CN204027742U - 一种铁磁性细长构件轴力检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁磁性细长构件轴力检测装置，包括磁化器和磁感应强度测量装置，所述磁化器上固定安装有基座，所述基座上固定安装有多个磁敏感元件，所述多个磁敏感元件排列在一条直线上，该多个磁敏感元件分布在磁化器同一侧或左右对称分布在磁化器的两侧，位于磁化器同一侧的相邻两个磁敏感元件间距相等，每个磁敏感元件分别通过导线连接有一插座，磁感应强度测量装置上连接有能插接到插座上的插头，所述磁感应强度测量装置上连接有数据计算装置。本检测装置现场安装检测操作方便，可方便地实现铁磁性细长构件轴力的检测。

Description

一种铁磁性细长构件轴力检测装置

技术领域

本实用新型属于无损检测装置领域，更具体地，涉及一种铁磁性细长构件轴力检测装置。

背景技术

双头螺杆、钢丝绳、拉索等铁磁性细长构件广泛应用于工业生产和基础设施建设，其承载轴力检测具有重要意义。以广泛应用于斜拉桥、悬索桥、摩天轮等大型结构的铁磁性缆索为例，作为关键承力部件之一，缆索的健康状况直接关系到整体结构的安全和使用寿命。然而，缆索在长期高强度负荷作用下会产生应力松弛和应力损失，其轴力随之改变，这会导致整个结构内应力的重新分布，进而引发结构设计薄弱处的过载断裂，造成重大安全事故，给国民经济造成严重损失，并产生恶劣的社会影响。因此，必须采用有效方法对铁磁性缆索轴力进行检测，以保证设备的安全运营。

目前缆索轴力检测方法，从检测原理出发可分为直接法和间接法。直接法是利用压力表或压力传感器检测缆索轴力，操作复杂，主要用于缆索张拉过程的轴力控制。间接法则是利用某种物理效应或力学原理，检测缆索轴力引起的某种物理参数的变化，进而计算出缆索轴力，主要有振动频率法和电磁法等方法。

振动频率法是建立基于缆索力学参数的结构模型,并进行模态分析,得到缆索轴力与缆索自振频率的关系,进而通过测量自振频率来检测缆索轴力。该方法是目前应用最广泛的在役缆索轴力检测方法之一；然而，由于在原理上实际边界条件与理论假设存在差异，实际应用中，当缆索较短或缆索两端有减震器存在时，振动频率法检测结果有偏差；而且其检测结果容易受缆索垂度等因素影响。

电磁法测力的物理基础是外力作用下铁磁性材料电磁特性发生变化的现象。然而，目前电磁方法均采用初级线圈提供随时间变化的磁场对缆索进行励磁，然后用次级线圈拾取缆索感生的磁感应强度变化以检测缆索轴力；采用线圈励磁和接收信号不可避免地会遇到传感器缠绕安装困难和线圈发热影响测量结果的问题，这也是电磁方法检测缆索轴力亟待解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本实用新型提供了一种铁磁性细长构件轴力检测装置，该检测装置现场安装检测操作方便，可方便地实现铁磁性细长构件轴力的检测。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种铁磁性细长构件轴力检测装置，该装置包括：

磁化器；

基座，固定安装在所述磁化器上；

多个霍尔元件，固定安装在所述的基座上，所述多个霍尔元件排列在一条与铁磁性细长构件轴线平行的直线上，该多个霍尔元件分布在磁化器同一侧或左右对称分布在磁化器的两侧，位于磁化器同一侧的相邻两个霍尔元件间距相等；

多个插座，每个插座分别通过导线连接一霍尔元件；

磁感应强度测量装置，其上连接有能插接到插座上的插头，以接收各个霍尔元件发出的信号；

数据计算装置，与所述磁感应强度测量装置相连接，用于接收和处理磁感应强度测量装置发出的信号，以得到铁磁性细长构件的轴力。

优选地，所述磁化器为永磁磁化器。

优选地，所述磁化器包括两个永磁铁，该两个永磁铁一起承接有一衔铁。

优选地，位于磁化器同一侧的相邻两个霍尔元件的间距为5～20mm。

优选地，位于磁化器同一侧的霍尔元件的数量为5～20个。

优选地，所述基座在对应于霍尔元件的位置设置有走线孔，所述导线位于走线孔内。

优选地，所述霍尔元件通过环氧树脂固定在基座上。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本实用新型进行铁磁性细长构件轴力检测时，由于采用磁化器形成在磁化器两端沿构件轴向递减分布的磁场，对被测构件进行励磁，而且采用多个霍尔元件对被测构件表面的磁感应强度轴向分量和法向分量进行轴力检测，使得检测装置的现场安装检测操作方便，无需使用特定的缠绕装置将检测装置缠绕在被测构件上，因此，本实用新型可方便地实现铁磁性细长构件轴力的检测，而且测量结果较为准确。

另外，本实用新型采用永磁磁化器，还可避免采用线圈通电励磁时的发热问题，消除了温度对铁磁性构件磁特性的影响

附图说明

图1是本实用新型检测磁性细长构件轴力时的结构示意图；

图2是本实用新型检测磁性细长构件轴力时的俯视图；

图3是本实用新型中磁化器和霍尔元件检测铁磁性细长构件轴力时的工作原理示意图；

图4是双头螺杆标样上得到的0kN、30kN、60kN、90kN、120kN下的Bz-Hz曲线；

图5是由图4所示的Bz-Hz曲线得到的轴力测量用1/k-T标定曲线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1～图3所示，一种铁磁性细长构件轴力检测装置，磁化器14、霍尔元件4、磁感应强度测量装置10和数据计算装置11。所述磁化器14为永磁磁化器；或者，所述磁化器14的结构包括两个永磁铁2，永磁铁2的同一端安装有一衔铁3，衔铁3通过第一螺钉6安装在永磁铁2上。磁化器14在其两端产生沿轴向递减分布的磁场对被检构件进行励磁。衔铁3上通过第二螺钉7安装有把手5，以方便检测装置放置到被测构件上及从被测构件上取下。

所述磁化器14上固定安装有基座8，基座8通过第三螺钉13连接在磁化器14上。所述基座8上固定安装有多个霍尔元件4，所述多个霍尔元件4排列在一条直线上。作为一种选择方案，该多个霍尔元件4均位于磁化器14的同一侧，磁化器14同一侧的霍尔元件4的数量为n个，n＝5～20，该n个霍尔元件4等距分布，相邻两个霍尔元件4的间距L＝5～20mm。

拾取作为标样的铁磁性细长构件1表层空气中的磁感应强度轴向分量和法向分量进行铁磁性构件轴力检测；一方面使得传感器的现场安装检测操作方便，无需特定的线圈缠绕设备，另一方面避免了采用线圈通电励磁时的发热问题，消除了温度对铁磁性构件磁特性的影响。

此外，作为另一种选择，该多个霍尔元件4也可以被分为两组，该两组霍尔元件4左右对称分布在磁化器14的两侧，每组的个数为n＝5～20，两组加起来就是2n个。

本实用新型中，只测量位于磁化器14同一侧的霍尔元件4处的磁感应强度即可得出结果，但是为了使检测结果更准确，优选在磁化器14的左右两侧对称设置两组霍尔元件4，可以对左右两组测量值进行比较，使取值更准确，这样能尽量减小检测误差，使得检测结果更加准确。

每个霍尔元件4分别通过导线15连接有一个插座9，插座9通过第四螺钉12安装在基座8上。作为优选，所述基座8在对应于霍尔元件4的位置设置有走线孔，所述导线15位于走线孔内，以保护导线15。磁感应强度测量装置10上连接有能插接到插座9上的插头16，所述磁感应强度测量装置10上连接有数据计算装置11。磁感应强度测量装置10上可以只设置一个插头16，那么在测量的时候就要分多次来将插头16插到插座9上。另外，也可以对应于插座9的数量设置多个插头16，每个插头16插到一个插座9上。

进一步，所述霍尔元件4通过环氧树脂固定在基座8上。由于霍尔元件4的体积比较小，因此可以让环氧树脂凝固后将霍尔元件4固定在基座8上，这样操作就比较方便。

检测时，将永久磁铁与衔铁3构成的磁化器14附于铁磁性细长构件1上，则磁化器14两端产生沿构件的轴向变化的开放磁场；沿铁磁性细长构件1轴向在磁化器14两端分别布置n个霍尔元件4，n＝5～20；相邻两个霍尔元件4间距为L，将各个霍尔元件4的信号传输给磁感应强度测量装置10，得到铁磁性细长构件1表面各测量点(各霍尔元件4的测量位置)在空气中的磁感应强度的法向分量By_i_a和轴向分量Bz_i_a；利用测得的By_i_a和Bz_i_a值，通过数据计算装置11计算得到表征铁磁性细长构件1轴力的斜率倒数1/k，最后数据计算装置11计算出铁磁性细长构件1在不同轴力下的1/k值，以获取用于同类型铁磁性细长构件1轴力检测的标定曲线，从而实现与铁磁性细长构件1同类型的铁磁性构件的轴力检测。

当作用在铁磁性细长构件1上的轴力变化时，磁感应强度测量装置10测得的铁磁性细长构件1表面磁感应强度的法向分量By_i_a和轴向分量Bz_i_a会发生变化，进而数据计算装置11计算得到的斜率倒数值1/k也会发生相应的变化，该装置可以实现铁磁性细长构件1轴力的检测。

具体检测步骤如下：

1)在作为标样的直径为D的铁磁性细长构件1上施加轴力T₀；

2)在标样上选择一段长度为W、受力状况及材料特性恒定的区域，将磁化器14吸附在该区域上，以在磁化器14两端形成沿标样轴向递减分布的磁场；

3)在标样外表面沿其轴向的直线上布置多个霍尔元件4，每个霍尔元件4所在的位置为一测量点，使用霍尔元件4测量在磁化器14同一侧的第i个测量点处标样表层空气中的磁感应强度法向分量By_i_a和轴向分量Bz_i_a，其中i＝1，2……n，n为布置在磁化器14同一侧的霍尔元件4的个数，第1个测量点距离磁化器最远；

4)利用测得的各测量点处标样表层空气中的磁感应强度法向分量By_i_a和轴向分量Bz_i_a，拟合得到霍尔元件4布置直线上各点标样表层空气中的磁感应强度法向分量和轴向分量同该点与磁化器间距的关系曲线，关系曲线表达式分别为By_f＝f₁(s)和Bz_f＝f₂(s),其中s为磁化器14同一侧的霍尔元件4布置直线上各点与磁化器的间距；在霍尔元件4布置直线上以等间距h取m个计算点，利用By_f＝f₁(s)和Bz_f＝f₂(s)计算霍尔元件4布置直线上所取各计算点的标样表层空气中的磁感应强度法向分量By_i_f和轴向分量Bz_i_f,i＝1,2,…m，m为所取计算点的个数，直线上第i＝1个计算点距离磁化器最远。

5)利用数据计算装置11计算标样上在磁化器14同一侧的各计算点处的磁感应强度梯度其中i＝1，2，…m；

其中，By_i_f为霍尔元件4布置直线上各计算点处的标样表层空气中的磁感应强度法向分量，h为位于霍尔元件4布置直线上两计算点之间的间距，D为标样的直径，m为所取计算点的个数；

6)利用数据计算装置11计算标样在磁化器14同一侧的各计算点处的磁感应强度j＝1，2，…m,其中m为所取计算点的个数；

7)利用数据计算装置11计算标样在磁化器14同一侧的各计算点处的磁场强度j＝i＝1，2，…m；

其中μ₀为真空磁导率，Bz_i_f为霍尔元件4布置直线上各计算点处的磁感应强度的轴向分量；m为所取计算点的个数；

8)利用得到的Bz_j和Hz_j绘制Bz-Hz曲线，并在Bz-Hz曲线中得到点Bz₁_f，Hz₁_f和点Bz₂_f，Hz₂_f连线的斜率倒数值1/k₀；

9)将步骤1中的轴力T₀分别调整为T₁、T₂、T₃、T₄，根据霍尔元件4测得的标样表层空气中的磁感应强度法向分量和轴向分量，重复步骤3～8，分别获得轴力T₁、T₂、T₃、T₄作用下的斜率倒数值1/k₁、1/k₂、1/k₃、1/k₄；

10)根据T₀、T₁、T₂、T₃、T₄作用下测量计算得到的表征标样轴力的斜率倒数值1/k₀、1/k₁、1/k₂、1/k₃、1/k₄，拟合得到与标样同类型的铁磁性细长构件1轴力检测用的1/k-T标定曲线；

11)在与标样同类型的被测铁磁性细长构件1上测得Bz-Hz曲线中点Bz₁_f，Hz₁_f和点Bz₂_f，Hz₂_f连线的斜率倒数值1/k，通过在标样上得到的1/k-T标定曲线即可获得被测铁磁性细长构件1的轴力T。

综上所述，如要在需要进行轴力检测的被测构件上检测其轴力T,则要先在一与此被测构件同类型的标样(双头螺杆、钢丝绳或拉索等铁磁性细长构件)上测试，得到该类型铁磁性构件轴力检测用的1/k-T标定曲线；得到1/k-T标定曲线后，再将本检测装置吸附到需要进行轴力检测的被测构件上，测得此被测构件的1/k值，即能通过前面获得的1/k-T标定曲线换算得到该被测构件的轴力T。

进一步，本实施例采用一外径20mm、长2m的双头螺杆作为标样来更为详细地说明本检测装置的使用。双头螺杆两端的螺纹长度均为100mm。

初始时，双头螺杆上的施加的轴力为T₀＝0kN，测量计算得到T₀作用下的Bz-Hz曲线后，调整施加在双头螺杆上的轴力，以30kN为步长对双头螺杆进行加载直到T₄＝120kN，每步加载完成后测量计算得到相应的Bz-Hz曲线，最终绘制双头螺杆轴力分别为T₀＝0kN、T₁＝30kN、T₂＝60kN、T₃＝90kN、T₄＝120kN时的Bz-Hz曲线，如图4所示。

由图5所示的Bz-Hz曲线得到双头螺杆轴力T₀＝0kN、T₁＝30kN、T₂＝60kN、T₃＝90kN、T₄＝120kN条件下，Bz-Hz曲线中点(Bz₁_f，Hz₁_f)和点(Bz₂_f，Hz₂_f)连线的斜率倒数值分别1/k₀、1/k₁、1/k₂、1/k₃、1/k₄，如图5中的五个点；观察图5可知斜率倒数值1/k随双头螺杆轴力近似成线性变化；用一阶多项式拟合，可得拟合曲线方程为y＝-1.981×10^-5x+0.004932，如图5中的直线；在Matlab中得到的线性拟合确定系数R-square＝0.9383，线性度良好，表明该检测装置适用于铁磁性细长杆件轴力的检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于，该装置包括：

磁化器(14)；

基座(8)，固定安装在所述磁化器(14)上；

多个霍尔元件(4)，固定安装在所述的基座(8)上，所述多个霍尔元件(4)排列在一条与铁磁性细长构件轴线平行的直线上，该多个霍尔元件(4)分布在磁化器(14)同一侧或左右对称分布在磁化器(14)的两侧，位于磁化器(14)同一侧的相邻两个霍尔元件(4)间距相等；

多个插座(9)，每个插座(9)分别通过导线(15)连接一霍尔元件(4)；

磁感应强度测量装置(10)，其上连接有能插接到插座(9)上的插头(16)，以接收各个霍尔元件(4)发出的信号；

数据计算装置(11)，与所述磁感应强度测量装置(10)相连接用于接收和处理磁感应强度测量装置(10)发出的信号，以得到铁磁性细长构件的轴力。

2.根据权利要求1所述的一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于：所述磁化器(14)为永磁磁化器。

3.根据权利要求1所述的一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于：所述磁化器(14)包括两个永磁铁(2)，该两个永磁铁(2)一起承接有一衔铁(3)。

4.根据权利要求1所述的一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于：位于磁化器(14)同一侧的相邻两个霍尔元件(4)的间距为5～20mm。

5.根据权利要求1所述的一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于：位于磁化器(14)同一侧的霍尔元件(4)的数量为5～20个。

6.根据权利要求1所述的一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于：所述基座(8)在对应于霍尔元件(4)的位置设置有走线孔，所述导线(15)位于走线孔内。

7.根据权利要求1所述的一种铁磁性细长构件轴力检测装置，其特征在于：所述霍尔元件(4)通过环氧树脂固定在基座(8)上。