CN104568277B - 一种适用于现役钢缆索的索力检测仪和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于现役钢缆索的索力检测仪和检测方法，其中检测仪包括外装式励磁线圈、电容、充电电源、充电控制电路、充电电压检测电路、低速模数转换器、放电控制电路、励磁电流检测电路、第一高速模数转换器、第一FIFO数据缓存电路、感应线圈、感应电压调理电路、第二高速模数转换器、第二FIFO数据缓存电路、CPLD控制电路、ARM核心板、ARM扩展接口、显示触摸屏、上位机和直流电源。本发明提供的仪器和方法为现役钢缆索索力检测提供了有效的手段，具有高灵敏度和重复性，应用价值高。

Description

一种适用于现役钢缆索的索力检测仪和检测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于现役钢缆索的索力检测仪和检测方法，在需要对钢缆索和钢缆索结构的健康状况进行诊断和评估时，采用本发明仪器和方法可以对钢缆索的索力进行检测，从而依据钢缆索的受力情况进行相应分析。

背景技术

钢缆索作为主要承载部件被广泛应用于各种建筑结构中，它们的受力状况关系到整个结构的安全性，对生命和财产有极其重大的影响。因此，对现役钢缆索的索力检测有重要意义。

钢缆索索力检测根据阶段不同分为两种情况，一是钢缆索施工阶段进行的索力检测，二是钢缆索使用阶段进行的索力检测。施工阶段的索力检测比较容易解决，目前一般采用油压检测法和拉力传感器法。所谓油压检测法是在使用千斤顶张拉钢缆索时通过测量油压来检测张拉力，油压的测量可通过压力表或压力传感器完成；所谓拉力传感器法在拉索锚具上或锚具连接杆上直接安装拉力传感器测量钢缆索索力。与施工阶段的索力检测不同，钢缆索在使用阶段(现役钢缆索)的索力检测要困难得多，目前一般采用频率法、三点弯曲法和磁化特性法。频率法利用钢缆索自振频率与索力的关系检测索力，由于这一关系有时比较复杂，建模是否正确难以验证，因此在应用上有局限性。三点弯曲法采用横向加载测量位移的方法检测索力，对大截面钢缆索而言，加载力、位移和索力之间为非线性关系，难以分析计算，而且这种方法的检测设备笨重，不易使用。磁化特性法利用钢缆索的磁化特性与内部应力的关系检测索力，具体实施方法有多种，如磁通量法、电感法等，但有实用意义的方法只有套筒式磁通量法，这种方法需要在钢缆索施工的同时将磁通量传感器套装好，然后才能检测，因此对大量未套装传感器的现役钢缆索不适用，而如果在现役钢缆索上现场绕制套筒式磁通量传感器，那也是费时费力，不具有实用性。

解决现役钢缆索索力的检测问题，需要解决两个问题。一是传感器安装方便，不能采用套筒式结构的励磁装置，而是需要采用耦合型外装式励磁线圈；二是检测仪器具有高灵敏度和高重复性，以保证检测数据的有效性和可靠性。本发明仪器着重解决了第二个问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于现役钢缆索的索力检测仪和检测方法，可以对现役钢缆索索力进行现场快速检测；当然，本发明仪器和方法也适用于施工阶段的钢缆索索力检测。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于现役钢缆索的索力检测仪，包括外装式励磁线圈、电容、充电电源、充电控制电路、充电电压检测电路、低速模数转换器、放电控制电路、励磁电流检测电路、第一高速模数转换器、第一FIFO数据缓存电路、感应线圈、感应电压调理电路、第二高速模数转换器、第二FIFO数据缓存电路、CPLD控制电路、ARM核心板、ARM扩展接口、显示触摸屏、上位机和直流电源；

所述电容用于产生脉冲电流，当电容两端充电后，电容将储存大量电荷并保持高压，此时接通外装式励磁线圈，电容就会放电，为外装式励磁线圈提供脉冲电流，直至电容上的电荷释放完毕；充电电源和充电控制电路用于对电容两端进行充电，为放电做好准备；在电容两端充电过程中，充电电压检测电路对充电电压进行实时检测，并通过低速模数转换器将充电电压转换为数字信号，通过ARM扩展接口发送给ARM核心板，ARM核心板判断充电电压是否达到设定值，当充电电压达到设定值时，ARM核心板通过ARM扩展接口向充电控制电路发送停止充电信号，通过调节充电电压可以控制电容放电时产生的脉冲电流的大小；当需要电容放电时，ARM核心板通过ARM扩展接口向放电控制电路发送放电信号，放电控制电路对电容放电实施控制，励磁电流检测电路对电容放电时实际产生的脉冲电流进行检测，并对检测到的脉冲电流进行隔离放大；

所述外装式励磁线圈用于对现役钢索产生强励磁，当在外装式励磁线圈中施加脉冲电流时，现役钢索中将产生突变的磁场强度，从而使现役钢索磁化并产生突变的磁感应强度；

所述感应线圈是缠绕在现役钢索外圆的线圈，当现役钢索磁化时，感应线圈中将产生感应脉冲电压，感应电压调理电路对感应线圈中产生的感应脉冲电压进行隔离放大；

所述第一高速模数转换器对隔离放大后的脉冲电流信号进行模数转换，并将转换结果送入第一FIFO数据缓存电路；所述第二高速模数转换器对隔离放大后的感应脉冲电压信号进行模数转换，并将转换结果送入第二FIFO数据缓存电路；所述CPLD控制电路接收ARM核心板通过ARM扩展接口发送出的控制信号，产生模数转换和数据缓存的时序信号，设置包括采样时间间隔和采样点数在内的参数信息，对第一高速模数转换器、第二高速模数转换器、第一FIFO数据缓存电路和第二FIFO数据缓存电路进行控制；

ARM核心板通过ARM扩展接口读取第一FIFO数据缓存电路和第二FIFO数据缓存电路中的数据，并通过显示触摸屏显示相关数据。

优选的，所述感应线圈的匝数少于20圈，以便于在检测现场进行快速缠绕。

一种使用所述适用于现役钢缆索的索力检测仪进行检测的方法，对现役钢索的索力进行检测，具体包括如下步骤：

(1)将感应线圈缠绕在现役钢索外圆，缠绕匝数与钢缆索标定时的状态保持一致；

(2)装夹外装式励磁装置，包括外装式励磁线圈；

(3)设定索力检测仪的相关参数，包括充电电压、采样时间间隔、环境温度、检测时间、传感器型号和缆索型号；

(4)电容充电，设定充电电压必须与钢缆索标定时的状态保持一致；

(5)电容放电，同步采集脉冲电流和感应电压信号，将采集的信号缓存至各自的FIFO中；

(6)将采集的数据从FIFO读入内存，进行滤波处理，并求取感应电压积分值和脉冲电流积分值；

(7)根据索力检测仪和钢缆索的标定数据，计算实际索力值；

(8)将原始检测数据文件上传至PC端，并进行相应管理；

(9)检测完成后拆除外装式励磁装置；

上述步骤(3)～(8)由以ARM核心板为核心的嵌入式计算机自动完成。

有益效果：本发明提供的适用于现役钢缆索的索力检测仪和检测方法，具有如下优点：1、本发明仪器与耦合型外装式励磁装置联合使用，解决了现役钢缆索索力的现场检测问题，本检测仪器和方法具有快速、便捷、可拆卸、低成本的优点；2、采用可调、可控的电容充放电电路实现强励磁脉冲电流，这种方法具有精确性高、电流强度大、仪器体积小等优点；3、本发明仪器所需的感应线圈匝数很少，这就实现了现场检测的快速缠绕，不再为检测线圈的装拆而烦恼；4、本发明仪器采用精确定时的双路同步高速采样电路，使检测精度和重复性得到提高，同时将双路采样数据文件上传到PC端进行保存和管理，便于对检测过程的回放、查阅和修正；5、本发明仪器通过提高励磁强度和检测放大倍数有效提高了检测灵敏度，同时通过模拟隔离放大器和光电耦合器分别将检测电路和充放电电路与嵌入式计算机隔离，有效提高了仪器的抗干扰能力和稳定性。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为充电控制和充电电压检测电路；

图3为放电控制和放电电流检测电路；

图4为感应电压检测电路；

图5为双路高速同步数据采集电路；

图6为索力检测仪的软件框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种适用于现役钢缆索的索力检测仪，包括外装式励磁线圈2、电容3、充电电源4、充电控制电路5、充电电压检测电路6、低速模数转换器7、放电控制电路8、励磁电流检测电路9、第一高速模数转换器10、第一FIFO数据缓存电路11、感应线圈12、感应电压调理电路13、第二高速模数转换器14、第二FIFO数据缓存电路15、CPLD控制电路16、ARM核心板17、ARM扩展接口18、显示触摸屏19、上位机20和直流电源21。

所述电容3用于产生脉冲电流，当电容3两端充电后，电容3将储存大量电荷并保持高压，此时接通外装式励磁线圈2，电容3就会放电，为外装式励磁线圈2提供脉冲电流，直至电容3上的电荷释放完毕；充电电源4和充电控制电路5用于对电容3两端进行充电，为放电做好准备；在电容3两端充电过程中，充电电压检测电路6对充电电压进行实时检测，并通过低速模数转换器7将充电电压转换为数字信号，通过ARM扩展接口18发送给ARM核心板17，ARM核心板17判断充电电压是否达到设定值，当充电电压达到设定值时，ARM核心板17通过ARM扩展接口18向充电控制电路5发送停止充电信号，通过调节充电电压可以控制电容3放电时产生的脉冲电流的大小；当需要电容3放电时，ARM核心板17通过ARM扩展接口18向放电控制电路8发送放电信号，放电控制电路8对电容3放电实施控制，励磁电流检测电路9对电容3放电时实际产生的脉冲电流进行检测，并对检测到的脉冲电流进行隔离放大。

所述外装式励磁线圈2用于对现役钢索1产生强励磁，当在外装式励磁线圈2中施加脉冲电流时，现役钢索1中将产生突变的磁场强度，从而使现役钢索1磁化并产生突变的磁感应强度。

所述感应线圈12是缠绕在现役钢索1外圆的线圈，当现役钢索1磁化时，感应线圈12中将产生感应脉冲电压，感应电压调理电路13对感应线圈12中产生的感应脉冲电压进行隔离放大。

所述第一高速模数转换器10对隔离放大后的脉冲电流信号进行模数转换，并将转换结果送入第一FIFO数据缓存电路11；所述第二高速模数转换器14对隔离放大后的感应脉冲电压信号进行模数转换，并将转换结果送入第二FIFO数据缓存电路15；所述CPLD控制电路16接收ARM核心板17通过ARM扩展接口18发送出的控制信号，产生模数转换和数据缓存的时序信号，设置包括采样时间间隔和采样点数在内的参数信息，对第一高速模数转换器10、第二高速模数转换器14、第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15进行控制。

ARM核心板17通过ARM扩展接口18读取第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15中的数据，并通过显示触摸屏19显示相关数据。

所述感应线圈12的匝数少于20圈，以便于在检测现场进行快速缠绕。

所述充电控制电路5和充电电压检测电路6的电路如图2所示，ARM扩展接口18通过光电耦合器U3和三极管VT1输出控制信号驱动继电器K的线圈动作，从而控制继电器K的触点接通，这时充电电源4向电容3充电，充电电压通过电阻R1和R2分压，由隔离放大器U1进行隔离放大，再经过运放U2跟随驱动后输入到低速模数转换器7。

所述放电控制电路8和励磁电流检测电路9的电路如图3所示，ARM扩展接口18通过光电耦合器U6将控制信号加到MOS功率管VT2的栅极，VT2工作在开关状态，当它导通时电容放电，放电电流通过检测电阻R3转换成电压，由隔离放大器U4进行隔离放大，再经过运放U5跟随驱动后输入到第一高速模数转换器10。

所述感应电压调理电路13的电路如图4所示，感应线圈12的输出通过隔离放大器U7进行隔离放大，再经过运放U8跟随驱动后输入到第二高速模数转换器14。

所述第一高速模数转换器10、第一FIFO数据缓存电路11、第二高速模数转换器14、第二FIFO数据缓存电路15和CPLD控制电路16一起构成了双路高速同步数据采集电路，具体电路如图5所示，其中，第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15需要作为ARM核心板17的外部存储器扩展接入，以便分别读出数据，ARM扩展接口18同时需要对第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15发出控制信号/REN和RCLK；为了实现对高速数据采集的控制，ARM扩展接口18发出控制信号CPLD_RS和CPLD_ST对CPLD控制电路16进行控制，而CPLD控制电路16产生的控制信号AD_RS和AD_CONVS对第一高速模数转换器10和第二高速模数转换器14进行控制，同时，CPLD控制电路16产生的控制信号FIFO_RS、FIFO_WEN和FIFO_WCLK对第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15进行写入控制。

上述适用于现役钢缆索的索力检测仪进行检测的方法，对现役钢索1的索力进行检测，具体包括如下步骤：

(1)将感应线圈12缠绕在现役钢索1外圆，缠绕匝数与钢缆索标定时的状态保持一致；

(2)装夹外装式励磁装置，包括外装式励磁线圈2；

(3)通过显示触摸屏19设定索力检测仪的相关参数，包括充电电压、采样时间间隔、环境温度、检测时间、传感器型号和缆索型号；

(4)ARM核心板17和ARM扩展接口18向充电控制电路5发出充电控制信号，电容3由充电电源4充电，充电电压的设定值必须与钢缆索标定时的状态保持一致；

(5)ARM核心板17和ARM扩展接口18向放电控制电路8发出放电控制信号，电容3向外装式励磁线圈2放电，同时，第一高速模数转换器10和第二模数转换器14开始工作，同步采集励磁脉冲电流信号和感应脉冲电压信号，并将采集数据分别缓存在第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15中；

(6)ARM核心板17和ARM扩展接口18将两路采集数据从第一FIFO数据缓存电路11和第二FIFO数据缓存电路15中读出并存入内存，进行滤波处理，并求取感应电压积分值和励磁电流积分值；

(7)根据索力检测仪和钢缆索的标定数据，ARM核心板17和ARM扩展接口18计算实际索力，并将计算结果在显示触摸屏19上，并同时显示励磁脉冲电流信号和感应脉冲电压信号的图形曲线；

(8)操作显示触摸屏19，使索力检测仪与PC上位机20进行网络连接，将检测原始数据文件上传到PC端，在PC端进行检测工程项目管理；

(9)检测完成后拆除外装式励磁装置；

上述步骤(3)～(8)由以ARM核心板17为核心的嵌入式计算机自动完成。

索力检测仪的软件实施框架如图6所示，软件分为嵌入式软件和PC端软件，嵌入式软件主要完成检测仪的开机准备、电容充放电控制、高速数据采集、人机界面、网络连接等功能；PC端软件主要完成检测数据的保存和管理、检测报告打印等功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于现役钢缆索的索力检测仪，其特征在于：包括外装式励磁线圈(2)、电容(3)、充电电源(4)、充电控制电路(5)、充电电压检测电路(6)、低速模数转换器(7)、放电控制电路(8)、励磁电流检测电路(9)、第一高速模数转换器(10)、第一FIFO数据缓存电路(11)、感应线圈(12)、感应电压调理电路(13)、第二高速模数转换器(14)、第二FIFO数据缓存电路(15)、CPLD控制电路(16)、ARM核心板(17)、ARM扩展接口(18)、显示触摸屏(19)、上位机(20)和直流电源(21)；

所述电容(3)用于产生脉冲电流，当电容(3)两端充电后，电容(3)将储存大量电荷并保持高压，此时接通外装式励磁线圈(2)，电容(3)就会放电，为外装式励磁线圈(2)提供脉冲电流，直至电容(3)上的电荷释放完毕；充电电源(4)和充电控制电路(5)用于对电容(3)两端进行充电；在电容(3)两端充电过程中，充电电压检测电路(6)对充电电压进行实时检测，并通过低速模数转换器(7)将充电电压转换为数字信号，通过ARM扩展接口(18)发送给ARM核心板(17)，ARM核心板(17)判断充电电压是否达到设定值，当充电电压达到设定值时，ARM核心板(17)通过ARM扩展接口(18)向充电控制电路(5)发送停止充电信号；当需要电容(3)放电时，ARM核心板(17)通过ARM扩展接口(18)向放电控制电路(8)发送放电信号，放电控制电路(8)对电容(3)放电实施控制，励磁电流检测电路(9)对电容(3)放电时实际产生的脉冲电流进行检测，并对检测到的脉冲电流进行隔离放大；

所述外装式励磁线圈(2)用于对现役钢索(1)产生强励磁，当在外装式励磁线圈(2)中施加脉冲电流时，现役钢索(1)中将产生突变的磁场强度，从而使现役钢索(1)磁化并产生突变的磁感应强度；

所述感应线圈(12)是缠绕在现役钢索(1)外圆的线圈，当现役钢索(1)磁化时，感应线圈(12)中将产生感应脉冲电压，感应电压调理电路(13)对感应线圈(12)中产生的感应脉冲电压进行隔离放大；

所述第一高速模数转换器(10)对隔离放大后的脉冲电流信号进行模数转换，并将转换结果送入第一FIFO数据缓存电路(11)；所述第二高速模数转换器(14)对隔离放大后的感应脉冲电压信号进行模数转换，并将转换结果送入第二FIFO数据缓存电路(15)；所述CPLD控制电路(16)接收ARM核心板(17)通过ARM扩展接口(18)发送出的控制信号，产生模数转换和数据缓存的时序信号，设置包括采样时间间隔和采样点数在内的参数信息，对第一高速模数转换器(10)、第二高速模数转换器(14)、第一FIFO数据缓存电路(11)和第二FIFO数据缓存电路(15)进行控制；

ARM核心板(17)通过ARM扩展接口(18)读取第一FIFO数据缓存电路(11)和第二FIFO数据缓存电路(15)中的数据，并通过显示触摸屏(19)显示相关数据。

2.根据权利要求1所述的适用于现役钢缆索的索力检测仪，其特征在于：所述感应线圈(12)的匝数少于20圈。

3.一种使用权利要求1所述的适用于现役钢缆索的索力检测仪进行检测的方法，其特征在于：对现役钢索(1)的索力进行检测，具体包括如下步骤：

(1)将感应线圈(12)缠绕在现役钢索(1)外圆，缠绕匝数与钢缆索标定时的状态保持一致；

(2)装夹外装式励磁装置，包括外装式励磁线圈(2)；

(3)设定索力检测仪的相关参数，包括充电电压、采样时间间隔、环境温度、检测时间、传感器型号和缆索型号；

(4)电容(3)充电，设定充电电压必须与钢缆索标定时的状态保持一致；

(5)电容(3)放电，同步采集脉冲电流和感应电压信号，将采集的信号缓存至各自的FIFO中；

(6)将采集的数据从FIFO读入内存，进行滤波处理，并求取感应电压积分值和脉冲电流积分值；

(7)根据索力检测仪和钢缆索的标定数据，计算实际索力值；

(8)将原始检测数据文件上传至PC端，并进行相应管理；

(9)检测完成后拆除外装式励磁装置；

上述步骤(3)～(8)由以ARM核心板(17)为核心的嵌入式计算机自动完成。