CN113758623A - 一种可调的钢结构应力监测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于无损检测领域，提供一种可调的钢结构应力监测传感器，包括监测主机，所述监测主机左右两侧水平设有调节件，每根调节件的末端向下安装有聚磁件，所述监测主机底部设置有平行信号采集器，所述聚磁件和平行信号采集器均电性连接至所述监测主机。本应力监测传感器能够适应钢结构多种曲面和折叠处的应力监测，同时通过设计特殊的聚磁功能和结构功能，使得传感器结构更合理，而且还能够分别监测应力磁信号的平行分量和垂直分量，更有利于信号解耦。因此整体而言，本应力监测传感器能获得更准确的数据，适应更多的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，尤其涉及一种可调的钢结构应力监测传感器。
背景技术
大型钢结构在我们日常生活中随处可见，涉及生活和生产的方方面面，其本身的安全至关重要。在大型钢结构的失效模式中，应力集中和疲劳损伤是非常大的一部分。据据美国土木工程师学会(ASCE)统计，80％以上钢结构的破坏与疲劳损伤有关。所以对钢结构的应力和疲劳损伤的监测，成为了钢结构健康的主要内容。
如果能够直接对钢结构进行疲劳损伤测量和监测的话,就是最佳方案。但是因为技术原因，目前一直没有找到应力集中和疲劳损伤的直接测量方法。退而求其次，一些间接测量和监测方法在应用中出现了。其技术原理主要有声波、电磁、物理形变等种类。主要的物理基础，是通过测量被监测对象的应力集中和疲劳损伤所带来的传导性能的改变，通过这种改变量来反过来计算应力集中和疲劳损伤。当然其传导性能，可能是对超声波的传导性能，也可能是对电磁场的传导性能，本质上是通过波在传导过程中的性能改变，再根据这些传导性能和应力的定量关系，来反过来计算其应力和疲劳损伤。
在实验室中，主要用到的是声波法，电磁法和形变法；在工程应用中，主要用到的是形变法。形变法主要有两种实现方式：光纤光栅法和应变片法。这两种方式的共同点是，通过固定在被监测钢结构的表面的传感器，来读取传感器的形变，因而大致知道钢结构的局部形变。这种方法有一些不足，例如：监测的是一个点而非一个面，监测的是形变的改变量而非形变的累积量等。
新的磁感技术，被探索用于应力集中和疲劳损伤监测，这种磁感方法是一种有效方法。但是，现实中被监测对象种类繁多，各种表面情况都存在，所以，需要一种能适应多种表面情况的传感器。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种可调的钢结构应力监测传感器，旨在解决上述技术问题。
本发明采用如下技术方案：
所述可调的钢结构应力监测传感器包括监测主机，所述监测主机左右两侧水平设有调节件，每根调节件的末端向下安装有聚磁件，所述监测主机底部设置有平行信号采集器，所述聚磁件和平行信号采集器均电性连接至所述监测主机。
进一步的，所述聚磁件从下至上依次为聚磁块、磁敏元件和连接器，所述连接器与所述调节件末端连接。
进一步的，所述调节件为长度调节件。
进一步的，所述调节件为长度旋转调节件。
进一步的，所述聚磁块为上窄下宽的梯形结构，且聚磁块的底面为弧形面。
进一步的，两根所述调节件同轴，所述平行信号采集器包括位于中间的磁敏传感器以及对称设于磁敏传感器左右两侧的聚磁梯形板，每块聚磁梯形板的中轴线与同侧调节件的轴线平行。
进一步的，所述监测主机内置有系统主板，所述监测主机还设置有发射天线，所述磁敏元件、磁敏传感器、发射天线均连接至所述系统主板。
进一步的，所述监测主机顶部设置有太阳能板。
进一步的，所述聚磁块的两底边分别连接有柔性带，每根柔性带末端设置有强力磁吸片。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种相对灵活的传感器设计结构，首先把基于形变法的现场应力点监测扩展到面监测，扩大了单个传感器的应力监测的范围；同时通过调节件，扩展应力传感器的使用范围，使之能用于多种曲面或者弯折面的应力监测场景；此外，监测传感器的平行信号采集器、聚磁件可分别监测应力磁信号的平行分量和垂直分量。本传感器操作简单，适用范围广，更具有实际价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可调的钢结构应力监测传感器一方向立体图；
图2是本发明实施例提供的可调的钢结构应力监测传感器另一方向立体图。
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，以下结合附图及实施例，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。
采用磁记忆物理现象作为应力和疲劳损伤的检测方法，已经是一种常见的操作了，相比于声波法，巴克豪森噪声法等，磁记忆法操作简单，探头体积小，可以在多种器件表面进行扫描。最近有人提出采用磁记忆来进行应力和疲劳损伤的实时监测，这本身是一个大的创新，但是，需要一种适应多种曲面、多种应用场景的应力传感器。本发明据此设计一种使用相对灵活的传感器结构。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1、2所示，本实施例提供的可调的钢结构应力监测传感器，包括监测主机1，所述监测主机1左右两侧水平设有调节件2，每根调节件2的末端向下安装有聚磁件3，所述监测主机1底部设置有平行信号采集器4，所述聚磁件3和平行信号采集器4均电性连接至所述监测主机1。
本结构主要由三部分组成，分别是监测主机、调节件和聚磁件，监测主机的底部设置有平行信号采集器。监测主机位于中间，聚磁件位于两侧，两者通过调节件。所述调节件为长度调节件或者长度旋转调节件，即可实现调节聚磁件与监测主机的距离，或者可同时实现聚磁件的距离以及角度调节。两根所述调节件同轴，即轴线重合。
其中所述监测主机的主要功能是数据采集、模数转换和数据处理、数据存储和发送等。图示中，监测主机整体为圆柱形，作为一种供电模式，所述监测主机1顶部设置有太阳能板12，监测主机内置有电池，可以通过太阳能板充电蓄电，为传感器提供能源。在监测主机的侧边有一个发射天线11，主要为传感器提供通信链路。在太阳能板的下面有一块系统主板(在内部，图中未使出)，主要实现前述数据采集、处理、存储和发送的功能，同时实现为外通信等。
监测主机底部的平行信号采集器用于采集大型钢结构的表面的数据，具体用于采集平行于大型钢结构表面的应力磁信号。作为一种具体结构，所述平行信号采集器，由三个小部分组成，具体包括位于中间的磁敏传感器41以及对称设于磁敏传感器左右两侧的聚磁梯形板42，每块聚磁梯形板42的中轴线与同侧调节件2的轴线平行。
在安装监测传感器的时候，首先左右移动监测主机，磁敏传感器调整到位于钢结构应力集中线的正上方。在此位置，在不考虑外界干扰和背景磁场的影响的情况下，钢结构的应力磁信号完全平行于表面方向，并且在这个位置呈现出应力磁信号最大值，同时没有平行于表面且垂直于平行方向的垂直分量。本结构中，在磁敏传感器的左右两侧的聚磁梯形板器件采用软磁材料制作，其本身具有非常强的磁传导功能。聚磁梯形板具有明显的聚磁作用。在磁敏传感器的左右两侧原先零散分布的应力磁信号平行分量，经过聚磁梯形板的聚磁作用，其磁场强度明显得到加强，亦即信号水平得到提升。原先在磁敏传感器探测水平以下的信号，经过聚磁梯形板的作用，也可以被探测出来。
监测主机两端的聚磁件用于监测应力磁信号的垂直分量。在磁记忆检测中，除了对应力磁信号的过零点以及平行分量的测量和记录、分析之外，还需要对其垂直分量的最大S极分量、最大N极分量进行测量和记录、分析。本实施例采用两个聚磁件的方式，来分别采集最大S极分量、最大N极分量。图示中，所述聚磁件3从下至上依次为聚磁块31、磁敏元件32和连接器33，所述连接器33与所述调节件2末端连接。所述聚磁块31为上窄下宽的梯形结构，且聚磁块的底面为弧形面，这个弧形面是为了适应被监测的大型钢构的表面而制作的，可以根据不同的监测对象具体设计弧度。聚磁块的上端，其横截面已经被加工得比较小，小到刚好可以和上方的磁敏元件大小相比。在磁敏元件的上方是与调节件连接的连接器，磁敏元件与上下两的器件固定方式，可采用外部包裹非磁材料方式固定。最后磁敏元件、磁敏传感器、发射天线均连接至所述系统主板。
由于聚磁块为梯形结构，应力磁信号的最大S极分量和最大N极分量出射到大型钢结构表面之后，被钢结构表面垂直安装的聚磁块收集到。明显地，其聚磁作用的放大倍数，可以通过两个截面来计算。假设聚磁块的下端弧面的总面积为S弧，其上端安装磁敏元件的截面面积为S磁，那么其聚磁作用的放大倍数为N＝S弧/S磁。现有的金属加工的情况下，这个放大倍数可以轻易地达到10以上。因此通过设置梯形结构的聚磁块，可以将应力磁信号的垂直分量放大多倍收集，提高监测灵敏度。
现有应力磁信号的最大S极分量、最大N极分量检测结果，是在器件和空气中构成的回路中获得的。虽然这个最大S极分量、最大N极分量和应力的大小存在相关关系，但是，就其绝对数值而言，这两个分量仍是比较小的，特别是在应力集中的早期阶段。在采用本方案的应力监测传感器之后，监测主机两端的聚磁件以及调节件，一起构成了一个磁回路。相比于原来的空气回路，这个磁导率极大地增加，进一步提高了信号的幅度。
如前所述，本实施例的调节件长度可调或者长度旋转角度均可调。针对常规形状钢结构，操作时只需要调整调节件长度即可，以调整聚磁件的距离。对于特殊钢结构表面，应力监测传感器不能安装在一条直线上，需要转动调节件以调整聚磁件的角度，因此调节件还需要旋转可调。作为一种具体结构，如图所示，调节件可采用若干段空心伸缩管的形式，伸缩管采用圆管设计，逐级相套，在能够伸缩之外，还可以进行沿其轴向的旋转。因此通过采用可以旋转和伸缩的调节件，增加了安装的自由度，可以方便更多种情况下的使用。
在有些情况下，两个垂直分量，也就是最大S极分量、最大N极分量所出现的位置，并不是关于应力集中线对称的。这和应力集中线两端的实际应力变化梯度有关。在这种两端不对称的情况下，需要独立地调整聚磁件位置，获得其各自的最大值的位置，并且获得其各自的最大值。因此两个聚磁件位置并不一定对称。
大型钢结构很有可能出现在露天环境中。这种环境中，应力监测传感器本身的安装是一个大问题，需要面对温度变化、分类、阳光等因素。采用胶黏的方式，可能会出现黏胶老化情况，并不利于将应力监测传感器固定在大型钢结构表面。为此本实施例中，聚磁块31的两底边分别连接有柔性带5，每根柔性带5末端设置有强力磁吸片6。柔性带为耐候材料。安装时，直接将磁吸片吸附在固定钢结构表面即可固定聚磁块。磁吸片本身和其吸附的钢结构表面，构成一个回路，同时因为其距离聚磁块比较远，因而不会影响应力磁信号的分布。
综上，采用本发明应力监测传感器对大型钢结构的应力和疲劳损伤的实时监测，能够适应多种曲面和折叠处的应力监测，同时通过设计特殊的聚磁功能和结构功能，使得传感器结构更合理，而且还能够分别监测应力磁信号的平行分量和垂直分量，更有利于信号解耦。因此整体而言，本应力监测传感器能获得更准确的数据，适应更多的应用场景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，包括监测主机，所述监测主机左右两侧水平设有调节件，每根调节件的末端向下安装有聚磁件，所述监测主机底部设置有平行信号采集器，所述聚磁件和平行信号采集器均电性连接至所述监测主机。
2.如权利要求1所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述聚磁件从下至上依次为聚磁块、磁敏元件和连接器，所述连接器与所述调节件末端连接。
3.如权利要求2所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述调节件为长度调节件。
4.如权利要求2所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述调节件为长度旋转调节件。
5.如权利要求3或4所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述聚磁块为上窄下宽的梯形结构，且聚磁块的底面为弧形面。
6.如权利要求5所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，两根所述调节件同轴，所述平行信号采集器包括位于中间的磁敏传感器以及对称设于磁敏传感器左右两侧的聚磁梯形板，每块聚磁梯形板的中轴线与同侧调节件的轴线平行。
7.如权利要求6所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述监测主机内置有系统主板，所述监测主机还设置有发射天线，所述磁敏元件、磁敏传感器、发射天线均连接至所述系统主板。
8.如权利要求7所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述监测主机顶部设置有太阳能板。
9.如权利要求7所述可调的钢结构应力监测传感器，其特征在于，所述聚磁块的两底边分别连接有柔性带，每根柔性带末端设置有强力磁吸片。
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