CN109752673A - 一种分体式磁通量传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁通量传感器，尤其是一种分体式磁通量传感器及其使用方法及。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并标定完毕，现场只需用二者围住钢索，与索保持一定间隙，结合面贴合在一起，各分体内的导线段就相应地连通起来，构成了激励线圈和感应线圈。这种磁通量传感器，与钢索制作和安装时固定在钢索上的常规磁通量传感器，以及以往检测已有结构中钢索拉力时现场制作的磁通量传感器相比，方便快捷，节约时间和投资，经济实用。
Description
技术领域
本发明涉及磁通量传感器，特别涉及一种分体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主要有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：除磁化拉索之外，它不会影响拉索的任何其它特性；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，影响再次利用，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，提供了一种分体式磁通量传感器及其使用方法。
本发明提供一种分体式磁通量传感器及其使用方法，该磁通量传感器工作状态呈圆形的套筒状，内部包括激励线圈和感应线圈。该磁通量传感器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、隔离筒片体、激励线段和感应线段，激励线段和感应线段统称为导线段；内套筒片体由内套筒片和其两侧的感应线板组成，隔离筒片体处于内套筒片体与外套筒片之间，由隔离筒片和其两侧的激励线板组成，激励线板和感应线板统称为线板；内套筒片体和隔离筒片体为电的绝缘体，端板和外套筒片为导体；这两个分体的结合面相应地贴合在一起后，各分体内的导线段相应地连通，就构成了激励线圈和感应线圈；该分体式磁通量传感器的使用方法主要包括以下步骤：
步骤1：将待测索力的结构中的拉索按截面分类，分体式磁通量传感器的规格数取拉索的截面类型数；
步骤2：设计并制作每种规格的分体式磁通量传感器，每种规格的制作一组，一组三个；根据对应的拉索外径，按预定的拉索与分体式磁通量传感器的间隙确定内套筒片的内径；考虑拉索的设计索力，设计各部分尺寸，设计激励线圈和感应线圈；
步骤3：温度修正的准备，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，同时用对应的所述磁通量传感器测试；根据得到的三个索力与感应电压的关系曲线，判断各分体式磁通量传感器的工作性能，若某个异常，剔除该分体式磁通量传感器；若多于一个异常，则重新制作该组分体式磁通量传感器；
步骤5：现场测试索力，对某一根索，选择对应类型的一个分体式磁通量传感器，两个分体将拉索围在中间，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。
该方案制作的分体式磁通量传感器，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线。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7mm。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，即可得到精确的索力。
优选地，每个贴合面两侧的一个分体的导线段伸出相应的线板2mm，并用焊材填线孔；另一个分体的导线段的端部低于相应线板外表面2mm，并用焊材填线孔，呈圆球面状凹陷，中间凹陷1mm。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，端板和外套筒片选用恒磁导率的合金材料。因为该种材料在一定宽的磁场、温度和频率范围内，磁导率基本不变化。
与现有技术相比，本发明可解决常规的磁通量传感器需要对每根拉索安装或制作一个的缺点，整个结构中只需室内制作少量几个分体式磁通量传感器，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 单个分体的横断面示意图。
图3 内套筒片体的横断面示意图。
图4 隔离片体的横断面示意图。
图5 单个分体的贴合面示意图。
图6 上分体的激励线孔竖剖面示意图。
图7 下分体的激励线孔竖剖面示意图。
图中标识：1-分体1;2-分体2;3-钢索;4-内套筒片体;40-内套筒片;41-感应线板;5-感应线段;6-隔离筒片体;60-隔离筒片;61-激励线板;7-激励线段;8-外套筒片;9-感应线孔;10-激励线孔;11-防腐密封料;12-焊材;13-端板;21-下激励线板;22-下激励线孔;23-下激励线;31-上激励线板;32-上激励线孔;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
该分体式磁通量传感器呈圆形的套筒状，见图1，由相配套的分体1和分体2组成，检测索力时分体1和分体2贴合紧密，将钢索3围到正中间，间隙为5mm。分体1和分体2的内部结构相同，参见图2、图3和图4，主要包括由内套筒片40和其两侧的感应线板41组成内套筒片体4、外套筒片8、处于内套筒片体4与外套筒片8之间且由隔离筒片60和其两侧的激励线板61组成的隔离筒片体6、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。内套筒片体4和隔离筒片体6为电的绝缘体，内套筒片40和隔离筒片60为ABS工程塑料，感应线板41和激励线板61采用陶瓷。激励线段7和感应线段5为带绝缘涂层的铜丝。图5为单个分体的贴合面示意图，激励线板61上有排列的两排的激励线孔10，激励线孔10内有激励线段7的端部；感应线板41上有排列的两排的感应线孔9，感应线孔9内有感应线段5，分体的两端各有一个10mm厚的端板13，端板13和外套筒片8为导体。图6和图7以贴合面两侧组成激励线圈的导线段为例，介绍了两个分体中导线段的连通构造。在上方的分体中的上激励线板31上有上激励线孔32，上激励线33穿过上激励线孔32并外露2mm，上激励线孔32内的空隙用焊材12填平；在下方分体的下激励线板21上有下激励线孔22，其内有下激励线23，下激励线23的端部低于下激励线板21的上表面2mm，并用焊材12填线板孔，呈圆球面状凹陷，中间凹陷1mm。
采用该分体式磁通量传感器测量已建斜拉桥中索力时，其方法主要包括以下步骤：
步骤1：统计该斜拉桥中拉索的类型，决定分体式磁通量传感器的大小规格数。斜拉桥中的拉索总共有160根，分有5种类型，可简单地将分体式磁通量传感器的大小规格数也定为5；
步骤2：每种规格的分体式磁通量传感器可制作一组，一组三个。根据对应的拉索外径，按拉索与分体式磁通量传感器的间隙为5mm确定内套筒片40的内径；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的长度和厚度；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以及铜线直径；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，线绝缘材料的厚度与层间的间隙等；
步骤3：室内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8级张拉到120%的设计张拉力，同时用对应的所述磁通量传感器测试。并根据得到的三个索力与感应电压的关系曲线，判断各分体式磁通量传感器的工作性能。若某个异常，剔除该分体式磁通量传感器；若有不止一个出现异常，重新制作该组分体式磁通量传感器；
步骤5：现场测试索力。对某一根索，选择一个对应类型内分体式磁通量传感器，两个分体将拉索围在中间，间隙均匀，分体的贴合面紧密贴合在一起，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 (6)
1.一种分体式磁通量传感器及其使用方法，该磁通量传感器工作状态呈圆形的套筒状，内部包括激励线圈和感应线圈，该磁通量传感器的特征在于：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、隔离筒片体、激励线段和感应线段，激励线段和感应线段统称为导线段；内套筒片体由内套筒片和其两侧的感应线板组成，隔离筒片体处于内套筒片体与外套筒片之间，由隔离筒片和其两侧的激励线板组成，激励线板和感应线板统称为线板；内套筒片体和隔离筒片体为电的绝缘体，端板和外套筒片为导体；这两个分体的结合面相应地贴合在一起后，各分体内的导线段相应地连通，就构成了激励线圈和感应线圈；该分体式磁通量传感器的使用方法的特征在于：使用方法主要包括以下步骤：
步骤1：将待测索力的结构中的拉索按截面分类，分体式磁通量传感器的规格数取拉索的截面类型数；
步骤2：设计并制作每种规格的分体式磁通量传感器，每种规格的制作一组，一组三个；根据对应的拉索外径，按预定的拉索与分体式磁通量传感器的间隙确定内套筒片的内径；考虑拉索的设计索力，设计各部分尺寸，设计激励线圈和感应线圈；
步骤3：温度修正的准备，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，同时用对应的所述磁通量传感器测试；根据得到的三个索力与感应电压的关系曲线，判断各分体式磁通量传感器的工作性能，若某个异常，剔除该分体式磁通量传感器；若多于一个异常，则重新制作该组分体式磁通量传感器；
步骤5：现场测试索力，对某一根索，选择对应类型的一个分体式磁通量传感器，两个分体将拉索围在中间，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。
2.如权利要求1所述的分体式磁通量传感器，其特征在于：激励线段和感应线段都为带绝缘涂层的铜线。
3.如权利要求1所述的分体式磁通量传感器，其特征在于：内套筒片的内径比待测的钢索的外径大5mm至7mm。
4.如权利要求1所述的分体式磁通量传感器，其特征在于：内部至少有一个温度传感器。
5.如权利要求1所述的分体式磁通量传感器，其特征在于：每个贴合面一侧的一个分体的导线段伸出相应的线板2mm，另一侧的另一个分体的导线段的端部低于相应线板外表面2mm，并用焊材填线孔，呈圆球面状凹陷，中间凹陷1mm。
6.如权利要求1所述的分体式磁通量传感器，其特征在于：端板和外套筒片选用恒磁导率的合金材料。
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