CN102628720A - 一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，包括：电磁传感单元、与电磁传感单元相连的信号采集单元和与信号采集单元相连的信号处理单元，电磁传感单元由一个或两个电磁传感器构成；电磁传感器包括一永磁体，永磁体上绕制有感应线圈，感应线圈与信号采集单元相连。本发明通过电磁传感单元与拉索非接触感应，不受拉索表面防腐层及PE保护管的影响；电磁传感单元设计简单，价格低廉，且测量精度高；同时本发明不需要外部电源驱动，信号采集处理设备简单方便，适用于现场测量，且不受环境温度、湿度等因素影响。

Description

一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置

技术领域

本发明属于桥梁工程测量技术领域，具体涉及一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置。

背景技术

拉索是梁-索组合桥梁结构重要的传力及受力构件，如斜拉桥中的斜拉索，梁拱组合桥梁中的吊杆及悬索桥的悬吊杆等。拉索索力的精确测量不仅是该类桥梁施工监控的重要环节，而且对后期桥梁养护管理与健康监测也起着非常重要的作用。

目前国内外工程应用中，拉索索力常用的测量方法有油压表测定法、压力传感器标定法及频率法。油压表测定法适用于施工阶段进拉索张拉索力标定，此时通过油压表控制油压千斤顶是比较方便的，但该方法只适用于施工阶段索力测定。传感器标定法是在锚具下预埋应力传感器，通过传感器应变读数计算索力，但该类传感器成本较高，而且在温度和湿度影响下长期稳定性也是不容忽视的问题。成桥后的拉索索力测量一般采用频率法，频率法测量索力精度高、适合长期观测。

目前振动频率法测索力一般采用加速度传感器。此方法将加速度传感器固定于拉索表面拾取拉索的振动信号，再对信号频谱分析获取拉索固有频率，然后通过拉索频率与索力力学方程计算出拉索的索力。但是使用加速度传感器测拉索频率有以下几方面的缺点：(1)传感器成本高，数据采集设备复杂；(2)对于套有PE保护管的拉索，PE管与拉索之间存在间隙，由于无法将加速度传感器直接固定在拉索表面而应用受到限制；(3)大跨桥梁主梁刚度相对小，桥面横向、竖向振动明显，因此加速度拾取的信号是拉索振动与桥面振动耦合效应，测试精度受到影响。

光纤光栅是近几十年发展最为迅速的一种新型全光纤无源器件，以光纤光栅为传感元件研制的应变传感器，具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射干扰等优点；克服了传统电类传感器长期稳定性差以及信号传输距离短的缺点，能够实现张力结构缆索状态的实时监测。并且多个光纤光栅还可以组成准分布式传感系统，采用一根光缆就可以实现准分布式测量。

公开号为CN101526409的中国专利公开了一种基于光纤应变传感的测力技术，其将光纤应变传感元件预埋入钢缆索的锚固区内，通过测量光纤应变传感元件的应变量实现对钢缆索索力的测量；但光纤应变传感器测量精度受环境温度，湿度影响大，需要安装温度补偿传感器进行温度修正，对数据采集和传输设备要求高，整个测量系统成本高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，不受环境因素所影响，测量精度高，成本低。

一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，包括：

电磁传感单元，用于感应拉索在环境激励下的横向振动，并产生感应电动势；

信号采集单元，用于采集所述的感应电动势；

信号处理单元，接收信号采集单元采集到的感应电动势，并拾取感应电动势的频率，进而根据所述的频率计算出拉索索力。

所述的电磁传感单元由一个或两个电磁传感器构成；所述的电磁传感器包括一永磁体，所述的永磁体上绕制有感应线圈，所述的感应线圈与信号采集单元相连。

优选的技术方案中，若所述的电磁传感单元由一个电磁传感器构成，则该电磁传感器通过固定支架固定于拉索一侧；若所述的电磁传感单元由两个电磁传感器构成，则两个电磁传感器通过固定支架分别固定于拉索两侧，且两个电磁传感器与拉索的间距相等；能够使得两个电磁传感器磁阻相等，进而提高电磁传感器的灵敏度，可有效消除零点残余电压。

优选的技术方案中，所述的电磁传感单元由两个电磁传感器构成；其中，第一电磁传感器的感应线圈的一端与第二电磁传感器的感应线圈的一端相连，第一电磁传感器的感应线圈的另一端和第二电磁传感器的感应线圈的另一端均与信号采集单元相连。采用由两个电磁传感器构成的差动式电磁传感单元相对于采用单个电磁传感器的，灵敏度和线性度都有明显改善，可部分消除拉索垂直传感器方向振动的影响。

优选的技术方案中，所述的永磁体为U型永磁体，所述的U型永磁体两端设有感应探头；感应探头可减少端部漏磁，提高感应线圈的电感值。

优选的技术方案中，所述的固定支架上设有调距部件；能够通过调整电磁传感器与拉索的间距，保证电磁传感器的灵敏度。

优选的技术方案中，所述的感应线圈通过绕线管绕制于永磁体上；可有效保护感应线圈免受损坏。

所述的信号处理单元根据公式T＝4ml²f²计算索力；其中：T为索力，m为拉索单位长度的质量，f为拉索基频，即等于感应电动势的基频，感应电动势的基频为感应电动势频率中的第一个频率值(频率值最低)，其可从感应电动势的频谱图中识别，l为拉索计算长度，其长度值由拉索的几何长度和拉索的锚固约束条件决定。

优选的技术方案中，所述的信号处理单元连接有人机界面单元；能够实时显示拉索的索力信息，并方便用户对信号处理单元进行参数设置。

所述的信号处理单元为DSP。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明通过电磁传感单元与拉索非接触感应，不受拉索表面防腐层及PE保护管的影响；

(2)本发明的电磁传感单元设计简单，价格低廉，且测量精度高；

(3)本发明不需要外部电源驱动，信号采集处理设备简单方便，适用于现场测量，且不受环境温度、湿度等因素影响。

附图说明

图1为本发明装置的结构及应用示意图。

图2为本发明电磁传感单元一种实例的结构及应用示意图。

图3为本发明电磁传感单元另一种实例的结构及应用示意图。

图4为本发明电磁传感单元另一种实例的结构及应用俯视图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其测量原理进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，包括：电磁传感单元、信号采集单元、信号处理单元和人机界面单元；其中：

如图2所示，电磁传感单元用于感应拉索在环境激励下的横向振动，并产生感应电动势；其由一个电磁传感器构成，该电磁传感器通过固定支架5固定于拉索一侧；电磁传感器包括一U型永磁体1，U型永磁体1上套有绕线管4，绕线管4上绕制有感应线圈2，U型永磁体1两端均设有感应探头3，感应线圈2的两端与信号采集单元相连。

本实施例中，U型永磁体采用合金永磁体；合金永磁材料矫顽力大，磁能体高，永久性好，体积小，其磁场强度比传统磁铁提高了近20倍；合金永磁材料另一优点是机械性能好，可以切割成需要的形状。

绕线管选用铝质的弱磁性材料。

感应线圈采用铜质漆包线，均匀细密绕制在绕线管上；由于在环境振动下，拉索振动幅值很小，为提高感应电动势幅值，应降低线圈电阻，选择较粗的导线，故选择直径0.06～0.1mm的漆包线，匝数在3000～5000匝左右。

感应探头选用导磁率高，漏磁小的硒钢加工而成。

信号采集单元与电磁传感单元相连，其用于采集感应线圈两端产生的感应电动势；本实施例中，信号采集单元采用型号为RS-1161(深圳诺顺)的模块电路。

信号处理单元与信号采集单元相连，其接收信号采集单元采集到的感应电动势，并拾取感应电动势的频率，进而根据频率计算出拉索索力。本实施例中，信号处理单元采用美国TI公司型号为TMS320C2812的DSP芯片。

人机界面单元与信号处理单元相连，其用于根据用户的指令对信号处理单元进行参数设定，并实时显示拉索的索力信息。本实施例中，人机界面单元采用型号为6AV66420AA110AX0(西门子)的产品。

实施例2

如图1所示，一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，包括：电磁传感单元、信号采集单元、信号处理单元和人机界面单元；其中：

如图3和图4所示，电磁传感单元用于感应拉索在环境激励下的横向振动，并产生感应电动势；其由两个电磁传感器构成，两个电磁传感器通过固定支架5分别固定于拉索两侧，固定支架5上设有调距螺栓6；电磁传感器包括一U型永磁体，U型永磁体上套有绕线管4，绕线管4上绕制有感应线圈，U型永磁体两端均设有感应探头；

感应线圈21的一端与感应线圈22的一端相连，感应线圈21的另一端和感应线圈22的另一端均与信号采集单元相连；感应探头31与拉索的间距等于感应探头32与拉索的间距。

本实施例中，U型永磁体采用合金永磁体；合金永磁材料矫顽力大，磁能体高，永久性好，体积小，其磁场强度比传统磁铁提高了近20倍；合金永磁材料另一优点是机械性能好，可以切割成需要的形状。

绕线管选用铝质的弱磁性材料。

感应线圈采用铜质漆包线，尽量均匀细密绕制在绕线管上；由于在环境振动下，拉索振动幅值很小，为提高感应电动势幅值，应降低线圈电阻，选择较粗的导线，故选择直径0.06～0.1mm的漆包线，匝数在3000～5000匝左右。

感应探头选用导磁率高，漏磁小的硒钢加工而成。

信号采集单元与电磁传感单元相连，其用于采集感应线圈两端产生的感应电动势；本实施例中，信号采集单元采用型号为RS-1161(深圳诺顺)的模块电路。

信号处理单元与信号采集单元相连，其接收信号采集单元采集到的感应电动势，并拾取感应电动势的频率，进而根据频率计算出拉索索力。本实施例中，信号处理单元采用美国TI公司型号为TMS320C2812的DSP芯片。

人机界面单元与信号处理单元相连，其用于根据用户的指令对信号处理单元进行参数设定，并实时显示拉索的索力信息。本实施例中，人机界面单元采用型号为6AV66420AA110AX0(西门子)的产品。

测量时，将两个电磁传感器安装于固定支架5上，通过调距螺栓6调节感应探头31～32与拉索的间距，在满足拉索振动过程中不触及感应探头31～32的情况下，应尽量减小两者之间的间距，以提高传感的灵敏度，并使两个U型永磁体11～12对称布置在拉索两侧。拉索在环境激励下产生横向振动，在两个U型永磁体11～12的感应线圈21～22上产生感应电动势，用信号采集单元采集感应线圈21～22的叠加电动势，将这感应电动势信号上传至上位计算机(信号处理单元)进行频谱分析，就可得到拉索振动频率，然后通过拉索振动频率与索力之间的关系式即可计算出拉索索力。

将U型永磁体固定于支架上，感应探头与拉索之间的初始间距为d0。拉索一般是钢绞线或平行钢丝等铁磁性材料，因此，U型永磁体与拉索之间形成磁路；拉索在车辆等外部荷载激励下产生横向振动，拉索与感应探头之间的距离d随之发生变化，从而引起磁路中的磁阻变化，在感应线圈两端产生感应电动势E，具体公式表达如下：

E＝jωLI                        (1)

式1中：L为感应线圈的电感，I为感应线圈上的感应电流，ω为感应电流的频率。

感应线圈的电感L可由下式表示：

$L=\frac{n^2}{R}=\frac{n^2{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}{{2d}_0}--\left(2\right)$

式2中：n为感应线圈的匝数，μ₀为空气的导磁率，S₀为感应探头截面积，R为磁阻。

电感L仅仅是磁路中磁阻R的函数，当线圈匝数n和截面积S₀一定时，只要改变间隙d，就可导致电感L变化。

假定拉索做简谐振动，其位移可由下式表示；

式3中：A为拉索的振动幅值，ω_n为拉索振动频率，为初始相位。

则拉索与感应探头之间的距离为d＝d₀-d′。

联立式1～3，则感应电动势可表示为：

$E=j{\mathrm{\ω}}_{n}I\frac{n^2{\mathrm{\μ}}_0{S}_0}{2}\frac{1}{d}---\left(4\right)$

由式4可得，感应电动势E的幅值与拉索的振动幅值A相关，感应电动势E的频率与拉索振动频率ω_n相等。通过信号采集单元对感应电动势E进行采集，由信号处理单元通过傅里叶变换就可拾取感应电动势E的频率(即拉索振动频率)，然后通过下式拉索基频与索力力学方程即可计算出拉索的索力。

T＝4ml²f²            (5)

式5中：T为索力，m为拉索单位长度的质量，l为拉索计算长度，f为拉索基频，即等于感应电动势的基频。

Claims (10)

1.一种基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于，包括：

电磁传感单元，用于感应拉索在环境激励下的横向振动，并产生感应电动势；

信号采集单元，用于采集所述的感应电动势；

信号处理单元，接收信号采集单元采集到的感应电动势，并拾取感应电动势的频率，进而根据所述的频率计算出拉索索力。

2.根据权利要求1所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的电磁传感单元由一个或两个电磁传感器构成；所述的电磁传感器包括一永磁体，所述的永磁体上绕制有感应线圈，所述的感应线圈与信号采集单元相连。

3.根据权利要求2所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：若所述的电磁传感单元由一个电磁传感器构成，则该电磁传感器通过固定支架固定于拉索一侧；若所述的电磁传感单元由两个电磁传感器构成，则两个电磁传感器通过固定支架分别固定于拉索两侧，且两个电磁传感器与拉索的间距相等。

4.根据权利要求2所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的电磁传感单元由两个电磁传感器构成；其中，第一电磁传感器的感应线圈的一端与第二电磁传感器的感应线圈的一端相连，第一电磁传感器的感应线圈的另一端和第二电磁传感器的感应线圈的另一端均与信号采集单元相连。

5.根据权利要求2所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的永磁体为U型永磁体，所述的U型永磁体两端设有感应探头。

6.根据权利要求3所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的固定支架上设有调距部件。

7.根据权利要求2所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的感应线圈通过绕线管绕制于永磁体上。

8.根据权利要求1所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的信号处理单元根据公式T＝4ml²f²计算索力；其中：T为索力，m为拉索单位长度的质量，f为拉索基频，即等于感应电动势的基频，l为拉索计算长度。

9.根据权利要求1所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的信号处理单元连接有人机界面单元。

10.根据权利要求1所述的基于电磁感应的非接触型拉索索力测量装置，其特征在于：所述的信号处理单元为DSP。

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