一种可方便监测断丝的拉索及其制作方法与流程

本发明涉及一种桥梁拉索、预应力拉索领域，特别是一种可方便监测断丝的拉索及其制作安装方法。

背景技术：

桥梁拉索包裹在良好密封的防腐装置内，且防腐装置不能随意打开；所以，例行的桥梁健康检测难以判断防腐装置内拉索的丝股断丝情况；这通常需要专项检测，耗时耗力。

常规的桥梁拉索丝股的检测技术有电磁式、超声探伤、射线、导波和磁致伸缩等；这些检测技术都存在机构、原理和模型复杂、高空作业、故障率高和使用条件苛刻等问题，从理论上来看它们都无法实现在线检测。

常用的声发射传感器一般都基于压电陶瓷等材料，其体积大、感性和机电耦合系数偏低，因此，也无法满足桥梁拉索索内狭小空间的安装需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可方便监测断丝的拉索，该拉索内安装有一种基于声发射传的拉索断丝监测传感器，以实现对桥梁拉索的丝股状态进行在线监测，即时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况；本发明还提供了可方便监测断丝的拉索的制作安装方法，解决了拉索断丝状况监测需要复杂设备的技术难题，特别能够满足全寿命桥梁理念的市场需求。

解决上述问题的技术方案是：一种可方便监测断丝的拉索，包括索体、锚具、锚固料和防腐结构，索体由多根钢丝缠绕而成，钢丝的两端通过锚固料固定在锚具内，它还包括拉索断丝监测传感器及信号监测仪表；

所述拉索断丝监测传感器包括传感器主体、固定装置和信号线，所述传感器主体由耦合橡胶、PVDF压电膜、支撑软橡胶构成；

PVDF压电膜由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴，PVDF压电膜粘贴在耦合橡胶与支撑软橡胶之间，形成“三明治结构”；

所述的多层PVDF压电薄膜每一层都有两个输出电极, 同极性的电极通过信号线或常用的电路工艺连接，构成多层压电薄膜电气并联；信号线在正负两极分别引出，阻波材料覆盖裸露的金属传感器电极；

工作状态下，传感器主体分别紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给信号监测仪表提供信号源。

所述一种可方便监测断丝的拉索进一步技术方案是：构成所述拉索断丝监测传感器之传感器主体的支撑软橡胶是吸波材料制成的。

所述拉索断丝监测传感器的固定装置是柔性固定装置，包括自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍。

所述拉索断丝监测传感器之传感器主体形状为平面、柔性弧面、圆环形面、折线夹角面或其他与被监测拉索外形形状相配合的形状。

相关的另一技术方案是：一种可方便监测断丝的拉索的制作方法，它是本发明上述的一种可方便监测断丝的拉索的制作方法，它包括以下步骤：

A、制作拉索断丝监测传感器

A1、制作拉索断丝监测传感器的传感器主体：

A11、根据拉索外形选择拉索断丝监测传感器的传感器主体结构并制作:

对于拉索索股外形为六边形的拉索，选择传感器主体结构为平面结构；

对于拉索索股外形为圆形的拉索，选择传感器主体结构为弧面结构；

对于拉索索股外形为其它特殊形状的拉索，可根据特殊情况定制，尽可能增加传感器主体与监测对象的接触面积；

A12、根据拉索索股外形尺寸裁剪出多层PVDF压电膜、耦合橡胶和支撑橡胶，并对裁剪边缘进行物理保护；

A13、采用常用的电路工艺连接PVDF压电膜层的同极性的电极，使多层PVDF压电薄膜构成电气并联，在正负两极分别引出信号线，并采用吸波材料覆盖因此而裸露出的传感器电极；

A14、使用绝缘胶水将PVDF压电膜粘贴在耦合橡胶与支撑软橡胶之间，形成“三明治结构”；

B、安装拉索断丝监测传感器：

将拉索断丝监测传感器的传感器主体分别紧贴在丝股的6个表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给信号监测仪表提供信号源。

所述的一种可方便监测断丝的拉索的制作方法的进一步技术方案是：构成所述拉索断丝监测传感器之传感器主体的支撑软橡胶是吸波材料制成的。

在步骤B、安装拉索断丝监测传感器1步骤，所述固定装置是柔性固定装置，该柔性固定装置包括自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍。

由于采用上述技术方案，本发明之一种可方便监测断丝的拉索及其制作方法具有以下有益效果：

1、本发明解决了传统方法对拉索断丝状况监测需要使用复杂设备的技术难题，特别能够满足全寿命桥梁理念的市场需求。

本发明之一种可方便监测断丝的拉索带有的桥梁拉索断丝监测传感器是一种声发射传感器，比普通基于压电陶瓷等材料制成的声发射传感器性能好，能实现对桥梁拉索的丝股状态进行在线监测，即时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况：

本发明之一种可方便监测断丝的拉索，其带有的桥梁拉索断丝监测传感器包括传感器主体、固定装置和信号线，所述传感器主体由内到外分别为耦合橡胶、PVDF压电膜、支撑软橡胶，PVDF压电膜粘贴在耦合橡胶与支撑软橡胶之间，形成“三明治结构”；工作状态下，传感器主体分别紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置收紧固定；信号线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源；

本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器是一种声发射传感器，由于所述传感器主体的敏感元件PVDF压电膜有极高的机-电耦合系数，同样受力条件下输出电压比压电陶瓷高10倍，PVDF厚度薄且可任意裁剪成任何形状，方便安装；PVDF的时间稳定性好，性能随时间漂移低，因而比基于压电陶瓷等材料的声发射传感器性能好；在正常使用中，钢绞线中心钢丝与环绕钢丝紧密接触，若中心钢丝断丝，丝股断丝时发出的强烈弹性波波经索体传导给断丝监测传感器的传感器主体，引起PVDF压电膜产生微变形，输出极高的电压；产生的电压通过引出导线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源；仪表接受到高压信号，判断丝股产生了断丝情况；从而能即时报告桥梁运营期间拉索的断丝状况。

2、对不同监测需求有极高的适应性，特别能够满足全寿命桥梁理念的市场需求：

①本发明之一种桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体不需外部供电，满足丝股断丝长期监测的能源要求；

②构成传感器主体的PVDF压电膜厚度薄且可任意裁剪成任何形状，方便安装，能满足桥梁拉索索内狭小空间的安装需求；

构成本发明桥梁拉索断丝监测传感器之传感器主体的PVDF压电膜的厚度仅有9～110微米，耦合橡胶和支撑软橡胶根据需要可选择100～1000微米的任意尺寸，传感器主体总厚度一般小于2000微米，传感的长宽尺寸可任意裁剪，对不同监测需求有极高的适应性, 特别是桥梁拉索这种丝股之间间隙极小的空间也能适应；

③PVDF这种材料有更好的时间稳定性；同时， PVDF压电膜的尺寸优势及可任意裁剪的特性，使其可以内置于缆索的保护结构中，提高了传感的成活率。

由于以上特点，本发明之一种可方便监测断丝的拉索制成的各种桥梁拉索能实现对丝股状态进行在线监测，适用范围广，具有较好的社会经济效益。

下面，结合附图和实施例对本发明之一种可方便监测断丝的拉索及其制作方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1是一种可方便监测断丝的拉索的总体结构示意图；

图2是实施例一所述的一种可方便监测断丝的拉索的桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体结构示意图之一（平面型）；

图3是实施例一（1）所述的一种可方便监测断丝的拉索的桥梁拉索断丝监测传感器安装使用状态示意图；

图4是图3的A部放大图；

图5是实施例一所述的一种可方便监测断丝的拉索的桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体结构示意图之二（弧面型）；

图6是实施例一（2）所述的一种可方便监测断丝的拉索的桥梁拉索断丝监测传感器安装使用状态示意图。

图中：

1-拉索断丝监测传感器，2-防腐结构， 3-锚具， 4-信号监测仪表， 5-锚固料， 6-索体；61-钢丝，6a-索股为六边形的桥梁拉索，6b-索股为圆形绞线形式的桥梁拉索；

11-传感器主体，11a-平面型传感器主体，11b-弧型传感器主体，12-固定装置，13-信号线，14-传感器电极；

111-支撑软橡胶，112-PVDF压电膜，113-耦合橡胶， PQ-地面线。

具体实施方式

实施例一

一种可方便监测断丝的拉索：

如图1所示，该种可方便监测断丝的拉索包括索体6、锚具3、锚固料、防腐结构、拉索断丝监测传感器1及信号监测仪表4，索体6由多根钢丝61缠绕而成，钢丝的两端通过锚固料5固定在锚具3内；

如图2、图5所示，所述拉索断丝监测传感器包括传感器主体11、固定装置12和信号线13，所述传感器主体由耦合橡胶113、PVDF压电膜112、支撑软橡胶111构成，PVDF压电膜112由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴，PVDF压电膜112粘贴在耦合橡胶113与支撑软橡胶111之间，形成“三明治结构”；

所述的多层PVDF压电薄膜每一层都有两个输出电极, 同极性的电极通过信号线或常用的电路工艺连接，构成多层压电薄膜电气并联；信号线13在正负两极分别引出，阻波材料覆盖裸露的传感器电极14；

工作状态下，传感器主体11分别紧贴在桥梁拉索的丝股的表面上，采用固定装置12收紧固定；信号线13顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给信号监测仪表4提供信号源。

本发明实施例中，构成所述拉索断丝监测传感器之传感器主体11的支撑软橡胶111是吸波材料制成的。

所述拉索断丝监测传感器的固定装置12是柔性固定装置，包括自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍。

根据可方便监测断丝的拉索结构不同，带有的桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体结构不同，一种可方便监测断丝的拉索的桥梁拉索断丝监测传感器安装使用状态有以下不同实施方式。

实施例一（1）

对于索体结构由高强镀锌（环氧喷涂、光面）钢丝、缠绕包带、内层HDPE和外层HDPE构成、其索股为六边形的桥梁拉索6a，其配套的桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体为平面结构；

如图2所示，该平面结构的传感器主体从内到外依次为耦合橡胶113、PVDF压电膜112、支撑软橡胶111，其安装状态参见图3、图4。

其安装方法是：按拉索索股六边形边长尺寸裁剪出多层PVDF压电膜、耦合橡胶和支撑橡胶，并对裁剪边缘进行物理和绝缘保护；

采用常用的电路工艺连接PVDF压电膜层的同极性的电极，使多层压电薄膜构成电气并联，在正负两极分别引出信号线13，并采用吸波材料覆盖因此而裸露出的金属传感器电极14；按图2所示结构，采用胶水粘贴耦合橡胶、PVDF压电膜和支撑橡胶，分别制成6片参数一致的断丝检测传感器主体；将这些传感器主体分别紧贴在丝股的6个表面上，采用高强度自粘缠绕包带作为固定装置12将传感器主体11收紧固定；信号线13顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给信号监测仪表4提供信号源。

实施例一（2）

对于由索股为圆形绞线形式的桥梁拉索6b，其索体由高强镀锌（环氧喷涂、光面）钢丝、缠绕包带、HDPE构成；索股为圆形绞线形式，其配套的桥梁拉索断丝监测传感器的传感器主体为弧面结构；如图5所示，该弧面结构的传感器主体11b从内到外依次为耦合橡胶113、PVDF压电膜112、支撑软橡胶111，其安装状态参见图6。

其安装方法是：根据设计图纸获知索股为圆形绞线形式的桥梁拉索6b丝股的整体形状、尺寸和防腐保护形式；以此为根据，确定耦合橡胶的尺寸、PVDF压电薄膜的层数和尺寸、支撑软橡胶的尺寸，选择合理的固定装置；裁剪出多层PVDF压电薄膜、耦合橡胶和支撑橡胶，并对裁剪边缘进行物理和绝缘保护；

采用常用的电路工艺连接PVDF压电膜层的同极性电极，使多层压电薄膜构成电气并联，在正负两极分别引出信号线13，并采用吸波材料覆盖因此而裸露出的金属传感器电极14；

按图5 所示的弧型传感器主体11b结构，采用胶水粘贴耦合橡胶、PVDF压电膜和支撑橡胶，分别制成6片参数一致的断丝检测传感器主体；将这些弧面结构的传感器主体分别紧贴在索股为圆形绞线形式的桥梁拉索6b丝股的6个表面上，采用高强度自粘缠绕包带作为固定装置12将传感器主体11收紧固定；信号线13顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给信号监测仪表4提供信号源。

在拉索投入使用后，若环绕丝股出现断丝，则发出的强烈弹性波经索体传导给断丝监测传感器的传感器主体（中心丝股发出的弹性波经界面接触传导到环绕钢丝上），从而PVDF压电膜输出极高的电压并通过引出导线顺着丝股间隙由锚固系统引出外部给仪表提供信号源，就能即时获知桥梁运营期间拉索的断丝状况。

本发明实各施例中，所述的信号监测仪表电路由前置电荷放大器、带通滤波器、同相比例运放、A/D转换和单片机组成；所述的信号监测仪表可对接收到的信号进行放大，滤掉高频信号和由振动引起的低频信号；随后经过比例运放和A/D转换为数字信号；读取信号的幅值和持续时间，以此判断是否发生断丝，若发生，则将这段数据写入存储中，并且递增断丝数目。这些都是本领域技术人员采用公知技术能够实现的，此处不再赘述。

作为本发明实施例一的一种变换，所述传感器主体形状还可以是其他与被监测拉索外形形状相配合的形状，例如：圆环形面、折线夹角面或其他与被监测拉索外形形状相配合的形状，其目的是增大传感与监测对象的接触面积。

实施例二

一种可方便监测断丝的拉索的安装制作方法

它是实施例一所述的一种可方便监测断丝的拉索的制作方法，它包括以下步骤：

A、制作拉索断丝监测传感器1

A1、制作拉索断丝监测传感器的传感器主体11：

A11、根据拉索外形选择拉索断丝监测传感器的传感器主体结构并制作:

对于拉索索股外形为六边形的拉索，选择传感器主体结构为平面结构11a（参见图2）；

对于拉索索股外形为圆形的拉索，选择传感器主体结构为弧面结构11b（参见图5）；

对于拉索索股外形为其它特殊形状的拉索，可根据特殊情况定制，尽可能增加传感器主体与监测对象的接触面积。

A12、根据拉索索股外形尺寸裁剪出多层PVDF压电膜112、耦合橡胶113和支撑橡胶111，并对裁剪边缘进行物理和绝缘保护；

A13、采用常用的电路工艺连接PVDF压电膜层的同极性电极，使多层PVDF压电薄膜构成电气并联，在正负两极分别引出信号线13，并采用吸波材料覆盖因此而裸露出的金属传感器电极14；

A14、使用绝缘胶水将PVDF压电膜112粘贴在耦合橡胶113与支撑软橡胶111之间，形成“三明治结构”；

B、安装拉索断丝监测传感器1

将拉索断丝监测传感器1的传感器主体11分别紧贴在丝股的6个表面上，采用固定装置12收紧固定；信号线沿丝股间隙引到锚具3，再由锚具3上的检测接口引到信号监测仪表4提供信号源；

C、按常规的拉索的生产工艺进行防腐保护。

本实施例中，所述的信号监测仪表电路由前置电荷放大器、带通滤波器、同相比例运放、A/D转换和单片机组成。

所述的信号监测仪表可对接收到的信号进行放大，滤掉高频信号和由振动引起的低频信号；随后经过比例运放和A/D转换为数字信号。

读取信号的幅值和持续时间，以此判断是否发生断丝，若发生，则将这段数据写入存储中，并且递增断丝数目。

上述步骤C及上述信号监测仪表电路的结构以及工作原理是本领域技术人员利用现有技术能够实现的，此处不再赘述。

本实施例中，构成所述拉索断丝监测传感器之传感器主体11的支撑软橡胶111是吸波材料制成的。

构成所述拉索断丝监测传感器之传感器主体11的PVDF压电膜112由一层或多层PVDF压电薄膜层叠构成，多层PVDF压电薄膜间使用绝缘胶水粘贴。

在步骤B、安装拉索断丝监测传感器1步骤，所述固定装置12是柔性固定装置，根据拉索结构不同，可以选择自锁式不锈钢扎带、高强度自粘缠绕包带或弹性环箍等柔性固定装置。