)磁率，S0為感應(yīng)探頭截面積，R為磁阻。電感L僅僅是磁路中磁阻R的函數(shù)，當(dāng)線圈匝數(shù)η和截面積Stl —定時(shí)，只要改變間隙d，就可導(dǎo)致電感L變化。[0062]假定拉索做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其位移可由下式表示；
權(quán)利要求1.一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于，包括 電磁傳感單元； 與電磁傳感單元相連的信號(hào)采集單元； 與信號(hào)采集單元相連的信號(hào)處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的電磁傳感單兀由一個(gè)或兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成；所述的電磁傳感器包括一永磁體，所述的永磁體上繞制有感應(yīng)線圈，所述的感應(yīng)線圈與信號(hào)采集單元相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于若所述的電磁傳感單元由一個(gè)電磁傳感器構(gòu)成，則該電磁傳感器通過(guò)固定支架固定于拉索一側(cè)；若所述的電磁傳感單元由兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成，則兩個(gè)電磁傳感器通過(guò)固定支架分別固定于拉索兩側(cè)，且兩個(gè)電磁傳感器與拉索的間距相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的電磁傳感單元由兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成；其中，第一電磁傳感器的感應(yīng)線圈的一端與第二電磁傳感器的感應(yīng)線圈的一端相連，第一電磁傳感器的感應(yīng)線圈的另一端和第二電磁傳感器的感應(yīng)線圈的另一端均與信號(hào)采集單元相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的永磁體為U型永磁體，所述的U型永磁體兩端設(shè)有感應(yīng)探頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的固定支架上設(shè)有調(diào)距部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的感應(yīng)線圈通過(guò)繞線管繞制于永磁體上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的信號(hào)處理單元連接有人機(jī)界面單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，其特征在于所述的信號(hào)處理單元為DSP。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于電磁感應(yīng)的非接觸型拉索索力測(cè)量裝置，包括電磁傳感單元、與電磁傳感單元相連的信號(hào)采集單元和與信號(hào)采集單元相連的信號(hào)處理單元，電磁傳感單元由一個(gè)或兩個(gè)電磁傳感器構(gòu)成；電磁傳感器包括一永磁體，永磁體上繞制有感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈與信號(hào)采集單元相連。本實(shí)用新型通過(guò)電磁傳感單元與拉索非接觸感應(yīng)，不受拉索表面防腐層及PE保護(hù)管的影響；電磁傳感單元設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，且測(cè)量精度高；同時(shí)本實(shí)用新型不需要外部電源驅(qū)動(dòng)，信號(hào)采集處理設(shè)備簡(jiǎn)單方便，適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，且不受環(huán)境溫度、濕度等因素影響。
文檔編號(hào)G01L5/04GK202614447SQ20122015708
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者程建旗, 雷波, 張仁根 申請(qǐng)人:浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院