CN110082024A - 一种基于lcr数字电桥的索力监测及损伤识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，电感线圈套设在目标缆索外，磁屏蔽外壳套设在电感线圈外，刚性支撑分别与磁屏蔽外壳及位移控制器固定连接，电感线圈作为监测装置的输出端与信号采集装置电连接；LCR数字电桥的输入端作为信号采集装置的输入端与监测装置的输出端电连接，LCR数字电桥的输出端作为信号采集装置的输出端与后处理装置的输入端电连接；PC终端的输入端作为后处理装置的输入端与信号采集的输出端电连接。与现有技术相比，本发明无需将整个目标缆索饱和磁化，无需大型的励磁机构即可实现索力监测及损伤识别，结构简单、操作方便、适用面广。

Description

一种基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置

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LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置。

背景技术

目前，钢缆索已广泛应用于各种桥梁、建筑结构等领域。其中典型的应用有斜拉桥的斜拉索、拱桥的吊索以及悬索桥的主缆、吊缆等。作为上述大型结构的核心构件，钢缆索长期处受到交变应力、腐蚀和振动影响，容易产生疲劳损伤，并影响结构的内力分布和结构线形，进而危及整个结构安全。

国内外的索力监测方法分为直接法和间接法。直接法包括油压表读数法、压力传感器法等，通常是在桥梁建设过程中，将应力或应变传感器埋入拉索或其相关装置中以直接检测索力。其中油压表读数法，是依据钢缆索张拉时所使用的油泵上油压表的读数来推算缆索索力。直接法简单易行，适合在施工过程中对钢缆索的索力进行测量和调整，但对于已建成结构的监测及检测不适用。

间接法包括振动频率法、涡流法、巴克豪森噪音法、磁弹效应法等，是通过测试钢缆索的相关参数，并依据理论分析得到的索力与该参数之间的关系来计算索力。但国内关于涡流法和巴克豪森噪音法在索力检测中的研究应用还较少。目前国内外对磁弹效应法测索力的研究较多，主要集中在对磁弹效应法的原理、传感器设计、温度补偿等方面进行研究。国内外学者提出了多种传感器，如套筒式传感器、U型磁路结构传感器、旁路励磁传感器、差动式结构传感器等，并将其应用于斜拉索索力及预应力钢缆索的应力监测中。但这些传感器都包含初级线圈和次级线圈，这使得传感器的生产、现场绕制较为复杂。有学者还引入了磁电传感单元代替次级线圈，有效提高了传感器的耐久性、灵敏度、效应速度，但传感器的结构变得更加复杂，并且增加了成本。

综合众多文献可知，上述对于索力监测方法的研究较多，并且对于磁弹法的研究已经趋于成熟，但基于这些方法设计的传感器成本较高并且生产制造复杂。逆磁致伸缩效应，铁磁性材料的磁特性(即磁导率)会在内力以及温度的影响下改变。保持温度及其他条件不变，置于磁场中的钢缆索受力发生变化时，轴向将发生形变，进而导致钢缆索磁化强度发生改变，即可推算出索力大小。在此基础上，根据钢缆索索力沿钢缆索的变化情况，可判断钢缆索是否存在损伤及损伤位置，并结合其他损伤检测方法对损伤程度进行测定。但传统磁通测量技术，都需要将结构饱和磁化，需要较大型的励磁机构，使用极不方便。

因此，如何提供一种结构简单、操作方便的测量缆索索力的技术方案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提供一种结构简单、操作方便的测量缆索索力的技术方案。

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LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，包括依次电连接的监测装置、信号采集装置及后处理装置，其中：

监测装置包括电感线圈、位移控制器、刚性支撑及磁屏蔽外壳，电感线圈套设在目标缆索外，磁屏蔽外壳套设在电感线圈外，刚性支撑分别与磁屏蔽外壳及位移控制器固定连接，位移控制器用于驱动刚性支撑沿目标缆索长度方向运动从而带动监测装置沿目标缆索长度方向运动，电感线圈作为监测装置的输出端与信号采集装置电连接；

信号采集装置包括LCR数字电桥，LCR数字电桥的输入端作为信号采集装置的输入端与监测装置的输出端电连接，LCR数字电桥的输出端作为信号采集装置的输出端与后处理装置的输入端电连接；

后处理装置包括PC终端，PC终端的输入端作为后处理装置的输入端与信号采集的输出端电连接。

优选地，电感线圈包括套设在目标缆索外的管状线圈骨架及线圈骨架外同一方向缠绕的线圈，线圈与LCR数字电桥电连接。

优选地，电感线圈通电后，LCR数字电桥采集电感线圈当前位置处的目标缆索的电感值，PC终端基于公式计算电感线圈当前位置处的目标缆索的索力。

优选地，使用所述基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置进行目标缆索的索力监测及损伤识别时包括如下步骤：

启动监测装置、信号采集装置及后处理装置；

控制位移控制器使监测装置沿目标缆索长度方向运动；

LCR数字电桥持续采集电感线圈输出的目标缆索各处的电感值；

PC终端基于目标缆索各处的电感值计算目标缆索各处的索力，并将目标缆索各处的索力与预设索力相对比，若某处索力与预设索力的差值大于预设差值范围，则判断此处目标拉索出现损伤。

综上所述，本发明公开了一种基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，包括依次电连接的监测装置、信号采集装置及后处理装置，其中：监测装置包括电感线圈、位移控制器、刚性支撑及磁屏蔽外壳，电感线圈套设在目标缆索外，磁屏蔽外壳套设在电感线圈外，刚性支撑分别与磁屏蔽外壳及位移控制器固定连接，位移控制器用于驱动刚性支撑沿目标缆索长度方向运动从而带动监测装置沿目标缆索长度方向运动，电感线圈作为监测装置的输出端与信号采集装置电连接；信号采集装置包括LCR数字电桥，LCR数字电桥的输入端作为信号采集装置的输入端与监测装置的输出端电连接，LCR数字电桥的输出端作为信号采集装置的输出端与后处理装置的输入端电连接；后处理装置包括PC终端，PC终端的输入端作为后处理装置的输入端与信号采集的输出端电连接。与现有技术相比，本发明无需将整个目标缆索饱和磁化，无需大型的励磁机构即可实现索力监测及损伤识别，结构简单、操作方便、适用面广。

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LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明中的监测装置的安装示意图。

附图标记说明：位移控制器1，刚性支承2，磁屏蔽外壳3，线圈骨架4，线圈5，LCR数字电桥6，PC终端7，电感线圈8，监测装置9，信号采集装置10，后处理装置11。

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及图2所示，本发明公开了一种基于LCR数字电桥6的索力监测及损伤识别装置，包括依次电连接的监测装置9、信号采集装置10及后处理装置11，其中：

监测装置9包括电感线圈8、位移控制器1、刚性支撑2及磁屏蔽外壳3，电感线圈8套设在目标缆索(图2中的钢绞线)外，磁屏蔽外壳3套设在电感线圈8外，刚性支撑2分别与磁屏蔽外壳3及位移控制器1固定连接，位移控制器1用于驱动刚性支撑2沿目标缆索长度方向运动从而带动监测装置9沿目标缆索长度方向运动，电感线圈8作为监测装置9的输出端与信号采集装置10电连接；

信号采集装置10包括LCR数字电桥6，LCR数字电桥6的输入端作为信号采集装置10的输入端与监测装置9的输出端电连接，LCR数字电桥6的输出端作为信号采集装置10的输出端与后处理装置11的输入端电连接；

后处理装置11包括PC终端7，PC终端7的输入端作为后处理装置11的输入端与信号采集的输出端电连接。

与现有技术相比，本发明无需将整个目标缆索饱和磁化，无需大型的励磁机构即可实现索力监测及损伤识别，结构简单、操作方便、适用面广。

在本发明中，刚性支承需要使用刚性材料，并与磁屏蔽外壳3紧密连接，具体可安装在磁屏蔽外壳3的两端部。

磁屏蔽外壳3可以采用具有较大的最大磁导率(相对磁导率在20000-200000以上)的材料，如工业纯铁、坡莫合金等材料或结构形式。

LCR数字电桥6与电感线圈8相连，其功率限制为50Hz-200Hz，通过低频激励，能够避免交流电的趋肤效应，使得交变磁力线尽可能穿透整个拉索，在监测过程中准确测量电感线圈8的电感量值。

在本发明中，位移控制器1可包括步进电机，通过位移控制器1驱动监测装置9移动可采用多种结构，例如，可在刚性支撑2上设置朝向目标缆索的滚轮，滚轮与目标缆索外表面接触且滚轮转动轴与目标缆索垂直，步进电机输出轴与滚轮的转动轴传动连接，从而通过控制步进电机的工作来控制监测装置9沿目标缆索长度方向运动。

为进一步优化上述技术方案，电感线圈8包括套设在目标缆索外的管状线圈骨架4及线圈骨架4外同一方向缠绕的线圈5，线圈5与LCR数字电桥6电连接。

在本发明中，线圈骨架4与磁屏蔽外壳3固定连接，并采用塑料、树脂、玻璃、橡胶等非金属材料。

为进一步优化上述技术方案，电感线圈8通电后，LCR数字电桥6采集电感线圈8当前位置处的目标缆索的电感值，PC终端7基于公式计算电感线圈8当前位置处的目标缆索的索力。

以逆磁致伸缩效应理论为基础，置于磁场中的缆索受力发生变化时，轴向将发生形变，导致钢缆索磁化强度发生改变，进而使得钢缆索电感也发生改变，利用LCR电桥技术采集相应变化的电感，并对电感进行数据处理，得到索力的值以及结合损伤识别方法对损伤进行定位和评定其程度。

上式中，F表示电感线圈8当前位置处的目标缆索的索力，E表示缆索的弹性模量，S_c表示缆索横截面面积，Δl表示缆索轴向伸长量，l表示缆索原始长度，λ_s表示缆索轴向变形系数，M_s表示缆索饱和磁化强度，K_u表示缆索单轴磁各向异性常数，θ₀表示磁场方向与缆索易磁化轴之间的角度，ΔL表示电感的变化量，N表示电感线圈匝数，μ₀表示空气的磁导率，S_a表示线圈骨架横截面面积，l_m表示电感线圈有效磁路长度。

由以上公式可知，激励电流强度I不变，缆索的索力与LCR数字电桥6测得的电感的变化量成正比，即可根据电感变化可换算出索力的大小。原理可总结为：

当置于磁场中的缆索受力发生变化时，缆索磁化强度也发生改变，进而导致缆所电感也发生变化；根据电磁感应原理，当电感线圈8中有激励电流通过时候，电感线圈8的周围就会产生激励磁场；通过公式换算，索力可以通过电感换算得到。与现有技术相比，本发明公开的技术方案无需进行预磁化即可进行监测。

为进一步优化上述技术方案，使用所述基于LCR数字电桥6的索力监测及损伤识别装置进行目标缆索的索力监测及损伤识别时包括如下步骤：

启动监测装置9、信号采集装置10及后处理装置11；

控制位移控制器1使监测装置9沿目标缆索长度方向运动；

LCR数字电桥6持续采集电感线圈8输出的目标缆索各处的电感值；

PC终端7基于目标缆索各处的电感值计算目标缆索各处的索力，并将目标缆索各处的索力与预设索力相对比，若某处索力与预设索力的差值大于预设差值范围，则判断此处目标拉索出现损伤。

本领域技术人员应当知晓的是，为了给电感线圈8供电，还需要将电感线圈8与交变电源电连接，本申请中启动监测装置9时，就包括了打开交变电源为电感线圈8供电。

本发明中同一根钢缆索中分布的力是均匀的，当监测装置9测得的索力中有突变情况，则可初步判定此处存在应力集中现象，也即此处可能存在损伤；此后可以结合其他损伤识别方法进一步对损伤程度进行定量检测。预设索力为缆索无损伤时的索力，可通过设计时的数据直接获得，也可通过本发明的装置在安装缆索时测得，预设范围根据实际情况设置，当某处索力与预设索力的差值大于预设差值范围，则说明索力发生了突变。

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 (4)

1.一种基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，其特征在于，包括依次电连接的监测装置、信号采集装置及后处理装置，其中：

监测装置包括电感线圈、位移控制器、刚性支撑及磁屏蔽外壳，电感线圈套设在目标缆索外，磁屏蔽外壳套设在电感线圈外，刚性支撑分别与磁屏蔽外壳及位移控制器固定连接，位移控制器用于驱动刚性支撑沿目标缆索长度方向运动从而带动监测装置沿目标缆索长度方向运动，电感线圈作为监测装置的输出端与信号采集装置电连接；

信号采集装置包括LCR数字电桥，LCR数字电桥的输入端作为信号采集装置的输入端与监测装置的输出端电连接，LCR数字电桥的输出端作为信号采集装置的输出端与后处理装置的输入端电连接；

后处理装置包括PC终端，PC终端的输入端作为后处理装置的输入端与信号采集的输出端电连接。

2.如权利要求1所述的基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，其特征在于，电感线圈包括套设在目标缆索外的管状线圈骨架及线圈骨架外同一方向缠绕的线圈，线圈与LCR数字电桥电连接。

3.如权利要求1所述的基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，其特征在于，电感线圈通电后，LCR数字电桥采集电感线圈当前位置处的目标缆索的电感值，PC终端基于公式计算电感线圈当前位置处的目标缆索的索力。

4.如权利要求3所述的基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置，其特征在于，使用所述基于LCR数字电桥的索力监测及损伤识别装置进行目标缆索的索力监测及损伤识别时包括如下步骤：

启动监测装置、信号采集装置及后处理装置；

控制位移控制器使监测装置沿目标缆索长度方向运动；

LCR数字电桥持续采集电感线圈输出的目标缆索各处的电感值；

PC终端基于目标缆索各处的电感值计算目标缆索各处的索力，并将目标缆索各处的索力与预设索力相对比，若某处索力与预设索力的差值大于预设差值范围，则判断此处目标拉索出现损伤。