CN102016528B

CN102016528B - 张力测量装置

Info

Publication number: CN102016528B
Application number: CN2009801149148A
Authority: CN
Inventors: 塚田和彦; 古川一平; 木户俊朗; 及川雅司
Original assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: CN102016528A; US20100315076A1; EP2273246A4; EP2273246A1; KR101484032B1; KR20110009078A; JP2009265003A; WO2009133812A1; JP5035729B2; ES2739573T3; US8890516B2; EP2273246B1; HK1153265A1

Abstract

本发明公开一种张力测量装置，该张力测量装置即使对绞合线结构的目标对象也能进行具有高灵敏度及较高可再现性的张力测量。围绕作为测量目标对象的长磁性元件(A)的一部分布置的圆筒状磁化器(2)沿纵向将磁性元件(A)直流磁化到接近饱和磁化强度的范围。使用在沿磁畴纵向的中部区域处布置在磁性元件(A)附近的霍尔元件(磁传感器)(4)来检测磁性元件(A)的表面附近的随应力变化而显著不同的空间磁场强度。因此，得到具有高灵敏度及较高可再现性的测量结果。该张力测量装置甚至可用于绞合线结构的目标对象。

Description

张力测量装置

技术领域

本发明涉及一种使用磁性元件的力磁效应来对作用于大长度的磁性元件上的张力进行测量的张力测量装置。

背景技术

对于对诸如悬吊结构的缆索、地锚的张紧构件和运输设备的钢索等长钢构件上的张力进行测量的装置，常常使用液压盘或在中心具有供钢构件穿过的孔的测压元件(应变式、差动变压式)。这些装置布置在锚固件和固定件之间来使用，该锚固件与被待测量对象穿过的卡盘紧固，该固定件连接在目标对象的一端上。因此，必须在安装随后待测量的对象时设置测量装置。传统的测量装置不能用于测量已安装的构件的张力。

通过使用应力测量方法，可以在已安装的长的钢构件的任意位置安装测量装置来进行张力测量，其中应力测量方法利用了在诸如钢等构成的磁性元件上出现的力磁效应(由应力引起磁化强度变化的现象)。一种已知的应力测量方法利用了由应力引起的磁性元件的导磁率的变化。将目标对象磁化到接近饱和磁化强度的范围(磁化特性的磁滞回线封闭的范围；磁性物理学中的术语为“旋转磁化强度范围”)，并且应用了小幅值的交变磁场。测量相对于交变磁场的磁通密度的幅值，以获得用于计算应力的导磁率(参考专利文献1)。已经提出了利用下述现象的另一种方法：当应力导致穿过磁性元件内部的磁通改变时，流向空间的磁通改变。通过对从用于磁化测量对象的永磁体逃逸到与测量物体相对的空间的磁通的密度进行测量来计算应力(参考专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开No.2-245629

专利文献2：日本专利公开No.2006-300902

发明内容

本发明待解决的问题

上述专利文献1中公开的方法的缺点在于：由于与应力变化对应的导磁率变化较小，因而不能获得足够的灵敏度，并且必须限制交变磁场的幅值，从而使磁场强度不会落在接近饱和磁化强度的范围外。此外，由于交变磁场在目标对象的横截面上产生的涡电流影响导磁率和传导率，尤其是基于具有多根绞合细丝的绞合线结构的绞合线和绞索，其测量值容易受涡电流影响，这是因为沿圆周方向的导电率随细丝之间的接触状态而变化的原因。因此，这种方法难于应用。

上述专利文献2中公开的方法具有借助于永磁体进行磁化的目标对象。普通永磁体的规格不能将目标对象磁化到接近饱和磁化强度的范围。因此，以较弱的磁场(磁滞回线未封闭的范围)实现测量。存在下述问题：由于在测量前的磁性和应力的历史影响，不能获得具有较高可再现性的测量结果。

本发明的目的是提供下述的张力测量装置：该张力测量装置即使对绞合线结构的目标对象也能执行具有高灵敏度和较高可再现性的张力测量。

解决问题的方案

为了实现上述目标，本发明的张力测量装置包括：圆筒状磁化器，其围绕长磁性元件的一部分布置，以便沿纵向将磁性元件直流磁化到接近饱和磁化强度的范围；以及磁传感器，其在沿磁畴纵向的中部区域处布置在磁性元件附近，以便检测磁性元件的表面附近的空间磁场强度。基于由磁传感器检测到的空间磁场强度来测量作用于磁性元件上的张力。

也就是说，张力测量装置构造成将作为测量目标对象的长磁性元件的一部分直流磁化到接近饱和磁化强度的范围，检测已磁化位置的表面附近的空间磁场强度，并且根据检测值测量作用于磁性元件上的张力。下面将说明采用这种构造的原因。

图7示出钢丝在纵向上的磁化特性的实例(水平轴线与励磁线圈的电流值对应，并且被不严格地当成是磁场强度)，并且示出了在钢丝上产生的磁化强度(与图中的磁化强度对应的磁通密度)根据应力而不同，换句话说，图7示出了钢丝的力磁效应。因此，当应力在恒定偏磁场下变化时，可以感知应力的变化作为磁通密度的变化。然而，如图7所示，因为诸如钢等磁性元件具有磁滞特性，因此在偏磁场弱并且磁滞回线未封闭的区域内将受到在前磁性和应力的历史影响，以致应力与磁化强度之间的关系没有可再现性。相反，如图8所示，在磁滞回线封闭的区域内(例如在接近饱和磁化强度的范围内)在图7的钢丝上重复地施加的张力变化的情况下，由应力引起的磁化强度变化具有可逆且大致线性的关系。因此，本发明旨在通过将目标对象磁化到接近饱和磁化强度的范围来获得具有较高可再现性的测量结果。

此外，因为在施加上述的交变电场时在目标对象上产生的涡电流将影响测量结果，所以在本发明中通过直流磁化目标对象来抑制涡电流自身的产生。因此，即使对于测量结果容易受涡电流影响的绞合线结构的目标对象，也能实现具有足够可靠性的张力测量。

为了以高灵敏度测量张力，将待磁化目标对象的长度缩短，并且检测在磁化位置的表面附近的空间磁场强度。下面将说明根据这种构造的允许进行高灵敏度测量的机构。

图9示意性地示出了由磁性元件的磁化强度引起的磁场。当沿纵向将具有有限长度的目标对象放置在均匀外磁场H_ex内时，在目标对象上产生磁化强度M。磁化强度M导致在目标对象的两端形成N极和S极，由此沿与外磁场H_ex方向相反的方向形成磁场H_demag(退磁场)。因此，在目标对象上产生的实际磁化强度M与有效磁场H_eff＝H_ex-H_demag对应。可以认为沿目标对象的表面位于纵向中部的空间磁场H_sf基本等于此有效磁场H_eff。尽管退磁场依赖于目标对象的形状，但它与目标对象的磁化强度M成比例。只要确定了几何形状和布置，退磁场的比例因数(反磁场因数)N就为常数(R.M.Bozorth：铁磁学，D.van Nostrand Co.，1951)。可以如图10中所示绘制柱状磁性元件的反磁场因数。

因此，目标对象表面附近的空间磁场H_sf可以由下列等式(1)表示。

H_sf≈H_eff＝H_ex-H_demag＝H_ex-N(M/μ₀) (1)

其中μ₀是真空中的导磁率。当等式(1)中的外磁场为常数(H_ex＝const.)并且磁化强度从M变化到M+ΔM时，有效磁场(即，表面附近的空间磁场)按下列等式(2)表示的值来改变。

ΔH_sf≈ΔH_eff＝(-N/μ₀)ΔM (2)

假定磁化强度的改变值ΔM由应力来产生，只要退磁场因数N不为0，则将在对象表面附近的空间磁场的改变值ΔH_sf中出现应力变化。此外，当反磁场因数N较大时(参考图10，当待磁化位置的长度变短时)，空间磁场的改变值ΔH_sf变得更大。在本文中，本发明关注于：基于具有短磁畴的退磁场H_demag较大的构造，通过获取与应力对应的大空间磁场改变值ΔH_sf来实现高灵敏度的张力测量。磁畴的长度理想地设置成与目标对象的直径的比率等于或小于3。随着磁畴的长度与目标对象的直径的比例变大，反磁场因数N将变小，进而测量灵敏度变低(例如，当此比率为5时的反磁场因数N变成当比率为3时的反磁场因数的大约1/2倍)。如果比率超过3，将难以得到可适于实际使用的足够的灵敏度。

磁传感器理想地布置在圆筒状磁化器的内周侧。当磁传感器靠近磁性元件的表面放置时，由磁传感器得到的空间磁场H_sf的测量值将适当地反映有效磁场H_eff的状态，该有效磁场H_eff在退磁场H_demag的影响下变化很大。因此，可以提高张力测量的灵敏度和精度。

通过选择具有至少一对永磁体的磁化器，该永磁体沿磁性元件的纵向间隔并且以相反磁极彼此相对，可以使构造与借助于线圈磁化磁性元件的构造相比而言简单且小巧。可以省去外部电源，减少了对测量位置的限制。此外，通过沿周向将磁化器分成多个部分，可以便于相对于已安装的磁性元件的安装及更换。此外，可将霍尔元件用作磁传感器。

在磁性元件采用具有多根绞合细线的绞合线结构的情况下，优选沿磁性元件的周向布置多个磁传感器，并且将多个磁传感器的输出平均值用作空间磁场强度的检测值。因此，可以减小由依赖于磁传感器的安装位置的与绞合线的距离变化引起的测量误差，以便提高测量精度。

通过上述的构造，允许在沿纵向的任意位置处对目标对象进行测量。此外，因为允许以非接触方式对目标对象进行测量，因此本发明甚至可用于目标对象移动的情况。由于利用了磁性元件的固有性质，因此测量中无需使用特殊材料。本发明适用于任何磁性元件。

本发明的效果

因为本发明的张力测量装置构造成将作为测量目标对象的长磁性元件的一部分直流磁化到接近饱和强度的范围，检测磁性元件的表面附近的随应力变化而显著不同的空间磁场强度，以及根据检测值测量作用于磁性元件上的张力，所以可以获得具有高灵敏度和较高可再现性的测量结果。所述张力测量装置甚至可用于具有绞合线结构的目标对象。

附图说明

图1是根据实施例的张力测量装置的示意性竖直横截面正视图。

图2示出了图1的磁化器，其中(a)是竖直横截面正视图而(b)是(a)的侧视图。

图3是说明图1的测量装置的性能验证实验的视图。

图4的(a)和(b)各示出图3的性能验证实验的结果的曲线图。

图5是示出图1的测量装置的示例性用途的竖直横截面正视图。

图6是说明图1的测量装置的另一种示例性用途的示意图。

图7是示出钢丝的磁化特性实例的曲线图。

图8是示出由图7的钢丝的应力而引起的磁化强度变化的曲线图。

图9是由磁性元件的磁化强度产生的磁场的示意图。

图10是示出圆柱杆的尺寸比例与反磁场因数之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面将基于图1至图6来说明本发明的实施例。如图1所示，本实施例的张力测量装置1主要包括：圆筒状的磁化器2，其围绕长磁性元件A布置；分隔件3，其插入磁化器2和磁性元件A之间；霍尔元件4，其用作检测磁性元件A表面附近的空间磁场强度的磁传感器；以及放大器5，其放大霍尔元件4的输出。

如图2的(a)和(b)中所示，磁化器2包括四块永磁体7，该永磁体7构造成部分圆筒的形状，并通过粘合剂固定到圆筒状钢制磁轭6的内圆周的两端。覆盖在各个永磁体7的外端面上的盖8安装在磁轭6的两端面上。磁轭6被分为均呈半圆筒状的两个磁轭件6a和6b，通过将多个销9从被分割的磁轭件的一面插入磁轭件6a和6b并且将多个螺栓10从一个磁轭件6a的外侧旋进另一个磁轭件6b来将磁轭件6a和6b设置为一体。各个磁轭件6a和6b上均设有一对永磁体7。构成一对的两个永磁体7沿磁性元件A的纵向彼此间隔设置，并且以不同的磁极彼此相对。永磁体7用来在纵向上的小范围内将磁性元件A直流磁化到接近饱和磁化强度的范围。

分隔件3由非磁性的聚乙烯制成，与磁化器2一样被沿周向分成两部分。分隔件3通过粘合剂固定于各个永磁体7的内圆周侧上，以避免永磁体7与磁性元件A之间的接触。另外，分隔件3具有以与磁轭6的内圆周表面相对的方式安装在外圆周侧上的多个霍尔元件4和放大器5。

霍尔元件4在磁化器2的内圆周侧上的一对永磁体7的中点处(例如，在磁性元件A的磁畴纵向的中部区域附近)沿周向等间距地布置。将通过放大器5放大的各个霍尔元件4的输出发送到数据处理器(未示出)。将该输出的平均值作为磁性元件A的表面附近的空间磁场强度，该磁场强度用于测量作用在磁性元件A上的张力。

进行了验证张力测量装置1的测量性能的实验。如图3所示，在此实验中，将环氧绞合线(涂布有环氧树脂且直径为15.2mm的PC钢绞线)12作为长磁性元件设置在立式张力试验机11上。将张力测量装置1安装在张力加载区域的中部。根据下述两组加载条件来重复施加载荷。将测压元件13和张力测量装置1的输出经数据记录器14输送至计算机15，并且计算二者的输出之间的关系。

<加载条件1>

●加载重量：21.6至156kN

●加载方法：手动

●重复次数：5次

<加载条件2>

●加载重量：21.6至200kN

●加载方法：0.002Hz的正弦波形

●重复次数：10次

在图4的(a)和(b)中分别示出了加载条件1和2下的实验结果。尽管存在轻微的磁滞，但由测压元件13检测的载荷和由张力测量装置1检测的磁场强度基本呈现出线性关系。由磁滞引起的变化至多约为5％。已验证测量性能可以用于实际使用。

张力测量装置1具有上述的构造和性能，并且将待成为测量目标对象的长磁性元件的一部分直流磁化到接近饱和磁化强度的范围。得到了具有较高可再现性的结果。在目标对象上没有生成涡电流。张力测量装置1可用于绞合线结构的目标对象，该绞合线结构的测量结果易于在涡电流的影响下变化。由于缩短了磁畴以增加在目标对象内产生的退磁场，因此可以通过获得与应力对应的空间磁场的巨大改变而实现高灵敏度的张力测量。

因为将永磁体7用作对目标对象进行磁化的磁化器2，所以与使用线圈相比可以使构造变得简单和小巧。此外，对测量位置的限制低。由于将设置于内圆周上的磁化器2和分隔件3沿周向分成两部分，因此不必在安装目标对象的同时安装测量装置。可以容易地对已经安装好的构件进行安装和更换。

此外，因为将沿磁性构件的周向等间距地布置的多个霍尔元件4的输出平均值用作空间磁场强度的检测值，所以在具有下述绞合线结构的磁性元件的测量中误差较小：在该绞合线结构中，绞合线和霍尔元件4之间的距离根据霍尔元件4的安装位置而变化。可以保证测量精度。

图5示出了上述实施例的张力测量装置1的示例性用途。在此实例中，对PC绞合线(PC钢绞线)17的张力进行测量，该PC绞合线用作张紧构件以将斜坡G上的锚定板16固定在安装在斜坡上的地锚内。将PC绞合线17一端插入地面并由水泥浆19固定，而另一端的一部分穿过防蚀管18。安装在PC绞合线17的另一端的末端上的固定件20隔着两层分隔件21和22向斜坡G按压锚定板16以进行固定。张力测量装置1安装在防蚀管18中的PC绞合线17上。

图6示出了本实施例的张力测量装置1的另一用途的实例。在此用途实例中，测量吊桥的悬索23的张力。吊桥具有系在多个桥墩24上的主缆索25。通过多个悬挂在主缆索25上的悬索23来悬吊桥梁26。张力测量装置1沿纵向安装在一条悬索23的中部附近。

对于诸如悬吊结构的缆索或运输设备的钢缆等暴露在外的元件，可以在目标对象处于已安装状态下的任何时侯安装张力测量装置1以进行测量。在新安装作为测量对象的目标对象时安装张力测量装置的情况下，待安装在张力测量装置的内圆周处的磁化器和分隔件不必沿圆周方向分开。这些构件可以从目标对象的末端穿过。

应该理解的是，本文所公开的实施例在各方面而言是说明性的而非限制性的。通过各项权利要求而非以上的说明限定本发明的范围，并且本发明的范围旨在囊括发明范围内的任何变型以及与各项权利要求等同的内容。

例如，尽管优选使用诸如上述实施例中提及的永磁体作为磁化器，但也可以用线圈实现直流磁化。此外，磁传感器不限于霍尔元件，也可以是能够检测磁场强度的霍尔IC等。此外，目标对象包括由磁性元件形成的任何杆状元件、单线金属线元件、绞合(单丝线)式元件，以及缆索(多丝金属线)。

工业实用性

本发明的张力测量装置不仅能用于静态张力测量，而且能用于动态张力测量。例如，在上述地锚和吊桥中，不仅可以测量施加在PC绞合线和缆索上的张力的长期变化，而且可以测量当发生地震等情况时所引起的瞬时张力变化。

附图标记的描述

1 张力测量装置

2 磁化器

3 分隔件

4 霍尔元件

5 放大器

6 磁轭

6a、6b 磁轭件

7 永磁体

11 张力试验机

12 环氧绞合线

13 测压元件

16 锚定板

17 PC绞合线

18 防蚀管

19 水泥浆

20 固定件

23 悬索

24 桥墩

25 主缆索

26 桥梁

A 磁性元件

Claims

1.一种张力测量装置，包括：

圆筒状的磁化器，其围绕长的磁性元件的一部分布置，以便沿纵向将所述磁性元件直流磁化到接近饱和磁化强度的范围，以及

磁传感器，其在沿磁畴纵向的中部区域处布置在所述磁性元件附近，以便检测所述磁性元件的表面附近的空间磁场强度，

所述张力测量装置构造成基于由所述磁传感器检测到的空间磁场强度来测量作用于所述磁性元件上的张力。

2.根据权利要求1所述的张力测量装置，其中，

所述磁传感器布置在所述磁化器的内周侧。

3.根据权利要求1所述的张力测量装置，其中，

所述磁化器包括至少一对永磁体，所述一对永磁体以不同磁极彼此相对，并且沿所述磁性元件的纵向间隔。

4.根据权利要求3所述的张力测量装置，其中，

所述磁化器被沿周向分成多个部分。

5.根据权利要求1所述的张力测量装置，其中，

霍尔元件用作所述磁传感器。

6.根据权利要求1所述的张力测量装置，其中，

所述磁性元件采用具有多根绞合细线的绞合线结构，

多个所述磁传感器沿所述磁性元件的周向布置，并且

来自多个所述磁传感器的平均输出被用作所述空间磁场强度的检测值。