CN215262171U - 基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管及监测采集系统，该预应力监测波纹管包括整体呈筒状结构的波纹管本体，在所述波纹管本体的管壁上沿其轴向方向缠绕有自感线圈，且所述自感线圈的两端均从所述波纹管本体引出，该监测采集系统包括监测装置和信号采集装置，监测装置包括上述预应力监测波纹管，信号采集装置包括电感测试电桥电路，电感测试电桥电路包括开尔文夹具，自感线圈的两端分别从波纹管本体引出后与开尔文夹具的对应端子连接，以使得电感测试电桥电路能够对自感线圈的电感值进行测试。本方案能有效对钢绞线的预应力进行监测，同时结构简单、使用成本低。

Description

基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统

技术领域

本实用新型涉及土木工程结构监测技术领域，具体涉及一种基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管及监测采集系统。

背景技术

目前，预应力技术广泛应用在现代桥梁中，钢绞线作为预应力桥梁的主要部件，对结构的安全性、耐久性至关重要。预应力结构在施工和运营过程中，由于材料特性、荷载等级、使用年限等因素影响，会产生预应力损失，剩余预应力的大小关系着桥梁的承载能力和工作年限，预应力不足会直接影响桥梁结构的安全性能。

现有预应力监测方法主要包括锚端预应力测试技术、涡流法、光纤光栅法、振动模型法等。锚端预应力测试技术主要应用于后张法预应力结构，将传感器安装在梁锚固端，通过测量锚具处压力来监测钢绞线预应力变化值，这种方法可直接测量钢绞线的预应力，但对钢绞线的应力分布情况难以获知。振动模型法是一种通过测试不同应力下振动频率得到预应力值的方法，该方法需要建立相应的震动模型以及所测振动频率与张拉力间关系的动力学模型，所受影响因素较多。涡流法基于铁磁性材料的磁弹效应原理，初级线圈激励一个脉冲电流，通过次级线圈中采集到的电信号来计算中间钢绞线的应力，目前国内涡流法监测体内预应力钢绞线应力的研究较少。光纤光栅法利用光纤传感技术，当光栅周围位移发生变化，其折射率发生改变，进而使光栅Bragg波长发生位移，通过监测Bragg波长的位移情况来测量钢绞线的预应力，光纤光栅法稳定性好、灵敏度高，但易受周围环境温度的影响，目前光纤光栅法在钢绞线预应力监测领域还处于尝试、试验阶段。

综合众多文献可知，上述对于钢绞线预应力监测方法的研究较多，各具优点，但受测量条件、安装工艺、监测成本等因素的影响，仍存在一些有待改进和解决的问题。因此，如何提出一种结构简单、使用成本低的预应力监测实施方案，也成为了急需解决的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单、使用成本低的基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管及监测采集系统，使其能够用以为钢绞线预应力的监测提供数据采集基础。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管，包括整体呈筒状结构的波纹管本体，在所述波纹管本体的管壁上沿其轴向方向缠绕有自感线圈，且所述自感线圈的两端均从所述波纹管本体引出。

磁弹电感效应，是指铁磁材料内部应力发生变化时，其内部的磁导率也将发生改变。当钢绞线受力后，其内部应力状态发生改变，产生形变，进而导致置于磁场中的钢绞线的磁化强度也发生改变，而钢绞线磁化强度的变化将影响电感线圈的电感值。

在对钢绞线的预应力进行监测时，钢绞线放置在筒状结构的波纹管本体内，此时向自感线圈内通入电流，根据电磁感应效应，当自感线圈中的电流发生变化时，感应磁场改变，通过自感线圈的磁通量改变，在自感线圈中产生阻碍导体中电流变化，从而产生自感；同时根据磁弹电感效应，当置于磁场中的钢绞线的预应力发生变化时，钢绞线磁化强度发生改变，而钢绞线磁化强度的变化又会导致自感线圈的电感改变，因此通过测试电感线圈的电感值的变化，后期就可以基于电感数据通过换算得到钢绞线的有效平均预应力大小。

同时，本方案还可以在波纹管生产阶段，直接将电感线圈埋入波纹管本体的管壁，在预应力结构施工过程时将波纹管直接安装于需要监测的钢绞线位置即可，这样就无需进行额外的安装工序，同时本方案的波纹管的结构简单、成本较低、方便实用。

优选的，所述波纹管本体包括线圈骨架，所述自感线圈沿轴向方向均匀缠绕在所述线圈骨架的外壁上，在所述线圈骨架外侧还套设有磁屏蔽线圈护套，所述磁屏蔽线圈护套和所述线圈骨架同轴，以使得所述线圈骨架、所述自感线圈和所述磁屏蔽线圈护套整体形成筒状结构的预应力监测波纹管。

这样，将自感线圈缠绕在线圈骨架上，形成预应力检测波纹管的内壁；连接线圈骨架和磁屏蔽线圈护套，形成预应力检测波纹管的外壁，由此就形成了筒状结构的波纹管，同时，自感线圈沿轴向方向均匀缠绕在线圈骨架的外壁上，使得波纹管轴向各处的磁场均匀分布，磁屏蔽线圈护套一方面可以防止外界磁场的影响，另一方面也可以减少自感线圈产生的感应磁场向外扩散，帮助提高其用于钢绞线预应力监测时的监测数据采集准确性。

优选的，所述磁屏蔽线圈护套轴向方向的两端均凸出于对应位置的所述自感线圈并与所述线圈骨架连接。

这样，磁屏蔽线圈护套轴向方向的两端凸出于对应位置的自感线圈后并与线圈骨架连接，这样使得自感线圈完全处于磁屏蔽线圈护套的磁屏蔽范围内，由此避免了自感线圈感应磁场的向外扩散，进一步帮助提高其用于钢绞线预应力监测时的监测数据采集准确性。

优选的，所述自感线圈采用导线绕制而成，且在所述导线的外壁设有绝缘层。

优选的，所述线圈骨架和所述磁屏蔽线圈护套均采用硬质材料制成。

这样，线圈骨架和磁屏蔽线圈护套均采用硬质材料制成，使得两者均具有足够的强度。

优选的，所述线圈骨架具有平滑的内壁表面，所述磁屏蔽线圈护套具有环状结构的外壁。

这样，线圈骨架采用硬质材料制成具有平滑的内壁表面，使得在保证其作为预应力监测波纹管性能的基础上，维持管壁内的自感线圈的形态。

磁屏蔽线圈护套采样硬质材料制成且具有环状结构的外壁，同时磁屏蔽线圈护套采用具有较大的最大磁导率和饱和磁通密度的材料制成，使得磁屏蔽线圈护套具有足够强度，同时还与线圈骨架紧密连接共同形成预应力检测波纹管。

一种基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，包括监测装置和信号采集装置，所述监测装置包括上述基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管，所述信号采集装置包括电感测试电桥电路，所述电感测试电桥电路包括开尔文夹具，所述自感线圈的两端分别从所述波纹管本体引出后与所述开尔文夹具的对应端子连接，以使得所述电感测试电桥电路能够对所述自感线圈的电感值进行监测采集。

本方案预应力监测采集系统所基于的监测理论为：置于磁场中的钢绞线受力发生变化时，其轴向将发生形变，导致钢绞线磁化强度发生改变，进而使得钢绞线电感也发生改变，利用电桥电路采集相应变化的电感，通过对电感进行数据采集，后期就可以基于电感数据通过换算得到钢绞线监测长度范围内的平均预应力。

本方案预应力监测采集系统的监测数据采集工作原理为：

(1)根据电磁感应效应，当自感线圈中的电流发生变化时，感应磁场改变，通过线圈的磁通量改变，在自感线圈中产生阻碍导体中电流变化，产生自感；

(2)根据磁弹电感效应，当置于磁场中的钢绞线的预应力发生变化时，钢绞线磁化强度发生改变；

(3)钢绞线磁化强度的变化会导致自感线圈的电感改变，从而通过电感测试电桥电路对自感线圈的电感值进行监测采集。

在采集得到电感数据后，就可以根据电感数据的换算得到钢绞线的预应力大小，进而实现对钢绞线预应力的监测操作。可见，本实用新型的预应力监测采集系统，能够为钢绞线预应力的监测提供数据采集基础，并且具备结构简单、使用成本低的优点。

由于本方案自感线圈内置于波纹管管壁中，波纹管范围内的钢绞线均位于自感线圈内部，自感线圈电感值的变化是由整根钢绞线平均磁化强度的变化引起的，此时将自感线圈的两端连接在开尔文夹具上，从而使得电感测试电桥电路对自感线圈的电感进行监测采集，采集到的自感线圈的电感再进一步通过换算即可得到钢绞线的预应力大小。

本方案自感线圈置于波纹管管壁内部，施工方便，操作简单；电感测试电桥电路与自感线圈相连，小巧轻便；同时本方案结构简单，方法新颖，效果明显，适用面广，精度较高，十分利于钢绞线平均预应力监测。

优选的，所述电感测试电桥电路包括依次串联连接的信号发生器、限流电阻、第一电流表、开尔文夹具、信号放大器和可变标准阻抗，所述开尔文夹具的两端还并联连接有第一电压表，所述第一电压表上还设有第一输出端子，所述可变标准阻抗的两端还同时并联连接有第二电流表和第二电压表，所述第二电压表上还设有第二输出端子，所述第一电压表上的第一输出端子和所述第二电压表上的第二输出端子均与外部后处理装置连接。

这样，第一电压表上的第一输出端子和第二电压表的第二输出端子将测量的矢量电压值输出到外部后处理装置，外部后处理装置对电压值进行数据处理后得到自感线圈的电感值。

优选的，所述第一电压表和所述第二电压表均具有直流电压信号和交流电压信号的测试端子，且所述第一电压表和所述第二电压表的测试精度均不小于0.001mV。

附图说明

图1为本实用新型基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管的结构示意图；

图2为本实用新型基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统连接外部PC终端的结构示意框图。

附图标记说明：钢绞线1、线圈骨架2、自感线圈3、第一引线31、第二引线32、磁屏蔽线圈护套4。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

如附图1所示，一种基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管，包括整体呈筒状结构的波纹管本体，在波纹管本体的管壁上沿其轴向方向缠绕有自感线圈3，且自感线圈3的两端均从波纹管本体引出，且自感线圈3两端分别引出第一引线31和第二引线32。

磁弹电感效应，是指铁磁材料内部应力发生变化时，其内部的磁导率也将发生改变。当钢绞线受力后，其内部应力状态发生改变，产生形变，进而导致置于磁场中的钢绞线的磁化强度也发生改变，而钢绞线磁化强度的变化将影响电感线圈的电感值。

在对钢绞线1的预应力进行监测时，钢绞线1放置在筒状结构的波纹管本体内，此时向自感线圈3内通入电流，根据电磁感应效应，当自感线圈3中的电流发生变化时，感应磁场改变，通过自感线圈3的磁通量改变，在自感线圈3中产生阻碍导体中电流变化，从而产生自感；同时根据磁弹电感效应，当置于磁场中的钢绞线1的预应力发生变化时，钢绞线1磁化强度发生改变，而钢绞线1磁化强度的变化又会导致自感线圈3的电感改变，因此通过测试电感线圈的电感值的变化，后期就可以基于电感数据通过换算得到钢绞线的有效平均预应力大小。

同时，本方案还可以在波纹管生产阶段，直接将电感线圈埋入波纹管本体的管壁，在预应力结构施工过程时将波纹管直接安装于需要监测的钢绞线1位置即可，这样就无需进行额外的安装工序，同时本方案的波纹管的结构简单、成本较低、方便实用。

在本实施例中，波纹管本体包括线圈骨架2，自感线圈3沿轴向方向均匀缠绕在线圈骨架2的外壁上，在线圈骨架2外侧还套设有磁屏蔽线圈护套4，磁屏蔽线圈护套4和线圈骨架2同轴，以使得线圈骨架2、自感线圈3和磁屏蔽线圈护套4整体形成筒状结构的波纹管。

这样，将自感线圈3缠绕在线圈骨架2上，形成预应力检测波纹管的内壁；连接线圈骨架2和磁屏蔽线圈护套4，形成预应力检测波纹管的外壁，由此就形成了筒状结构的波纹管，同时，自感线圈3沿轴向方向均匀缠绕在线圈骨架2的外壁上，使得波纹管轴向各处的磁场均匀分布，磁屏蔽线圈护套4一方面可以防止外界磁场的影响，另一方面也可以减少自感线圈3产生的感应磁场向外扩散，帮助提高其用于钢绞线预应力监测时的监测数据采集准确性。

在本实施例中，磁屏蔽线圈护套4轴向方向的两端均凸出于对应位置的自感线圈3并与线圈骨架2连接。

这样，磁屏蔽线圈护套4轴向方向的两端凸出于对应位置的自感线圈3后并与线圈骨架2连接，这样使得自感线圈3完全处于磁屏蔽线圈护套4的磁屏蔽范围内，由此避免了自感线圈3感应磁场的向外扩散，进一步帮助提高其用于钢绞线预应力监测时的监测数据采集准确性。

在本实施例中，自感线圈3采用导线绕制而成，且在导线的外壁设有绝缘层。

在本实施例中，线圈骨架2和磁屏蔽线圈护套4均采用硬质材料制成。

这样，线圈骨架2和磁屏蔽线圈护套4均采用硬质材料制成，使得两者均具有足够的强度。

在本实施例中，线圈骨架2具有平滑的内壁表面，磁屏蔽线圈护套4具有环状结构的外壁。

这样，线圈骨架2采用硬质材料制成具有平滑的内壁表面，使得在保证其作为预应力监测波纹管性能的基础上，维持管壁内的自感线圈3的形态。

磁屏蔽线圈护套4采样硬质材料制成且具有环状结构的外壁，同时磁屏蔽线圈护套4 采用具有较大的最大磁导率和饱和磁通密度的材料制成，使得磁屏蔽线圈护套4具有足够强度，同时还与线圈骨架2紧密连接共同形成预应力检测波纹管。

如附图2所示，一种基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，包括监测装置和信号采集装置，监测装置包括上述基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管，信号采集装置包括电感测试电桥电路，电感测试电桥电路包括开尔文夹具，自感线圈3的两端分别从波纹管本体引出后与开尔文夹具的对应端子连接，以使得电感测试电桥电路能够对自感线圈3的电感值进行监测采集。

具体使用时，可以将本方案预应力监测采集系统自感线圈的电感值输出到外部的PC终端上，利用PC终端进一步基于电感值数据换算得到钢绞线的预应力值，从而用以实现对钢绞线预应力的监测。

本方案预应力监测采集系统所基于的监测理论为：置于磁场中的钢绞线1受力发生变化时，其轴向将发生形变，导致钢绞线1磁化强度发生改变，进而使得钢绞线1电感也发生改变，利用电桥电路采集相应变化的电感，通过对电感进行数据采集，后期就可以基于电感数据通过换算得到钢绞线监测长度范围内的平均预应力。

本方案预应力监测采集系统的监测数据采集工作原理为：

(1)根据电磁感应效应，当自感线圈3中的电流发生变化时，感应磁场改变，通过线圈的磁通量改变，在自感线圈3中产生阻碍导体中电流变化，产生自感；

(2)根据磁弹电感效应，当置于磁场中的钢绞线1的预应力发生变化时，钢绞线1磁化强度发生改变；

(3)钢绞线1磁化强度的变化会导致自感线圈3的电感改变，从而通过电感测试电桥电路对自感线圈的电感值进行监测采集。

在采集得到电感数据后，就可以根据电感数据的换算得到钢绞线的预应力大小，进而实现对钢绞线预应力的监测操作。可见，本实用新型的预应力监测采集系统，能够为钢绞线预应力的监测提供数据采集基础，并且具备结构简单、使用成本低的优点。

由于本方案自感线圈3内置于波纹管管壁中，波纹管范围内的钢绞线1均位于自感线圈3内部，自感线圈3电感值的变化是由整根钢绞线1平均磁化强度的变化引起的，此时将自感线圈3的两端连接在开尔文夹具上，从而使得电感测试电桥电路对自感线圈3的电感进行监测采集，采集到的自感线圈的电感再进一步通过换算即可得到钢绞线的预应力大小。

本方案自感线圈3置于波纹管管壁内部，施工方便，操作简单；电感测试电桥电路与自感线圈3相连，小巧轻便；同时本方案结构简单，方法新颖，效果明显，适用面广，精度较高，十分利于钢绞线1平均预应力监测。

在本实施例中，电感测试电桥电路包括依次串联连接的信号发生器、限流电阻、第一电流表、开尔文夹具、信号放大器和可变标准阻抗，开尔文夹具的两端还并联连接有第一电压表，第一电压表上还设有第一输出端子，可变标准阻抗的两端还同时并联连接有第二电流表和第二电压表，第二电压表上还设有第二输出端子，第一电压表上的第一输出端子和第二电压表上的第二输出端子均与外部后处理装置连接。本实施例中，监测采集系统在具体使用时，可以将第一电压表上的第一输出端子和第二电压表上的第二输出端子用以作为预应力监测采集系统的数据输出端，分别连接在外部的PC终端上，利用PC终端进一步将监测采集系统采集到的自感线圈的电感值进行计算处理而得到钢绞线的预应力值。

本实施例中，信号发生器要求具有足够大的带宽，能够提供不同频率和振幅的正弦波和方波；第一电压表和第二电压表要求能够测试直流和交流信号的电压，电压测试精度达到0.001mV，同时能够与PC终端进行通讯；可变标准阻抗要求提供多等级标准阻抗；信号放大器要求放大后的信号的信噪比不产生显著降低；开尔文夹具要求能够实现端子测试。

这样，第一电压表上的第一输出端子和第二电压表的第二输出端子将测量的矢量电压值输出到外部后处理装置，外部后处理装置对电压值进行数据处理后得到自感线圈3的电感值。

在本实施例中，第一电压表和第二电压表均具有直流电压信号和交流电压信号的测试端子，且第一电压表和第二电压表的测试精度均不小于0.001mV。

在本实施例中，具体到PC终端进行钢绞线预应力值的换算时，可以采用如下的换算方式计算钢绞线监测长度范围内的平均预应力F：

式中：I为自感线圈内的激励电流强度；S_c为钢绞线截面积；S_a为自感线圈内部空气的横截面积；E为钢绞线的弹性模量；K_u为钢绞线单轴各向异性磁化常数；λ_s为钢绞线轴向应变常数；M_s为钢绞线饱和磁化强度(A/m)；θ₀为钢绞线易磁化轴与磁场方向间的夹角(rad)；L是电感；ΔL为传感器电感增量；N是圈数；μ为钢绞线磁导率(H/m)；μ₀为真空磁导率(H/m)；l为钢绞线长度，Δl为应力引起的钢绞线长度变化，l_m为有效磁路长度。

由此，可以基于电感数据通过换算得到钢绞线监测长度范围内的平均预应力。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型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，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，包括监测装置和信号采集装置，所述监测装置包括一种基于磁弹电感效应的预应力监测波纹管，预应力监测波纹管包括整体呈筒状结构的波纹管本体，在所述波纹管本体的管壁上沿其轴向方向缠绕有自感线圈，且所述自感线圈的两端均从所述波纹管本体引出；

所述信号采集装置包括电感测试电桥电路，所述电感测试电桥电路包括开尔文夹具，所述自感线圈的两端分别从所述波纹管本体引出后与所述开尔文夹具的对应端子连接，以使得所述电感测试电桥电路能够对所述自感线圈的电感值进行监测采集。

2.根据权利要求1所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述波纹管本体包括线圈骨架，所述自感线圈沿轴向方向均匀缠绕在所述线圈骨架的外壁上，在所述线圈骨架外侧还套设有磁屏蔽线圈护套，所述磁屏蔽线圈护套和所述线圈骨架同轴，以使得所述线圈骨架、所述自感线圈和所述磁屏蔽线圈护套整体形成筒状结构的预应力监测波纹管。

3.根据权利要求2所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述磁屏蔽线圈护套轴向方向的两端均凸出于对应位置的所述自感线圈并与所述线圈骨架连接。

4.根据权利要求1所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述自感线圈采用导线绕制而成，且在所述导线的外壁设有绝缘层。

5.根据权利要求2所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述线圈骨架和所述磁屏蔽线圈护套均采用硬质材料制成。

6.根据权利要求2所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述线圈骨架具有平滑的内壁表面，所述磁屏蔽线圈护套具有环状结构的外壁。

7.根据权利要求1所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述电感测试电桥电路包括依次串联连接的信号发生器、限流电阻、第一电流表、开尔文夹具、信号放大器和可变标准阻抗，所述开尔文夹具的两端还并联连接有第一电压表，所述第一电压表上还设有第一输出端子，所述可变标准阻抗的两端还同时并联连接有第二电流表和第二电压表，所述第二电压表上还设有第二输出端子，所述第一电压表上的第一输出端子和所述第二电压表上的第二输出端子均与外部后处理装置连接。

8.据权利要求7所述的基于磁弹电感效应的预应力监测采集系统，其特征在于，所述第一电压表和所述第二电压表均具有直流电压信号和交流电压信号的测试端子，且所述第一电压表和所述第二电压表的测试精度均不小于0.001mV。

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