CN104122324A - 一种钢丝绳应力在线监测传感器 - Google Patents

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本发明公开一种钢丝绳应力在线监测传感器，包括屏蔽罩和安装于屏蔽罩内的传感装置，传感装置包括上下安装的两个卡套，两个卡套的外表面均套装有拉盘，上下两个拉盘之间设有两条应力敏感带，所示应力敏感带上均贴有电阻应变片，且应力敏感带上还缠缚有励磁线圈和测量线圈。本发明中的电阻应变片为电阻式传感元件，励磁线圈和测量线圈为电感式传感元件，采用两种传感元件，测量精度和灵敏度高，且结构简单易安装，适应性强。

Description

一种钢丝绳应力在线监测传感器
技术领域
本发明涉及一种传感装置，具体涉及一种钢丝绳应力在线监测传感器。
背景技术
    钢丝绳被广泛应用于矿井提升机、港口起重机、客货索道、电梯、悬索斜拉桥、悬吊屋顶、船舶固定缆绳等设施中。由于工作环境恶劣，钢丝绳使用过程中会发生疲劳、锈蚀磨损甚至断裂等现象, 这些都影响到钢丝绳的安全使用。因此，对钢丝绳的工作状态进行科学的定量无损在线检测，是及时发现安全隐患，避免重大事故的有力手段。目前国内外公认的最可靠的钢丝绳无损检测方法是电磁检测技术，即漏磁检测技术和主磁通检测技术，分别用于检测钢丝绳的局部缺陷型 (LF型损伤) 和截面积损耗型 ( LMA型损伤 )。但上述方法中所使用的存在仪器设备复杂、成本大、对操作人员的技术水平要求高、不便实现在线监测等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种利用磁弹性效应，通过应力测量，实现钢丝绳无损监测的钢丝绳应力在线监测传感器。
技术方案：本发明的一种钢丝绳应力在线监测传感器，包括屏蔽罩和安装于屏蔽罩内的传感装置，所述传感装置包括上下安装的相同的两个卡套，两个卡套的外表面均套装有拉盘，上下两个相同的拉盘之间设有两条应力敏感带，所示应力敏感带上均贴有电阻应变片，且应力敏感带上还缠缚有励磁线圈和测量线圈。
其中，电阻应变片为电阻式传感元件，励磁线圈和测量线圈构成电感式传感元件。此处，传感元件的作用是将应力敏感带的应力变化量分别转变为电阻和电感变化量。
进一步的，所述卡套的上半部分沿中心分线均有至少四片的可弹性变形收缩的卡爪，该卡爪可使卡套抱紧钢丝绳，所述卡爪呈喇叭口状分布以便钢丝绳穿过，为增大与钢丝绳表面的卡紧力和摩擦力，卡爪的内表面沿钢丝绳绳股和钢丝绳缠绕方向设有若干凸刺。
进一步的，所述卡套和拉盘上均设有相应的卡套锁紧螺母和拉盘锁紧螺母。
当旋紧卡套紧固螺母时，凸刺嵌入钢丝绳表面的间隙和凹槽中，确保卡套与钢丝绳紧固为一体，拉盘套装在卡套外表面并用锁紧螺母锁紧。应力敏感带的两端分别紧固于圆形拉盘上。当钢丝绳受张力时，通过上下两个卡套及两个拉盘，使应力敏感带也受到张力的作用，此时调节拉盘锁紧螺母，使应力敏感带受预载荷作用，这样有利于改善传感器的输出特性。
为了消除温度变化引起的测量误差，所述拉盘的内侧贴有与电阻应变片灵敏度系数相同的温度补偿应变片。
为避免对磁路的影响，所述屏蔽罩的上下两端分别设有弱磁金属材料制成的端盖。
进一步的，所述屏蔽罩上方还设有电路防护罩，电路防护罩内安装有信号处理装置，若采用射频传输，电路防护罩可由工程塑料制成。
进一步的，所述应力敏感带至少有两条，并且应力敏感带的尺寸、宽度、厚度以及数量可以根据实际需求做出相应的调整，以适应钢丝绳所承受的张力大小的变化。
进一步的，所述测量线圈中的电感信号可采用电桥电路变换为电压信号，然后经放大处理后输出。
进一步的，拉盘与拉盘锁紧螺母之间设有弹簧垫片，以减小摩擦。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： 
（1）本发明中的卡套能够使应力敏感带与钢丝绳共同承受张力，然后通过测量应力敏感带上应力的变化以实现钢丝绳应力（无损）的监测。
（2）本发明中采用两种传感元件将应力敏感带中的应力变化转变为电量输出，并且本发明中的电压信号可叠加输出，也可以单独输出，使用灵活。
（3）在本发明中，应力敏感带的尺寸、宽度、厚度以及数量可以根据实际需求做出相应的调整，以适应钢丝绳所承受的张力大小的变化。
（4）本发明结构简单易安装，有利于大型施工以及多点安装以组成分布式在线监测系统；同时，各部件的材料易得成本低。
（5）本发明具有较高的测量精度和灵敏度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A-A向剖面示意图；
图3为本发明卡中套的示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明中传感磁路示意图；
图6为本发明中电感式传感元件的等效电路图；
图7为本发明的工作原理图；
图8为本发明中电感传感元件的相对臂电桥示意图；
图9为本发明中电阻传感元件的相对臂电桥示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案结合附图进行详细说明。
如图1至图4所示，本发明的一种钢丝绳应力在线监测传感器，包括屏蔽罩4和安装于屏蔽罩4内的传感装置，传感装置包括上下安装的相同的两个卡套6，两个卡套5的外表面均套装有拉盘6，上下两个相同的拉盘6之间设有两条由纳米微晶铁磁合金制成的应力敏感带7，所示应力敏感带7上均贴有电阻应变片8，且应力敏感带7上还缠缚有励磁线圈9和测量线圈10。其中，卡套5和拉盘6上均设有相应的卡套锁紧螺母13和拉盘锁紧螺母14，拉盘6与拉盘锁紧螺母14之间设有弹簧垫片17。为了消除温度变化引起的测量误差，在圆形拉盘6内表面粘贴两片与电阻应变片8灵敏度系数相同的温度补偿应变片15。
本实施例中，卡套5的上半部分沿中心线均有四片的可弹性变形收缩的卡爪11，卡爪11呈喇叭口状分布以便钢丝绳1穿过，且卡爪11的内表面沿钢丝绳1绳股和钢丝绳1缠绕方向设有若干凸刺12。
本实施例中，屏蔽罩4的上下两端分别设有弱磁金属材料制成的端盖16，屏蔽罩4上方还设有电路防护罩2，电路防护罩2内安装有信号处理装置3。
当本发明开始运转时，将上下卡套5卡紧钢丝绳1，并拧紧拉盘锁紧螺母14，则钢丝绳1所受张力将通过卡套5和拉盘6传递至应力敏感带7，电感式传感元件和电阻式传感元件可同时测量应力敏感带7所受张力的变化。
如图5所示，对于电感式传感元件，当励磁线圈9通入励磁电流，钢丝绳1与应力敏感带7构成封闭磁路。根据磁弹性原理，在弱磁场中，铁磁材料受力变形将引起磁导率的改变，即导致磁路中磁阻的改变，使测量线圈10中通过的磁通变化，从而产生感应电势。
通过试验，标定出钢丝绳1应力与应力敏感带7以及传感器输出电压的变化关系，就能实现对钢丝绳1应力状态的监测。当钢丝绳1内部出现缺陷，如断股和断丝、变形磨损等，都会导致其截面积减小，使应力增大，测量线圈10中磁通的变化体现为其电感的变化，即钢丝绳1中应力的变化导致测量线圈10输出电感的变化。可采用电桥电路将2个测量线圈10中的电感信号变换为电压信号，经放大处理后输出。根据具体应用场合，可采用有线输出或无线输出，传感器供电方式也可采用交流或直流。
电感式传感元件的等效电路如图6所示，其中r 1、r 2为励磁线圈9和测量线圈10的直流电阻；L 1、L 2为励磁线圈9和测量线圈10的电感；M为励磁线圈9和测量线圈10间的互感；N 1、N 2为励磁线圈9和测量线圈10的匝数，U 1为励磁电压。显然，测量线圈10中产生的感应电势为
                                                   
式中， R ab、R ad、R bc分别为封闭磁路中ab、ad、cb段的磁阻；l ab、l ab、l ab分别为封闭磁路中ab、ad、cb段的长度；S ab、S ad、S cb分别为封闭磁路中ab、ad、cb段的横截面；μ ab、μ ad、μ cb的磁导率。
当钢丝绳1受张力时，根据磁弹性原理，在图5所示磁路中，只有ad段和bc段的磁阻变化，即磁导率μ ad和μ cb随钢丝绳1所受载荷的变化而变化。由于材质不同，其磁导率随钢丝绳1应力的变化率不同，即μ ad=f（σ），μ bc=g（σ），其中σ为钢丝绳1中的应力。可见，测量线圈10中的感应电动势随钢丝绳1中的应力σ变化而变化。         
对于传感器中的电阻式传感元件，当应力敏感带7中应力变化时，应变片输出相应的电阻变化量。
上述电感式和电阻式传感元件的工作过程，如图7所示。
如图8和图9所示，本实施中的两种传感元件输出的电感和电阻变化量，均可采用交流相对臂电感电桥和电阻电桥转换为电压输出：
根据相对臂电桥原理，Z 1= Z 3 = Z 2= Z 4=Z；R 1= R 3 = R 2= R 4 =R，另外，ΔZ 1=ΔZ 3=ΔZ； ΔR 1=ΔR 3=ΔR，则电感式和电阻式传感元件输出电压增量为：
                        
式中，Z 2和 Z 4为固定阻抗；R 2和 R 4为固定电阻。由于励磁线圈9和测量线圈10的匝数较少，所以温度引起其内阻的变化可忽略。
最终，传感器输出电压增量为：
                                      。

Claims (10)

1.一种钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：包括屏蔽罩（4）和安装于屏蔽罩（4）内的传感装置，所述传感装置包括上下安装的相同的两个卡套（5），两个卡套（5）的外表面均套装有拉盘（6），上下相同的两个拉盘（6）之间设有若干应力敏感带（7），所示应力敏感带（7）上均贴有电阻应变片（8），且应力敏感带（7）上还缠缚有励磁线圈（9）和测量线圈（10）。
2.根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述卡套（5）的上半部分沿中心线均有至少四片的可弹性变形收缩的卡爪（11），所述卡爪（11）呈喇叭口状分布以便钢丝绳（1）穿过，且卡爪（11）的内表面沿钢丝绳（1）绳股和钢丝绳（1）缠绕方向设有若干凸刺（12）。
3.根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述卡套（5）和拉盘（6）上均设有相应的卡套锁紧螺母（13）和拉盘锁紧螺母（14）。
4.根据权利要求2所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述拉盘（6）的内侧贴有与电阻应变片（8）灵敏度系数相同的温度补偿应变片（15）。
5.根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述屏蔽罩（4）的上下两端分别设有弱磁金属材料制成的端盖（16）。
6.根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述屏蔽罩（4）上方还设有电路防护罩（2），电路防护罩（2）内安装有信号处理装置（3）。
7.根据根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述应力敏感带（7）至少有两条。
8.根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述应力敏感带（7）为由纳米微晶铁磁合金制成的应力敏感带（7）。
9.根据权利要求1所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述测量线圈（10）中的电感信号可采用电桥电路变换为电压信号，然后经放大处理后输出。
10.根据权利要求3所述的钢丝绳应力在线监测传感器，其特征在于：所述拉盘（6）与拉盘锁紧螺母（14）之间设有弹簧垫片（17）。
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