CN113739973A - 一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法 - Google Patents

一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于拉力监测设备技术领域，公开了一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法，包括数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统；数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统依次连接；数据采集与传输系统由索具拉力测试装置组成，其监测数据传递给诊断系统，再与输入模型进行比较后，将索具信息传递给评估系统；数据处理与控制系统由数据采集与传输系统、数据采集控制模块、数据分类和抽取模块、人机交互界面、数据储存单元组成。本发明通过测量敏感金属片上应力应变代替直接测量索具，使测量数据更加精确；在一定范围内，更换敏感金属片及索带尺寸，可提升测量拉力范围。

Description

一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法
技术领域
本发明属于拉力监测设备技术领域，尤其涉及一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法。
背景技术
目前，悬索结构由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，其广泛应用于桥梁、房屋等大跨度建筑物，如体育馆、工业车间、文化生活建筑及特殊构筑物等。由于受拉索对于整体结构性能影响较大，需对其进行周期性检测。常规检测方式既影响设施正常使用，又增加日常维护成本，因此研究索具拉力在线监测平台十分重要。
索具结构安全检测主要有以下几种方法：1、拉力机实验法2、索具外观检测法3、索具捻距检测法等。拉力实验法检测较为精确，需将索具拆卸，其检测周期较长；外观、捻距检测法周期较短，其检测精度较低。如何更加精确测量索具拉力以及实现对索具在线监测成为必须面对的问题，本发明以此为出发点，发明一种索具拉力测试装置及其在线监测平台。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术不能解决索具结构实时监控，对索具突发性破坏不能提前做出预警，对疲劳性破坏不能做出判断。
(2)现有技术检测较为繁琐，检测期间影响索具结构正常使用。
(3)现有技术需要定周期进行检测，使用成本较高。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)索具拉力测量既要满足其测量精度，又要考虑设备可靠性以及适用性。
(2)索具结构状态评估，根据实时监控数据对突发性破坏进行预警，对周期性疲劳破坏进行判断。
(3)索具结构在线监测平台数据处理过程中要保留优良数据，对于数据传输过程中的波动信号以及测量环境中的振动波动信号进行识别和剔除。
解决以上问题及缺陷的意义为：
(1)以较小成本保障索具结构正常使用，能够对索具结构突发性破坏进行预警，周期性疲劳破坏进行判断。
(2)相比于传统测量方法，采用敏感弹簧片上粘贴应变片进行等效测量，其测量精度更加准确，且此索具拉力测量装置适用性较强，根据不同的测量范围，更换相应敏感弹簧片即可。
(3)采用实时数据及存储数据作为评估及预警依据，同时具有不良数据剔除功能，对突发性破坏及周期性疲劳破坏判断更为准确。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法。
本发明是这样实现的，一种索具拉力在线监测系统包括：
数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统；
所述数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统依次连接；
所述数据采集与传输系统由索具拉力测试装置组成，其监测数据传递给诊断系统，再与输入模型进行比较后，将索具信息传递给评估系统；
所述数据处理与控制系统由数据采集与传输系统、数据采集控制模块、数据分类和抽取模块、人机交互界面、数据储存单元组成；
所述诊断与评估系统由数据与采集传输系统、数据采集控制模块、评估模块组成。
进一步，所述数据采集控制模块可不间断控制采集或按照给定的设定参数采集数据，采集参数包括时间T、连续观测参数触发次数N；
数据分类与抽取模块用于将WIFI信号传输过来的监测数据进行解析与分类，并且通过简单的数值分析与比较初步判断数据的优劣，并将良好的监测数据抽取出来存入数据储存单元。
进一步，所述人机交互界面用于为用户提供监测数据的查询、控制采样操作，同时通过总体系统界面提供与WIFI信号连接；
评估模块通过实时监测数据对局部进行评估，预报索具突发断裂及破坏风险，也可通过对储存数据进行整体评估，预报索具使用周期内可靠性。
本发明的另一目的在于提供一种索具拉力在线监测平台，所述索具拉力在线监测平台设置有：索具拉力测量结构；
所述索具拉力测量结构为对称形式，上下端各设置有一个敏感弹簧片，所述敏感弹簧片两端均通过螺栓与弹片固定端固定连接，前端弹片固定端另一端通过螺栓连接有前端连接件，所述前端连接件另一端通过螺栓连接有滑动压紧块，后端弹片固定端后端通过螺栓连接有后端压紧块，索带位于上下两端的滑动压紧块和上下两端的敏感弹簧片之间；
所述敏感弹簧片粘贴有应变片，所述应变片通过连接导线连接有控制电路板，控制电路板通过连接导线连接有电源。
进一步，所述滑动压紧块滑动连接有导向垫块，所述导向垫块与长外套通过螺栓连接。
进一步，所述滑动压紧块左右两端均固定连接有滑动支撑套，所述滑动支撑套后端通过螺栓连接有导向垫块限位块，所述滑动支撑套外端与长外套连接。
进一步，所述索具拉力测量结构外侧套设有长外套，所述控制电路板和电源外侧套设有电源外壳，所述电源外壳前端和长外套后端分别固定连接有前端封盖和后端封盖，所述长外套、电源外套、前端封盖、后端封盖在装配过程中为同轴螺栓连接。
进一步，所述索带前后两端均开设齿槽，索带前端齿槽与滑动压紧块配合，索带后端齿槽与后端压紧块配合，所述滑动压紧块、后端压紧块里端均开设有与索带配合的齿槽。
进一步，所述控制电路板表面设置有wifi信号传输器，所述wifi信号传输器通过无线信号与远程监控中心连接。
本发明的另一目的在于提供一种索具拉力在线监测方法，所述索具拉力在线监测方法包括：
前端滑动压紧块随索具拉力变化进行比例滑动，可随索带前端同时发生位移增量；
当索具受拉力状态时，索具发生形变△L，索带通过齿槽与滑动限位块连接，滑动限位块与前端连接件通过螺栓连接，前端连接件与弹簧片前固定端连接，最终将索带位移变化传递至敏感弹簧片；
敏感金属片上粘贴的应变片采集敏感弹簧片的形变数据，应变片将原始数据转送至控制电路板；
控制电路板将测量信号通过WIFI进行通讯，将数据传输至监测平台，
在线监测平台具有对数字信号后处理的功能，同时通过数据计算可得某一时刻索具拉力值，通过实时测量数据与每日测量数据对比分析，对索具状态预报与评估。
具体包括：
(1)将索具测力装置首位两端与索具相连，并在敏感弹簧片上粘贴应变片，检查控制电路板以及WIFI各模块电路情况。
(2)当索具受拉力状态时，索具发生较小形变△L，索带通过齿槽与滑动限位块连接，滑动限位块与前端连接件通过螺栓连接，前端连接件与弹簧片前固定端连接，最终将索带位移变化传递至敏感弹簧片。
(3)应变片采集测量结构参数(敏感弹簧片应力)，然后将原始数据传送至控制电路板。
(4)控制电路板将测量信号通过WIFI进行通讯，将数据传输至监测平台。监测平台通过与索具设定安全拉力进行对比，实现监控索具拉力功能。
(5)在线监测平台可对数字信号进行后处理，可实现滤波及不良数据剔除的功能，增加了数据的可靠性，将实时数据及存储数据作为评估及预警依据，对突发性破坏及周期性疲劳破坏判断更为准确。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明通过测量敏感金属片上应力应变代替直接测量索具，使测量数据更加精确；
根据YBT 4507-2017钢丝绳索具拉力试验方法可知，2级别拉力试验最大误差为3％，而本索具拉力测量装置经实际标定后，敏感弹簧片加载过程中为线性变化，不受变载荷波动影响，最大误差小于拉力机实验法。
在一定范围内，更换敏感金属片及索带尺寸，可提升测量拉力范围。
对于传统测试方法，测量不同拉力范围实验需更换相匹配设备，而本索具测力装置对于一定范围内如(100KN-200NKN实验)，在保证其他构件强度的基础上，仅需要更换不同强度敏感弹簧片及索带尺寸，进行重新标定即可使用，提升测量拉力范围。
本发明测量过程相较于传统方法更简便，节省了施工时间，降低了后期维护使用费用。
相比于传统的索具结构测量方法，每6个月需要进行检测，检测时间势必会影响索具结构正常使用，且每个索具结构单次检测费用为500元不等，对于较多索具组成结构而言，检测费用数额较大，本索具拉力在线监测平台可以较好解决这个问题。
本发明可通过WIFI信号将索具结构测力装置测量数据传输至平台，对数据进行滤波以及不良数据剔除后，根据实时数据及储存数据对索具状态进行实时监测及预报。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的索具拉力在线监测平台的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的索具拉力测量结构的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的导向垫块的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的电源外套和长外套的连接结构示意图。
图5是本发明实施例提供的前端滑动压紧块的结构示意图。
图中：1、索带；2、前端封盖；3、电源外套；4、控制电路板；5、电源；6、滑动压紧块；7、前端连接件；8、前端弹片固定端；9、敏感弹簧片；10、导向垫块；11、导向垫块限位块；12、后端压紧块；13、长外套；14、后端封盖；15、滑动支撑套。
图6是本发明实施例提供的索具拉力在线监测系统的结构框图。
图7是本发明实施例提供的数据处理与控制系统的结构示意图。
图8是本发明实施例提供的诊断与评估系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种索具拉力在线监测平台、监测系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1至图5所示，本发明实施例提供的索具拉力在线监测平台包括索带1、前端封盖2、电源外套3、控制电路板4、电源5、滑动压紧块6、前端连接件7、前端弹片固定端8、敏感弹簧片9、导向垫块10、导向垫块限位块11、后端压紧块12、长外套13、后端封盖14、滑动支撑套15。
其中前端封盖2、电源外套3、长外套13、后端封盖14组成测量装置外壳，滑动压紧块6、前端连接件7、前弹片固定端8、敏感弹簧片9、导向垫块10、导向垫块限位块11、后端压紧块12、滑动支撑套15组成测量装置内部结构。
结合图1，本测量装置为对称结构，上下各有敏感弹簧片及配合装置，测量过程中，需在上下敏感弹簧片上加装应变片，其中上敏感弹簧片为主要测量部分，下敏感弹簧片为补偿测量部分。敏感弹簧片前后两端分别通过两个螺栓连接在前后固定端，敏感弹簧片具有一定角度，在较小拉力作用下，仍可以满足测量精度。且根据不同测力幅值，可更换不同的敏感弹簧片，增加装置所测拉力范围。前端封盖2、电源外套3、长外套13、后端封盖14通过6个螺栓同轴装配。前端封盖、后端封盖、电源模块外套和长外套用于保护装置内部结构，增加装置可靠性，其中长外套还需通过螺栓固定后端导向垫块。
结合图2，测量装置前端由滑动压紧块6、前端连接件7、前弹片固定端8、滑动支撑套15组成。上下两个滑动压紧块6通过8个螺栓进行固定，前端连接件通过3个螺栓固定在滑动压紧块6，前弹片固定端通过2个螺栓固定在前端连接件7。
前端设置滑动压紧块，其未与装置套体连接，可随索带前端同时发生位移增量。当索具受拉力状态时，索具发生形变△L，索带通过齿槽与滑动限位块连接，滑动限位块与前端连接件通过螺栓连接，前端连接件与弹簧片前固定端连接，最终将索带位移变化传递至敏感弹簧片。
滑动支撑套向内通过螺栓与前端导向垫块限位块连接，用于限制装置横向位移，辅助滑动压紧块导杆正常工作，减小测量误差。向外通过螺栓与长外套连接，稳定支撑套工作过程。
结合图5，滑动限位块6由块体和导杆组成，导杆与滑动支撑套15相互配合，导杆在滑动支撑套中沿索带轴向方向移动。
结合图2，测量装置后端由弹片固定段、后端压紧块12组成。两个压紧块12通过8个螺栓进行固定，后弹片固定端通过两个螺栓与后端压紧块12连接。前端设置滑动压紧块，后端设置压紧块，后端压紧块与导向垫块相配合，通过螺栓连接长外套，限制其沿索带方向自由度，起到固定端作用，后端在测量拉力过程中，不随位移而发生改变。
结合图3，测量装置限位结构由导向垫块10、导向垫块限位块11组成。导向垫块10下端开设一道槽沟，索带1从上下2个导向垫块组成的槽沟内穿过，导向垫块10通过4个螺栓与长外套13连接，保证后端固定，在测量过程中，不会随索具位移而变化。
结合图2，索带1、滑动压紧块6、后端压紧块12上开设齿槽。索带前、后端均开设齿数23个，其齿高7mm，齿距35mm。根据不同测力幅值，可调整齿高、齿距。在测量过程中，保证索具受力正常传递至压紧块。
结合图2、4，在长外套13外端打孔，滑动支撑套15向内与导向垫块限位块11通过螺栓连接，向外通过螺栓固定在长外套13上，保证滑动压紧块6在滑动过程中，能够沿索带方向移动。
本发明在使用时，应变片通过连接导线将测量数据传输至控制电路板4，通过内置电源5及WIFI信号将测量数据传输至在线监测平台，通过测量敏感弹簧片代替直接测量索具上的应力应变值。敏感弹簧片具有放大信号功能，可以提升拉力测量的范围及精确度，通过WIFI信号将索具信息传递在线监测平台，实现对索具实时监控及状态预报。
结合图6所示，索具拉力在线监测平台由数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统组成。数据采集与传输系统由索具拉力测试装置组成，其监测数据传递给诊断系统，再与输入模型进行比较后，将索具信息传递给评估系统。通过在线监测平台，实现实时在线连续监测结构状态，自动检查与探测结构损伤，进行结构安全性评估。
结合图7所示，索具拉力在线监测平台数据处理与控制系统，由数据与采集传输系统、数据采集控制模块、数据分类和抽取模块、人机交互界面、数据储存单元组成。数据采集控制模块既可以不间断控制采集，又可以按照给定的设定参数采集数据，采集参数包括时间T、连续观测参数触发次数N等。
数据分类与抽取模块主要完成将WIFI信号传输过来的监测数据进行解析与分类，并且通过简单的数值分析与比较初步判断数据的优劣，并将良好的监测
数据抽取出来存入数据存储单元。数据存储单元的数据将提供给诊断与评估系统使用。人机交互界面为用户提供监测数据的查询、控制采样等操作，同时通过总体系统界面提供与WIFI信号连接。
结合图8所示，索具拉力在线监测平台诊断与评估系统由数据与采集传输系统、数据采集控制模块、评估模块组成。评估模块通过实时监测数据对局部进行评估，预报索具突发断裂及破坏风险，也可通过对储存数据进行整体评估，预报索具使用周期内可靠性。
下面结合具体实验数据对本发明的积极效果作进一步描述。
将索具测力装置进行模型简化导入ANSYS软件进行数值分析，索带两端同时施加大小相等方向相反的两个力，得出敏感弹簧片上应力应变数值，根据线性变化规律，对索具拉力在线监测平台进行标定，通过标定可得输出应力值与索具拉力值的关系，即：F＝n×σ，其中F为索具拉力值，n为标定系数，σ为敏感弹簧片所测应力值。
表1标定系数仿真实验结果
实验载荷(KN) 弹簧片应力值σ(MPa) 标定系数n
10 33.78 0.296
15 40.09 0.366
20 68.61 0.291
25 79.47 0.314
在此测力范围内，标定系数n为0.316。
表2对比试验仿真结果
Figure BDA0003263941020000101
以上结果误差率均小于3％，能够实现对索具结构较为精确实时监控以及预报和评估。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种索具拉力在线监测方法，其特征在于，所述索具拉力在线监测方法包括：
前端滑动压紧块随索具拉力变化进行比例滑动，可随索带前端同时发生位移增量；
当索具受拉力状态时，索具发生形变△L，索带通过齿槽与滑动限位块连接，滑动限位块与前端连接件通过螺栓连接，前端连接件与弹簧片前固定端连接，最终将索带位移变化传递至敏感弹簧片；
敏感金属片上粘贴的应变片采集敏感弹簧片的形变数据，应变片将原始数据转送至控制电路板；
控制电路板将测量信号通过WIFI进行通讯，将数据传输至监测平台，
在线监测平台具有对数字信号后处理的功能，同时通过数据计算可得某一时刻索具拉力值，通过实时测量数据与每日测量数据对比分析，对索具状态预报与评估。
2.如权利要求1所述索具拉力在线监测方法，其特征在于，所述索具拉力在线监测方法进一步包括：
(1)将索具测力装置首位两端与索具相连，并在敏感弹簧片上粘贴应变片，检查控制电路板以及WIFI各模块电路情况；
(2)当索具受拉力状态时，索具发生较小形变△L，索带通过齿槽与滑动限位块连接，滑动限位块与前端连接件通过螺栓连接，前端连接件与弹簧片前固定端连接，最终将索带位移变化传递至敏感弹簧片；
(3)应变片采集测量结构参数，然后将原始数据传送至控制电路板；
(4)控制电路板将测量信号通过WIFI进行通讯，将数据传输至监测平台；监测平台通过与索具设定安全拉力进行对比，实现监控索具拉力功能；
(5)在线监测平台可对数字信号进行后处理，实现滤波及不良数据剔除。
3.一种实施权利要求1～2任意一项所述索具拉力在线监测方法的索具拉力在线监测系统，其特征在于，所述索具拉力在线监测系统包括：
数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统；
所述数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断与评估系统依次连接；
所述数据采集与传输系统由索具拉力测试装置组成，其监测数据传递给诊断系统，再与输入模型进行比较后，将索具信息传递给评估系统；
所述数据处理与控制系统由数据采集与传输系统、数据采集控制模块、数据分类和抽取模块、人机交互界面、数据储存单元组成；
所述诊断与评估系统由数据与采集传输系统、数据采集控制模块、评估模块组成。
4.如权利要求3所述的索具拉力在线监测系统，其特征在于，所述数据采集控制模块可不间断控制采集或按照给定的设定参数采集数据，采集参数包括时间T、连续观测参数触发次数N；
数据分类与抽取模块用于将WIFI信号传输过来的监测数据进行解析与分类，并且通过简单的数值分析与比较初步判断数据的优劣，并将良好的监测数据抽取出来存入数据储存单元；
所述人机交互界面用于为用户提供监测数据的查询、控制采样操作，同时通过总体系统界面提供与WIFI信号连接；
评估模块通过实时监测数据对局部进行评估，预报索具突发断裂及破坏风险，也可通过对储存数据进行整体评估，预报索具使用周期内可靠性。
5.一种实施权利要求1～2任意一项所述索具拉力在线监测方法的索具拉力在线监测平台，其特征在于，所述索具拉力在线监测平台设置有：
索具拉力测量结构；
所述索具拉力测量结构为对称形式，上下端各设置有一个敏感弹簧片，所述敏感弹簧片两端均通过螺栓与弹片固定端固定连接，前端弹片固定端另一端通过螺栓连接有前端连接件，所述前端连接件另一端通过螺栓连接有滑动压紧块，后端弹片固定端后端通过螺栓连接有后端压紧块，索带位于上下两端的滑动压紧块和上下两端的敏感弹簧片之间；
所述敏感弹簧片粘贴有应变片，所述应变片通过连接导线连接有控制电路板，控制电路板通过连接导线连接有电源。
6.如权利要求5所述的索具拉力在线监测平台，其特征在于，所述滑动压紧块滑动连接有导向垫块，所述导向垫块与长外套通过螺栓连接。
7.如权利要求5所述的索具拉力在线监测平台，其特征在于，所述滑动压紧块左右两端均固定连接有滑动支撑套，所述滑动支撑套后端通过螺栓连接有导向垫块限位块，所述滑动支撑套外端与长外套连接。
8.如权利要求5所述的索具拉力在线监测平台，其特征在于，所述索具拉力测量结构外侧套设有长外套，所述控制电路板和电源外侧套设有电源外壳，所述电源外壳前端和长外套后端分别固定连接有前端封盖和后端封盖，所述长外套、电源外套、前端封盖、后端封盖在装配过程中为同轴螺栓连接。
9.如权利要求5所述的索具拉力在线监测平台，其特征在于，所述索带前后两端均开设齿槽，索带前端齿槽与滑动压紧块配合，索带后端齿槽与后端压紧块配合，所述滑动压紧块、后端压紧块里端均开设有与索带配合的齿槽。
10.如权利要求5所述的索具拉力在线监测平台，其特征在于，所述控制电路板表面设置有wifi信号传输器，所述wifi信号传输器通过无线信号与远程监控中心连接。
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