CN102175359B - 钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法，通过在钢索/杆索身/杆身上绕制或穿套单个螺管线圈，利用钢索或杆材料的磁特性，以其作为磁芯，构建成特殊的螺管式电感传感器，由此获知因钢索/杆构件应力变化引起的电感值变化，进而得知钢索/杆构件应力的变化，其与传统的磁性监测方法相比，没有采用专门的激励线圈，传感装置的制作相对简单，也较易维护更新，省时省力，节约了人力成本；根据上述方法研制出的钢索/杆构件应力的单线圈无源式磁性监测装置结构紧凑，使用方便，具有良好的推广应用价值。

Description

钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法及装置

技术领域

本发明涉及结构监测领域，特别涉及一种用于钢索/杆应力测量的没有外部激励线圈的磁性监测方法，还涉及一种磁性检测装置。 

背景技术

钢索/杆因具有柔性大、强度高、使用方便等优点，其作为主要的承力和传力构件大量应用于各种大型结构及建筑，如斜拉桥、悬索桥、缆车索道、世博轴、机场、大剧院、大型体育馆等。在实际使用过程中，往往因交变应力、腐蚀、风致振动等影响，钢索/杆构件局部发生疲劳老化，由此引起的钢丝腐蚀及断裂会直接体现在钢索/杆应力上；大型结构及建筑整体也会发生变异与老化，由其引起的整体线型、内力分布变化最终也都会在钢索/杆应力上得到间接集中表现；也就是说，钢索/杆应力不仅直接反映了钢索/杆自身的安全状况，也间接地反映了整体结构的安全状况。一旦钢索/杆构件断裂，由其引发的故事将危机人们的生命和财产安全，造成不可估量的损失。因此，对在役钢索/杆构件进行应力监测是非常必要的。 

目前，国内外一直在寻求一种能实时监测、长使用寿命、对结构本身无损、操作简单方便、既适应已建结构又适应在建结构的钢索/杆构件应力监测方法。目前已存在的方案主要有四种：振频法、压力 传感器法、智能缆索技术和磁性方法： 

(1)振频法(也称频率法)：利用索力与频率的关系，通过测量索的振动频率来间接计算出索力。相对而言，它是最为成熟的一种方法，传感器安装维护方便、使用简单。但是索在张紧状态下其自由振动方程的解要受缆索的长度、密度、垂度、斜度等多个边界条件影响，由于索的边界条件实际上是介于铰支和固支之间，因此索的不同边界条件其计算结果差异很大，导致这种方法的监测精度较低，特别是索长度较短时(小于40米)即杆件，测量误差更大。此外，当采用外部环境随机激励时(比如风，车载等)，人工自动求解钢缆索的自振频率也是有极大困难的，除非采取人工激励和人工识别方法求出缆索振动的基频，从而得到索力。然而，从结构健康长期监测角度来看，必须依赖外部环境随机激励来激发索振动，再对振动信号利用基频自动识别软件进行分析处理，获取基频信号，但难度太大，效果不理想，且不能进行实时监测。该方法有较大的局限性。 

(2)压力传感器法：利用各种原理的力传感器构成压力环式锚头索力传感器，通过测量锚头的压力来反映缆索索力，测量精度高。传感器必须套在锚头中，因此它只能在索安装时就事先安装好，且必须针对每个拉索锚头的具体结构进行每个传感器的结构设计，其制造成本高、安装工艺复杂，只适应正在安装的缆索，不能适应已经投入使用的杆索。另外传感器一旦安装到位，就永久性地承受杆索的交变压力，且没有任何喘息恢复的机会，传感器寿命较短，且损坏之后无法更换，不能达到应力长期监测的要求，也不适应已建结构。 

(3)智能缆索技术：将耐高温高压的大量程光纤光栅传感器在杆索制作的过程中植入至钢索/杆锚杯或连接筒，使钢索/杆具有应力自感知的功能。由于在杆索制作过程中植入光纤光栅传感器，干扰了钢索/杆正常的制作工艺，协调不好就会耽误工期，且光纤光栅传感器成活率不高；在智能缆索使用过程中，光纤光栅传感器如压力传感器一样，时时处于工作状态，承受交变应力，极易疲劳失效，传感器失效后无法更换，不适合长期监测，也不适应已建结构。虽然目前已提出一些技术来提高传感器的成活率及其使用寿命，但仍是一个难点。 

(4)磁性方法：当钢索/杆受到的应力变化时，此材料的磁畴方向和畴壁大小都将发生变化，导致材料的磁性参数(磁感应强度、磁导率)变化，通过测量某磁性参数而获知应力。目前已有的方法为双线圈和多线圈的磁通测量方式，通过测量磁感应强度来获知应力。在钢索/杆索身/杆身位置绕制同轴的激励线圈和感应线圈形成套筒式双线圈方法，或者在钢索/杆索身/杆身位置绕制激励线圈，在轭铁制作的旁路上绕制感应线圈形成单旁路式双线圈方法和双旁路式多线圈方法。激励线圈为缆索提供一个激励磁场，而感应线圈根据电磁感应定律测量钢缆索磁感应强度的变化，经积分后从而得出应力。在应力测量过程中，传感器本身不受力，很难被损坏，使用寿命长；但传感装置制作繁琐，后续信号处理复杂，操作使用不便，测量灵敏度低。图1为一种典型的采用套筒式双线圈进行磁性监测的方法示意图，图2为一种典型的磁性应力监测传感器的结构示意图。 

综上所述，在上述的四种方法中，磁性方法满足应力实时长期监测的需求，不仅可以实时监测，且具有较长的理论使用寿命，既适应已建结构又适应在建结构，对结构本身无损，是最具潜力的一种方法。只要解决磁性方法的不足，它将具有广泛的应用前景。 

发明内容

有鉴于此，针对目前磁性方法的缺陷，本发明的目的之一是提出一种新的钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法，目的之二是提出一种钢索/杆构件应力的无源式磁性监测装置，以有效解决传感装置制作及其安装维护、信号处理、操作使用、测量灵敏度等问题。 

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的： 

该钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法，是通过在钢索/杆索身/杆身上绕制或穿套单个螺管线圈，由于钢索/杆是铁磁性材料，就形成了螺管式电感传感器，通过测量螺管式电感传感器的电感值输出，则可获知钢索/杆材料磁导率的变化，进而得知钢索/杆构件应力的变化。 

进一步，所述螺管式电感传感器的电感值L与钢索/杆构件应力σ之间的线性关系如下式所示： 

$L=N^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\π}{r}_c^2}{l}(\mathrm{k\σ}+C_0)+N^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\π}{r}^2-\mathrm{\π}{r}_c^2)}{l}=C_1\mathrm{\σ}+C_2$

式中， 

C₁＜0， 

式中各符号代表的含义为： 

N为螺管线圈的线圈圈数，R为磁阻，μ₀为真空磁导率，是绝对磁导率μ与相对磁导率μ_r的比值，l为螺管式电感传感器的长度，r_c 为钢索/杆的径向半径，r＝(螺管线圈的径向内径+螺管线圈的径向外径)/2； 

其中，c为与弹性能相关的可逆系数，H为外加磁场，M_a＝M_rev/c+M_irr，M_rev为可逆磁化强度，M_irr为不可逆磁化强度； 

其中，ξ为与弹性能相关的尺寸常数，E为弹性模量。 

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的： 

该钢索/杆构件应力的无源式磁性监测装置，包括螺管线圈、电感测量仪和控制主机； 

所述螺管线圈通过绕制或穿套在钢索/杆的索身或杆身上，形成螺管式电感传感器，所述电感测量仪与螺管式电感传感器相连接，并将测得的螺管式电感传感器在外力作用下的电感值输出至控制主机，所述控制主机根据实时测得的电感值计算钢索/杆构件应力的变化。 

进一步，所述磁性监测装置还包括与控制主机相连接的显示器。 

本发明的有益效果是： 

1.本发明的方法和装置是通过在钢索/杆索身/杆身上绕制或穿套单个螺管线圈，由于钢索/杆是铁磁性材料，而形成了螺管型电感传感器，其与传统的磁性监测方法相比，没有采用专门的激励线圈，即采用单线圈无源式测量，无源传感装置的制作相对简单，也较易维护更新，省时省力，节约了人力成本； 

2.本发明的装置结构紧凑，信号处理简单，操作使用方便，相对于采取传统监测方法的磁性检测装置来说，其测量灵敏度更高，安装维护也更为方便。 

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说 明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中： 

图1为现有的采用套筒式双线圈进行磁性监测的方法示意图； 

图2为现有的磁性应力监测传感器的结构示意图； 

图3为本发明的装置连接示意图； 

图4为螺管线圈与钢索/杆的组合结构示意图； 

图5为通过本发明的装置取得的应力与电感值曲线关系图； 

图6为通过现有装置取得的应力与电感值曲线关系图。 

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图3所示。本发明的钢索/杆构件应力的无源式磁性监测装置，包括螺管线圈1、电感测量仪2和控制主机3； 

如图4所示，螺管线圈1通过绕制或穿套在钢索/杆4的索身或杆身上，形成螺管式电感传感器，电感测量仪2与螺管式电感传感器相连接并在控制主机3的控制下，将测得的螺管式电感传感器在外力 作用下的电感值输出至控制主机，控制主机3根据实时测得的电感值计算钢索/杆构件应力的变化。作为进一步的改进，为了更为直观地观察应力变化情况和操作，磁性监测装置还包括与控制主机相连接的显示器。 

该装置主要由传感器、电感测量仪和控制主机三部分组成，控制主机通过程序控制电感测量仪实时记录、处理并保存传感器在外力作用下的输出值。测量时，无需专门的激励信号，无复杂的信号处理过程，操作使用方便。 

本实施例中，电感测量仪采用常州同惠生产的TH2776B电感测量仪，TH2776B电感测量仪可提供最快20次/秒的测量速度、50Hz-100kHz十点测试频率、三种常用典型测试电平、5位读数分辨率、两种源内阻选择和强大的测试功能以及功能齐备、成熟而又完善的HANDLER接口、RS232C接口以及可选的IEEE488(GPIB)接口，可灵活方便地组成自动测试系统和计算机远程操作及数据统计。 

本发明的钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法，是通过在钢索/杆索身/杆身上绕制或穿套单个螺管线圈，由于钢索/杆是铁磁性材料，就形成了螺管式电感传感器，通过测量螺管式电感传感器的电感值输出，则可获知钢索/杆材料磁导率的变化，进而得知钢索/杆构件应力的变化。 

其原理在于：当钢索/杆受外力作用时，材料的磁畴方向和畴壁大小都发生变化，直接导致磁化强度变化，磁性参数——磁导率也随着变化，利用磁导率与电感值的关系，通过测量螺管型电感传感器的电感值输出，则可获知钢索/杆材料磁导率的变化，进而得知应力的变化。该过程可概括为σ→μ→L。 

具体传感原理如下： 

一、σ→μ 

通过考虑与应力相关的无磁滞磁化强度Ma和基于能量基础的磁机械效应方法定律建立磁化强度与应力的关系模型，进而推导出磁导率与应力的关系表达式。当钢索/杆受外力作用时，材料的磁畴方向和畴壁大小都发生变化，直接导致磁化强度M变化，，磁性参数——磁导率M也随着变化。铁磁性材料的磁化强度与外加磁场H、温度T和应力σ有关，即M＝f(H，T，σ)： 

$\left(1\right),M=\∫\frac{\∂M}{\∂H}\mathrm{dH}+\∫\frac{\∂M}{\∂T}\mathrm{dT}+\∫\frac{\∂M}{\∂\mathrm{\σ}}\mathrm{d\σ}$

当外加磁场和温度为恒定值时，即dM/dH＝dM/dT＝0，则M可简化为 

基于畴壁理论，磁化强度M可定义为弹性能引起的可逆磁化强度M_rev和不可逆磁化强度M_irr之和： 

M＝M_rev+M_irr

(2) 

由磁机械效应可知： 

M_rev＝c(M_a-M_irr) 

(3) 

$\left(4\right),\frac{\∂M_{\mathrm{irr}}}{\∂W}=\frac{1}{\mathrm{\ξ}}(M_a-M_{\mathrm{irr}})$

式中，C为与弹性能相关的可逆系数，ξ为与弹性能相关的尺寸常数，W为应力引起材料畴壁运动的弹性能，W＝σ²/2E。 

将W＝σ²/2E代入式(4)中，可得： 

$\left(5\right),\frac{\∂M_{\mathrm{irr}}}{\∂\mathrm{\σ}}=\frac{1}{\mathrm{E\ξ}}(M_a-M_{\mathrm{irr}})$

联立式(2)、(3)、(5)，可得： 

$\frac{\∂M}{\∂\mathrm{\σ}}=\frac{\∂M_{\mathrm{irr}}}{\∂\mathrm{\σ}}+\frac{\∂M_{\mathrm{rev}}}{\∂\mathrm{\σ}}=(1-c)\frac{1}{\mathrm{E\ξ}}(M_a-M_{\mathrm{irr}})+c\frac{\∂M_a}{\∂\mathrm{\σ}}---\left(6\right)$

则： 

$\left(7\right),M=\∫\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{d\σ}}\mathrm{d\σ}=(1-c)\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{E\ξ}}(M_a-M_{\mathrm{irr}})+{\mathrm{cM}}_a$

由磁化率χ与磁化强度关系：χ＝M/H以及磁化率χ与相对磁导率μ_r的关系：χ＝μ_r-1可得： 

$\left(8\right),{\mathrm{\μ}}_r=\frac{M}{H}+1=(1-c)\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{E\ξ}}(\frac{M_a}{H}-\frac{M_{\mathrm{irr}}}{H})+c\frac{M_a}{H}+1=\mathrm{k\σ}+C_0$

式中， 

k＜0， 

二、μ→L 

由电感的基本理论可知，电感值L为： 

$\left(9\right),L=\frac{N^2}{R}=N^2\frac{\mathrm{\μS}}{l}$

式中，N为线圈圈数，R为磁阻，μ为绝对磁导率，μ＝μ₀μ_r，S为面积，l为长度。 

由图4可知，螺管式电感传感器的电感值L可表示为： 

$L=N^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{\π}{r}_c^2}{l}+N^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\π}{r}^2-\mathrm{\π}{r}_c^2)}{l}---\left(10\right)$

将式(8)带入式(10)中，可得： 

$L=N^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\π}{r}_c^2}{l}(\mathrm{k\σ}+C_0)+N^2\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\π}{r}^2-\mathrm{\π}{r}_c^2)}{l}=C_1\mathrm{\σ}+C_2---\left(11\right)$

式中， C₁＜0， 

具体试验比较 

按照图3搭建试验系统，将钢索/杆预拉几次后进行应力试验。每加载恒定应力值后，记录传感器输出，其应力与电感值曲线如图5所示(图5是由计算机通过软件程序控制电感测量仪传回数据，然后绘制而成的图形)。而采用如图1和图2所示的传统磁性方法和装置针对同一对象进行实验的结果如图6所示。从图上可以看出，本发明的装置测量灵敏度为0.0039，比传统磁性方法提高了约4倍。 

经多次试验研究表明，此系统具有很好的稳定性和重复性。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (3)

1.钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法，其特征在于：通过在钢索或杆身上绕制或穿套单个螺管线圈，由于钢索/杆是铁磁性材料，就形成了螺管式电感传感器，通过测量螺管式电感传感器的电感值输出，则可获知钢索/杆材料磁导率的变化，进而得知钢索/杆构件应力的变化；

所述螺管式电感传感器的电感值L与钢索/杆构件应力σ之间的线性关系如下式所示：

  

式中各符号代表的含义为：

N为螺管线圈的线圈圈数，R为磁阻，μ₀为真空磁导率，是绝对磁导率μ与相对磁导率μ_r的比值，

为螺管式电感传感器的长度，r_c为钢索/杆的径向半径，r=（螺管线圈的径向内径+螺管线圈的径向外径）/2；

， 其中，C为与弹性能相关的可逆系数，H为外加磁场，

，Mrev为可逆磁化强度，Mirr为不可逆磁化强度；

，其中，ξ为与弹性能相关的尺寸常数，E为弹性模量。

2.钢索/杆构件应力的无源式磁性监测装置，其特征在于：所述磁性监测装置包括螺管线圈、电感测量仪和控制主机；

所述螺管线圈通过绕制或穿套在钢索/杆的索身或杆身上，形成螺管式电感传感器，所述电感测量仪与螺管式电感传感器相连接，并将测得的螺管式电感传感器在外力作用下的电感值输出至控制主机，所述控制主机根据实时测得的电感值，根据电感值L与钢索/杆构件应力σ之间的线性关系计算钢索/杆构件应力的变化；

所述螺管式电感传感器的电感值L与钢索/杆构件应力σ之间的线性关系如下式所示：

式中各符号代表的含义为：

N为螺管线圈的线圈圈数，R为磁阻，μ₀为真空磁导率，是绝对磁导率μ与相对磁导率μ_r的比值，

为螺管式电感传感器的长度，r_c为钢索/杆的径向半径，r=（螺管线圈的径向内径+螺管线圈的径向外径）/2；

， 其中，C为与弹性能相关的可逆系数，H为外加磁场，

，Mrev为可逆磁化强度，Mirr为不可逆磁化强度；

，其中，ξ为与弹性能相关的尺寸常数，E为弹性模量。

3.根据权利要求2所述的钢索/杆构件应力的无源式磁性监测装置，其特征在于：所述磁性监测装置还包括与控制主机相连接的显示器。

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