專利名稱：耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及鐵磁材料的磁性物理學(xué)、電工學(xué)、智能檢測技術(shù)，具體涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的鋼拉索或鋼桿件的拉應(yīng)力或拉力測量，也涉及鐵磁材料的磁力學(xué)效應(yīng)和磁化特性。
背景技術(shù)：
鋼拉索作為各種橋梁、體育場館等重要建筑結(jié)構(gòu)中的核心構(gòu)件，其安全問題至關(guān)重要，對鋼拉索拉力的監(jiān)測是保證其安全性的重要手段。目前的檢測方法主要有I、壓力測定法又稱千斤頂法，它是在使用千斤頂張拉鋼拉索時通過測量油壓來檢測張拉力，油壓的測量可通過壓力表或壓力傳感器完成，這種方法適用于施工過程中的檢測。2、拉力直接測量法在拉索錨具上或錨具連接桿上直接安裝拉力傳感器測量鋼拉索索力，這種方法成本高，且使用十分不方便。3、頻率法測量鋼拉索的自振頻率，利用自振頻率與索力的關(guān)系測量索力，這種方法適合于現(xiàn)役鋼拉索的檢測，但由于自振頻率與索力的關(guān)系存在復(fù)雜性，在應(yīng)用上有局限性。4、磁力學(xué)效應(yīng)法磁力學(xué)(magnetomechanical)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于19世紀,加拿大在80年代初專門研究了鐵磁體材料內(nèi)部應(yīng)力對磁化過程的影響，2000年以后美國研制了套筒式磁通量傳感器及索力檢測儀，德國和法國也研制了渦流傳感器及索力檢測儀。歸納起來，現(xiàn)有的基于磁力學(xué)效應(yīng)法檢測鋼拉索索力有以下兩種實現(xiàn)方法(I)磁通量測量法制作成套筒式磁通量傳感器，首先測量磁通量的變化，再換算成相對磁導(dǎo)率，利用磁導(dǎo)率與拉應(yīng)力的關(guān)系測量索力，這種方法必須在施工時將傳感器安裝好，不可拆除，圖I為這種方法的示意圖。(2)電感量測量法由于磁力學(xué)效應(yīng)的存在，與鋼拉索靠近的線圈的電感量會受到拉應(yīng)力的影響，測量線圈的電感量即可換算成索力。這種方法又有兩種做法，一是徑向電感量測量法(又稱渦流法，EC傳感器)，即測量線圈與鋼拉索垂直，為了達到較好的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)鋼拉索直徑在周邊布置至少6個以上的線圈，傳感器和測量儀器較為復(fù)雜，效果一般，圖2為這種方法的示意圖；二是軸向電感量測量法，即測量線圈繞在鋼拉索外圍，這種方法需要在現(xiàn)場繞制線圈，圖3為這種方法的示意圖。電感量測量法只能反映鋼拉索表層鋼絲的內(nèi)部應(yīng)力，不能反映拉索整體的磁力學(xué)效應(yīng)。綜上所述，鋼拉索索力檢測方法目前還存在兩大問題I、現(xiàn)役鋼拉索的索力檢測問題沒有很好解決國內(nèi)外使用得較為成熟的索力檢測傳感器均為套筒式磁通量傳感器，只有在張拉施工時套上去，才能滿足使用階段的在線檢測，不但浪費大，而且壽命有限，更為重要的是，大量現(xiàn)役鋼拉索沒有配置這種傳感器。雖然，可以采用現(xiàn)場繞制的方法制作磁通量傳感器或電感量傳感器，但這種方法存在難度大、耗時長、檢測與標(biāo)定狀態(tài)不一致等問題。2、檢測靈敏度低、重復(fù)性不好雖然磁通量傳感器或電感量傳感器利用了磁力學(xué)效應(yīng)，但它們只測量了鐵磁材料磁化特性曲線上的單點參數(shù)，即某個工作點附近的磁導(dǎo)率或電感量，這樣必然存在對拉力的敏感度低、測量重復(fù)性差的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種能夠?qū)ΜF(xiàn)役鋼拉索實施索力檢測且具測量靈敏度高和重復(fù)性好的耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置。本實用新型采用如下技術(shù)方案 本實用新型所述的一種耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置，包括激磁組件和排線式耦合感應(yīng)器，所述激磁組件包括磁芯，在磁芯上套設(shè)有激磁線圈，在激磁線圈的兩端并接有電容式放電電路，在磁芯的兩端分別設(shè)有第一磁極和第二磁極，在第一磁極和第二磁極分別設(shè)有第一壓板和第二壓板，并且，第一磁極與第一壓板之間為可卸式連接，第二磁極與第二壓板之間為可卸式連接，在第一磁極與第一壓板的連接處設(shè)有用于夾持鋼拉索的第一夾持孔，在第二磁極與第二壓板的連接處設(shè)有用于夾持鋼拉索的第二夾持孔，在第一夾持孔和第二夾持孔的內(nèi)壁上分別設(shè)有圓環(huán)襯墊；所述排線式耦合感應(yīng)器包括成排導(dǎo)線，在每根導(dǎo)線的一端連接有插針，在每根導(dǎo)線的另一端連接有與插針相匹配的插孔，每一根導(dǎo)線上的插針與相鄰導(dǎo)線上的插孔之間為插拔式連接。本實用新型的優(yōu)點在于I、解決了套筒式磁通量傳感器無法對現(xiàn)役鋼拉索或鋼桿件的拉力測量問題。由于激磁組件采用了外裝式結(jié)構(gòu)，可以方便地夾持在被測構(gòu)件上，而不需要在施工階段就將傳感器套在鋼拉索上。耦合信號的檢測采用了排線式感應(yīng)器，不需現(xiàn)場繞制，方便裝拆。由于本實用新型采用了電容放電電路，使得耦合感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電壓信號較大，因此，本實用新型的檢測方法對感應(yīng)線圈的匝數(shù)的數(shù)量沒有過多要求，從而才能使排線式耦合感應(yīng)器得以實現(xiàn)。2、提高了測量靈敏度和重復(fù)性。本實用新型的測量原理是利用磁力學(xué)效應(yīng)，磁力學(xué)效應(yīng)的本質(zhì)是鐵磁材料磁化特性隨應(yīng)力而變化(這是一個過程)，而磁導(dǎo)率的變化或電感量的變化只是這種效應(yīng)的兩種表象，而且，磁導(dǎo)率或電感量參數(shù)會隨著磁化特性曲線上的工作點不同而發(fā)生變化。與這兩種方法(通過磁通量測量磁導(dǎo)率，直接測量電感量)不同，本實用新型不是簡單測量磁導(dǎo)率或電感量這樣的單一參數(shù)來檢測鋼索拉力，而是通過磁化特性進行檢測，因此對應(yīng)力的敏感度高，又由于測量過程貫穿于電磁能量轉(zhuǎn)換的全過程，測量結(jié)果不受磁化工作點的影響，應(yīng)力的測量值是很多數(shù)據(jù)處理后得出，因此測量重復(fù)性好。圖7表明了本實用新型的測量方法與其它兩種方法在原理上的區(qū)別，圖中，區(qū)域A為電感量法的測量區(qū)域，顯然對拉應(yīng)力不敏感，測量時僅在該區(qū)域的某個點進行電感量的測量；區(qū)域B為磁通量法的測量區(qū)域，該方法通過磁通量測量磁導(dǎo)率，在此區(qū)域相對磁導(dǎo)率最大，但該區(qū)域?qū)瓚?yīng)力也不夠敏感，測量時僅在該區(qū)域的某個點進行相對磁導(dǎo)率的測量；區(qū)域C為本測量法所在區(qū)域，顯然對拉應(yīng)力的敏感性較強。圖8所示為本實用新型的測量結(jié)果。[0024]3、與電感量測量法相比，測量結(jié)果更真實。由于電感量測量法沒有對鋼拉索施加激磁，使被測鋼拉索內(nèi)部均勻磁化，因此測量結(jié)果只能反映鋼拉索表層的應(yīng)力狀態(tài)。事實上，鋼拉索是由許多股鋼絲組成，每股鋼絲的應(yīng)力都不均勻，內(nèi)部和外部的鋼絲受力也不均勻，我們需要的是鋼拉索的整體受力狀況，因此需要激磁使鋼拉索內(nèi)部有均勻的磁場。本實用新型的測量方法完全符合這一要求，測量結(jié)果更真實有效。4、降低了測量成本。由于套筒式傳感器需要在施工時安裝于每根鋼拉索，成本很高，且壽命有限，而本實用新型只需在測量時安裝，測完后即可拆除，可重復(fù)使用，且無壽命問題。5、節(jié)省了測量時間。磁通量測量法或電感量測量法需要現(xiàn)場繞制線圈，在現(xiàn)場繞制時需要專用裝置，測量完成后需要花費很多時間進行拆除。本實用新型由于不需要現(xiàn)場繞制，因此節(jié)省了測量時間，完成一次測量的全過程只需要幾分鐘。此外，現(xiàn)場繞制線圈使得測量狀態(tài)與標(biāo)定狀態(tài)很難完全一致，測量結(jié)果有偏差。而本實用新型也有效解決了這個問題。6、使用簡便。本實用新型中，激磁組件是一個整體，只需要用壓板和緊固螺栓將其夾緊即可，排線感應(yīng)器只需對插即可。傳感器上的電接插件也已經(jīng)事先焊接好，無需現(xiàn)場制作，直接與檢測儀器連接即可進行測量，使用十分方便。

圖I為現(xiàn)有套筒式磁通量傳感器示意圖；圖2為現(xiàn)有徑向式拉力傳感器示意圖；圖3為現(xiàn)有軸向式拉力傳感器示意圖；圖4為本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖6為本實用新型排線式耦合感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為說明本實用新型工作原理的磁力學(xué)效應(yīng)曲線圖；圖8為本實用新型的測量結(jié)果圖。
具體實施方式
實施例I—種耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置，包括激磁組件和排線式耦合感應(yīng)器，所述激磁組件包括磁芯2，在磁芯2上套設(shè)有激磁線圈3，在激磁線圈3的兩端并接有電容式放電電路，所述的電容式放電電路可以采用現(xiàn)有技術(shù)中常見的電容式放電電路，但是，電容式放電電路在本實用新型中所起的作用不同于現(xiàn)有技術(shù)，是用于將儲存的電場能量瞬間轉(zhuǎn)化為磁場能量，實現(xiàn)對被測鋼拉索的磁化，在磁芯2的兩端分別設(shè)有第一磁極41和第二磁極42，在第一磁極41和第二磁極42分別設(shè)有第一壓板61和第二壓板62，并且，第一磁極41與第一壓板61之間為可卸式連接，第二磁極42與第二壓板62之間為可卸式連接，在第一磁極41與第一壓板61的連接處設(shè)有用于夾持鋼拉索的第一夾持孔，在第二磁極42與第二壓板62的連接處設(shè)有用于夾持鋼拉索的第二夾持孔，在第一夾持孔和第二夾持孔的內(nèi)壁上分別設(shè)有圓環(huán)襯墊5 ;所述排線式耦合感應(yīng)器包括成排導(dǎo)線8，在每根導(dǎo)線的一端連接有插針9，在每根導(dǎo)線的另一端連接有與插針相匹配的插孔10，每一根導(dǎo)線上的插針與相鄰導(dǎo)線上的插孔之間為插拔式連接。一種利用本實用新型對索力檢測的方法如下I)將激磁組件裝夾在待檢測的鋼拉索外側(cè)并由激磁組件和待檢測的鋼拉索形成激磁回路，將排線式耦合感應(yīng)器中的成排導(dǎo)線8包裹在激磁回路的待檢測的鋼拉索上，再將成排導(dǎo)線8中的每一根導(dǎo)線上的插針插入相鄰導(dǎo)線上的插孔中，開啟與激磁組件連接的電容式放電電路并由電容式放電電路向激磁組件中的激磁線圈3放電，從而在待檢測的鋼拉索內(nèi)產(chǎn)生磁場強度，同時，檢測并得到激磁線圈3中的激磁電流，所述排線式耦合感應(yīng)器通過感應(yīng)獲得含有拉力信息的待測鋼拉索內(nèi)的磁感應(yīng)強度，同時檢測并得到排線式耦合感應(yīng)器中的電壓，再由激磁線圈3中的激磁電流和排線式耦合感應(yīng)器中的電壓形成待檢測鋼拉索的磁化特性曲線， 2)取一段與待檢測鋼拉索相同的鋼拉索作為標(biāo)定用鋼拉索，將標(biāo)定用鋼拉索安裝在拉力試驗機上，將激磁組件裝夾在標(biāo)定用鋼拉索外側(cè)并由激磁組件和標(biāo)定用鋼拉索形成激磁回路，將排線式耦合感應(yīng)器中的成排導(dǎo)線8包裹在激磁回路的標(biāo)定用鋼拉索上，再將成排導(dǎo)線8中的每一根導(dǎo)線上的插針插入相鄰導(dǎo)線上的插孔中，開啟拉力試驗機，對標(biāo)定用鋼拉索施加一組拉力，再利用標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線測定方法，獲得一組標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線，所述的標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線測定方法為開啟與激磁組件連接的電容式放電電路并由電容式放電電路向激磁組件中的激磁線圈3放電，從而在標(biāo)定用鋼拉索內(nèi)產(chǎn)生磁場強度，同時，檢測并得到激磁線圈3中的激磁電流，所述排線式耦合感應(yīng)器通過感應(yīng)獲得含有拉力信息的標(biāo)定用鋼拉索內(nèi)的磁感應(yīng)強度，同時檢測并得到排線式耦合感應(yīng)器中的電壓，再由激磁線圈3中的激磁電流和排線式耦合感應(yīng)器中的電壓形成標(biāo)定用鋼拉索的磁化特性曲線，并以標(biāo)定用鋼拉索的磁化特性曲線為標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線，3)將待檢測鋼拉索的磁化特性曲線與一組標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線進行對比，得到待檢測鋼拉索中的拉力。耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置的具體實現(xiàn)如下耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置由兩部分組成。一是激磁組件，二是排線式耦合感應(yīng)器，如圖4、圖5、圖6所示，被測對象I為鋼拉索或鋼桿件等承受拉應(yīng)力(或壓應(yīng)力)的構(gòu)件。激磁組件的組成及各部分功能如下磁芯2由電磁純鐵制成，起導(dǎo)磁作用；激磁線圈3用于產(chǎn)生激磁磁場；第一磁極41和第二磁極42由電磁純鐵制成,將激磁磁場強度導(dǎo)入被測鋼拉索；圓環(huán)襯墊5用于控制磁路間隙，為非導(dǎo)磁材料；第一壓板61和第二壓板62由電磁純鐵制成，使激磁磁場分布較為均勻，通過緊固螺栓7將激磁組件與被測鋼拉索夾緊。排線耦合感應(yīng)器由排線8、插針9、插孔10組成，插針與相鄰插孔相連接，當(dāng)包裹于鋼拉索外圍時構(gòu)成耦合感應(yīng)線圈，用于檢測鋼拉索內(nèi)部的耦合磁場的磁感應(yīng)強度。上述耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置可以方便地安裝于鋼拉索或鋼桿件，使用完畢后方便地拆除。耦合型外裝式鋼拉索索力檢測方法的實現(xiàn)原理如下激磁線圈與排線感應(yīng)器之間通過磁芯、磁極、被測鋼拉索形成一個耦合型電磁感應(yīng)裝置，激勵線圈通電后將磁場強度導(dǎo)入鋼拉索，而排線感應(yīng)器檢測鋼拉索內(nèi)部的磁場強度。根據(jù)磁力學(xué)效應(yīng)原理，當(dāng)被測構(gòu)件受到拉伸時，鐵磁材料內(nèi)部的拉應(yīng)力會使磁化特性曲線發(fā)生改變。圖7所示為一個典型的磁化特性曲線，當(dāng)拉應(yīng)力增加時，磁化特性曲線的磁感應(yīng)強度有明顯減小。在激磁電流快速上升過程中，不斷檢測激磁電流信號和排線感應(yīng)器中的電壓信號，形成磁化特性曲線，從而實現(xiàn)拉力的檢測。本實用新型中，給鋼拉索施加磁場強度的方法是采用電容放電法。工作時，放電裝置首先向放電電路中的電容進行充電，將電場能量儲存于電容，充電完畢后再對激磁線圈進行放電，將電場能量轉(zhuǎn)化為磁場能量，放電的過程即為鋼拉索磁化的過程。放電過程是非常短暫的，不會使激磁組件發(fā)熱，可以連續(xù)地反復(fù)使用。在放電過程中，數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)采集激磁線圈中的激磁電流和排線感應(yīng)器中的感應(yīng)電壓信號。放電過程結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集模塊將采集數(shù)據(jù)保存并處理，顯示檢測結(jié)果。由于本實用新型的原理是基于磁力學(xué)效應(yīng)，需要對被測的鋼拉索或鋼桿件進行激 磁，并達到一定的磁場強度。因此，對于不同大小的待測鋼拉索，需要設(shè)計不同尺寸的激磁裝置。實施時，可以對標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼拉索尺寸，設(shè)計出鋼拉索索力激磁裝置的一個系列，每一種激磁裝置滿足幾種鋼拉索尺寸，則激磁裝置系列可滿足所有鋼拉索的檢測需求。由于本實用新型的原理是基于磁力學(xué)效應(yīng)，因此實施時需要對被測拉索或鋼桿件的磁化特性預(yù)先進行標(biāo)定。為簡單起見，也可以在鋼拉索施工過程中，利用精密的壓力傳感器等進行現(xiàn)場標(biāo)定。標(biāo)定數(shù)據(jù)將存于數(shù)據(jù)庫，以便在鋼拉索的整個壽命期內(nèi)對其進行健康監(jiān)測。以上對本實用新型實施方式的描述進一步明確了本實用新型的實施辦法，但不構(gòu)成對本實用新型的裝置的權(quán)力限制。任何不脫離本實用新型裝置的改進和修改，均屬于本實用新型的權(quán)利范圍。
權(quán)利要求1.一種耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置，其特征在于，包括激磁組件和排線式耦合感應(yīng)器，所述激磁組件包括磁芯(2)，在磁芯(2)上套設(shè)有激磁線圈(3)，在激磁線圈(3)的兩端并接有電容式放電電路，在磁芯(2)的兩端分別設(shè)有第一磁極(41)和第二磁極(42)，在第一磁極(41)和第二磁極(42)分別設(shè)有第一壓板(61)和第二壓板(62)，并且，第一磁極(41)與第一壓板(61)之間為可卸式連接，第二磁極(42)與第二壓板(62)之間為可卸式連接，在第一磁極(41)與第一壓板(61)的連接處設(shè)有用于夾持鋼拉索的第一夾持孔，在第二磁極(42)與第二壓板(62)的連接處設(shè)有用于夾持鋼拉索的第二夾持孔，在第一夾持孔和第二夾持孔的內(nèi)壁上分別設(shè)有圓環(huán)襯墊(5);所述排線式耦合感應(yīng)器包括成排導(dǎo)線(8)，在每根導(dǎo)線的一端連接有插針(9)，在每根導(dǎo)線的另一端連接有與插針相匹配的插孔(10)，每一根導(dǎo)線上的插針與相鄰導(dǎo)線上的插孔之間為插拔式連接。
專利摘要一種耦合型外裝式鋼拉索索力檢測裝置。裝置含激磁組件和排線式耦合感應(yīng)器，激磁組件含磁芯，在磁芯上套設(shè)并有電容式放電電路的激磁線圈，在磁芯的兩端設(shè)第一、第二磁極，在第一、第二磁極分別設(shè)有第一、第二壓板，第一磁極與第一壓板之間為可卸式連接，第二磁極與第二壓板之間為可卸式連接，在第一磁極與第一壓板的連接處設(shè)有第一夾持孔，在第二磁極與第二壓板的連接處設(shè)有第二夾持孔，在第一夾持孔和第二夾持孔的內(nèi)壁上設(shè)有圓環(huán)襯墊。方法將裝置用于檢測并得到待檢測鋼拉索的磁化特性曲線；將裝置用于檢測并得到一組標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線；將待檢測鋼拉索的磁化特性曲線與一組標(biāo)準(zhǔn)磁化特性曲線進行對比，得到待檢測鋼拉索中的拉力。
文檔編號G01L5/10GK202661213SQ20122019829
公開日2013年1月9日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者倪江生, 郭正興, 金偉明, 劉興, 曲諦 申請人:東南大學(xué)