CN106770680A - 一种桥梁拉索断丝监测传感器 - Google Patents

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刘佰鑫
邹易清
苏琦
王权权
谢正元
甘秋萍
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Abstract

一种桥梁拉索断丝监测传感器，包括传感器主体、固定装置和信号线，传感器主体由耦合橡胶、PVDF压电膜、支撑软橡胶构成；PVDF压电膜由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴，PVDF压电膜粘贴在耦合橡胶与支撑软橡胶之间，形成“三明治结构”；多层PVDF压电薄薄膜每一层都有两个输出电极,同极性的电极连接，构成多层压电薄膜电气并联；信号线在正负两极分别引出，阻波材料覆盖裸露的传感器电极；工作状态下，传感器主体紧贴在桥梁拉索的丝股的表面，采用固定装置收紧固定；信号线给仪表提供信号源。该传感器能实现对桥梁拉索的丝股状态进行在线监测，及时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况。

Description

一种桥梁拉索断丝监测传感器
技术领域
本发明涉及桥梁健康现场监测领域，特别是一种桥梁拉索断丝监测传感器。
背景技术
常规的桥梁拉索丝股的无损检测技术有电磁式、超声探伤、射线、导波和磁致伸缩等；这些技术都存在机构、原理和模型复杂、高空作业、故障率高和使用条件苛刻等问题，从理论上来看它们都无法实现在线检测。
常用的声发射传感器一般都基于压电陶瓷等材料，其体积大、感性和机电耦合系数偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声发射信号的桥梁拉索断丝监测传感器，以实现对桥梁拉索的丝股状态进行在线监测，及时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况。
解决上述问题的技术方案是：一种桥梁拉索断丝监测传感器，包括传感器主体、固定装置和信号线，所述传感器主体由耦合橡胶、PVDF压电膜、支撑软橡胶构成；PVDF压电膜由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴，PVDF压电膜粘贴在耦合橡胶与支撑软橡胶之间，形成“三明治结构”；
所述的多层PVDF压电薄膜每一层都有两个输出电极, 同极性的电极通过信号线或常用的电路工艺连接，构成多层压电薄膜电气并联；信号线在正负两极分别引出，阻波材料覆盖裸露的传感器电极；
工作状态下，传感器主体分别紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源。
其进一步技术方案是：所述支撑软橡胶采用吸波材料。
所述的固定装置是柔性固定装置，包括自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍。
其更进一步技术方案是：所述传感器主体形状为平面、柔性弧面、圆环形面、折线夹角面或其他与被监测拉索外形形状相配合的形状。
由于采用上述技术方案，本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器具有以下有益效果：
1、本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器是一种声发射传感器，比普通基于压电陶瓷等材料制成的声发射传感器性能好，能实现对桥梁拉索的丝股状态进行在线监测，及时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况：
本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器是一种声发射传感器，包括传感器主体、固定装置和信号线，所述传感器主体可按照监测目标定制为任何尺寸和多种形状；传感器主体由耦合橡胶、PVDF压电膜、支撑软橡胶。PVDF压电膜粘贴在耦合橡胶与支撑软橡胶之间，形成“三明治结构”；工作状态下，传感器主体紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源；
本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器是一种声发射传感器，由于所述传感器主体的敏感元件PVDF压电膜有极高的机-电耦合系数，同样受力条件下输出电压比压电陶瓷高10倍；PVDF厚度薄且可任意裁剪成任何形状，方便安装； PVDF的时间稳定性好，性能随时间漂移低；因而比基于压电陶瓷等材料的声发射传感器性能好；在正常使用中，钢绞线中心钢丝与环绕钢丝紧密接触，若中心钢丝断丝，丝股断丝时发出的强烈弹性波波经索体传导给断丝监测传感器的传感器主体，引起PVDF压电膜产生微变形，输出极高的电压；产生的电压通过引出导线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源；仪表接受到高压信号，判断丝股产生了断丝情况；从而能及时报告桥梁运营期间拉索的断丝状况。
2、对不同监测需求有极高的适应性：
①本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体不需外部供电，满足丝股断丝长期监测的能源要求；
②能满足桥梁拉索索内狭小空间的安装需求；
构成本发明桥梁拉索断丝监测传感器之传感器主体的PVDF压电膜的厚度仅有9～110微米，耦合橡胶和支撑软橡胶根据需要可选择100～1000微米的任意尺寸，传感器主体总厚度一般小于2000微米，传感的长宽尺寸可任意裁剪，对不同监测需求有极高的适应性, 特别是桥梁拉索这种丝股之间间隙极小的空间也能适应；
③PVDF这种材料有更好的时间稳定性；同时， PVDF压电膜的尺寸优势及可任意裁剪的特性，使其可以内置于缆索的保护结构中，提高了传感器的成活率。
由于以上特点，本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器能适用于对各种桥梁拉索的丝股状态进行在线监测，适用范围广，具有较好的社会经济效益。
下面，结合附图和实施例对本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1是实施例一所述的一种桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体结构示意图（平面型）；
图2是实施例二所述的一种桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体结构示意图（弧形）；
图3是实施例一所述的一种桥梁拉索断丝监测传感器安装使用状态示意图；
图4是图3的A部放大图；
图5是实施例二所述的一种桥梁拉索断丝监测传感器安装使用状态结构示意图。
图中：
1-支撑软橡胶，2-PVDF压电膜，3-耦合橡胶，4-钢丝，5-信号线，6-固定装置，7-传感器电极，8-索股为六边形的桥梁拉索，9-索股为圆形绞线形式的桥梁拉索。
具体实施方式
一种桥梁拉索断丝监测传感器，包括传感器主体、固定装置6和信号线5；
所述传感器主体由耦合橡胶3、PVDF压电膜2、支撑软橡胶1构成，PVDF压电膜2由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴，PVDF压电膜2粘贴在耦合橡胶3与支撑软橡胶1之间，形成“三明治结构”；
所述的多层PVDF压电薄膜每一层都有两个输出电极, 同极性的电极通过信号线或常用的电路工艺连接，构成多层压电薄膜电气并联；信号线5在正负两极分别引出，阻波材料覆盖裸露的传感器电极7；
工作状态下，多个传感器主体分别紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源。
所述支撑软橡胶1采用吸波材料。
所述的固定装置6是柔性固定装置，包括自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍。
根据传感器主体结构不同，有不同实施方式，以下举例说明：
实施例一
一种传感器主体为平面结构的桥梁拉索断丝监测传感器Ⅰ：
如图1所示，该传感器主体为平面结构，从内到外依次为耦合橡胶3、PVDF压电膜2、支撑软橡胶1；
该种传感器主体为平面结构的桥梁拉索断丝监测传感器Ⅰ主要用于监测索体结构由高强镀锌（环氧喷涂、光面）钢丝、缠绕包带、内层HDPE和外层HDPE构成、其索股为六边形的桥梁拉索8，其安装状态参见图3、图4。
其制作和安装方法是：按拉索索股的外形尺寸、丝股的多少裁剪出多层PVDF压电薄膜、耦合橡胶和支撑橡胶，并对裁剪边缘进行物理和绝缘保护；采用常用的电路工艺连接PVDF压电膜层的同极性电极，使多层压电薄膜构成电气并联，在正负两极分别引出信号线5，并采用吸波材料覆盖因此而裸露出的金属传感器电极7；
按图1所示结构，采用胶水粘贴耦合橡胶、PVDF压电膜和支撑橡胶，分别制成6片参数一致的断丝检测传感器主体；将这些传感器主体分别紧贴在丝股的6个表面上，采用高强度自粘缠绕包带作为固定装置6将传感器主体收紧固定；信号线5顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源（参见图3、图4）。
实施例二
一种传感器主体为弧面结构的桥梁拉索断丝监测传感器Ⅱ：
如图2所示，该传感器主体为弧面结构，从内到外依次为耦合橡胶3、PVDF压电膜2、支撑软橡胶1。
该种传感器主体为弧面结构的桥梁拉索断丝监测传感器Ⅱ主要用于监测由无粘结钢绞线构成的索股为圆形绞线形式的桥梁拉索（即：体内预应力拉索）9之无粘结钢绞线在长期的使用中索内丝股的断丝情况，该索股为圆形绞线形式的桥梁拉索9之索体由高强镀锌（环氧喷涂、光面）钢丝、缠绕包带、HDPE构成；索股为圆形绞线形式，其安装状态参见图5。
其制作和安装方法是：根据设计图纸获知索股为圆形绞线形式的桥梁拉索9丝股的整体形状、尺寸和防腐保护形式；以此为根据，确定耦合橡胶的尺寸、PVDF压电薄膜的层数和尺寸和支撑软橡胶的尺寸，选择合理的固定装置；裁剪出多层PVDF压电薄膜、耦合橡胶和支撑橡胶，并对裁剪边缘进行物理和绝缘保护；
采用常用的电路工艺连接PVDF压电薄膜层的同极性电极，使多层压电薄膜构成电气并联，在正负两极分别引出信号线5，并采用吸波材料覆盖因此而裸露出的金属传感器电极7；
按图2所示结构，采用胶水粘贴耦合橡胶、PVDF压电膜和支撑橡胶，分别制成6片参数一致的断丝检测传感器主体；将这些弧面结构的传感器主体分别紧贴在索股为圆形绞线形式的桥梁拉索9丝股的6个表面上（参见图5），采用高强度自粘缠绕包带作为固定装置6将传感器主体收紧固定；信号线5顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源。
在拉索投入使用后，若环绕丝股出现断丝，则发出的强烈弹性波经索体传导给断丝监测传感器的传感器主体（中心丝股发出的弹性波经界面接触传导到环绕钢丝上），从而PVDF压电膜输出极高的电压并通过引出导线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源，就能及时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况。
作为本发明实施例的一种变换，所述传感器主体形状还可以是其他与被监测拉索外形形状相配合的形状，例如：圆环形面、折线夹角面或其他与被监测拉索外形形状相配合的形状，其目的是增大传感与监测对象的接触面积。

Claims (4)

1.一种桥梁拉索断丝监测传感器，包括传感器主体、固定装置和信号线，其特征在于：所述传感器主体由耦合橡胶（3）、PVDF压电膜（2）、支撑软橡胶（1）构成；PVDF压电膜（2）由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴，PVDF压电膜（2）粘贴在耦合橡胶（3）与支撑软橡胶（1）之间，形成“三明治结构”；
所述的多层PVDF压电薄膜每一层都有两个输出电极, 同极性的电极通过信号线或常用的电路工艺连接，构成多层压电薄膜电气并联；信号线（5）在正负两极分别引出，阻波材料覆盖裸露的传感器电极（7）；
工作状态下，传感器主体分别紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源。
2.根据权利要求1所述的桥梁拉索断丝监测传感器，其特征在于：所述支撑软橡胶（1）采用吸波材料。
3.根据权利要求1所述的桥梁拉索断丝监测传感器，其特征在于：所述的固定装置（6）是柔性固定装置，包括自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍。
4.根据权利要求1、2或3所述的桥梁拉索断丝检测传感器，其特征在于：所述传感器主体形状为平面、柔性弧面、圆环形面、折线夹角面或其他与被监测拉索外形形状相配合的形状。
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