专利名称：耦合型外装式钢拉索索力检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及铁磁材料的磁性物理学、电工学、智能检测技术，具体涉及结构健康监测领域的钢拉索或钢杆件的拉应カ或拉カ测量，也涉及铁磁材料的磁力学效应和磁化特性。
背景技术：
钢拉索作为各种桥梁、体育场馆等重要建筑结构中的核心构件，其安全问题至关重要，对钢拉索拉カ的监测是保证其安全性的重要手段。目前的检测方法主要有
I、压カ测定法
又称千斤顶法，它是在使用千斤顶张拉钢拉索时通过測量油压来检测张拉力，油压的測量可通过压カ表或压カ传感器完成，这种方法适用于施工过程中的检测。 2、拉カ直接测量法
在拉索锚具上或锚具连接杆上直接安装拉カ传感器测量钢拉索索力，这种方法成本高，且使用十分不方便。3、频率法
測量钢拉索的自振频率，利用自振频率与索力的关系测量索力，这种方法适合于现役钢拉索的检测，但由于自振频率与索力的关系存在复杂性，在应用上有局限性。4、磁力学效应法
磁力学(magnetomechanical)效应发现于19世纪,加拿大在80年代初专门研究了铁磁体材料内部应カ对磁化过程的影响，2000年以后美国研制了套筒式磁通量传感器及索力检测仪，德国和法国也研制了涡流传感器及索カ检测仪。归纳起来，现有的基于磁力学效应法检测钢拉索索力有以下两种实现方法
(I)磁通量測量法制作成套筒式磁通量传感器，首先测量磁通量的变化，再換算成相 对磁导率，利用磁导率与拉应カ的关系测量索力，这种方法必须在施工时将传感器安装好，不可拆除，图I为这种方法的示意图。(2)电感量測量法由于磁力学效应的存在，与钢拉索靠近的线圈的电感量会受到拉应カ的影响，測量线圈的电感量即可換算成索力。这种方法又有两种做法，ー是径向电感量測量法(又称涡流法，EC传感器)，即测量线圈与钢拉索垂直，为了达到较好的測量数据，根据钢拉索直径在周边布置至少6个以上的线圈，传感器和測量仪器较为复杂，效果一般，图2为这种方法的示意图；ニ是轴向电感量測量法，即测量线圈绕在钢拉索外围，这种方法需要在现场绕制线圈，图3为这种方法的示意图。电感量測量法只能反映钢拉索表层钢丝的内部应力，不能反映拉索整体的磁力学效应。综上所述，钢拉索索カ检测方法目前还存在两大问题
I、现役钢拉索的索カ检测问题没有很好解决
国内外使用得较为成熟的索力检测传感器均为套筒式磁通量传感器，只有在张拉施工时套上去，才能满足使用阶段的在线检测，不但浪费大，而且寿命有限，更为重要的是，大量现役钢拉索没有配置这种传感器。虽然，可以采用现场绕制的方法制作磁通量传感器或电感量传感器，但这种方法存在难度大、耗时长、检测与标定状态不一致等问题。2、检测灵敏度低、重复性不好
虽然磁通量传感器或电感量传感器利用了磁力学效应，但它们只测量了铁磁材料磁化特性曲线上的单点參数，即某个工作点附近的磁导率或电感量，这样必然存在对拉カ的敏感度低、測量重复性差的问题。
发明内容
本发明提供一种能够对现役钢拉索实施索力检测且具測量灵敏度高和重复性好的耦合型外装式钢拉索索カ检测装置和方法。 本发明采用如下技术方案
本发明所述的ー种耦合型外装式钢拉索索カ检测装置，包括激磁组件和排线式耦合感应器，所述激磁组件包括磁芯，在磁芯上套设有激磁线圈，在激磁线圈的两端并接有电容式放电电路，在磁芯的两端分别设有第一磁极和第二磁极，在第一磁极和第二磁极分别设有第一压板和第二压板，并且，第一磁极与第一压板之间为可卸式连接，第二磁极与第二压板之间为可卸式连接，在第一磁极与第一压板的连接处设有用于夹持钢拉索的第一夹持孔，在第二磁极与第二压板的连接处设有用于夹持钢拉索的第二夹持孔，在第一夹持孔和第二夹持孔的内壁上分別设有圆环衬垫；所述排线式耦合感应器包括成排导线，在每根导线的一端连接有插针，在每根导线的另一端连接有与插针相匹配的插孔，每ー根导线上的插针与相邻导线上的插孔之间为插拔式连接。本发明所述的ー种利用耦合型外装式钢拉索索カ检测装置进行索力检测的方法， 步骤I将激磁组件装夹在待检测的钢拉索外侧并由激磁组件和待检测的钢拉索形成
激磁回路，将排线式耦合感应器中的成排导线包裹在激磁回路的待检测的钢拉索上，再将成排导线中的每ー根导线上的插针插入相邻导线上的插孔中，开启与激磁组件连接的电容式放电电路并由电容式放电电路向激磁组件中的激磁线圈放电，从而在待检测的钢拉索内产生磁场强度，同吋，检测并得到激磁线圈中的激磁电流，所述排线式耦合感应器通过感应获得含有拉カ信息的待测钢拉索内的磁感应強度，同时检测并得到排线式耦合感应器中的电压，再由激磁线圈中的激磁电流和排线式耦合感应器中的电压形成待检测钢拉索的磁化特性曲线，
步骤2取一段与待检测钢拉索相同的钢拉索作为标定用钢拉索，将标定用钢拉索安装在拉カ试验机上，将激磁组件装夹在标定用钢拉索外侧并由激磁组件和标定用钢拉索形成激磁回路，将排线式耦合感应器中的成排导线包裹在激磁回路的标定用钢拉索上，再将成排导线中的每ー根导线上的插针插入相邻导线上的插孔中，开启拉カ试验机，对标定用钢拉索施加一组拉カ，再利用标准磁化特性曲线测定方法，获得ー组标准磁化特性曲线，
所述的标准磁化特性曲线测定方法为开启与激磁组件连接的电容式放电电路并由电容式放电电路向激磁组件中的激磁线圈放电，从而在标定用钢拉索内产生磁场强度，同时，检测并得到激磁线圈中的激磁电流，所述排线式耦合感应器通过感应获得含有拉カ信息的标定用钢拉索内的磁感应強度，同时检测并得到排线式耦合感应器中的电压，再由激磁线圈中的激磁电流和排线式耦合感应器中的电压形成标定用钢拉索的磁化特性曲线，并以标定用钢拉索的磁化特性曲线为标准磁化特性曲线，
步骤3将待检测钢拉索的磁化特性曲线与ー组标准磁化特性曲线进行对比，得到待检测钢拉索中的拉力。本发明的优点在于
I、解决了套筒式磁通量传感器无法对现役钢拉索或钢杆件的拉カ测量问题。由于激磁组件采用了外装式结构，可以方便地夹持在被测构件上，而不需要在施工阶段就将传感器套在钢拉索上。耦合信号的检测采用了排线式感应器， 不需现场绕制，方便装拆。由于本发明采用了电容放电电路，使得耦合感应线圈中的感应电压信号较大，因此，本发明的检测方法对感应线圈的匝数的数量没有过多要求，从而才能使排线式耦合感应器得以实现。2、提高了測量灵敏度和重复性。本发明的測量原理是利用磁力学效应，磁力学效应的本质是铁磁材料磁化特性随应カ而变化(这是ー个过程),而磁导率的变化或电感量的变化只是这种效应的两种表象，而且，磁导率或电感量參数会随着磁化特性曲线上的工作点不同而发生变化。与这两种方法(通过磁通量測量磁导率，直接測量电感量)不同，本发明不是简单测量磁导率或电感量这样的单ー參数来检测钢索拉力，而是通过磁化特性进行检测，因此对应力的敏感度高，又由于测量过程贯穿于电磁能量转换的全过程，测量结果不受磁化工作点的影响，应カ的測量值是很多数据处理后得出，因此测量重复性好。图7表明了本发明的測量方法与其它两种方法在原理上的区别，图中，区域A为电感量法的測量区域，显然对拉应カ不敏感，测量时仅在该区域的某个点进行电感量的測量；区域B为磁通量法的測量区域，该方法通过磁通量測量磁导率，在此区域相对磁导率最大，但该区域对拉应力也不够敏感，测量时仅在该区域的某个点进行相对磁导率的測量；区域C为本测量法所在区域，显然对拉应カ的敏感性较强。图8所示为本发明的測量結果。3、与电感量測量法相比，測量结果更真实。由于电感量測量法没有对钢拉索施加激磁，使被测钢拉索内部均匀磁化，因此测量结果只能反映钢拉索表层的应力状态。事实上，钢拉索是由许多股钢丝组成，每股钢丝的应力都不均匀，内部和外部的钢丝受力也不均匀，我们需要的是钢拉索的整体受カ状況，因此需要激磁使钢拉索内部有均匀的磁场。本发明的測量方法完全符合这ー要求，測量结果更真实有效。4、降低了測量成本。由于套筒式传感器需要在施工时安装于每根钢拉索，成本很高，且寿命有限，而本发明只需在测量时安装，测完后即可拆除，可重复使用，且无寿命问题。5、节省了測量时间。磁通量測量法或电感量測量法需要现场绕制线圈，在现场绕制时需要专用装置，測量完成后需要花费很多时间进行拆除。本发明由于不需要现场绕制，因此节省了測量时间，完成一次测量的全过程只需要几分钟。此外，现场绕制线圈使得測量状态与标定状态很难完全一致，測量结果有偏差。而本发明也有效解决了这个问题。6、使用简便。本发明中，激磁组件是ー个整体，只需要用压板和紧固螺栓将其夹紧即可，排线感应器只需对插即可。传感器上的电接插件也已经事先焊接好，无需现场制作，直接与检测仪器连接即可进行测量，使用十分方便。
图I为现有套筒式磁通量传感器示意图；图2为现有径向式拉カ传感器示意 图3为现有轴向式拉カ传感器示意 图4为本发明的装置结构示意 图5为本发明的装置结构的侧视 图6为本发明排线式耦合感应器的结构示意 图7为说明本发明工作原理的磁力学效应曲线 图8为本发明的测量结果图。
具体实施方式
实施例I
一种耦合型外装式钢拉索索カ检测装置，包括激磁组件和排线式耦合感应器，所述激磁组件包括磁芯2，在磁芯2上套设有激磁线圈3，在激磁线圈3的两端并接有电容式放电电路，所述的电容式放电电路可以采用现有技术中常见的电容式放电电路，但是，电容式放电电路在本发明中所起的作用不同于现有技木，是用于将储存的电场能量瞬间转化为磁场能量，实现对被测钢拉索的磁化，在磁芯2的两端分别设有第一磁极41和第二磁极42，在第ー磁极41和第二磁极42分别设有第一压板61和第二压板62,并且,第一磁极41与第一压板61之间为可卸式连接，第二磁极42与第二压板62之间为可卸式连接，在第一磁极41与第一压板61的连接处设有用于夹持钢拉索的第一夹持孔，在第二磁极42与第二压板62 的连接处设有用于夹持钢拉索的第二夹持孔，在第一夹持孔和第二夹持孔的内壁上分别设有圆环衬垫5 ;所述排线式耦合感应器包括成排导线8，在每根导线的一端连接有插针9，在每根导线的另一端连接有与插针相匹配的插孔10，每ー根导线上的插针与相邻导线上的插孔之间为插拔式连接。实施例2
ー种利用耦合型外装式钢拉索索カ检测装置进行索力检测的方法，
步骤I将激磁组件装夹在待检测的钢拉索外侧并由激磁组件和待检测的钢拉索形成激磁回路，将排线式耦合感应器中的成排导线8包裹在激磁回路的待检测的钢拉索上，再将成排导线8中的每ー根导线上的插针插入相邻导线上的插孔中，开启与激磁组件连接的电容式放电电路并由电容式放电电路向激磁组件中的激磁线圈3放电，从而在待检测的钢拉索内产生磁场强度，同吋，检测并得到激磁线圈3中的激磁电流，所述排线式耦合感应器通过感应获得含有拉カ信息的待测钢拉索内的磁感应強度，同时检测并得到排线式耦合感应器中的电压，再由激磁线圈3中的激磁电流和排线式耦合感应器中的电压形成待检测钢拉索的磁化特性曲线，
步骤2取一段与待检测钢拉索相同的钢拉索作为标定用钢拉索，将标定用钢拉索安装在拉カ试验机上，将激磁组件装夹在标定用钢拉索外侧并由激磁组件和标定用钢拉索形成激磁回路，将排线式耦合感应器中的成排导线8包裹在激磁回路的标定用钢拉索上，再将成排导线8中的每ー根导线上的插针插入相邻导线上的插孔中，开启拉カ试验机，对标定用钢拉索施加一组拉カ，再利用标准磁化特性曲线测定方法，获得ー组标准磁化特性曲线，所述的标准磁化特性曲线测定方法为开启与激磁组件连接的电容式放电电路并由电容式放电电路向激磁组件中的激磁线圈3放电，从而在标定用钢拉索内产生磁场强度，同吋，检测并得到激磁线圈3中的激磁电流，所述排线式耦合感应器通过感应获得含有拉カ信息的标定用钢拉索内的磁感应強度，同时检测并得到排线式耦合感应器中的电压，再由激磁线圈3中的激磁电流和排线式耦合感应器中的电压形成标定用钢拉索的磁化特性曲线，并以标定用钢拉索的磁化特性曲线为标准磁化特性曲线，
步骤3将待检测钢拉索的磁化特性曲线与ー组标准磁化特性曲线进行对比，得到待检测钢拉索中的拉力。耦合型外装式钢拉索索カ检测装置的具体实现如下
耦合型外装式钢拉索索カ检测装置由两部分組成。ー是激磁组件，ニ是排线式耦合感应器，如图4、图5、图6所示，被测对象I为钢拉索或钢杆件等承受拉应力(或压应力)的构件。激磁组件的组成及各部分功能如下磁芯2由电磁纯铁制成，起导磁作用；激磁线圈3用于产生激磁磁场；第一磁极41和第二磁极42由电磁纯铁制成,将激磁磁场强度导入被测钢拉索；圆环衬垫5用于控制磁路间隙,为非导磁材料；第ー压板61和第二压板62由电磁纯铁制成，使激磁磁场分布较为均匀，通过紧固螺栓7将激磁组件与被测钢拉索夹紧。排线 耦合感应器由排线8、插针9、插孔10组成，插针与相邻插孔相连接，当包裹于钢拉索外围时构成耦合感应线圈，用于检测钢拉索内部的耦合磁场的磁感应強度。上述耦合型外装式钢拉索索カ检测装置可以方便地安装于钢拉索或钢杆件，使用完毕后方便地拆除。耦合型外装式钢拉索索カ检测方法的实现原理如下
激磁线圈与排线感应器之间通过磁芯、磁极、被测钢拉索形成一个耦合型电磁感应装置，激励线圈通电后将磁场强度导入钢拉索，而排线感应器检测钢拉索内部的磁场强度。根据磁力学效应原理，当被测构件受到拉伸时，铁磁材料内部的拉应カ会使磁化特性曲线发生改变。图7所示为ー个典型的磁化特性曲线，当拉应カ增加时，磁化特性曲线的磁感应强度有明显减小。在激磁电流快速上升过程中，不断检测激磁电流信号和排线感应器中的电压信号，形成磁化特性曲线，从而实现拉カ的检测。本发明中，给钢拉索施加磁场强度的方法是采用电容放电法。工作时，放电装置首先向放电电路中的电容进行充电，将电场能量储存于电容，充电完毕后再对激磁线圈进行放电，将电场能量转化为磁场能量，放电的过程即为钢拉索磁化的过程。放电过程是非常短暂的，不会使激磁组件发热，可以连续地反复使用。在放电过程中，数据采集模块连续采集激磁线圈中的激磁电流和排线感应器中的感应电压信号。放电过程结束后，数据采集模块将采集数据保存并处理，显示检测結果。由于本发明的原理是基于磁力学效应，需要对被测的钢拉索或钢杆件进行激磁，并达到一定的磁场强度。因此，对于不同大小的待测钢拉索，需要设计不同尺寸的激磁装置。实施时，可以对标准中规定的钢拉索尺寸，设计出钢拉索索カ激磁装置的ー个系列，每一种激磁装置满足几种钢拉索尺寸，则激磁装置系列可满足所有钢拉索的检测需求。由于本发明的原理是基于磁力学效应，因此实施时需要对被测拉索或钢杆件的磁化特性预先进行标定。为简单起见，也可以在钢拉索施工过程中，利用精密的压カ传感器等进行现场标定。标定数据将存于数据库，以便在钢拉索的整个寿命期内对其进行健康监测。以上对本发明实施方式的描述进ー步明确了本发明的实施办法，但不构成对本发明的装置和方法的权カ限制。任何不脱离本发明装置和方法的改进和修改，均属于本发明的权利范围。
权利要求
1 .一种耦合型外装式钢拉索索カ检测装置，其特征在于，包括激磁组件和排线式耦合感应器，所述激磁组件包括磁芯(2)，在磁芯(2)上套设有激磁线圈(3)，在激磁线圈(3)的两端并接有电容式放电电路，在磁芯(2)的两端分别设有第一磁极(41)和第二磁极(42)，在第一磁极(41)和第二磁极(42)分别设有第一压板(61)和第二压板(62)，并且，第ー磁极(41)与第一压板(61)之间为可卸式连接，第二磁极(42)与第二压板(62)之间为可卸式连接，在第一磁极(41)与第一压板(61)的连接处设有用于夹持钢拉索的第一夹持孔，在第二磁极(42)与第二压板(62)的连接处设有用于夹持钢拉索的第二夹持孔，在第一夹持孔和第二夹持孔的内壁上分別设有圆环衬垫(5);所述排线式耦合感应器包括成排导线(8)，在每根导线的一端连接有插针(9)，在每根导线的另一端连接有与插针相匹配的插孔(10)，每ー根导线上的插针与相邻导线上的插孔之间为插拔式连接。
2.ー种利用权利要求I所述耦合型外装式钢拉索索カ检测装置进行索力检测的方法， 其特征在干， 步骤I将激磁组件装夹在待检测的钢拉索外侧并由激磁组件和待检测的钢拉索形成激磁回路，将排线式耦合感应器中的成排导线(8)包裹在激磁回路的待检测的钢拉索上，再将成排导线(8)中的每ー根导线上的插针插入相邻导线上的插孔中，开启与激磁组件连接的电容式放电电路并由电容式放电电路向激磁组件中的激磁线圈(3)放电，从而在待检测的钢拉索内产生磁场强度，同吋，检测并得到激磁线圈(3)中的激磁电流，所述排线式耦合感应器通过感应获得含有拉カ信息的待测钢拉索内的磁感应強度，同时检测并得到排线式耦合感应器中的电压，再由激磁线圈(3)中的激磁电流和排线式耦合感应器中的电压形成待检测钢拉索的磁化特性曲线， 步骤2取一段与待检测钢拉索相同的钢拉索作为标定用钢拉索，将标定用钢拉索安装在拉カ试验机上，将激磁组件装夹在标定用钢拉索外侧并由激磁组件和标定用钢拉索形成激磁回路，将排线式耦合感应器中的成排导线(8)包裹在激磁回路的标定用钢拉索上，再将成排导线(8)中的每ー根导线上的插针插入相邻导线上的插孔中，开启拉カ试验机，对标定用钢拉索施加一组拉カ，再利用标准磁化特性曲线测定方法，获得ー组标准磁化特性曲线，所述的标准磁化特性曲线测定方法为开启与激磁组件连接的电容式放电电路并由电容式放电电路向激磁组件中的激磁线圈(3)放电，从而在标定用钢拉索内产生磁场强度，同吋，检测并得到激磁线圈(3)中的激磁电流，所述排线式耦合感应器通过感应获得含有拉カ信息的标定用钢拉索内的磁感应強度，同时检测并得到排线式耦合感应器中的电压，再由激磁线圈(3)中的激磁电流和排线式耦合感应器中的电压形成标定用钢拉索的磁化特性曲线，并以标定用钢拉索的磁化特性曲线为标准磁化特性曲线， 步骤3将待检测钢拉索的磁化特性曲线与ー组标准磁化特性曲线进行对比，得到待检测钢拉索中的拉力。
全文摘要
一种耦合型外装式钢拉索索力检测装置和方法。装置含激磁组件和排线式耦合感应器，激磁组件含磁芯，在磁芯上套设并有电容式放电电路的激磁线圈，在磁芯的两端设第一、第二磁极，在第一、第二磁极分别设有第一、第二压板，第一磁极与第一压板之间为可卸式连接，第二磁极与第二压板之间为可卸式连接，在第一磁极与第一压板的连接处设有第一夹持孔，在第二磁极与第二压板的连接处设有第二夹持孔，在第一夹持孔和第二夹持孔的内壁上设有圆环衬垫。方法将装置用于检测并得到待检测钢拉索的磁化特性曲线；将装置用于检测并得到一组标准磁化特性曲线；将待检测钢拉索的磁化特性曲线与一组标准磁化特性曲线进行对比，得到待检测钢拉索中的拉力。
文档编号G01R27/26GK102680156SQ201210137058
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者倪江生, 刘兴, 曲谛, 郭正兴, 金伟明 申请人:东南大学