CN116222877A - 一种电磁弹式索力传感器自动标定装置与标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁弹式索力传感器自动标定装置与标定方法，用于进行电磁弹传感器的字不同温度下的自动标定，该系统包括：加载架模块，张拉控制模块，温度控制模块，电磁弹索力测量模块，上位机模块以及自行研发和标定系统控制软件。本发明提供的技术方案，结构合理，根据操作步骤，通过对温箱、加载架、测量设备的联调，可成功实现对电磁弹传感器的自动标定，缩短标定周期，节约人力成本，增强标定精度，使电磁弹传感器的标准化、规模化地生产和使用成为可能。同时该系统的控制软件还具有操作简单，智能化程度高、易于管理等优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器研究和控制领域，具体涉及一种结构健康监测传感器的自动标定装置和标定方法。
背景技术
电磁弹索力传感器是利用铁磁材料的磁弹效应，将钢索束受力后产生的磁特性变化转化为电信号，从而实现绝对索力测量的传感器。该传感器可以获得铁磁材料的磁特征量与其内力存在对应关系，利用此关系可以测量出铁磁材料的内力。但是该传感器在使用前必须进行标定，而且温度对测量结果产生明显影响。
因此，电磁弹传感器在应用前需要针对待测构件在不同温度下和不同荷载下进行标定，这样方能确定内力与被测构件的磁特征量的一一对应关系。之后，就能实现对铁磁材料的绝对索力监测。
但是目前相关的研究还开展较少，有关试验方法和标定设备基本还是空白，而电磁弹传感器的测量精度直接取决于标定系统的精度，故电磁弹传感器的发展受到了极大程度上限制。
因此，设计出一套程序化、自动化的标定系统，能够大大降低人力成本，提高工作效率，满足电磁弹传感器的大规模生产需要和测量精度的要求，很有必要且有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术需求提供一种自动化的电磁弹索力传感器标定系统，可以实现自动化的对设计的电磁弹传感器进行标定，减少人工成本及人为因素产生的误差。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：该自动标定系统包括加载架模块、张拉控制模块、温度控制模块，电磁弹索力测量模块和上位机模块。所述加载架模块包括加载架主体和配套被张拉构件使用的连接装置；所述张拉控制模块包括千斤顶，智能油源和位移传感器；所述温度控制模块包括开合式温箱和控制柜，被张拉构件穿过温箱，电磁弹传感器及构件被测部分被包在温箱的空腔内；所述电磁弹索力测量模块包括电磁弹传感器，电磁弹仪和扩展箱；所述上位机模块能直接与电磁弹仪、智能油源和温箱控制柜连接，同时与张拉控制模块，温度控制模块和磁弹索力测量模块进行数据传输与控制，实现自动化地标定流程。所述标定系统使用时还需要配套的被张拉构件，这样才能进行完整的电磁弹传感器标定实验。
本系统所标定的电磁弹传感器的测量量程范围很大，从0kN到12000KN；传感器的使用温度也会因使用区域不同而不同，温度标定范围为-40℃到80℃。因此可根据不同传感器的使用量程和环境温度，灵活地确定标定范围。
进一步地，加载架主体部分由两块横梁,四根立柱(丝杆)和十六个用于组装固定的螺母构成，四根立柱材料为40Cr钢，立柱上有螺纹，两块横梁由45号钢浇筑而成,组装固定用螺母为40Cr钢，其内螺纹与立柱上的外螺纹配套。用定制的螺母连接拼装而成。两块横梁中心有直径400mm的圆孔可供被张拉构件穿过，横梁为张拉装置，锚具以及垫板等提供张拉支撑。四根柱子长度均为5.5m，柱子间净空为1120mm*1120mm，为温箱提供放置空间，调整螺母的固定位置，两横梁之间的距离可调，可调范围为1.5m-2.7m。
进一步地，配套使用的连接装置包括千斤顶的垫板以及张拉整束挤压吊杆和普通钢绞线的不同垫板等(不局限于这两种构件，可针对不同的张拉构件来定制)，连接装置将被张拉构件一端支撑在加载架一端，另一端支撑在千斤顶活塞上；
进一步地，所述千斤顶放置在加载架上横梁上，底部通过一片垫板以增大千斤顶与横梁的接触面积，千斤顶活塞与被张拉构件另一端接触，千斤顶采用1200t穿心式千斤顶，千斤顶内孔275mm活塞行程200mm。
进一步地，所述智能油源与所述上位机模块连接，与油源进行数据传输，从而实现千斤顶的加载与卸载。智能油源中有油压传感器，通过油压可实时换算千斤顶的加载力，因此本智能油源可以进行千斤顶顶升力的控制，另外所述智能油源还与安装在千斤顶上的位移传感器相连，通过控制电脑可以读取位移传感器读数，由此得到千斤顶活塞位移。
进一步地，所述开合式温箱整体外部尺寸为1450*1965*1900mm，内部空腔尺寸为900*1500*700mm，温度控制范围为-40℃到80℃，温度控制精度小于等于0.5℃。温箱与控制柜相连，上位机模块与控制柜相连，进行温箱的控制。
进一步地，所述电磁弹索力测量模块包括电磁弹传感器，电磁弹仪和扩展箱，它们是根据被张拉构件的尺寸和内力最大值设计的。控制电脑与磁弹仪通过光纤相连，通过电磁弹仪控制电磁弹传感器测量不同温度下构件的磁特征值，既可以计算出磁特性和构件内力之间的关系式，比较这些关系式与温度的关系我们就能得到电磁弹传感器在不同温度下的内力计算公式，从而完成电磁弹传感器的温度标定。
同时本发明还包括一种电磁弹传感器自动标定控制方法，所述方法实现一次完整标定流程的自动控制过程如下：
S0，将被张拉构件安装在加载架上，传感器套在被测构件上，将温箱两部分合上，将电磁弹传感器包在温箱内部的空腔中，安装好其他模块，启动电脑程序。
S1，在上位机模块中设置标定过程中温度控制模块的设定值T1,T2…Tn，每级保持时间t1；设置张拉控制模块的千斤顶顶升力F1,F2…Fm，每级保持时间t2；设置电磁弹索测量系统的测量次数n和线圈电压数值V。全部完成后运行程序。
S2，索力测量模块运行之后，通过温度控制模块，控制温箱达到设定的温度T1，并维持该温度t1分钟，在此期间，通过张拉控制模块，控制智能油源对千斤顶进行给油，千斤顶随之顶升，油管端部的油压传感器通过测量实时油压换算成千斤顶顶升力，当顶升力达到设定值F1时，控制千斤顶保压，维持该张拉力t2分钟。
S3，在温度和张拉力均保持稳定的时间内，通过电磁弹索力测量模块，控制电路对线圈进行通电，根据设置测量次数，电磁弹传感器进行n次构件磁特征值的测量，之后电磁弹仪对原始电信号进行解调处理并求平均，最终得到T1温度下、F1张力下、构件的磁特性值。
S4，上位机模块同时读取此时的温度、千斤顶提供的张拉力和磁特征值，并保存这三个数据。
S5，之后温度控制模块继续维持当前温度恒定，张拉控制模块控制千斤顶顶升力依次为F2…Fm，重复S3和S4过程m-1次。
S6，分析存储的温度，顶升力和磁特征数据，计算该温度下构件索力和磁特征值的关系式，保存该关系式。
S7，之后温度控制模块进行下一个温度点的变温，依次为T2…Tn，在每一个温度电下重复S1，S2，S3，S4，S5与S6，共计重复n-1次。得到并保存不同温度下的构件索力和磁特征值的关系式。
S8，读取所保存的不同温度下构件磁特征值和构件索力的关系式，并将数据写入电磁弹索力监测模块中的电磁弹仪。
S9，标定完成。
本发明有益效果：本发明提供的电磁弹传感器自动标定系统，其结构合理，不仅可以自动化地完成电磁弹传感器的温度标定，同时也满足了不同型号，不同长度，不同内力量程构件的张拉需求。具有适用性广，张拉力范围大，自动化程度高的特点，能够满足安全可靠，大批量进行传感器标定的需求，对于保证电磁弹传感器的测量精度和实现电磁弹传感器的大规模生产具有非常重要的意义。
附图说明
通过结合一下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：
图1是本发明所述电磁弹传感器标定系统结构示意图；
图2是标定流程图。
附图中各标号所代表的部件如下：
1控制电脑；2智能油源；3电磁弹仪；4温箱控制柜；5被张拉构件(以拱桥吊杆为例)；6吊杆一端张拉螺母；7构件上端连接装置；8穿心式千斤顶；9千斤顶垫板；10温箱；11电磁弹传感器；12构件下端连接装置；13吊杆下端螺母；14加载架立柱；15加载架组装固定螺母；16加载架横梁；17出油管；18进油管；19磁弹仪电磁弹传感器连接线；20温箱控制线；21RS485转USB连接线；22网线；23RS485转USB连接线；24位移传感器；25位移传感器连接线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明一种电磁弹传感器自动标定系统进行详细说明。
在此记载的实例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，地表示各部分的形状及相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明的各部分的结构，各附图之间并未按照相同的比例进行绘制，相同的参考标记用于表示相同的部分。
电磁弹传感器标定系统实验装置的示意图如图1所示，加载架主体包括两块横梁16，四根立柱14，十六个组装固定螺母15和垫板9；横梁16上的垫板9避免了千斤顶底部直接与横梁接触，增大了接触面积，使得内力分布更加合理；连接装置7和12需要与被张拉的构件5匹配；构件5和两端的零件6与13一同组成被张拉构件；示意图中的构件5为拱桥吊杆，因此此时配套的零件为螺母6与螺母13，当被张拉构件为其他种类时，相应的两端的零件就会不同(例如当张拉钢绞线时，零件6与13就为钢绞线锚具)。
本发明中，所述张拉控制模块包括千斤顶8，智能油源2，位移传感器24，油源2与千斤8顶通过输油管18与进油管17连接，位移传感器24与油源2通过位移传感器连接线25连接，整个张拉控制模块通过RS485转USB连接线21与上位机模块相连，通过控制油源对千斤顶进行进油与出油，从而实现千斤顶8对构件5的张拉控制。
所述电磁弹索力测量模块包括电磁弹传感器11，磁弹仪3和它们的连线19，扩展箱未示出因为只有一个传感器；磁弹仪11套在被张拉构件5上，被张拉构件5一端固定在加载架下横梁16上，另一段固定在千斤顶8活塞上，电磁弹传感器11被包含在温箱10内部的空腔中，电磁弹仪与电磁弹传感器连接线穿过温箱上的孔将两者相连；磁弹索力测量模块与控制电脑通过光纤相连，通过控制电脑1(上位机模块电脑)与磁弹仪3进行数据传输，对电磁弹传感器11进行控制，测量被张拉构件5的磁特征值。
所述温度控制模块包括温箱10，温箱控制柜4和它们的连接线20；温箱10为开合式温箱，当加载架，张拉控制模块和磁弹索力测量模块都安装好之后，将温箱10的两半合上并包住电磁弹传感器11，这样就能控制电磁弹传感器周围环境的温度；温度控制模块与控制电脑1通过RS485转USB连接线23相连，控制电脑1与温箱控制柜4进行数据传输，从而对温箱10内的空腔进行温度的控制。
自动标定的流程图如图2所示，总共包括八大步骤和两大循环迭代：
第一步：启动程序后在各面板输入所需的温度梯度T1,T2…Tn和张拉力梯度等参数F1,F2…Fm；
第二步：温度模块先控制温度达到目标值T1并保持，张拉控制模块张拉至目标值T2并保持；
第三步：电磁弹索力测量模块计算出当前温度和张拉力下对应的铁磁材料的磁特征值；
第四步：将当前温度值，张拉力值，磁特征值传送至上位机模块并保存；
第五步：迭代第二步～第四步m-1次，控制千斤顶顶升力依次为F2…Fm；
第六步：根据上述值计算该温度下构件内力和磁特征值的关系式并保存该关系式；
第七步：迭代第二步～第六步n-1次，控制温箱温度依次为T2…Tn；
第八步：获取不同温度下构件磁特征值和构件内力的关系式，并发送写入至电磁弹仪。
相比于现有方案与技术的空白，本发明提供一种电磁弹传感器自动标定系统实验装置，结构合理，适应性好。通过对温箱，加载架，测量设备的联调，成功实现了对电磁弹传感器的自动标定，缩短标定周期，节约人力成本，增强标定精度，使该传感器的标准化、大规模地生产和使用成为可能。该系统还具有操作简单，智能化程度高、易于管理等优点。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，在不改变本发明基本构思的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电磁弹索力传感器自动标定装置，用于进行电磁弹索力传感器的考虑温度和荷载双参数的自动标定，从而实现电磁弹索力传感器的批量生产，具有加载架模块，张拉控制模块，温度控制模块，电磁弹索力测量模块，以及上位机模块；通过上位机模块，按照使用者的输入，控制电磁弹索力传感器所处的环境温度以及被张拉构件的张拉力，再通过磁弹索力传感器测量模块获取传感器的读数，利用不同温度下实际张拉力来标定电磁弹索力传感器，从而实现对该传感器的自动温度标定。
2.根据权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置，其特征在于：所述加载架模块，用来对被张拉构件和张拉装置提供支撑与固定，加载架模块两端可以更换不同的垫板从而对不同种类和尺寸的被测构件进行张拉，包括(a)整束挤压吊杆，两端的螺母直接通过垫板；一端支撑在加载架底板，一端支撑在千斤顶活塞上；(b)钢绞线，两个锚具通过垫板分别置于千斤顶活塞以及加载架底板上，钢绞线上下端线穿过锚具通过夹片固定；(c)平行钢丝斜拉索，当锚头尺寸可以通过千斤顶端口时，直接将锚头置于斤顶活塞以及加载架底板，当锚头尺寸无法通过千斤顶端口和加载架底板时，需相应设置张拉杆，将张拉杆的锚具置于斤顶活塞以及加载架底板；(d)其他构件可自行设计相应的垫板或连接装置，保证一端支撑在千斤顶活塞，一端支撑在加载架底板上。
3.根据权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置，其特征在于：所述加载架模块的主体由两块横梁和四根丝杆组成，横梁采用45号钢浇筑而成，丝杆采用40Cr钢，丝杆上削有螺纹，丝杆与横梁通过特制的螺母进行固定；加载架经过有限元分析设计，两端能承受1000t的压力并具有1.2的安全系数，保证使用过程的安全。
4.根据权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置，其特征在于：所述张拉控制模块控制穿心千斤顶提供指定的顶升力，并且能保持该顶升力在指定时间段内稳定，提供的最大顶升力为1200t。
5.根据权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置，其特征在于：所述温度控制模块控制温箱内部温度达到指定温度，并保持该温度在指定时间段内稳定，提供的温度范围为-40℃到80℃。
6.根据权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置，其特征在于：所述电磁弹索力测量模块包括电磁弹索力传感器，电磁弹仪和扩展箱，能够获取被测构件在相应温度和索力下的磁特征量；其中电磁弹索力传感器主要通过励磁线圈通电产生磁场，从而产生原始电压数据；电磁弹仪则收集产生的原始信号；扩展箱实现多通道测量，可同时对多个构件进行索力测量。
7.根据权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置，其特征在于：所述标定系统的上位机模块上，能同时与张拉控制模块，温度控制模块与电磁弹索力测量模块进行通信，使得三个模块根据人为输入的参数联调运行，达到自动标定电磁弹传感器的目的。
8.权利要求1的一种电磁弹索力传感器自动标定装置自动标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S0，将被张拉构件安装在加载架上，传感器套在被测构件上，将温箱两部分合上，将电磁弹传感器包在温箱内部的空腔中，安装好其他模块，启动电脑程序；
S1，在上位机模块设置标定过程中温度控制模块的设定值T1,T2…Tn，每级保持时间t1；设置张拉控制模块的千斤顶顶升力F1,F2…Fm，每级保持时间t2；设置电磁弹索测量系统的测量次数n和线圈电压数值V；全部完成后运行程序；
S2，通过温度控制模块，控制温箱达到设定的温度T1，并维持该温度t1分钟，在此期间，通过张拉控制模块，控制智能油源对千斤顶进行给油，千斤顶随之顶升，油管端部的油压传感器通过测量实时油压换算成千斤顶顶升力，当顶升力达到设定值F1时，控制千斤顶保压，维持该张拉力t2分钟；
S3，在温度和张拉力均保持稳定的时间内，通过电磁弹索力测量模块，控制电路对线圈进行通电，根据设置测量次数，电磁弹传感器进行n次构件磁特征值的测量，之后电磁弹仪对原始电信号进行解调处理并求平均，最终得到T1温度下、F1张力下、构件的磁特性值；
S4，上位机模块同时读取此时的温度、千斤顶提供的张拉力和磁特征值，并保存这三个数据；
S5，之后温度控制模块继续维持当前温度恒定，张拉控制模块控制千斤顶顶升力依次为F2…Fm，重复S3和S4过程m-1次；
S6，分析存储的温度，顶升力和磁特征数据，计算该温度下构件索力和磁特征值的关系式，保存该关系式；
S7，之后温度控制模块进行下一个温度点的变温，依次为T2…Tn，在每一个温度电下重复S1，S2，S3，S4，S5与S6，共计重复n-1次。得到并保存不同温度下的构件索力和磁特征值的关系式；
S8，读取所保存的不同温度下构件磁特征值和构件索力的关系式，并将数据写入电磁弹索力监测模块中的电磁弹仪；
S9，至此电磁弹索力传感器的标定完成。
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