CN110057872A - 一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，在锚室内设置集成监测系统，周期性对锚室内主缆散索后的钢丝束进行自感效应下电感的监测，并基于电感值变化判断钢丝束的应力变化，当任一钢丝束的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束出现断丝。本发明将集成监测系统设置在锚室内，避免了集成监测系统受环境影响容易损坏的问题，延长了集成监测系统的使用寿命，并且便于装置的安装、维修及更换；此外，本申请直接基于电感变化来判断是否发生断丝，计算量小，降低了对硬件的要求，节约了成本；并且，本申请可以直接检测出具体发生断丝的钢丝束，便于工作人员对维修工作进行准备和实施。

Description

一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构监测领域，具体为一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法。

背景技术

缆索结构体系是大跨径桥梁的主要承重构件，其安全性和耐久性对桥梁的正常使用和整体安全是极为重要的。由于缆索结构体系是缆索承重桥梁的生命线，一旦因耐久性和安全性不足出现病害与劣化，其承接能力丧失会导致公路桥梁垮塌的恶性事故，造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失。

目前，较为常用主缆索力的监测方法声发射监测法、振动法、光纤光栅等。

声发射监测是一种“被动”型监测，其基本原理是：当固体材料内部缺陷的发生和扩展，以弹性波的形式释放能量，并向四周传播，缺陷便成为声发射源。对于索体的检测就是当索体处于高拉应力的缆索钢丝出现裂纹、腐蚀或断丝时，其局部高应力的释放将产生特定的应力波，这种应力波可以被声发射监测系统捕捉到，并用于分析其表征的物理过程。但是声音信号传输距离近，需要在缆索上安放许多传感器，并且此传感器造价昂贵，同时对操作人员素质要求也较高。

振动测试法是目前应用最广的索力测试方法，振动测试法的前提条件是索缆的长度、线密度、边界条件清楚、缆索不过短、过长、过粗或有中间支撑等。在这些前提条件下，只要使用得当，且在测试前对索力和频率的关系进行标定，则振动法能准确地测定索缆的静张力。一般的缆索监测普遍安装的传感器为加速度传感器、压力传感器等，通过监测缆索一系列的振动参数，来识别缆索整体的性能。但此方法需要在缆索多个地点设置传感器，且传感器暴露在大气之外，不仅施工难度大，而且传感器也会因为外界环境不停变化而加速损坏，损坏之后更换成本高。

光纤光栅技术是利用将光纤光栅传感器附着在某一弹性体上，同时进行保护封装。通过一直不断发射一定角度的入射光使其在光纤中产生特定的反射光，反射光的波长对应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时，光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对应力、应变的监测。此方法是需在主缆施工阶段就将光纤光栅传感器安装在缆索内部的钢丝之中，在使用一定年限过后会出现损坏的情况，此时无法对传感器进行更换，存在一定的局限性。

上述方法均需要在主缆的各个部位进行传感器的布置，不仅施工难度大，而且传感器直接暴露在环境中，耐用性低，而且传感器损坏后更换非常麻烦甚至无法更换。

因此，如何在保证持续监测的情况下，降低传感器设置的难度，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是如何在保证持续监测的情况下，降低传感器设置的难度。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，在锚室内设置集成监测系统，周期性对锚室内主缆散索后的钢丝束进行自感效应下电感的监测，并基于电感值变化判断钢丝束的应力变化，当任一钢丝束的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束出现断丝。

优选地，集成监测系统包括多个检测单元，每个检测单元用于采集一根钢丝束的自感效应下的电感值，每个检测单元包括缠绕在对应钢丝束上的检测线圈，检测线圈分别与交变电源及LCR数字电桥电连接。

优选地，LCR数字电桥与处理装置电连接，所述处理装置用于基于电感值变化判断钢丝束的应力变化，当任一钢丝束的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束出现断丝。

综上所述，本发明公开了一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，在锚室内设置集成监测系统，周期性对锚室内主缆散索后的钢丝束进行自感效应下电感的监测，并基于电感值变化判断钢丝束的应力变化，当任一钢丝束的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束出现断丝。与现有技术相比，本发明将集成监测系统设置在锚室内，避免了集成监测系统受环境影响容易损坏的问题，延长了集成监测系统的使用寿命，并且便于装置的安装、维修及更换；此外，本申请直接基于电感变化来判断是否发生断丝，计算量小，降低了对硬件的要求，节约了成本；并且，本申请可以直接检测出具体发生断丝的钢丝束，便于工作人员对维修工作进行准备和实施。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明中的集成监测系统的结构示意图。

附图标记说明：检测线圈1、钢丝束2、交变电源3、LCR数字电桥4、电脑5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，在锚室内设置集成监测系统，周期性对锚室内主缆散索后的钢丝束2进行自感效应下电感的监测，并基于电感值变化判断钢丝束2的应力变化，当任一钢丝束2的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束2出现断丝。

本发明中通过对锚室内主缆散索后的钢丝束2进行自感效应下电感的监测，通过电感的变化来实现对桥梁主缆的应力进行监测，一旦主缆出现断丝，其主缆内部钢丝应力会出现重分布，传递至锚室，锚室内部的钢丝束2也会相应的出现应力变化，存在断丝的钢丝束2则会应力急剧下降，其原理表述为：在检测线圈1内部的铁磁性物质发生了磁导率的改变，而线圈的自感电感会随着其内部铁磁物质的磁导率变化而产生变化，其对应关系为下式所示：

其中：L为检测线圈1采集的电感值，单位为H；μ₀为真空磁导率，μ₀＝4п×10^-7；μ_r为检测线圈1内部磁芯(本发明中即为钢丝束2)的相对磁导率，空心线圈时μ_r＝1；N为检测线圈1的匝数；S为空载时，检测线圈1的截面积，含铁磁性物质时，为铁磁性物质的截面积，单位为m²；l为线圈的长度，单位为m；k为系数，取决于线圈的半径R与线圈长度l的比值。

缆索中如果出现断丝，其在锚室里的钢丝束2必定会出现应力的明显变化，由磁弹效应可知，处于地磁环境下的铁磁性材料工件在受到外界机械应力σ作用时，其磁化状态会发生改变，进而引起工件磁导率μ发生变化，最终影响检测线圈1内部的电感。

本发明中，检测线圈1可采用铜丝。

与现有技术相比，本发明将集成监测系统设置在锚室内，避免了集成监测系统受环境影响容易损坏的问题，延长了集成监测系统的使用寿命，并且便于装置的安装、维修及更换，基于检测自感效应的电感来对缆索进行断丝监测，灵敏程度高、反应速度快；此外，本申请直接基于电感变化来判断是否发生断丝，计算量小，降低了对硬件的要求，节约了成本；并且，本申请可以直接检测出具体发生断丝的钢丝束2，便于工作人员对维修工作进行准备和实施。

如图2所示，为进一步优化上述技术方案，集成监测系统包括多个检测单元，每个检测单元用于采集一根钢丝束2的自感效应下的电感值，每个检测单元包括缠绕在对应钢丝束2上的检测线圈1，检测线圈1分别与交变电源3及LCR数字电桥4电连接。

本发明中，多个检测单元共同组成传感器阵列。

为进一步优化上述技术方案，LCR数字电桥4与处理装置电连接，所述处理装置用于基于电感值变化判断钢丝束2的应力变化，当任一钢丝束2的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束2出现断丝。

在本发明中，处理装置包括电脑5、手机、平板电脑5等具有信号接收及处理分析的装置。处理装置可与LCR数字电桥4通过无线或有线的方式连接。本发明中，还可将之前所有监测周期内获得的电感信号绘制为时域曲线，通过统计学方法，甄别出电感信号异常点，并记录和存储，便于工作人员及时发现安全隐患。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，其特征在于，在锚室内设置集成监测系统，周期性对锚室内主缆散索后的钢丝束进行自感效应下电感的监测，并基于电感值变化判断钢丝束的应力变化，当任一钢丝束的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束出现断丝。

2.如权利要求1所述的基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，其特征在于，集成监测系统包括多个检测单元，每个检测单元用于采集一根钢丝束的自感效应下的电感值，每个检测单元包括缠绕在对应钢丝束上的检测线圈，检测线圈分别与交变电源及LCR数字电桥电连接。

3.如权利要求1所述的基于检测自感效应电感的缆索断丝监测方法，其特征在于，LCR数字电桥与处理装置电连接，所述处理装置用于基于电感值变化判断钢丝束的应力变化，当任一钢丝束的当前周期的电感值与前一周期的电感值的差超出预设范围，则判断所述钢丝束出现断丝。