CN109752672B - 一种夹持式磁通量传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通量传感器，尤其是一种夹持式磁通量传感器及其使用方法。该磁通量传感器用于检测已有结构中外露钢索的拉力，其主体分为上分体和下分体两部分，这两部分已在室内制作，两端配有夹持钳，并标定完毕，现场只需将钢索夹持在中间，两个分体的结合面贴合在一起，两个分体内的导线段相应地在外端贴合面上连接起来，就构成了激励线圈和感应线圈，两个对称的激励线圈在两端，一个感应线圈在中部。与常规磁通量传感器以及现场制作的磁通量传感器相比，操作方便快捷，节约时间和资金，经济实用。

Description

一种夹持式磁通量传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及磁通量传感器，特别涉及一种夹持式磁通量传感器及其使用方法。

背景技术

近几十年来，随着索结构的应用越来越广泛，悬索结构的设计计算理论也得到了完善和发展。施工过程中及已有结构中的索力控制是关系到结构内力和状态的重要环节。结构材质的恶化、缺陷或意外事故引起的结构损伤，都会引起各构件，特别是拉索的内力重分布。因此，如何确定施工和使用过程中结构的索张力大小成为摆在工程设计人员面前的重大问题。

常用的常规索力测试方法压力传感器法和频率法。压力传感器短期精度高、动态性好，但需要串联在受力结构中，在荷载的长期作用下，会出现材料徐变、形变传递失真、零点漂移等问题，耐久性和长期精度不容易保证，由于在受力状态下无法重新校准，无法更换，因此用于长期监测有一定的局限性。频率法测试索力需要测得拉索的振动曲线，并进行频谱分析，得到拉索振动频率的基频或频差。因拉索端部的实际锚固条件比各种相应理论模型中的复杂，基于各种理论模型得到的索力公式各不相同，从理论上就存在误差。

近十年来，磁通量传感器以其优异的性能被开发、应用于测试拉索索力。其优点主要包括：为非接触式测量，不损伤拉索；传感器维护成本低、使用寿命长；抗干扰能力强、测量精度高、重复性好；系统可自动测量和自动温度补偿；可与计算机系统相连，进行远程健康监测。其应用主要分两种情况。对于即将建造的结构或更换安装的拉索，可采用一体式的磁通量传感器，这种传感器具有和压力式传感器类似的缺点，一次性安装，不便更换，随着使用时间的推移，精度不断降低。另一种形式是针对已建结构中的拉索，可以现场制作磁通量传感器，此时，与一体式磁通量传感器对应的各个筒体就被分成两个筒片，现场由内到外，合并相应的筒片，现场缠绕相应的导线，现场制作出磁通量传感器。这种现场制作的磁通量传感器仍存在一个缺点，对每根需要测量索力的拉索都要制作，一般情况下，测试后该传感器仍留在结构上，虽然可以拆除，但拆除过程中会造成导线的损伤，并且操作麻烦。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种夹持式磁通量传感器及其使用方法。

本发明提供的一种夹持式磁通量传感器，该夹持式磁通量传感器工作状态呈圆形的套筒状，内部包括激励线圈、感应线圈和填充内部空隙的防腐密封料，由相配套的两个分体组成，各分体主要包括两端的端板、内套筒片体、外套筒片，有导线段将这两个分体穿过夹持钳侧的内贴合面串联起来，导线段包括激励线段和感应线段；内套筒片体由内套筒片和其两侧的线板组成，线板分为夹持钳前方的外贴合面线板和夹持钳转轴附近的内贴合面线板；内套筒片体为电绝缘体，端板和外套筒片为导体；夹持钳合拢后，这两个分体相应的内贴合面贴合在一起，夹持钳前方的外贴合面贴合在一起，导线段在外贴合面处相应地连通，就构成了激励线圈和感应线圈；两个激励线圈对称地位于两端部，一个感应线圈位于中部；所述的夹持式磁通量传感器的使用方法包括以下步骤：

步骤1：测量已建结构中钢索索力前，先确定需要制作所述夹持式磁通量传感器的规格数，该规格数小于等于结构中钢索截面类型数；

步骤2：每种规格的夹持式磁通量传感器制作一组，一组三个；考虑拉索的设计索力，根据钢丝的磁化和磁导率曲线选择最佳工作点，设计各部分尺寸，设计激励线圈和感应线圈；

步骤3：测试钢索材料处于不同温度时的磁弹参数，为现场索力测试时的温度修正做准备；

步骤4：室内制作每种截面类型的短拉索模型一根，在拉力试验机上分级张拉到120%的设计张拉力，同时用对应的三个所述夹持式磁通量传感器测试，得到三根索力与感应电压的关系曲线，判断各夹持式磁通量传感器的工作性能，若某个异常，剔除该夹持式磁通量传感器；

步骤5：现场测试索力，根据所测试钢索的截面类型，从对应的类型内选择一个夹持式磁通量传感器，打开夹持钳，两个分体将钢索围在中间，合拢夹持钳，使两个分体紧密贴合在一起，通入直流脉冲激励电流，配套的磁弹仪测得磁弹参数，并根据温度进行修正，进而得到索力。经过标定后的一套夹持式磁通量传感器，可以完成对整个结构中同类型拉索索力的测量，克服了常规一体式磁通量传感器和现场制作的磁通量传感器的缺点，并保留了它们的优点，可以加快索力测试速度，节约投资。

优选地，激励线段和感应线段都为带绝缘涂层的铜丝。这是因为铜丝导电性能好。

优选地，内套筒片的内径比待测的钢索的外径大5mm至10mm。这主要是为了减小漏磁量。

优选地，内部至少有一个温度传感器。因为铁磁性材料的磁弹效应受温度影响，加入温度传感器后，可在室内制作时得到磁弹参数与温度的关系曲线，现场测试时及时修正所得数据。

优选地，外贴合面一侧的分体的导线段伸出其外贴合面线板2mm，有焊材填满其线孔；另一侧的分体的导线段的端部仍差2mm未到其外贴合面线板外表面，并有焊材填充其线孔，表面呈圆球面状凹陷，中间凹陷1mm。

优选地，端板和外套筒片选用恒磁导率的合金材料。这种设计既方便现场的贴合作业，又便于贴合后贴合面两侧的电流导通。

优选地，内贴合面线板的材质为橡胶，导线段穿过内贴合面线板，内贴合面线孔处用胶粘结。可在该夹持式磁通量传感器工作过程中，随导线段发生变形，从而避免导线段发生局部的转折，避免导线段发生疲劳损伤。

与现有技术相比，本发明解决了常规的磁通量传感器需要对每根拉索安装或制作一个磁通量传感器的缺点，整个结构中只需室内制作数组夹持式磁通量传感器，组数不多于拉索截面类型数，节约了投资，且加快了现场测试的速度，节约了时间。保留了一体式及现场制作的磁通量传感器的优点，并克服了它们的缺点，方便快捷，经济实用。

附图说明

图1 本发明工作状态的横断面示意图。

图2 单个分体中部的横断面示意图。

图3 内套筒片体的横断面示意图。

图4 单个分体的贴合面示意图。

图5 上分体的激励线孔竖剖面示意图。

图6 下分体的激励线孔竖剖面示意图。

图7 一根感应线段的示意图。

图8 本发明工作状态的示意图。

图中标识：1-下分体;2-上分体;3-钢索;4-内套筒片体;40-内套筒片;41-外贴合面线板;42-内贴合面线板;5-感应线段;6-夹持钳;7-激励线段;8-外套筒片;91-外贴合面线孔;92-内贴合面线孔;10-转轴;11-防腐密封料;12-焊材;13-端板;14-外贴合面;15-内贴合面;21-下线板;22-下线孔;23-下激励线;31-上线板;32-上线孔;33-上激励线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不限于这个实施例。

实施例一

该实例中需要测试的钢索3为内部含平行钢丝的拉索，为某已建斜拉桥中的拉索，拉索外径20mm。夹持式磁通量传感器工作状态呈圆形的套筒状，见图1和图8，由相配套的下分体1和上分体2组成，内部有一个温度传感器，检测索力时下分体1和上分体2贴合紧密，将钢索3围到正中间。下分体1和上分体2的内部结构相同，参见图2和图3，主要包括由内套筒片40和外贴合面线板41、内贴合面线板42组成的内套筒片体4、外套筒片8、激励线段7和感应线段5，以及填充内部空隙的防腐密封料11，夹持钳6的转轴10的中心位于两个分体外侧5mm。内套筒片40内径30mm。内套筒片40和外贴合面线板41为电的绝缘体，采用陶瓷，厚度5mm；内贴合面线板42为橡胶，厚度5mm；外套筒片8的外径为46mm，厚度为4mm。激励线段7和感应线段5为带绝缘涂层的铜丝，直径1mm，工作状态的形状见图7。图4为单个分体的贴合面示意图，外贴合面线板41上排列两排的外贴合面线孔91、内贴合面线板42上相应地排列两排的内贴合面线孔92。两端的外贴合面线孔91内对称地有激励线段7，中间部分有感应线段5，激励线段7和感应线段5从内贴合面15连续穿过，分体的两端各有一个5mm厚的端板13，端板13和外套筒片8为钢材。图5和图6显示了外贴合面14两侧的激励线段7的连通构造，外贴合面14两侧的感应线段5的连通构造与此相同。在上分体2中的上线板31上有上线孔32，上激励线33穿过上线孔32并外露2mm，上线孔32内的空隙用焊材12填平；在下分体1的下线板21上有下线孔22，其内有下激励线23，下激励线23的端部低于下线板21的上表面2mm，并用焊材12填线孔，表面呈圆球面状凹陷，中间凹陷1mm。

采用该夹持式磁通量传感器测量已建斜拉桥中索力的方法包括以下步骤：

步骤1：该斜拉桥中的拉索总共有160根，分有5种截面类型，可简单地将夹持式磁通量传感器的规格数也定为5；

步骤2：每种规格的夹持式磁通量传感器可制作一组，一组三个。根据钢丝的磁化和磁导率曲线选择最佳工作点，考虑拉索的设计索力，计算处于最佳工作点时的磁通量和磁路各部分尺寸，包括端板13的高，外套筒片8需要的长度；根据基尔霍夫定律和欧姆定律确定磁路个部分的磁导率和磁路的磁动势，结合设计的套筒式磁路各部分的尺寸大小以及励磁源提供电流的能力，确定传感器激励线圈的数量和激励电流，进而设计激励线圈的层数；确定磁通传感器其他参数，如激励圈绕组和感应线圈绕组长度，激励线圈绕组内径和外径；油漆与绕线之间的间隙；

步骤3：测试拉索材料处于不同温度时的磁弹参数，为现场索力测试时的温度修正做准备；

步骤4：室内制作每种截面类型的短拉索模型一根，在拉力试验机上分级张拉到120%的设计张拉力，同时用对应的所述夹持式磁通量传感器测试，得到的三根索力与感应电压的关系曲线，判断各夹持式磁通量传感器及其使用方法的工作性能，若某个异常，剔除该夹持式磁通量传感器及其使用方法；

步骤5：现场测试索力。对某一根索，从对应类型内选择一个夹持式磁通量传感器，打开夹持钳6，两个分体将拉索围在中间，合拢夹持钳6，使各两个分体紧密贴合在一起，通入直流脉冲激励电流，配套的磁弹仪测得磁弹参数，并根据温度进行修正，进而得到索力。

上述具体实施方式的描述仅用于说明本发明,而不用于限制本发明的权利保护范围。

Claims (7)

1.一种夹持式磁通量传感器，该夹持式磁通量传感器工作状态呈圆形的套筒状，内部包括激励线圈、感应线圈和填充内部空隙的防腐密封料，其特征在于：由相配套的两个分体组成，各分体主要包括两端的端板、内套筒片体、外套筒片，有导线段将这两个分体穿过夹持钳侧的内贴合面串联起来，导线段包括激励线段和感应线段；内套筒片体由内套筒片和其两侧的线板组成，线板分为夹持钳前方的外贴合面线板和夹持钳转轴附近的内贴合面线板；内套筒片体为电绝缘体，端板和外套筒片为导体；内贴合面线板的材质为橡胶，导线段穿过内贴合面线板，内贴合面线孔处用胶粘结；夹持钳合拢后，这两个分体相应的内贴合面贴合在一起，夹持钳前方的外贴合面贴合在一起，导线段在外贴合面处相应地连通，就构成了激励线圈和感应线圈；两个激励线圈对称地位于两端部，一个感应线圈位于中部，激励线段和感应线段从内贴合面连续穿过。

2.使用如权利要求1所述的夹持式磁通量传感器的方法，该使用方法包括以下步骤：

步骤1：先确定需要制作所述夹持式磁通量传感器的规格数，该规格数小于等于结构中钢索截面类型数；

步骤2：每种规格的夹持式磁通量传感器制作一组，一组三个；考虑拉索的设计索力，根据钢丝的磁化和磁导率曲线选择最佳工作点，设计各部分尺寸，设计激励线圈和感应线圈；

步骤3：测试钢索材料处于不同温度时的磁弹参数，为现场索力测试时的温度修正做准备；

步骤4：室内制作每种截面类型的短拉索模型一根，在拉力试验机上分级张拉到120％的设计张拉力，同时用对应的三个所述夹持式磁通量传感器测试，得到三根索力与感应电压的关系曲线，判断各夹持式磁通量传感器的工作性能，若某个异常，剔除该夹持式磁通量传感器；

步骤5：现场测试索力，根据所测试钢索的截面类型，从对应的类型内选择一个夹持式磁通量传感器，打开夹持钳，两个分体将钢索围在中间，合拢夹持钳，使两个分体紧密贴合在一起，通入直流脉冲激励电流，配套的磁弹仪测得磁弹参数，并根据温度进行修正，进而得到索力。

3.如权利要求1所述的夹持式磁通量传感器，其特征在于：激励线段和感应线段都为带绝缘涂层的铜丝。

4.如权利要求1所述的夹持式磁通量传感器，其特征在于：内套筒片的内径比待测的钢索的外径大5mm至10mm。

5.如权利要求1所述的夹持式磁通量传感器，其特征在于：内部至少有一个温度传感器。

6.如权利要求1所述的夹持式磁通量传感器，其特征在于：外贴合面一侧的分体的导线段伸出其外贴合面线板2mm，有焊材填满其线孔；另一侧的分体的导线段的端部仍差2mm未到其外贴合面线板外表面，并有焊材填充其线孔，表面呈圆球面状凹陷，中间凹陷1mm。

7.如权利要求1所述的夹持式磁通量传感器，其特征在于：端板和外套筒片选用恒磁导率的合金材料。