CN207050903U - 一种基于索体应变的拉索内力测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种基于索体应变的拉索内力测量装置，针对现有的拉索内力测量方法适用范围有限且测量成本高，而缺少能够通用且操作高效便捷的拉索内力测量装置的问题。它包括一对间隔设置并套设于拉索索体上的对合式的索夹，及固定于一对索夹上的光纤应变传感器和光纤温度传感器，光纤应变传感器和光纤温度传感器均与拉索的轴线平行，光纤温度传感器通过光缆与光纤应变传感器串接，光纤应变传感器和光纤温度传感器均与传感器接收器信号连接。

Description

一种基于索体应变的拉索内力测量装置

技术领域

本实用新型涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种基于索体应变的拉索内力测量装置。

背景技术

拉索是预应力空间结构、斜拉桥和悬索桥等预应力结构中的重要构件，拉索的内力是反映此类预应力结构状态的关键参数，因此，拉索的内力测量一直是工程领域中研究的热点和难点。

目前，已经研究出的拉索的内力测量方法有磁通量法、三点弯曲法、锚索计法、振动法和波动法等等，然而，上述内力测量方法均存在一定的局限性。磁通量法是利用拉索在磁场环境下被磁化后其磁导率与索力、温度及磁场强度等因素相关的特性，通过在拉索上布置的小型电磁传感器测定的磁导率变化来感应索力变化的方法，该方法精度和稳定性都较高，但需要预先标定磁导率与索力之间的关系，且套筒型的电磁传感器也需要在索体制作过程中事先安装在拉索上；三点弯曲法是使测力传感器上的三点与拉索表面接触，强迫索段产生一个类似三点弯曲的局部变形，然后利用变形后拉索的平衡条件求解索力，该方法在测力过程中需要人工操作，由于没有考虑拉索抗弯刚度的影响，它仅仅适用于小直径拉索的内力测量；锚索计法是在拉索的锚头上安装锚索计，通过对锚索计的应变测量来感知拉索内力，该方法的测量精度高，但是仅仅适用于穿心式锚头拉索的内力测量，且锚索计的费用较高；振动法是利用拉索内力与振动频率之间的关系来实现索力的测量，通常在拉索上布置加速度传感器以获取拉索在人工或环境激励下的振动数据，通过对数据进行时频分析可以得到拉索的振动频率，进而得出拉索内力，该方法对边界条件简单的拉索内力识别精度较高(如两端简支的拉索)，而对边界条件复杂的拉索内力识别困难较大，且受拉索垂度、抗弯刚度等影响较大；波动法是根据应力波在拉索中的传播速度与拉索张力的关系来测量索力，该方法一般借助人工激振，通过测量应力波经过拉索上固定两点的时间差求得波速，进而实现拉索内力的测量，该方法需要借助人工激振，不适用于需要大规模索力监测的工程。

可见，各种内力测量方法各有利弊，而能够通用且操作高效便捷的拉索内力测量装置并无相关文献记载。

发明内容

针对现有拉索的内力测量方法适用范围有限且测量成本高，而缺少能够通用且操作高效便捷的拉索内力测量装置的问题。本实用新型的目的是提供一种基于索体应变的拉索内力测量装置，它通过直接感知拉索的拉伸应变来测量索体的内力值，测量精度高而且成本低。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于索体应变的拉索内力测量装置，它包括：一对间隔设置并套设于拉索索体上的对合式的索夹，及固定于一对所述索夹上的光纤应变传感器和光纤温度传感器，所述光纤应变传感器和所述光纤温度传感器均与所述拉索的轴线平行，所述光纤温度传感器通过光缆与所述光纤应变传感器串接，所述光纤应变传感器和所述光纤温度传感器均与传感器接收器信号连接。

优选的，所述光纤应变传感器为光纤光栅应变传感器，所述光纤温度传感器为光纤光栅温度传感器。

优选的，每个所述索夹由两个具有半环形截面的索夹体拼装而成，即索夹体一和索夹体二，所述索夹体一和所述索夹体二通过高强螺栓连接固定。

优选的，每个所述索夹体一包括顶端设有槽口的基座及与所述槽口相配合的限位件，所述基座的槽口内设有一贯通的凹槽一，两个所述基座的凹槽一同轴且与所述拉索的轴线平行，所述光纤应变传感器的两端分别嵌设于两个所述凹槽一内并由限位件卡紧，所述限位件与所述基座螺栓连接固定。

优选的，所述限位件的底部还设有一具有弧面的凸块，所述凸块的弧面及所述凹槽一的弧面均与所述光纤应变传感器相配合。

优选的，所述索夹体一的顶端还设有贯通的凹槽二，所述光纤温度传感器的两端分别嵌设于所述凹槽二内，卡扣件设置于所述凹槽二的开口端并螺栓连接在所述索夹体一上。

本实用新型的效果在于：本实用新型的一种基于索体应变的拉索内力测量装置，光纤应变传感器和光纤温度传感器通过一对索夹固定于拉索索体，且两者通过光缆串接，该拉索内力测量装置安装在拉索索体上，通过直接感知拉索的拉伸应变来测量索体的内力值，测量的精度高，省去了事先标定等环节，成本低；应变感知采用光纤型传感器，被测信号以光波为载体，灵敏度高，信息容量大，抗电磁干扰，环境适应能力强；该拉索内力测量装置结构简单，拆装方便，能够安装于拉索索体上，可适用于不同形式拉索的内力测量；另外，该拉索内力测量装置操作简易，提高了工作效率，降低了测量成本，可用于需要大规模索力测量的工程。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的基于索体应变的拉索内力测量装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本实用新型一实施例的索夹体一的示意图；

图4为本实用新型一实施例的限位件的示意图；

图5为本实用新型一实施例的索夹体二的示意图；

图6为本实用新型一实施例的拉索内力测量装置安装于拉索索体的示意图；

图中标号如下：

拉索1；拉索索体1a；索夹10；索夹体一11；基座111；限位件112；凹槽一113；凸块114；凹槽二115；索夹体二12；卡扣件15；光纤应变传感器20；光纤温度传感器30；光缆40。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种基于索体应变的拉索内力测量装置作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本实用新型技术方案的限制。

利用本实用新型的拉索内力测量装置测量拉索内力的原理是，通过光纤应变传感器20直接感知拉索1的轴向应变，并通过应变与拉索1内力之间的关系实现拉索1内力的测量。

下面结合图1至图6说明本实用新型的一种基于索体应变的拉索内力测量装置，它包括一对间隔设置并套设于拉索索体1a上的对合式的索夹10，及固定于一对索夹10上的光纤应变传感器20和光纤温度传感器30，光纤应变传感器20和光纤温度传感器30均与拉索1的轴线ax平行，拉索1服役受力后，拉索1索体1a处产生弹性变形，使得光纤应变传感器20的波长发生变化，光纤应变传感器20的波长变化即反映了应变或应力的大小，光纤温度传感器30通过光缆40与光纤应变传感器20串接，用于光纤应变传感器20的温度补偿，以保证测量的精度，上述光纤应变传感器20和光纤温度传感器30均与传感器接收器(图中未示出)信号连接。

本实用新型的一种基于索体应变的拉索内力测量装置，光纤应变传感器20和光纤温度传感器30通过一对索夹10固定于拉索索体1a，且两者通过光缆40串接，该拉索内力测量装置安装在拉索索体1a上，通过直接感知拉索1的拉伸应变来测量索体的内力值，测量的精度高，省去了事先标定等环节，成本低；应变感知采用光纤型传感器，被测信号以光波为载体，灵敏度高，信息容量大，抗电磁干扰，环境适应能力强；该拉索内力测量装置结构简单，拆装方便，能够安装于拉索索体1a上，可适用于不同形式拉索的内力测量；另外，该拉索内力测量装置操作简易，提高了工作效率，降低了测量成本，可用于需要大规模索力测量的工程。

更佳的，光纤应变传感器20和光纤温度传感器30优选光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，采用光纤光栅应变传感器作为拉索1拉伸应变的感知元件，光纤光栅型传感器是光纤型传感器的一种，测量数据通过光信号进行传输，灵敏度更高，能够有效屏蔽电、磁等信号的干扰，测量信号的稳定性强。

如图2至图5所示，每个索夹10由两个具有半环形截面的索夹体拼装而成，即索夹体一11和索夹体二12，索夹体的半环形截面的内径可根据拉索索体1a的直径确定，索夹体一11和索夹体二12的边缘对应设置具有螺栓孔的凸耳，索夹体一11和索夹体二12箍紧拉索索体1a后通过高强螺栓可拆卸式连接于拉索索体1a上，安装方便，能够实现拉索内力测量装置的快速定位；每个索夹体一11包括顶端设有槽口的基座111及与槽口相配合的限位件112，基座111的槽口内设有一贯通的凹槽一113，两个基座111的凹槽一113同轴且与拉索1的轴线ax平行，凹槽一113的直径需根据光纤应变传感器20的直径确定，光纤应变传感器20的两端分别嵌设于两个凹槽一113内并由限位件112卡紧，限位件112与基座111螺栓连接固定。光纤应变传感器20的两端嵌设于两个间隔设置基座111的凹槽一113内，能够适应光纤应变传感器20的形变，基座111及与其相配合的限位件112螺栓连接，从而将光纤应变传感器20牢固卡扣在索夹体一11内，结构稳定可靠，而且拆装方便。

如图4所示，限位件112的底部还设有一具有弧面的凸块114，该凸块114的弧面及凹槽一113的弧面均与光纤应变传感器20相配合，凸块114、凹槽一113与光纤应变传感器20的外表面紧密贴合，使得光纤应变传感器20两端能够牢固固定于索夹体一11，为后续拉索1内力的准确测量提供保障。

如图1至图3所示，索夹体一11的顶端还设有贯通的凹槽二115，光纤温度传感器30的两端分别嵌设于凹槽二115内，卡扣件15设置于凹槽二115的开口端并螺栓连接在索夹体一11上，起到定位光纤温度传感器30的作用，由于光纤温度传感器30的两端是嵌设于贯通的凹槽二115内，使得其可以沿拉索1轴线ax方向自由伸缩。

下面结合图6说明本实用新型的一种基于索体应变的拉索内力测量装置的安装及使用方法，包括如下步骤：

S1：安装拉索内力测量装置；将一对间隔设置的索夹10套设在待测拉索索体1a的A、B处，拧紧高强螺栓使得一对索夹10箍紧待测索体，将封装好的光纤应变传感器20的两端水平扣置于索夹体一11的凹槽一113内，并由限位件112卡扣锁紧固定，保证光纤应变传感器20的两端固定在索夹一上，将封装好的光纤温度传感器30两端水平扣置于索夹体一11顶端的凹槽二115内并拧紧卡扣件15，将安装就位后的光纤应变传感器20和光纤温度传感器30用光缆40进行串接,拉索1受力发生拉伸变形时，光纤应变传感器20能够直接感知索体的轴向应变值，从而达到测量拉索1内力的目的；

S2：拉索内力测量装置的零值测量；在拉索1并未受力的时刻t₀，测量光纤应变传感器20及光纤温度传感器30的波长零值，记录t₀时刻光纤应变传感器20波长零值λ_ε(t₀)和光纤温度传感器30的波长零值λ_T(t₀)；

S3：拉索内力计算；在拉索1受力的时刻t，测量光纤应变传感器20及光纤温度传感器30的波长数据，记录t时刻光纤应变传感器20和光纤温度传感器30的波长值分别为λ_ε(t)和λ_T(t)，计算得出待测拉索1在时刻t的内力如公式一所示，

N(t)＝EAk{[λ_ε(t)-λ_ε(t₀)]-α[λ_T(t)-λ_T(t₀)]} (公式一)

式中E、A分别待测索体的弹性模量和横截面积，k为光纤应变传感器的应变灵敏度系数，α为温度补偿系数，且E、A、k和α均为常数。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

Claims (6)

1.一种基于索体应变的拉索内力测量装置，其特征在于，包括：一对间隔设置并套设于拉索索体上的对合式的索夹，及固定于一对所述索夹上的光纤应变传感器和光纤温度传感器，所述光纤应变传感器和所述光纤温度传感器均与所述拉索的轴线平行，所述光纤温度传感器通过光缆与所述光纤应变传感器串接，所述光纤应变传感器和所述光纤温度传感器均与传感器接收器信号连接。

2.根据权利要求1所述的拉索内力测量装置，其特征在于：所述光纤应变传感器为光纤光栅应变传感器，所述光纤温度传感器为光纤光栅温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的拉索内力测量装置，其特征在于：每个所述索夹由两个具有半环形截面的索夹体拼装而成，即索夹体一和索夹体二，所述索夹体一和所述索夹体二通过高强螺栓连接固定。

4.根据权利要求3所述的拉索内力测量装置，其特征在于：每个所述索夹体一包括顶端设有槽口的基座及与所述槽口相配合的限位件，所述基座的槽口内设有一贯通的凹槽一，两个所述基座的凹槽一同轴且与所述拉索的轴线平行，所述光纤应变传感器的两端分别嵌设于两个所述凹槽一内并由限位件卡紧，所述限位件与所述基座螺栓连接固定。

5.根据权利要求4所述的拉索内力测量装置，其特征在于：所述限位件的底部还设有一具有弧面的凸块，所述凸块的弧面及所述凹槽一的弧面均与所述光纤应变传感器相配合。

6.根据权利要求3所述的拉索内力测量装置，其特征在于：所述索夹体一的顶端还设有贯通的凹槽二，所述光纤温度传感器的两端分别嵌设于所述凹槽二内，卡扣件设置于所述凹槽二的开口端并螺栓连接在所述索夹体一上。