CN116593035A - 一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，用于铁磁材料无损检测领域，尤其涉及铁磁材料构件绝对应力的无损检测。该装置由两个圆弧形线圈组成的绕组，两个带磁轭的圆弧形软磁材料铁芯，单个或多个检测元件组成。上述各部件独立组装成结构对称的两部分，安装在被测铁磁材料构件上，无需现场绕线。在脉冲或交流激励信号下，带绕组的圆弧形软磁材料磁芯产生磁势，并在传感器与上述被测构件中产生磁通，使得该被测构件被磁化，检测元件输出电信号，根据所述电信号获得构件绝对应力相关的磁特征量，实现对铁磁材料构件绝对应力的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，特别是涉及一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置。
背景技术
铁磁材料构件广泛应用于土木、建筑与交通工程领域，如钢筋、型钢、钢绞线、钢丝绳、平行钢丝索。由于在使用过程中，工程结构的关键铁磁材料构件往往承担巨大的荷载。例如，预应力筋束和钢缆索作为钢筋混凝土桥梁和缆索承重结构的核心受力构件，其应力水平可能会超过材料极限强度，从而产生巨大的安全隐患，因此，需要对构件应力情况进行实时监控分析。
目前，工程上常用的铁磁材料应力监测技术有：油压表直接读数法、振动频率法、电阻应变片法、磁弹效应法。其中油压表直接读数法只适合在新建结构建造过程中使用；振动频率法只适合长索，且对索的边界条件有限制；电阻应变片法适合在构件受力之前安装，且对构件表面的平整度有较高要求，难以测量应力绝对值。基于磁弹效应法的传感器适合任意工期的结构构件安装使用，且能监测构件的绝对应力值。对于外层有PE护套或者预应力管道保护的钢绞线，磁弹效应法也能有效对其进行绝对应力测量。
在实际工程中，已有多种基于磁弹效应法的传感器被采纳使用，包括了先装套筒式电磁弹或磁通量传感器、后装哈弗式电磁弹或磁通量传感器、旁路式电磁弹或磁通量传感器与开合式电磁弹或传感器。
先装套筒式传感器只适用于铁磁材料构件安装之前，后期难以拆卸维修。后装哈弗式适用于在役的铁磁材料构件上。但后装哈弗式磁通量传感器需要在现场绕线，由于现场环境多变、且工作量繁重，不方便绕线人员作业。此外，现场绕线的传感器难以保证与实验室标定的传感器参数完全一致，导致出现仪器误差。
旁路励磁的传感器，其原理是通过一组提前绕制完成的激励线圈对C型铁芯进行励磁，而磁通经过磁轭导入铁磁材料构件，其测量线圈位于C型铁芯的另一磁极上，用于输出感应电压。然而旁路励磁的磁通量传感器体积较大，对于多根钢绞线组成的体外预应力束，周围可利用空间狭小，存在难以安装的问题。
另一种开合式传感器，其传感器左右两半可直接对接拼装，其原理在于线圈通过结合面的引脚或者插孔完成左右两半导线的连通从而构成完整的线圈回路。但这种方法由于线圈接口数量庞大，在拼接过程中需要逐根连接每段线圈，工作量大且施工复杂，工程应用受到很大限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，能在工厂批量化生产，到现场拼装即可完成传感器的安装，且拆卸、更换方便，以克服背景技术中所列举现有传感器的不足。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，用于铁磁材料构件的无损检测，其特征在于，所述装置包括：两个带磁轭的圆弧形软磁磁芯，圆弧形磁芯上绕制励磁线圈，所述装置还包括一个或多个检测元件，两个带绕制励磁线圈的圆弧形软磁磁芯组成对称结构，用于围绕装配在被测铁磁构件外，而无需现场绕线。
进一步，为保证测量精度要求，所述圆弧形软磁磁芯的圆心角尽可能接近180°，最好不小于170°，介于180°与170°之间。进一步地，两个圆弧形软磁材料磁芯的横截面积之和不小于被测铁磁构件横截面积120％，不大于200％。以保证在有足够测量精度的同时，尽可能减小分体型电磁弹式绝对应力监测装置的体积。
进一步，具有磁轭的圆弧形软磁材料磁芯与被测铁磁材料构件所组成的磁路，应具有尽量小的磁阻，磁轭与被测铁磁材料构件之间的气隙应当尽可能小。为达到减小气隙的目的，必须保证磁轭与被测铁磁构件之间预留的间隙较小，进一步减小气隙可以使用导磁膏脂填充在磁轭与被测铁磁构件之间的空隙，从而使得圆弧形软磁材料磁芯中的磁通被尽可能多地导入被测铁磁材料构件。
进一步，绕组的激励源可以选择脉冲信号或者交流信号。
进一步，所述装置还包括分体式支撑骨架，所述分体式支撑骨架包括沿周向拼装的多块支撑骨架并围绕形成能够包裹在被测铁磁构件外的结构，所述两个带绕制励磁线圈的圆弧形软磁磁芯安装在分体式支撑骨架上。
进一步，绕组的激励源可以选择脉冲信号或者交流信号；检测元件可选地采用FPC软排线薄膜，或者磁电层合元件，或者霍尔元件，或者副线圈。
进一步，检测元件采用FPC软排线薄膜、磁电层合元件或者霍尔元件的形式时，采用所述支撑骨架放置检测元件。
进一步，检测元件采用副线圈的形式时，其绕线形式可选地采用：副线圈直接绕制在主线圈绕组外层或内层，或者主线圈绕制在软磁材料磁芯两端，副线圈绕制在在软磁材料磁芯中间，或者直接绕制在待测构件上。本发明具有以下有益技术效果：
1、可在工厂内批量化生产，现场预制安装，显著降低工作量；
2、经过合理优化设计的软磁材料磁芯拓扑结构，能有效将足够的磁通导入被测构件，从而使得传感器的整体体积与重量偏小；
3、能够避免或大量减少线圈的现场绕线工作，且通过检测元件在分体式支撑骨架上位置的合理布置，能有效监测不同截面形式的铁磁材料构件(钢绞线、钢棒、钢筋、钢管、型钢等)的应力，测量精度高，有助于监测人员对于铁磁材料构件的安全性做出分析判断；
4、可以随装随卸，对于某些临时性检测项目，不必同时布置大量的传感器，可以在某一类铁磁材料构件上用完后，拆卸下来，在别处使用，从而达到节省成本的目的。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为单个圆弧形软磁材料磁芯的示意图；
图2为两个圆弧形软磁材料磁芯组合拼接的示意图；
图3为嵌入分体式支撑骨架内部的检测元件的示意图；
图4为分体式支撑骨架示意图；
图5为分体式支撑骨架与磁芯拼接示意图；
图6为本发明的整体结构示意图；
图7为传感器的横截面示意图；
图8为软磁材料磁芯中产生的磁势驱动磁通经过被测铁磁构件的仿真结果；
图9为软磁材料磁芯中产生的磁势驱动磁通经过被测铁磁构件的示意图；
图10为FPC软排线薄膜的示意图；
图11为FPC软排线薄膜绕制成检测元件的示意图；
图12为当检测元件采用副线圈的形式时，副线圈绕制在主线圈外层的传感器示意图；
图13为当检测元件采用副线圈的形式时，副线圈绕制在主线圈外层的传感器安装示意图；
图14为当检测元件采用副线圈的形式时，主线圈绕制在软磁材料磁芯两端，副线圈绕制在在软磁材料磁芯中间的传感器示意图；
图15为当检测元件采用副线圈的形式时，主线圈绕制在软磁材料磁芯两端，副线圈绕制在软磁材料磁芯中间的传感器安装示意图；
图16为副线圈绕制在分体式支撑骨架上的示意图；
图17为磁电层合元件的示意图；
图18为分体型电磁弹式绝对应力监测装置装配在多根钢绞线组成的预应力筋束上的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-图17，附图中的元件标号分别表示：圆弧形软磁材料磁芯1、分体式支撑骨架2、检测元件3、励磁线圈4、被测铁磁构件5、FPC软排线薄膜6、焊接手指7、副线圈8、超磁致伸缩材料9、压电材料10、圆环形凹槽11。
首先参照图1-图5。本发明涉及无损检测领域，特别是涉及一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，包括两半粘接连接的分体式支撑骨架2以及嵌入分体式支撑骨架2的检测元件3，所述分体式支撑骨架2采用两个半体骨架，两个半体骨架的连接优选为粘结连接，也可采用卡接、捆扎连接等方式，或者彼此不直接连接而是直接连接在被测铁磁构件5上。所述监测装置还包括两块圆弧形软磁材料磁芯1以及分别绕制在两个圆弧形软磁材料磁芯1上的励磁线圈4，它们相对于被测铁磁构件5对称，比如相对于被测铁磁构件的几何中心线对称，在本实施例中两个绕制在圆弧形软磁材料磁芯1上的励磁线圈4安装在分体式支撑骨架2上。分体式支撑骨架2与被测铁磁构件5可采用粘结的方式连接。
安装时，软磁材料磁芯与被测铁磁材料构件所组成的磁路，应具有尽量小的磁阻，磁轭与被测铁磁材料构件之间的气隙应当尽可能小，使得圆弧形软磁材料磁芯中的磁通被尽可能多地导入被测铁磁材料构件。如图6所示，带磁轭的圆弧环形软磁材料磁芯1应绕制足够长的励磁线圈4，以使得被测铁磁材料构件中间段尽可能产生均匀的磁化强度，为检测元件提供稳定的检测条件。
检测元件的一种形式是FPC软排线薄膜6，一种替代形式是磁电元件，第二种替代形式是霍尔元件，第三种替代形式是副线圈8。
检测元件采用FPC软排线薄膜6的形式时，将薄膜紧贴在分体式支撑骨架2圆环形凹槽11内，并用焊锡膏涂抹焊接手指7并将其融化焊接，使FPC软排线薄膜6成为闭合的线圈，如图11所示。
检测元件采用副线圈8的形式时，一种绕线的形式是副线圈直接绕制在主线圈绕组也即励磁线圈4的外层或内层，如图12、图13所示，另一种绕线的形式是主线圈绕制在软磁材料磁芯两端，副线圈绕制在在软磁材料磁芯中间，如图14、图15所示，第三种绕线形式是绕制在分体式支撑骨架上，如图16所示。上述前两种不同副线圈绕线形式的传感器，在安装过程中都可以直接现场装配，无需现场绕线。
检测元件采用磁电元件的形式时，磁电元件由磁电层合材料构成，即超磁致伸缩材料层9/压电材料层10/超磁致伸缩材料层9三层结构，如图17所示。在外部磁场激励的作用下，超磁致伸缩材料层9发生磁致伸缩应变，使中间的压电材料层响应输出信号Voutput。
可选地，磁轭和被测铁磁构件之间涂有导磁膏脂，以便进一步减少磁路的磁阻，使磁通尽可能地导入到被测铁磁构件中。
可选地，由磁弹仪提供脉冲直流电或交流电。当电流经过励磁线圈4时，两块圆弧环形软磁材料磁芯1产生磁动势，并在周围激发出磁场当传感器安置在铁磁构件5上，电流经过励磁线圈4时，磁动势较高处(圆弧形软磁材料磁芯1)的磁通将流向磁动势较低处(被测铁磁构件5)，被测铁磁构件5被磁化，其内部的磁通密度方向如图8与图9所示。
实施中，也可不采用分体式骨架2，两个励磁线圈4直接被对称安装在被测铁磁构件5外，彼此之间可采用粘结、捆扎等方式连接，或者与被测铁磁构件5直接粘结。检测元件3可采用副线圈的形式，直接绕制在主线圈绕组也即励磁线圈4的外层或内层，或者主线圈绕制在软磁材料磁芯两端，副线圈绕制在在软磁材料磁芯中间。
对于工程中常见的多根钢绞线组成的预应力筋束，钢绞线排列较为紧密，周围可利用空间狭小，一方面不方便绕线机作业，另一方面无法安装体积较大的后装哈弗式或旁路励磁索力传感器，如图18所示。由于分体型电磁弹式绝对应力监测装置的合理拓扑结构设计使得其体积小、占用空间少，因此能够有效的利用钢绞线间的空隙进行装配，其操作简单，方便现场工作人员作业。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，用于铁磁材料构件的无损检测，其特征在于，所述装置包括：两个带磁轭的圆弧形软磁磁芯，圆弧形磁芯上绕制励磁线圈，所述装置还包括一个或多个检测元件，两个带绕制励磁线圈的圆弧形软磁磁芯组成对称结构，用于围绕装配在被测铁磁构件外，而无需现场绕线。
2.根据权利要求1所述的一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，其特征在于，所述圆弧形软磁磁芯的圆心角接近180°，两个圆弧形软磁材料磁芯的横截面积之和不小于被测铁磁构件横截面积120％，不大于200％。
3.根据权利要求1所述的一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，其特征在于，绕组的激励源可以选择脉冲信号或者交流信号。
4.根据权利要求1所述的一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，其特征在于，所述装置还包括分体式支撑骨架，所述分体式支撑骨架包括沿周向拼装的多块支撑骨架并围绕形成能够包裹在被测铁磁构件外的结构，所述两个带绕制励磁线圈的圆弧形软磁磁芯安装在分体式支撑骨架上。
5.根据权利要求1所述的一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，其特征在于，绕组的激励源可以选择脉冲信号或者交流信号；检测元件可选地采用FPC软排线薄膜，或者磁电层合元件，或者霍尔元件，或者副线圈。
6.根据权利要求4所述的一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，其特征在于：检测元件采用FPC软排线薄膜、磁电层合元件或者霍尔元件的形式时，采用所述支撑骨架放置检测元件。
7.根据权利要求1所述的一种无需现场绕线的分体型电磁弹式绝对应力监测装置，其特征在于，检测元件采用副线圈的形式时，其绕线形式可选地采用：副线圈直接绕制在主线圈绕组外层或内层，或者主线圈绕制在软磁材料磁芯两端，副线圈绕制在在软磁材料磁芯中间，或者直接绕制在待测构件上。
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