CN105181184A - 一种基于磁致伸缩导波短吊杆索力测量装置及方法 - Google Patents

一种基于磁致伸缩导波短吊杆索力测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于磁致伸缩导波短吊杆索力测量装置及方法。该装置包括激励偏置磁化器、接收偏置磁化器、激励线圈、接收线圈、导波测量仪等组成，根据磁致伸缩效应原理，通过激励线圈长时间激励在短吊杆内部形成稳态振动，在接收线圈基于逆磁致伸缩效应获得感应信号，对感应信号进行分析计算得到短吊杆索力。该方法利用磁致伸缩导波长时间频率激励，在短吊杆中产生稳态振动，停止激励后，通过提取短吊杆从停止激励到衰减为0时段的振动信号，进行频谱分析得到短吊杆纵向固有频率，通过纵向固有频率与索力的对应关系，得出短吊杆索力值。本发明提出的装置和方法，不受短吊杆边界条件和抗弯刚度对索力测量的局限，具有更加方便，测量重复性更好的优点。

Description

一种基于磁致伸缩导波短吊杆索力测量装置及方法
技术领域
本发明属于桥梁缆索测量技术领域，更具体地，涉及一种短吊杆索力测量方法及装置。
背景技术
在现代桥梁建设中，缆索所承载应力我们称为“索力”，索力测量是极其重要的一项工作，拉索的受力状态在桥梁施工和运营过程的健康评估中起着至关重要的作用，要求得到精确的测试结果，以保证桥梁的运营安全。
目前常用的索力测量方法主要有磁通量测量法以及频率振动测量法。磁通量测量法受温度影响明显，必须对温度作用进行校正。电磁传感器必须套在拉索的外面，拉索直径种类众多，不同拉索需要相对应电磁传感器。频率振动测量法是利用吊杆索力大小与吊杆的振动频率间的确定关系，通过实测吊杆的振动频率来分析计算吊杆的索力大小。对于较长的吊杆，常规频率法的索力测量精度是可以满足工程要求的。但是，在吊杆拱桥中，位于桥梁拱脚附近的吊杆，通常长度很短，此时吊杆的锚固条件、护筒、减震器、吊杆刚度等因素会对吊杆频率产生较大影响，而这种影响的大小往往很难确定，这时采用常规的频率振动测量法测得的吊杆索力误差很大，存在较大的误判可能性，甚至得出错误的结果。因此，在对吊杆拱桥这一类有短吊杆的桥型中，急需一种能够精确测定短吊杆索力的方法。通常将小于等于5米的吊杆称为短吊杆。
申请号201310573666.1公布了一种短吊杆拱桥短吊杆索力精确测试方法，需要对吊杆进行附加质量块前后两次振动频率测试。需要对吊杆增加两次质量块，质量块质量较大且为磁性铁块，不便现场操作。申请号201310156134.8公布了一种基于光学测量原理的短吊杆索力测量方法与装置。此装置安装复杂，现场检测时需要现场对温度进行标定，还需对吊杆销轴进行开孔，给现场测量带来不便。
发明内容
为了克服现有技术存在误差较大、安装复杂、使用不方便等问题，本发明提供一种基于磁致伸缩导波短吊杆索力测量装置，包括激励偏置磁化器、接收偏置磁化器、激励线圈、接收线圈、导波测量仪，其特征在于：
工作中，所述激励线圈和接收线圈同轴套装在待测短吊杆上，所述激励偏置磁化器和接收偏置磁化器结构相同，分别安装在待测短吊杆两端，分别与待测短吊杆形成磁闭合回路，提供饱和的轴向磁场；
所述的导波测量仪包括计算机、脉冲信号发射器、功率放大器、信号预处理器和A/D转换器，具有信号采集、计算、存储和显示功能；计算机控制所述信号发生器产生正弦周期信号，经功率放大器输出送至激励线圈；接收线圈与信号预处理器、A/D转换器和计算机依次串接，用于将接收的信号放大、A/D转换后送入计算机处理；
测量时，启动导波测量仪，给激励线圈馈电，在待测短吊杆进入稳定振动状态后停止馈电；以该激励方式在构件中激励导波，产生以构件轴向位移分量为主的振动(这里简称“纵向振动”)，该振动形式对应的固有频率称为“纵向固有频率”。导波测量仪对接收端信号进行监测，计算机取从停止激励到衰减为0时段的信号进行频谱分析，找出能量最大值对应的频率，得到纵向固有频率，查询预先绘制的“索力-纵向固有频率”对应关系曲线，得到短吊杆索力；
所述“索力-纵向固有频率”对应关系曲线是事先对相同规格短吊杆用不同的力进行加载，用轴力计测出索力值，并测出对应纵向固有频率，得到多对“索力-纵向固有频率”对应点，在同样试验条件下经多次试验数据平均和二次拟合而成。
进一步的，所述激励偏置磁化器和接收偏置磁化器均由两块永磁铁和一块衔铁组成，两块永磁铁沿着待测短吊杆轴线方向，吸附于待测短吊杆上，与衔铁和待测短吊杆形成磁闭合回路，以提供轴向磁场，磁场强度以使短吊杆达到饱和磁化状态为标准。
进一步的，所述激励偏置磁化器和接收偏置磁化器的数量以使短吊杆达到饱和磁化状态为准则，绕短吊杆径向均匀分布。
进一步的，所述信号预处理器用于对所述接收电信号进行放大、降噪。
进一步的，所述激励线圈和接收线圈是螺旋管线圈；所述激励偏置磁化器和接收偏置磁化器是电磁铁。
相应地，本发明提出一种短吊杆索力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)沿待测短吊杆轴线方向，设置与短吊杆轴向平行布置的激励偏置磁化器与接收偏置磁化器；激励偏置磁化器和接收偏置磁化器的数量以使短吊杆达到磁化饱和状态为原则；激励偏置磁化器和接收偏置磁化器的数量为多个时，环绕短吊杆径向均匀分布；
(2)在所述激励偏置磁化器与接收偏置磁化器与短吊杆表面之间，分别同轴套设激励线圈和接收线圈，它们中心截面与短吊杆轴向垂直；
(3)对激励线圈馈入正弦脉冲电流，使短吊杆在激励端偏置磁化器作用下，基于磁致伸缩效应产生振动；在接收线圈中基于逆磁致伸缩效应产生振动感应电信号；
(4)当接收线圈中信号幅度进入稳定状态时，停止对激励线圈的馈电；
(5)在接收线圈收到的信号中，取停止激励到振动信号衰减为0时段的信号进行频谱分析，找出能量最大值对应的频率，查询预先绘制的“索力-纵向固有频率”对应关系曲线，得到短吊杆索力。所述“索力-纵向固有频率”对应关系曲线，是事先对相同规格短吊杆用不同的力进行加载，用轴力计测出索力值，并测出对应纵向固有频率，得到多对“索力-纵向固有频率”对应点，在同样试验条件下经多次试验数据平均和二次拟合而成。
本发明提供的短吊杆测量装置与现有的其它测量装置相比体积小，重量轻。方便携带和安装。加快了短吊杆索力测量的效率；本发明提供的短吊杆测量方法与现有的其它振动测量方法相比，突破了短吊杆由于边界条件和抗弯刚度，对索力测量影响较大的局限性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的短吊杆索力测量装置结构图；
图2是本发明实施例提供的磁致伸缩导波短吊杆索力测量系统的结构框图；
图3是使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波短吊杆索力测量系统在短吊杆上测量索力的示意图；
图4是使用本发明实施例提供的测量装置所得原始信号图；
图5是使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波测量方法所得到的测量信号频谱图；
图6是使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波测量方法与装置重复试验得到标准短吊杆“索力-纵向固有频率”对应关系点；
图7是使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波测量方法与装置重复试验得到标准短吊杆“索力-纵向固有频率”对应点通过二次拟合得到的曲线。
其中，1-短吊杆，2-激励线圈，3-接收线圈，4-激励偏置磁化器，5-接收偏置磁化器，6-激励线圈接线端子，7-接收线圈接线端子，8-导波测量仪，9-计算机、10-脉冲信号发生器，11-功率放大器，12-信号预处理器，13-A/D转换器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种磁致伸缩导波测量短吊杆索力装置和方法，通过激励线圈基于磁致伸缩效应长时间激励在短吊杆内部形成稳态振动，接收线圈基于逆磁致伸缩效应获得感应信号，对感应信号频谱分析得到短吊杆纵向固有频率，通过纵向固有频率与索力的对应关系，得出短吊杆索力值。与原有的短吊杆索力测量方法相比，本发明装置更加轻便，测量重复性更好。
图1示出了本发明实施例提供的磁致伸缩导波短吊杆索力测量结构，由待测短吊杆1，激励线圈2，接收线圈3，激励偏置磁化器4，接收偏置磁化器5。激励线圈2，接收线圈3的接线端子在图1中用附图标记6、7示出。
安装激励线圈2需配合使用提供轴向磁场的激励偏置磁化器4，安装接收线圈3需配合使用提供轴向磁场的接收偏置磁化器5，待测短吊杆1上一端先安装激励线圈2，然后沿圆周均匀安装激励偏置磁化器4，再在短吊杆另一端安装接收线圈3，然后沿圆周均匀安装接收偏置磁化器5。
激励线圈2通过其上的接线端子6与导波测量仪8的激励端相连；接收线圈3通过其上的接线端子7与导波测量仪8的接收端相连；
图2示出了使用本发明的磁致伸缩导波短吊杆索力测量的结构框图，包括短吊杆1、接收线圈2、激励线圈3和导波测量仪8。导波测量仪8包括计算机9、脉冲信号发射器10、功率放大器11、信号预处理器12以及A/D转换器13。激励线圈2和接收线圈3分别与导波测量仪8的激励端和接收端相连。导波测量仪8中，计算机9控制脉冲信号发射器10产生脉冲信号，经过功率放大器11放大，从激励端传输给激励线圈2；激励纵向模态时，激励线圈2利用磁致伸缩效应在短吊杆1上激励纵向模态导波，接收线圈3利用逆磁致伸缩效应将振动信号转换为电信号，传输至导波测量仪8的接收端；导波测量仪8中接收端线圈的接收信号，输入到信号预处理器12，信号通过预处理后输入到A/D转换器13，预处理电路由放大电路、模拟滤波电路组成，主要目的是放大信号降低噪声，提高信噪比，经转换后的数字信号输入到计算机9，计算机9对所的信号进行频谱分析获得短吊杆纵向固有频率，根据短吊杆纵向固有频率与索力关系得到索力测量结果。
图3示出了使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波短吊杆索力测量系统在短吊杆上实验的示意图在短吊杆上进行实验的示意图。被检短吊杆1为一根外径为25mm，长度为2m的短吊杆，短吊杆两侧装有液压加载装置，激励线圈2为螺线管线圈，由直径1mm的漆包线制成，层数1层，匝数20匝，内径25mm，宽度为22mm，安装在左端部。接收线圈3为与激励线圈2同样结构和参数的螺线管线圈。激励线圈2安装在距左端部400mm处，接收线圈3安装在距右端部600mm处。所述激励线圈和接收线圈也可以是其它型式的线圈。首先根据图1的安装示意图将线圈、激励偏置磁化器与接收偏置磁化器安装在短吊杆上，再按照图2的系统框图连线，通过液压加载器给短吊杆加载，导波测量仪产生频率为17kHz，400个周期的正弦信号激励线圈在短吊杆中产生导波，接收线圈3利用逆磁致伸缩效应将短吊杆中的导波信号转换为电信号，在停止激励后，短吊杆内部稳态振动信号开始衰减(图4)。导波测量仪8对衰减点之后的信号进行频谱分析，得到能量幅度最大值对应的频率，即纵向固有频率，根据短吊杆“索力-纵向固有频率”关系曲线得到索力测量结果。
图5示出了是使用本发明实施例提供的磁致伸缩导波测量装置所得到的测量信号频谱图。由接收线圈感应信号进行频谱变换到信号频谱图。找到频谱图幅值最大所对应的频率即为短吊杆的纵向固有频率。即为此索力负载下短吊杆对应的纵向固有频率17.05kHz。在本实施例中，对待测短吊杆测量得到纵向固有频率17.05kHz，由“索力—纵向固有频率”关系曲线(图7)得到对应索力35kN。
“短吊杆纵向固有频率-索力关系”是加载短吊杆的固有特性，是测试前经实验得到。实验中，用液压装置对短吊杆加载，用轴力计测得短吊杆索力，用锤击法测量固有频率，即可得到索力与纵向固有频率对应关系，也可利用导波测量仪采取导波激励频谱分析法得到固有频率，本实施例采用后一种办法。改变加载力大小，重复多次试验获得多对频率和索力对应参数(图6)，本实施例用取待测短吊杆相同规格短吊杆，调整液压加载装置以0kN为起点，10kN为步进对短吊杆施加压力，通过轴力计测得短吊杆实际索力，同时通过频谱分析法得到短吊杆对应的纵向固有频率。相同加载索力情况下，重复进行多次试验，实验测得纵向固有频率取平均数。进行二次曲线拟合即可获得“索力-纵向固有频率”曲线(图7)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种短吊杆索力测量装置，包括激励偏置磁化器(4)、接收偏置磁化器(5)、激励线圈(2)、接收线圈(3)、导波测量仪(8)，其特征在于：
工作中，所述激励线圈(2)和接收线圈(3)同轴套装在待测短吊杆上，所述激励偏置磁化器(4)和接收偏置磁化器(5)结构相同，分别安装在待测短吊杆两端，分别与待测短吊杆形成磁闭合回路，提供饱和的轴向磁场；
所述的导波测量仪(8)包括计算机(9)、脉冲信号发射器(10)、功率放大器(11)、信号预处理器(12)和A/D转换器(13)，具有信号采集、计算、存储和显示功能；计算机(9)控制所述信号发生器(10)产生正弦周期信号，经功率放大器(11)输出送至激励线圈(2)；接收线圈(3)与信号预处理器(12)、A/D转换器(13)和计算机(9)依次串接，用于将接收的信号放大、A/D转换后送入计算机(9)处理；
测量时，启动导波测量仪(8)，给激励线圈(2)馈电，在待测短吊杆进入稳定振动状态后停止馈电；导波测量仪(8)对接收端信号进行监测，计算机(9)取从停止激励到衰减为0时段的信号进行频谱分析，找出能量最大值对应的频率，查询预先绘制的“索力-纵向固有频率”对应关系曲线，得到短吊杆索力；
所述“索力-纵向固有频率”对应关系曲线是事先对相同规格短吊杆用不同的力进行加载，用轴力计测出索力值，并测出对应纵向固有频率，得到多对“索力-纵向固有频率”对应点，在同样试验条件下经多次试验数据平均和二次拟合而成。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激励偏置磁化器(4)和接收偏置磁化器(5)均由两块永磁铁和一块衔铁组成，两块永磁铁沿着待测短吊杆轴线方向，吸附于待测短吊杆上，与衔铁和待测短吊杆形成磁闭合回路，以提供轴向磁场，磁场强度以使短吊杆达到饱和磁化状态为标准。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激励偏置磁化器(4)和接收偏置磁化器(5)的数量以使短吊杆达到饱和磁化状态为准则，绕短吊杆径向均匀分布。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述信号预处理器(12)对所述接收电信号进行放大、降噪。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激励线圈(2)和接收线圈(3)是螺旋管线圈；所述激励偏置磁化器(4)和接收偏置磁化器(5)是电磁铁。
6.一种短吊杆索力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)沿待测短吊杆轴线方向，设置与短吊杆轴向平行布置的激励偏置磁化器与接收偏置磁化器；激励偏置磁化器和接收偏置磁化器的数量以使短吊杆达到磁化饱和状态为原则；激励偏置磁化器和接收偏置磁化器的数量为多个时，环绕短吊杆径向均匀分布；
(2)在所述激励偏置磁化器与接收偏置磁化器与短吊杆表面之间，分别同轴套设激励线圈和接收线圈，它们中心截面与短吊杆轴向垂直；
(3)对激励线圈馈入正弦脉冲电流，使短吊杆在激励端偏置磁化器作用下，基于磁致伸缩效应产生振动；在接收线圈中基于逆磁致伸缩效应产生振动感应电信号；
(4)当接收线圈中信号幅度进入稳定状态时，停止对激励线圈的馈电；
(5)在接收线圈收到的信号中，取停止激励到振动信号衰减为0时段的信号进行频谱分析，找出频谱中能量最大值对应的频率，查询预先绘制的“索力-纵向固有频率”对应关系曲线，得到短吊杆索力。所述“索力-纵向固有频率”对应关系曲线，是事先对相同规格短吊杆用不同的力进行加载，用轴力计测出索力值，并测出对应纵向固有频率，得到多对“索力-纵向固有频率”对应点，在同样试验条件下经多次试验数据平均和二次拟合而成。
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