CN105333986A - 一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法，属于结构健康监测技术领域。包括一根导磁钢缆索试件、一个用于索力测量的单级线圈索力传感器以及缠绕传感器所需的线圈骨架、加载装置、试件固定夹持装置、产生自感线圈传感器激励信号的发生电路、以及信号处理所需的放大、滤波、有效值和数模转换等各个信号分析处理电路；将钢缆索试件磁导率变化量作为中间量，建立起索力值和自感量变化量之间的线性关系，从而测量出索力值。本发明的效果和益处是解决了传统磁通量索力传感器线圈多，体积大，抗干扰能力低等不足，具有制作工艺简单，体积小，提高传感器的信噪比等优点。

Description

一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及到一种索力监测方法，特别涉及到一种用自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法。

背景技术

钢缆索由于具有柔性大、强度高和频率低等优点，现已广泛应用在大跨度和大型建筑结构与牵引机械等领域。索力的监测是衡量钢缆索是否处于正常运营状态的重要标志，但是也成为世界公认的难题技术。因此对钢缆索的索力监测显得尤为重要。

目前在钢缆索的索力监测技术中一般采用方法是：(1)油压表读数法；(2)压力传感器法；(3)频率测定法；(4)磁弹效应法。

其中磁弹效应法是新兴的研究方法，以磁弹效应原理为基础，通过测量铁磁材料在外力作用下引起的磁导率的改变量，推算出外力的大小。相比于传统的索力监测方法磁弹效应法更适用于在建和建成结构索力监测，并且可以进行在线动态监测，但其理论尚未成熟需要更深入的研究。

专利号201420343581.4一种数值磁通量索力传感器，该发明设计利用两级线圈进行索力测量，即激励线圈和感应线圈。由于采用两级线圈进行监测，其绕线复杂，传感器引线较多，体积较大。

专利号201310718430.2一种磁通量传感器的磁化钢索方法，该发明对两级线圈进行改进，多个感应线圈可以共用一个激励线圈。虽然降低了一定成本，减少了激励线圈的数量，但是本质还是利用两级线圈进行测量。

专利号201410214291.4一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器，该发明利用具有磁致伸缩效应的磁电传感单元代替感应线圈，将激励线圈和磁电传感单元组合进行索力测量。虽然测试响应时间较短，速度快，但是由于引入了磁电传感单元，使结构复杂，增加成本。

发明内容

为了解决现有磁弹效应传感器线圈多，体积大，成本高，响应速度慢，信噪比较低等问题，本发明提供了一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法。该方法避免了感应线圈的使用，将激励线圈和感应线圈一体化，使得测量结果更加准确。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器，该单级线圈索力传感器将传统磁通量索力传感器中的激励线圈和感应线圈一体化，该单级线圈索力传感器的测力系统包括激励电路、单级线圈索力传感器、前置放大电路、带通滤波器、有效值电路和数模转换器，上述各模块部件依次连接；将单级线圈索力传感器7缠绕到与待测钢缆索试件4尺寸相匹配线圈骨架5上，线圈骨架5套入待测钢缆索试件4中，通过泡沫剂6填充；将由线圈骨架5支撑的单级线圈索力传感器7置于加载系统中，加载系统包括加载装置1、加载固定件2和试件夹持头3，其中试件夹持头3和加载固定件2利用螺栓连接。

当待测钢缆索试件4内存在磁场时，待测钢缆索试件4被磁化，磁化程度通过磁导率表示；在稳恒磁场中，磁导率是实数；在交变磁场中，磁感应强度落后于磁场的变化，即磁感应强度与磁场存在相位差，磁导率用复数表示，复数磁导率同时反映了二者的振幅与相位关系。

磁场和磁感应强度用复数表示为：

$\tilde{H}=H_m{e}^{iwt}---\left(1\right)$

$\tilde{B}=B_m{e}^{i(wt-\mathrm{\δ})}---\left(2\right)$

其中，是磁场，是磁感应强度，H_m是磁场幅值，B_m是磁感应强度幅值，w是交流信号频率，t是时间，δ是磁感应强度落后于磁场的相位。

复数磁导率表示为：

$\widetilde{\mathrm{\μ}}=\frac{\tilde{B}}{{\mathrm{\μ}}_0\tilde{H}}={\mathrm{\μ}}^{\′}-{\mathrm{i\μ}}^{\′\′}---\left(3\right)$

其中，是复数磁导率，μ₀是真空磁导率，μ'是复数磁导率的实数部分，它代表单位体积待测钢缆索试件4中的磁能存储，μ”是复数磁导率的虚数部分，它代表单位体积待测钢缆索试件4在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗。

根据自感线圈在交流信号作用下产生感应电动势以及欧姆定律得到：

${\mathrm{\μ}}^{\′}=\frac{L}{L_1}---\left(4\right)$

${\mathrm{\μ}}^{\′\′}=\frac{r-{\mathrm{wL}}_2}{{\mathrm{wL}}_1}---\left(5\right)$

其中，L是线圈自感量，r是电阻，L₁、L₂是环形线圈常数L₁＝N²S₁μ₀/l、L₂＝N²S₂μ₀/l，N是线圈匝数，S₁是线圈截面面积，S₂是线圈和钢缆索之间截面面积，l是线圈长度。

复数磁导率的实部和虚部之比称为品质因数。品质因数反映铁磁材料在交变磁化时能量的储存和损耗的性能，通常希望材料的品质因数越高越好。因此复数磁导率的实部和虚部应满足：

μ′＞＞μ″(6)

由公式(4)、(5)、(6)可知，复数磁导率的幅值变化量为即磁导率变化量和自感量变化量成线性关系，由于磁导率不易测量，自感量利用LR电路进行测量，其微分方程为：

$L\frac{di\left(t\right)}{dt}+Ri\left(t\right)=U_S---\left(7\right)$

其中，i(t)是电流，R是外接电阻，U_S是交流信号U_S＝Asin(wt)，A是交流信号幅值。

由于R＞＞wL，并且结果中指数项消减很快，最终得到结果为：

$\left|{\mathrm{\ΔU}}_L\right|=\frac{Aw\left|\mathrm{\Δ}L\right|}{R}cos(wt+\mathrm{\θ})---\left(8\right)$

其中，U_L是线圈两端电压，θ是线圈两端电压和激励交流信号之间的相位差， $\mathrm{\θ}=-\arctan \left(\frac{wL}{R}\right).$

由公式(8)可知，单级线圈索力传感器两端电压的幅值变化量和自感量变化量成线性关系。

由焦耳效应可知，在钢缆索的弹性范围内索力和磁导率变化量成线性关系。由公式(4)、(5)、(6)可知，复数磁导率变化量和自感量变化量成线性关系。将钢缆索试件磁导率变化量作为中间量，建立起索力值和自感量变化量之间的线性关系，通过自感量变化量既可得到索力值。由公式(8)可知，单级线圈索力传感器两端电压的幅值变化量和自感量变化量成线性关系，自感变化会引起线圈两端电压也相应变化。线圈两端电压信号需要通过放大、滤波、有效值和数模转换等电路进行分析与处理。最终通过读取信号分析与处理后的电压值来推断钢缆索样品两端加载的索力值。

一种用基于自感式原理的单级线圈索力传感器的测力方法总结如下：

(1)单级线圈索力传感器两端信号经过放大、滤波、有效值和数模转换等电路进行分析处理，得到的直流电压信号变化量和单级线圈索力传感器两端的电压幅值变化量|ΔU_L|成线性关系；

(2)由公式(8)可知，单级线圈索力传感器两端电压幅值变化量|ΔU_L|和自感量变化量|ΔL|成线性关系；

(3)根据自感线圈在交流信号作用下产生感应电动势以及欧姆定律得到：由公式(4)(5)(6)μ′＞μ″可知，自感量变化量|ΔL|和待测试件磁导率变化量|Δμ|成线性关系；

(4)由焦耳效应可知，在钢缆索的弹性范围内磁导率变化量|Δμ|和索力F成线性关系；

(5)建立之间的线性关系，最终通过利用直流电压信号变化量测量索力F。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果:

1.本发明减去了感应线圈的使用，将激励线圈和感应线圈一体化，使传感器线圈减少，体积变小，大幅度降低了传感器的成本。

2.本发明对已建成的钢缆索增加单级线圈索力传感器时，只需要缠绕激励线圈，方便了传感器的安装。

3.本发明不需要经过磁通量的变化通过次级线圈感应出诱导电压，而是直接通过测量传感器两端的自感电压，响应时间短，测试速度快。

4.本发明避免了感应线圈缠绕不均匀或者感应线圈和线圈骨架之间尺寸不匹配而引起的漏磁问题，使得传感器制作工艺简单化，引线减少，提高了传感器的信噪比。

附图说明

图1是自感式单级线圈索力传感器及其测试方法的整体系统剖面示意图。

图2是自感式单级线圈索力传感器及其测试方法的自感测量电路图。

图中：1加载装置；2加载固定件；3试件夹持头；4钢缆索试件；5线圈骨架；6泡沫剂；7单级线圈索力传感器；8交流电源；9外接电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所提供的一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法，其工作原理为测量自感线圈自感量的变化推导索力的变化，将激励线圈和感应线圈一体化。如图1所示，包括加载装置1，加载固定件2，试件夹持头3，实验之前截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索试件4，自感线圈缠绕所需的线圈骨架5，线圈骨架5和钢缆索试件4之间用泡沫剂6填充，以及单级线圈索力传感器7。

图2显示了自感式单级线圈索力传感器及其测试方法的自感测量电路图。在实验过程中，激励来自于交流电源8，信号经过外接电阻9后到达单级线圈索力传感器7。

本发明所述的一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法的工作过程如下所述：

截取一段和待测钢缆索规格相同的长度为660mm，直径为8mm钢缆索作为钢缆索试件4；将单层220匝的单级线圈索力传感器7缠绕到与钢缆索试件4尺寸相匹配线圈骨架5上，线圈骨架内径为9mm，通常至少大于钢缆索试件1mm，以便于套入安装，二者之间空隙用泡沫剂6填充；将安装好传感器的钢缆索试件4利用试件夹持头3夹紧固定，试件夹持头3和加载固定件2利用螺栓连接，最后通过加载装置1进行加载。

激励电路将产生固定频率的交流电源8，信号经过外接电阻9后到达单级线圈索力传感器7；钢缆索试件4在加载装置1加载时内部磁导率会随着加载外力发生相应的变化，从而导致自感量发生变化，进而自感线圈两端电压发生变化，变化的电压信号再经过前置放大电路可以将电压的变化量进行放大以便于测量；放大后的信号通过带通滤波器可以将一定频率范围之外的信号过滤掉，使得测量结果受噪声的干扰减小，更加准确；滤波后的信号经过有效值电路后得到的直流电压分量，即交流信号幅值的有效值；最后用数模装换器读取电压的变化量。

本发明将钢缆索试件磁导率变化量作为中间量，在弹性范围内建立起索力值和自感量变化量之间的线性关系，通过自感量变化量既可得到索力值。而自感量变化量需要通过放大、滤波、有效值和数模转换等电路进行分析与处理，最终得到电压变化量，从而建立其索力与电压变化量之间线性关系。通过读取测量得到的电压变化量来推断钢缆索试件两端加载的索力值。

Claims (5)

1.一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器，其特征在于，该单级线圈索力传感器将传统磁通量索力传感器中的激励线圈和感应线圈一体化，该单级线圈索力传感器的测力系统包括激励电路、单级线圈索力传感器、前置放大电路、带通滤波器、有效值电路和数模转换器，上述各模块部件依次连接；将单级线圈索力传感器缠绕到与待测钢缆索试件尺寸相匹配的线圈骨架上，线圈骨架套入待测钢缆索试件中，通过泡沫剂填充；将由线圈骨架支撑的单级线圈索力传感器置于加载系统中，加载系统包括加载装置、加载固定件和试件夹持头，其中试件夹持头和加载固定件利用螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的基于自感式原理的单级线圈索力传感器，其特征在于，与待测钢缆索尺寸相匹配的线圈骨架内径大于1mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于自感式原理的单级线圈索力传感器，其特征在于，将单级线圈等间隔缠绕在线圈骨架的凹槽内。

4.一种用权利要求1或2所述的基于自感式原理的单级线圈索力传感器的测力方法,其特征在于，步骤如下：

(1)单级线圈索力传感器两端信号经过放大、滤波、有效值和数模转换电路进行分析处理，得到的直流电压信号变化量和单级线圈索力传感器两端的电压幅值变化量|ΔU_L|成线性关系；

(2)由公式(8)可知，单级线圈索力传感器两端电压幅值变化量|ΔU_L|和自感量变化量|ΔL|成线性关系；

(3)根据自感线圈在交流信号作用下产生感应电动势以及欧姆定律得到：由公式(4)(5)(6)μ′＞＞μ″可知，自感量变化量|ΔL|和待测试件磁导率变化量|Δμ|成线性关系；

(4)由焦耳效应可知，在钢缆索的弹性范围内磁导率变化量|Δμ|和索力F成线性关系；

(5)建立 $\left|\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{U}\right|\⇔\left|{\mathrm{\ΔU}}_L\right|\⇔\left|\mathrm{\Δ}L\right|\⇔\left|\mathrm{\Δ}\mathrm{\μ}\right|\⇔F$ 之间的线性关系，最终利用直流电压信号变化量测量索力F。

5.一种用权利要求3所述的基于自感式原理的单级线圈索力传感器的测力方法,其特征在于，步骤如下：

(1)单级线圈索力传感器两端信号经过放大、滤波、有效值和数模转换电路进行分析处理，得到的直流电压信号变化量和单级线圈索力传感器两端的电压幅值变化量|ΔU_L|成线性关系；

(2)由公式(8)可知，单级线圈索力传感器两端电压幅值变化量|ΔU_L|和自感量变化量|ΔL|成线性关系；

(3)根据自感线圈在交流信号作用下产生感应电动势以及欧姆定律得到：由公式(4)(5)(6)μ′＞＞μ″可知，自感量变化量|ΔL|和待测试件磁导率变化量|Δμ|成线性关系；

(4)由焦耳效应可知，在钢缆索的弹性范围内磁导率变化量|Δμ|和索力F成线性关系；

(5)建立 $\left|\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{U}\right|\⇔\left|{\mathrm{\ΔU}}_L\right|\⇔\left|\mathrm{\Δ}L\right|\⇔\left|\mathrm{\Δ}\mathrm{\μ}\right|\⇔F$ 之间的线性关系，最终利用直流电压信号变化量测量索力F。