CN113155343A - 一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁检测技术领域，具体涉及一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法及装置。所述方法包括：在待测拉索上激发激励磁场，并基于磁谐振效应产生对应的谐振感应电压；根据同一位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化；沿待测拉索轴线方向获取多个位置的谐振感应电压，并根据各个位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索上是否存在损伤。本发明还提供了一种相应的拉索状态监测装置。本发明中的拉索状态监测方法及装置能够在降低激励源需求的同时，减小传感器尺寸，显著提高监测灵敏度，从而能够提升拉索状态的监测效果。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁监测技术领域，具体涉及一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法及装置。
背景技术
拉索是斜拉桥结构体系中的重要组成部分，是斜拉桥中关键、重要的受力构件，起着牵一发而动全身的重要作用，也是斜拉桥结构体系中最为敏感、最容易发生损伤或者破坏的构件。拉索的损伤或者破坏会对斜拉桥结构产生重大影响甚至引发严重灾难性后果，是延长斜拉桥结构使用寿命的瓶颈所在，斜拉索的性能严重影响斜拉桥结构的使用寿命。因此，为保障斜拉桥的结构安全及预防运营事故的发生，有必要对斜拉桥拉索的拉索状态进行监测，从而保障斜拉桥的全寿命安全。
监测拉索状态包括监测拉索拉力是否产生变化，以及监测拉索是否存在损伤。现有的拉索状态监测方法包括直接法和间接法。直接法包括油压表读数法、压力传感器法等；间接法包括磁弹效应法、频率测定法、声弹效应法和涡流法等。最常用的监测方法是磁弹效应法和频率测定法。例如，公开号为CN112198172A的中国专利就公开了《一种桥梁拉索钢丝损伤检测方法及检测装置》，其检测方法包括：对激励线圈施加脉冲超高频交变电流，激励拉索的钢丝内的自由电子形成电磁波导波；检测所述电磁波导波首次穿过检测线圈的激励脉冲信号以及反射后穿过所述检测线圈的反射脉冲信号；获取激励脉冲信号和反射脉冲信号穿过所述检测线圈的时间，以确定拉索的损伤位置。
上述现有方案中的拉索钢丝损伤检测方法也是一种拉索状态监测方法，其通过电磁传感器测定由于拉索拉力变化而引起的拉索磁导率的变化情况，进而判断拉索拉力是否变化并确定拉索的损伤位置。申请人发现，现有拉索状态监测方法采用的是磁弹效应法，其具有过载保护能力强、受振动影响小、受拉索PE护套影响小等优点，能够有效的保证拉索状态监测的效果。然而，现有拉索状态监测方法采用的电磁传感器具有较大的励磁结构，其对激励电流的要求很高需要较强的激励磁场，并且需要将待测拉索磁化至饱和状态，使得在实际应用场景下激励源很难到达监测需求，导致拉索状态的监测效果难以得到保证。因此，如何设计一种能够降低激励源需求的拉索状态监测方法是急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够降低激励源需求的拉索状态监测方法，从而能够提升拉索状态的监测效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，包括以下步骤：
S01：在待测拉索上激发激励磁场，并基于磁谐振效应产生对应的谐振感应电压；
S02：根据同一位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化；
S03：沿待测拉索轴线方向获取多个位置的谐振感应电压，并根据各个位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索上是否存在损伤。
优选的，步骤S01中，在待测拉索上设置能够产生互感的初级线圈和次级线圈；然后以次级线圈初始谐振频率激励初级线圈激发出激励磁场，使得初级线圈与次级线圈产生磁谐振，并使得次级线圈中产生的谐振感应电压得到增强。
优选的，步骤S02中，将初级线圈和次级线圈布置于待测拉索上的固定位置，并多次获取该固定位置的谐振感应电压；然后判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化：若该固定位置的谐振感应电压未发生变化，则拉索拉力未发生变化；否则，拉索拉力发生变化。
优选的，步骤S03中，沿待测拉索的轴线方向不断切换测量位置来布置初级线圈和次级线圈，并分别获取各个测量位置的谐振感应电压；然后判断待测拉索上是否存在损伤：若各个测量位置的谐振感应电压均未发生变化，则待测拉索上不存在损伤；否则，待测拉索上存在损伤。
优选的，步骤S03中，将谐振感应电压发生变化的测量位置作为待测拉索的损伤位置。
优选的，预先根据谐振感应电压与拉索拉力之间的对应关系标定得到谐振感应电压-拉索拉力关系曲线，使得在获取到对应的谐振感应电压后能够根据谐振感应电压-拉索拉力关系曲线计算对应的拉索拉力。
本发明还公开了一种基于磁谐振效应的拉索状态监测装置，其基于上述的拉索状态监测方法实施；具体包括：
双线圈监测模块，包括能够产生互感的初级线圈和次级线圈；用于在初级线圈上以次级线圈初始谐振频率激发激励磁场，使得初级线圈与次级线圈产生磁谐振，并使得次级线圈中产生的谐振感应电压得到增强；
信号发生模块，与所述双线圈监测模块的初级线圈电连接；用于向初级线圈输出激励电流，以激发出对应的激励磁场；
信号采集模块，与所述双线圈监测模块的次级线圈信号传输连接，用于对应获取次级线圈的谐振感应电压信号；
中央处理模块，用于接收次级线圈的谐振感应电压信号，并根据谐振感应电压信号对应判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化，以及判断待测拉索上是否存在损伤。
优选的，所述双线圈监测模块包括监测时套设于待测拉索上的线圈骨架，缠绕在所述线圈骨架上并与所述线圈骨架组成初级线圈的第一线圈，与所述第一线圈间隔设置且缠绕在所述线圈骨架上并与所述线圈骨架组成次级线圈的第二线圈，以及罩设于所述线圈骨架上且能够覆盖所述第一线圈和所述第二线圈的磁屏蔽外壳。
优选的，所述拉索状态监测装置还包括位移控制模块；所述位移控制模块用于带动拉索状态监测装置沿待测拉索的轴线方向移动。
优选的，所述信号发生模块和所述双线圈监测模块的初级线圈之间还设置有功率放大模块；所述功率放大模块用于放大所述信号发生模块输出的激励电流。
本发明中的拉索状态监测方法及装置与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明中，在待测拉索上激发激励磁场并产生谐振感应电压，进而根据同一位置或多个不同位置的谐振感应电压变化情况来分别判断拉索的拉索拉力是否发生变化，以及拉索上是否存在损伤，即能够有效的实现拉索状态的监测。同时，根据谐振感应电压监测拉索状态的方式，不需要将拉索磁化至饱和状态，也不需要很强的激励磁场，使得能够降低对激励源的需求，进而能够减小传感器的尺寸和重量。其次，本发明不需要对感应电压进行积分，能够提升动态响应能力，并且利用磁谐振现象提高了感应电压对拉力变化的灵敏度，从而能够提升拉索状态的监测效果。
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为实施例一中拉索状态监测方法的逻辑框图；
图2为实施例二中拉索状态监测装置的结构示意图；
图3为实施例二中双线圈监测模块的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例一：
申请人在实际研究中做了以下发现：
1）拉索拉力的变化会导致拉索磁导率产生变化，进而导致对应的电感产生变化，最终表现为对应的谐振感应电压变化。
2）磁弹效应指出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。
因此，保持温度及其他条件不变，结合电磁感应与磁谐振效应，通过双线圈传感器（检测传感器）中次级线圈谐振感应电压相对于初始谐振感应电压的偏离程度，就能够计算得到对应的拉索拉力。
3）根据拉索拉力沿拉索轴线方向的分布及其变化情况，能够判断拉索上是否存在损伤以及能够确定损伤位置。
正是基于上述发现，本实施例中公开了一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法。
如图1所示，一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，包括以下步骤：
S01：在待测拉索上激发激励磁场，并基于磁谐振效应产生对应的谐振感应电压。具体的，在待测拉索上设置能够产生互感的初级线圈和次级线圈；然后以次级线圈初始谐振频率激励初级线圈激发出激励磁场，使得初级线圈与次级线圈产生磁谐振，并使得次级线圈中产生的谐振感应电压得到增强。
S02：根据同一位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化。
S03：沿待测拉索轴线方向获取多个位置的谐振感应电压，并根据各个位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索上是否存在损伤。
本发明中，在待测拉索上激发激励磁场并产生谐振感应电压，进而根据同一位置或多个不同位置的谐振感应电压变化情况来分别判断拉索的拉索拉力是否发生变化，以及拉索上是否存在损伤，即能够有效的实现拉索状态的监测。同时，根据谐振感应电压监测拉索状态的方式，不需要将拉索磁化至饱和状态，也不需要很强的激励磁场，使得能够降低对激励源的需求，进而能够减小传感器的尺寸和重量。其次，本发明不需要对感应电压进行积分，能够提升动态响应能力，并且利用磁谐振现象提高了感应电压对拉力变化的灵敏度，从而能够提升拉索状态的监测效果。
具体实施过程中，步骤S02中，将初级线圈和次级线圈布置于待测拉索上的固定位置，并多次获取该固定位置的谐振感应电压；然后判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化：若该固定位置的谐振感应电压未发生变化，则拉索拉力未发生变化；否则，拉索拉力发生变化。
申请人发现，置于磁场中的拉索拉力发生变化时，拉索磁化强度因力致磁化发生改变，使得次级线圈的谐振频率改变，进而使得初级线圈和次级线圈不再产生谐振，次级线圈的谐振感应电压会降低。所以，本发明基于固定位置的谐振感应电压变化情况来判断拉索的拉索拉力是否发生变化的方式，能够有效且准确的监测拉索拉力，进而能够提升拉索状态的监测效果。
具体实施过程中，步骤S03中，沿待测拉索的轴线方向不断切换测量位置来布置初级线圈和次级线圈，并分别获取各个测量位置的谐振感应电压；然后判断待测拉索上是否存在损伤：若各个测量位置的谐振感应电压均未发生变化，则待测拉索上不存在损伤；否则，待测拉索上存在损伤。具体的，将谐振感应电压发生变化的测量位置作为待测拉索的损伤位置。
申请人发现，基于次级线圈的谐振感应电压能够计算得到对应的拉索拉力，因此谐振感应电压与拉索拉力之间具有一个对应关系。所以，本发明基于各个测量位置的谐振感应电压变化情况来判断拉索上是否存在损伤的方式，能够有效且准确的监测拉索损伤，进而能够提升拉索状态的监测效果。同时，能够对应确定待测拉索的损伤位置，有利于及时修复拉索损伤，从而能够辅助提升对拉索的保护效果。
具体实施过程中，预先根据谐振感应电压与拉索拉力之间的对应关系标定得到谐振感应电压-拉索拉力关系曲线，使得在获取到对应的谐振感应电压后能够根据谐振感应电压-拉索拉力关系曲线计算对应的拉索拉力。
申请人发现，基于次级线圈的谐振感应电压能够计算得到对应的拉索拉力，因此谐振感应电压与拉索拉力之间具有一个对应关系。所以，本发明能够根据谐振感应电压-拉索拉力关系曲线计算对应的拉索拉力，从而能够更好的监测拉索状态。
实施例二：
本实施例在实施例的基础上进一步公开了一种基于磁谐振效应的拉索状态监测装置。
结合图2所示，一种基于磁谐振效应的拉索状态监测装置，其基于实施例一中的拉索状态监测方法实施；具体包括：
位移控制模块，位移控制模块用于带动拉索状态监测装置沿待测拉索的轴线方向移动。具体的，位移控制模块为现有技术中成熟使用的能够在拉索上爬行的机器人，其受控于中央处理模块。
双线圈监测模块，包括能够产生互感的初级线圈和次级线圈；用于在初级线圈上以次级线圈初始谐振频率激发激励磁场，使得初级线圈与次级线圈产生磁谐振，并使得次级线圈中产生的谐振感应电压得到增强。
信号发生模块，与双线圈监测模块的初级线圈电连接；用于向初级线圈输出激励电流，以激发出对应的激励磁场。具体的，信号发生模块为现有技术中成熟使用的信号发生器。
功率放大模块，设置于信号发生模块和双线圈监测模块的初级线圈之间；用于放大信号发生模块输出的激励电流。具体的，功率放大模块为现有技术中成熟使用的功率放大器。
信号采集模块，与双线圈监测模块的次级线圈信号传输连接，用于对应获取次级线圈的谐振感应电压信号。具体的，信号采集模块包括示波器和蓝牙无线传输单元，示波器用于采集并显示谐振感应电压信号；蓝牙无线传输单元用于将获取的谐振感应电压信号发送到中央处理模块。
中央处理模块，用于接收次级线圈的谐振感应电压信号，并根据谐振感应电压信号对应判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化，以及判断待测拉索上是否存在损伤。具体的，中央处理模块为现有技术中成熟使用的服务器或PC终端，其根据同一位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化。沿待测拉索轴线方向获取多个位置的谐振感应电压，并根据各个位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索上是否存在损伤。
本发明中，信号发生模块和双线圈监测模块能够在待测拉索上激发激励磁场并产生谐振感应电压，信号采集模块能够对应采集次级线圈的谐振感应电压信号，中央处理模块能够根据同一位置或多个不同位置的谐振感应电压变化情况来分别判断拉索的拉索拉力是否发生变化，以及拉索上是否存在损伤，即能够有效的实现拉索状态的监测；同时，根据谐振感应电压监测拉索状态的方式，不需要将拉索磁化至饱和状态，也不需要很强的激励磁场，使得能够降低对激励源的需求，从而能够提升拉索状态的监测效果。
具体实施过程中，结合图3所示，双线圈监测模块包括监测时套设于待测拉索上的线圈骨架，缠绕在线圈骨架上并与线圈骨架组成初级线圈的第一线圈，与第一线圈间隔设置且缠绕在线圈骨架上并与线圈骨架组成次级线圈的第二线圈，以及罩设于线圈骨架上且能够覆盖第一线圈和第二线圈的磁屏蔽外壳。具体的，双线圈监测模块通过刚性支撑座与位移控制模块连接在一起。磁屏蔽外壳要求采用具有较大的最大磁导率和饱和磁通密度的材料，例如工业纯铁、坡莫合金等材料或结构。线圈骨架要求与磁屏蔽外壳紧密连接，线圈骨架采用相对磁导率近似等于一的非金属材料，如塑料、树脂、玻璃、橡胶等材料。
本发明中，采用上述结构的双线圈监测模块作为检测传感器使用，其中，双线圈监测模块的初级线圈和次级线圈能够很好的产生互感，并且能够有效地在拉索上激发激励磁场并产生谐振感应电压，同时还能够屏蔽环境磁场的干扰，从而能够效果的辅助实现拉索状态的监测。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在待测拉索上激发激励磁场，并基于磁谐振效应产生对应的谐振感应电压；
S02：根据同一位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化；
S03：沿待测拉索轴线方向获取多个位置的谐振感应电压，并根据各个位置的谐振感应电压变化情况判断待测拉索上是否存在损伤。
2.如权利要求1所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，其特征在于：步骤S01中，在待测拉索上设置能够产生互感的初级线圈和次级线圈；然后以次级线圈初始谐振频率激励初级线圈激发出激励磁场，使得初级线圈与次级线圈产生磁谐振，并使得次级线圈中产生的谐振感应电压得到增强。
3.如权利要求2所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，其特征在于：步骤S02中，将初级线圈和次级线圈布置于待测拉索上的固定位置，并多次获取该固定位置的谐振感应电压；然后判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化：若该固定位置的谐振感应电压未发生变化，则拉索拉力未发生变化；否则，拉索拉力发生变化。
4.如权利要求2所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，其特征在于：步骤S03中，沿待测拉索的轴线方向不断切换测量位置来布置初级线圈和次级线圈，并分别获取各个测量位置的谐振感应电压；然后判断待测拉索上是否存在损伤：若各个测量位置的谐振感应电压均未发生变化，则待测拉索上不存在损伤；否则，待测拉索上存在损伤。
5.如权利要求4所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，其特征在于：步骤S03中，将谐振感应电压发生变化的测量位置作为待测拉索的损伤位置。
6.如权利要求2所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测方法，其特征在于：预先根据谐振感应电压与拉索拉力之间的对应关系标定得到谐振感应电压-拉索拉力关系曲线，使得在获取到对应的谐振感应电压后能够根据谐振感应电压-拉索拉力关系曲线计算对应的拉索拉力。
7.一种基于磁谐振效应的拉索状态监测装置，其特征在于，基于权利要求1中所述的拉索状态监测方法实施；具体包括：
双线圈监测模块，包括能够产生互感的初级线圈和次级线圈；用于在初级线圈上以次级线圈初始谐振频率激发激励磁场，使得初级线圈与次级线圈产生磁谐振，并使得次级线圈中产生的谐振感应电压得到增强；
信号发生模块，与所述双线圈监测模块的初级线圈电连接；用于向初级线圈输出激励电流，以激发出对应的激励磁场；
信号采集模块，与所述双线圈监测模块的次级线圈信号传输连接，用于对应获取次级线圈的谐振感应电压信号；
中央处理模块，用于接收次级线圈的谐振感应电压信号，并根据谐振感应电压信号对应判断待测拉索的拉索拉力是否发生变化，以及判断待测拉索上是否存在损伤。
8.如权利要求7所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测装置，其特征在于：所述双线圈监测模块包括监测时套设于待测拉索上的线圈骨架，缠绕在所述线圈骨架上并与所述线圈骨架组成初级线圈的第一线圈，与所述第一线圈间隔设置且缠绕在所述线圈骨架上并与所述线圈骨架组成次级线圈的第二线圈，以及罩设于所述线圈骨架上且能够覆盖所述第一线圈和所述第二线圈的磁屏蔽外壳。
9.如权利要求7所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测装置，其特征在于：还包括位移控制模块；所述位移控制模块用于带动拉索状态监测装置沿待测拉索的轴线方向移动。
10.如权利要求7所述的基于磁谐振效应的拉索状态监测装置，其特征在于：所述信号发生模块和所述双线圈监测模块的初级线圈之间还设置有功率放大模块；所述功率放大模块用于放大所述信号发生模块输出的激励电流。
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