CN109596257B - 一种力无损原位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种力无损原位测量装置及方法属于桥梁索力检测领域。包括数据处理装置、右角度计、右上转动片、右下转动片、右上固定端子、右侧连接架、右中固定端子、右下固定端子、下校准索、上校准索、上磁通量套筒、上右感应单元、上激励单元、上左感应单元、下右感应单元、下激励单元、下左感应单元、下磁通量套筒、左下固定端子、左中固定端子、左上固定端子、左上转动片、左下转动片、左角度计和左侧连接架；装置在安装后可拆卸检校；减少了漏磁问题的发生，测量准确度相较于哈弗式磁通量索力测量仪有很大提高。

Description

一种力无损原位测量装置及方法

技术领域

一种力无损原位测量装置及方法属于桥梁索力检测领域。

背景技术

拉索技术日益广泛地应用在大跨度桥梁中。其中典型的应用有悬 索桥的主缆、吊索，斜拉桥的斜缆索、拱吊桥的吊索等。作为上述大 型桥梁结构的核心构件，桥跨结构的重量和桥上活载绝大部分通过拉 索传递到塔柱上。由于长期处于交变应力、腐蚀和风致振动的环境中， 拉索极易造成局部疲劳与损伤，不仅导致其使用寿命缩短，且直接影 响结构的内力分布和结构线型，危及整个结构安全。索作为一种柔性 构件，与刚性构件具有不同的受力特性：没有抗压刚度，只能承受拉 力，具有明显的几何非线性，容易产生松弛和应力损失。桥梁拉索的 受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运营的重要标志之一。 在设计和施工时，需要对桥梁拉索索力进行检测和优化，以使得塔、 梁处于最佳受力状态。在成桥后，也需要不断监测索力的变化，了解 拉索的工作状态，及时进行调整，使之符合设计需求。桥梁索力检测 业务是各检测机构是一种不可或缺的检测项目和基本能力。

用磁通量法测定斜拉桥的索力，国外应用较多，多座实际桥梁结 构的安全检测表明效果很好。磁通量法是利用放置在索中的小型电磁 传感器，测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系，推 算索力。该法所用的关键仪器是电磁传感器(E—M传感器)，这种传 感器由两层线圈组成，除磁化拉索外，它不会影响拉索的力学及物理 特性。对任一种铁磁材料，在实验室进行几组应力、温度下的试验， 建立磁通量变化与结构应力、温度的关系后，即可用来测定由该种材 料制造的拉索索力。

铁磁材料磁通量密度B与有效磁场H的关系为：

B＝μ·H

其中：H——有效磁场，H＝H_外加+H_内部(M)，H_内部为磁化程度M 的函数；

B——磁通量密度；

μ——磁通量渗透系数，是应力σ、温度T、有效磁场H的函数。

材料中的应力变化时，磁滞曲线也发生变化。测定磁通量渗透系 数μ就可推算出拉索的应力。

1)闭环式磁通量索力测量仪

闭环式磁通量传感器是利用钢索作为铁心而达到励磁效果。主要 用于施工期实时监控及后期的长期监测，将传感器安装在拉索上，为 套入式安装，为穿心式传感器，较适合在新建桥梁拉锁安装使用。因 其在工厂制作好、测试完成后，在工地现场挂索的过程中，需要将传 感器安装到拉索上，如果是成品索类，则需要在工厂制索过程中，锚 具安装前将磁通量传感器安装到拉索上。

2)哈弗式磁通量索力测量仪

哈弗式磁通量传感器是将传感器结构中除了线圈以外的零部件 都做成两瓣式，将传感器的制作地点搬到工地现场，在桥梁的拉索上 制作传感器，将需要在工厂完成的绕线过程改在工地现场完成。对于 已建成桥梁拉索不需要作任何改动，即可安装并进行索力监测工作。 哈弗式磁通量传感器主要用于施工后期索力的长期监测，对施工无特 殊要求。其结构为两半式，夹在拉索保护管外即可，优势在于安装及 维护方便，没有施工期限的限制，但成本较高，精度相对较低。

现在技术存在以下缺点：

1)闭环式磁通量索力测量仪安装后无法拆卸检校，准确性无法 保证。

2)哈弗式磁通量索力测量仪存在漏磁现象，测量结果误差较大。

本发明在安装后可拆卸检校；减少了漏磁问题的发生，测量准 确度相较于哈弗式磁通量索力测量仪有很大提高。

发明内容

本专利所述用于测量拉索索力的装置主要由数据处理装置、右角 度计、右上转动片、右下转动片、右上固定端子、右侧连接架、右中 固定端子、右下固定端子、下校准索、上校准索、上磁通量套筒、上 右感应单元、上激励单元、上左感应单元、下右感应单元、下激励单 元、下左感应单元、下磁通量套筒、左下固定端子、左中固定端子、 左上固定端子、左上转动片、左下转动片、左角度计等部分组成，硬 件连接图如图1所示。

图1中，1为数据处理装置，2为右角度计，3为右上转动片，4 为右下转动片，5为右上固定端子，6为右侧连接架，7为右中固定 端子，8为右下固定端子，9为下校准索，10为上校准索，11为上磁 通量套筒，12为上右感应单元，13为上激励单元，14为上左感应单 元，15为下右感应单元，16为下激励单元，17为下左感应单元，18 为下磁通量套筒，19为左下固定端子，20为左中固定端子，21为左 上固定端子，22为左上转动片，23为左下转动片，24为左角度计， 25为左侧连接架，26为被测拉索。其中，1-25组成本发明所述装置。

数据处理装置可以由磁弹仪和计算机组成，数据处理装置应可以 输出激励信号，接收感应信号、左角度计、右角度计输出的信号。

右角度计可以得到右上转动片和右下转动片之间夹角的角度，左 角度计可以得到左上转动片和左下转动片之间夹角的角度，右角度计 和左角度计应可以把角度数据发送到数据处理装置上。

右上固定端子、右侧连接架、右中固定端子、右下固定端子、左 上固定端子、左侧连接架、左中固定端子、左下固定端子采用高导磁 材料，相对导磁率应不低于1000。

右上转动片一端连接在右角度计上，另一端连接在右上固定端子 上。

右下转动片一端连接在右角度计上，另一端连接在右下固定端子 上。

右上固定端子、右中固定端子、右下固定端子、左上固定端子、 左中固定端子、左下固定端子可以将穿入的拉索锁紧，使得拉索不会 自由移动。

右中固定端子是双半环抱式结构，其中1个固定半环固定在右侧 连接架上，另1个活动半环通过螺丝紧固在固定半环上。

左中固定端子是双半环抱式结构，其中1个固定半环固定在左侧 连接架上，另1个活动半环通过螺丝紧固在固定半环上。

右侧连接架将右上固定端子、右中固定端子、右下固定端子固定， 使右上固定端子、右中固定端子、右下固定端子保持相对静止。

左侧连接架将左上固定端子、左中固定端子、左下固定端子固定， 使左上固定端子、左中固定端子、左下固定端子保持相对静止。

上右感应单元、下右感应单元、上左感应单元、下左感应单元、 上激励单元、下激励单元可以是分别缠绕在上磁通量套筒和下磁通量 套筒上的线圈。

下校准索和上校准索应和被测拉索是同一型号的拉索。

本专利所述差动式拉索索力测量方法的技术方案流程图如图2 所示。

本专利所述差动式拉索索力测量装置由数据处理装置、右角度 计、右上转动片、右下转动片、右上固定端子、右侧连接架、右中固 定端子、右下固定端子、下校准索、上校准索、上磁通量套筒、上右 感应单元、上激励单元、上左感应单元、下右感应单元、下激励单元、 下左感应单元、下磁通量套筒、左下固定端子、左中固定端子、左上 固定端子、左上转动片、左下转动片、左角度计等部分组成。

总体技术方案实现过程如下：

(1)根据被测拉索的型号选取相同型号的上校准索和下校 准索，并将拉索对应的标定曲线输入到数据处理装置中。

(2)将上校准索穿过上磁通量套筒，并将上校准索拉直，左 右两端用左上固定端子和右上固定端子固定；将下校准索穿过下磁通 量套筒，并将下校准索拉直，左右两端用左下固定端子和右下固定端 子固定。

(3)打开左中固定端子和右中固定端子，将被测拉索穿过左 中固定端子和右中固定端子并紧固，使得被测拉索在左中固定端子和 右中固定端子之间形成一条紧绷的直线。

(4)启动数据处理装置，记录左角度计和右角度计的初始角 度值。被测拉索受到张拉。

(5)数据处理装置发出激励信号。

(6)激励信号通过上激励单元，在上校准索上产生磁场；激 励信号通过下激励单元，在下校准索上产生磁场。

(7)上左感应单元和上右感应单元分别感应到上校准索产 生的磁场，并输出感应信号；下左感应单元和下右感应单元分别感应 到下校准索产生的磁场，并输出感应信号。

(8)数据处理装置读取上左感应单元、上右感应单元、下左 感应单元和下右感应单元输出的感应信号。

(9)数据处理装置读取左角度计和右角度计输出的角度数 据θ1和θ2。

(10)对上左感应单元和上右感应单元输出的感应信号求平 均，得到上磁通量C1；对下左感应单元和下右感应单元输出的感应 信号求平均，得到下磁通量C2。

(11)计算得到上校准索索力值F01和下校准索索力值F02。

(12)数据处理装置修正上校准索索力值F1＝f(θ1)F01和 下校准索索力值F2＝f(θ2)F02。

(13)计算上校准索索力值和下校准索索力值的平均值，输出 被测拉索的索力。

附图说明

图1装置示意图

图2校准索力动测仪的装置和方法的技术方案流程图

图3具体实例1的技术方案流程图

图4具体实例2的技术方案流程图

具体实施方式

实例1用于测量拉索索力，实例1技术方案实现过程如下：

(1)根据被测拉索的型号选取相同型号的上校准索和下校 准索，并将拉索对应的标定曲线输入到数据处理装置中。

(2)将上校准索穿过上磁通量套筒，并将上校准索拉直，左 右两端用左上固定端子和右上固定端子固定；将下校准索穿过下磁通 量套筒，并将下校准索拉直，左右两端用左下固定端子和右下固定端 子固定。

(3)打开左中固定端子和右中固定端子，将被测拉索穿过左 中固定端子和右中固定端子并紧固，使得被测拉索在左中固定端子和 右中固定端子之间形成一条紧绷的直线。

(4)启动数据处理装置。被测拉索受到张拉。

(5)启动测量。

(6)输出被测拉索索力。

实例2用于测量索状、杆状铁磁性材料的应力，技术方案实现过 程如下：

(1)根据被测索状、杆状铁磁性材料的材料、型号选取相同 材料、型号的上校准铁磁性材料和下校准铁磁性材料。

(2)将上校准铁磁性材料穿过上磁通量套筒，左右两端分别 连接标准测力计和张拉装置(可以是千斤顶)；对上校准铁磁性材料 加载力值FF，应满足0.1F_P≤FF≤0.7F_P，F_P为上校准铁磁性材料的破 断力值，连续测量10个力值点。分别读取标准测力计试验加载力值FF、 数据处理装置磁通量读数C，采用一元三次曲线拟合，得到上校准铁 磁性材料标定曲线。将下校准铁磁性材料穿过下磁通量套筒，左右两 端分别连接标准测力计和张拉装置(可以是千斤顶)；对下校准铁磁 性材料加载力值FF，应满足0.1F_P≤FF≤0.7F_P，F_P为下校准铁磁性材 料的破断力值，连续测量10个力值点。分别读取标准测力计试验加载 力值FF、数据处理装置磁通量读数C，采用一元三次曲线拟合，得到 下校准铁磁性材料标定曲线。将得到的两条标定曲线输入到数据处理 装置中。

(3)将上校准铁磁性材料穿过上磁通量套筒，左右两端用左 上固定端子和右上固定端子固定；将下校准铁磁性材料穿过下磁通量 套筒，左右两端用左下固定端子和右下固定端子固定。

(4)打开左中固定端子和右中固定端子，将被测铁磁性材料 穿过左中固定端子和右中固定端子并紧固。

(5)启动数据处理装置。被测铁磁性材料受到张拉。

(6)启动测量。

(7)输出被测铁磁性材料应力。

本专利实现了对拉索张拉后索力的原位在线测量，相较于现有的 磁通量索力测量仪，解决了磁通量索力测量仪无法在拉索张拉后原位 在线测量索力的缺点，能够在安装后拆卸进行不同位置的索力测量， 也可以在完成测量后送到计量实验室内进行检定校准，提高了产品的 长期可靠性。

本专利相对于现有同样可拆卸的哈弗式磁通量索力测量仪，极大 提高了测量准确性。

本专利由于属于可拆卸重复运用，成本较目前常用的方法低廉。

本专利发明了一种可以在拉索张拉后不解除拉索的张拉状态进 行拉索索力无损检测，并且在被安装后可以拆卸进行检定校准的磁通 量索力测量装置和方法，准确性较高。

现有的普通磁通量索力测量仪属于筒状结构，需要在桥梁拉索张 拉前将磁通量传感器安装到拉索上，在拉索张拉完成以后无法拆卸， 无法发现普通磁通量索力测量仪在测量过程中是否损坏，也无法将普 通磁通量索力测量仪拆卸送到相关计量机构进行检定校准。该类设备 的示值误差一般为±3％F_P，其中F_P为被测拉索的破断力值。

现有的哈弗式磁通量索力测量仪属于可拆卸结构。但是由于存在 漏磁等因素，示值误差一般不低于±10％F_P，其中F_P为被测拉索的破 断力值。

本专利设计的结构将被测拉索、上校准索和下校准索组成差动磁 路，测量索力时分别通过测量上校准索和下校准索上的磁通量，通过 磁通量与索力的标定曲线得到2个索力值。通过左角度计和右角度计 测量得到上校准索和下校准索之间的夹角变化，修正因测量过程中被 测拉索受到张拉而导致的上校准索和下校准索受张拉不均匀产生的 不同程度的应变导致的磁通量的变化，从而修正2个索力值。

将2个修正后的索力值进行计算得到平均值，即视为被测拉索的 索力。本专利设计的装置及方法，测量拉索索力的示值误差可小于± 0.2％F_P，其中F_P为被测拉索的破断力值，测量准确度具有显著的进 步，优于现有技术的±3％F_P达15倍。

本专利设计了一组上校准索和下校准索，将他们和被测拉索置于 相同的环境条件下工作，可用于消除索力测量过程中的各种误差，如 温度变化带来的影响以及张拉不均匀带来的影响等。同时通过左角度 计和右角度计测量的角度数据，根据校准模型f(θ)＝ktan(θ/2- π)cosθ+sin(θ/2)+b计算得到校准系数，其中k和b为校准曲 线常数。

对于磁通量索力测量技术最核心的被测拉索材质、索长以及尺寸 等指标共同组成的磁通量索力测量被测拉索的标定参数的取得，常规 技术是依靠操作员经验提供，极大影响了测量结果的准确性。本专利 不需要提供被测拉索的标定参数。该方法具有自适应性，能够适应不 同工况的测量。

Claims (2)

1.一种力无损原位测量装置，其特征在于：包括数据处理装置、右角度计、右上转动片、右下转动片、右上固定端子、右侧连接架、右中固定端子、右下固定端子、下校准索、上校准索、上磁通量套筒、上右感应单元、上激励单元、上左感应单元、下右感应单元、下激励单元、下左感应单元、下磁通量套筒、左下固定端子、左中固定端子、左上固定端子、左上转动片、左下转动片、左角度计和左侧连接架；

数据处理装置由磁弹仪和计算机组成，数据处理装置输出激励信号，接收感应信号、左角度计、右角度计输出的信号；

右角度计得到右上转动片和右下转动片之间夹角的角度，左角度计得到左上转动片和左下转动片之间夹角的角度，右角度计和左角度计应把角度数据发送到数据处理装置上；

右上转动片一端连接在右角度计上，另一端连接在右上固定端子上；

右下转动片一端连接在右角度计上，另一端连接在右下固定端子上；

右上固定端子、右中固定端子、右下固定端子、左上固定端子、左中固定端子、左下固定端子将穿入的拉索锁紧，使得拉索不会自由移动；

右中固定端子是双半环抱式结构，其中1个固定半环固定在右侧连接架上，另1个活动半环通过螺丝紧固在固定半环上；

左中固定端子是双半环抱式结构，其中1个固定半环固定在左侧连接架上，另1个活动半环通过螺丝紧固在固定半环上；

右侧连接架将右上固定端子、右中固定端子、右下固定端子固定，使右上固定端子、右中固定端子、右下固定端子保持相对静止；

左侧连接架将左上固定端子、左中固定端子、左下固定端子固定，使左上固定端子、左中固定端子、左下固定端子保持相对静止；

上右感应单元，上激励单元，上左感应单元是缠绕在上磁通量套筒上的线圈；下右感应单元、下激励单元、下左感应单元是缠绕在下磁通量套筒上的线圈；

下校准索和上校准索应和被测拉索是同一型号的拉索;

其特征在于：

（1）根据被测拉索的型号选取相同型号的上校准索和下校准索，并将拉索对应的标定曲线输入到数据处理装置中；

（2）将上校准索穿过上磁通量套筒，并将上校准索拉直，左右两端用左上固定端子和右上固定端子固定；将下校准索穿过下磁通量套筒，并将下校准索拉直，左右两端用左下固定端子和右下固定端子固定；

（3）打开左中固定端子和右中固定端子，将被测拉索穿过左中固定端子和右中固定端子并紧固，使得被测拉索在左中固定端子和右中固定端子之间形成一条紧绷的直线；

（4）启动数据处理装置，记录左角度计和右角度计的初始角度值；被测拉索受到张拉；

（5）数据处理装置发出激励信号；

（6）激励信号通过上激励单元，在上校准索上产生磁场；激励信号通过下激励单元，在下校准索上产生磁场；

（7）上左感应单元和上右感应单元分别感应到上校准索产生的磁场，并输出感应信号；下左感应单元和下右感应单元分别感应到下校准索产生的磁场，并输出感应信号；

（8）数据处理装置读取上左感应单元、上右感应单元、下左感应单元和下右感应单元输出的感应信号；

（9）数据处理装置读取左角度计和右角度计输出的角度数据θ1和θ2；

（10）对上左感应单元和上右感应单元输出的感应信号求平均，得到上磁通量C1；对下左感应单元和下右感应单元输出的感应信号求平均，得到下磁通量C2；

（11）计算得到上校准索索力值F01和下校准索索力值F02；

（12）数据处理装置修正上校准索索力值F1=f（θ1）F01和下校准索索力值F2= f（θ2）F02；

（13）计算上校准索索力值和下校准索索力值的平均值，输出被测拉索的索力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：右上固定端子、右侧连接架、右中固定端子、右下固定端子、左上固定端子、左侧连接架、左中固定端子、左下固定端子采用高导磁材料，相对导磁率不低于1000。