一种新型开合式磁通量传感器及网架杆件轴力测试方法与流程

本发明属于网架结构杆件轴力测试的技术领域，具体涉及一种新型开合式磁通量传感器及网架杆件轴力测试方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，网架结构以其自重轻、刚度大、造型丰富美观、综合技术经济指标好等一系列优点而成为各类体育场馆、车站等重要建筑的首选。随着网架结构数量的快速增加，入役年限的增长，结构在长期经受各种自然以及人为因素等的不利的影响下都会导致结构的健康状况发生恶化。因此对已经投入使用的各种结构进行定期的健康监测以确定其实际服役状态，及时的发现、处理各种潜在隐患，避免结构发生灾难性的破坏具有十分重要的意义。目前工程中对于网架结构进行健康监测的方式主要包括应变片法、频率法和磁通量法等几种方式。但相较于桥梁结构比较成熟的健康监测手段，目前网架结构常用的几种健康监测方式都存在着各自的弊端。预埋应变片的方式存在着应变片使用寿命不足的严重缺陷，而采用现场粘贴应变片的方式除给检测带来巨大的工作量外，不可避免的带来大量的高空作业危险系数高。频率法测试杆件轴力的方法由于螺栓球节点复杂的传力模式，周围杆件对弯曲及弹性约束的影响而导致的频率变化不可忽略，其精度还有待于进一步提高。因此探索一种经济可行、长期有效的网架结构杆件轴力测试方法是本发明的主要目的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种新型开合式磁通量传感器及网架杆件轴力测试方法。

一种新型开合式磁通量传感器，包括两个对称的半环形结构单元：第一传感器结构单元(1)和第二传感器结构单元(2)，所述第一传感器结构单元(1)、第二传感器结构单元(2)中心形成一网架杆件套孔(3)；

所述第一传感器结构单元(1)、第二传感器结构单元(2)外侧均设置有多个半环形固定带(4)，所述半环形固定带(4)的两个端处均设置有螺栓固定孔(5)，所述第一传感器结构单元(1)和第二传感器结构单元(2)均包括有激励线圈(6)和感应线圈(7)，所述第一传感器结构单元(1)和第二传感器结构单元(2)的一个端面均设置有排针连接器插针(8)，所述第一传感器结构单元(1)和第二传感器结构单元(2)的另一端面均设置有排针连接器插孔(9)，所述激励线圈(6)和感应线圈(7)均通过排针连接器插针(8)和排针连接器插孔(9)的配合连接相连通，所述第一传感器结构单元(1)的内部安装有温度传感器(10)，所述激励线圈(6)和感应线圈(7)的引出线(11)从第一传感器结构单元(1)的端面引出。

一种网架杆件轴力测试方法，采用所述的新型开合式磁通量传感器，包括以下步骤：

步骤1：根据待测试的网架杆件的直径选取磁通量传感器的结构参数，搭建磁通量传感器；

所述磁通量传感器的结构参数包括：激励线圈材料规格、感应线圈材料规格、激励线圈的绕线匝数、感应线圈的绕线匝数、激励线圈的绕线长度、感应线圈的绕线长度、第一传感器结构单元和第二传感器结构单元的内径、第一传感器结构单元和第二传感器结构单元的外径；

步骤2：根据网架杆件轴力测试的实际工程需要，选择与待测试的网架杆件相同的杆件材料模型；

步骤3：将搭建后的磁通量传感器安装于杆件材料模型上，将磁通量传感器的激励线圈的引出线连接冲击电压电源，将磁通量传感器的感应线圈的引出线连接电压采集装置；

步骤4：通过磁通量传感器采集杆件材料模型在不同的荷载工况下的瞬时感应电压，通过瞬时感应电压确定其对应磁导率，对不同的荷载工况下的磁导率进行标定，并绘制应力-磁导率曲线；

步骤5：在施工过程中，将搭建后的磁通量传感器安装于待测试的网架杆件上，将磁通量传感器的激励线圈的引出线连接冲击电压电源，将磁通量传感器的感应线圈的引出线连接电压采集装置；

步骤6：通过磁通量传感器采集待测试的网架杆件当前的瞬时感应电压，通过瞬时感应电压确定其对应磁导率，根据标定的应力-磁导率曲线确定网架杆件轴力。

本发明的有益效果：

本发明提出一种新型开合式磁通量传感器及网架杆件轴力测试方法，本发明解决了目前网架结构在使用阶段健康监测面临的难题。提出了一种更加高效、快捷的杆件轴力测试方法，具有巨大的经济效益；本发明提出的磁通量传感器由两个相同的子结构组成，安装和拆卸更加的方便快捷，可重复使用。传感器中排针连接器的使用将激励线圈和感应线圈各自连接成完整的回路，保证了测量结果的准确性；本发明所采用的磁通量传感器截面形式采用圆截面，可以最大程度上保证感应线圈和激励线圈的磁场不受截面形式的影响，保证测量结果的稳定性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中新型开合式磁通量传感器的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中传感器结构单元的正视图；

图3为本发明具体实施方式中传感器结构单元侧正视图；

图4为本发明具体实施方式中网架杆件轴力测试方法的流程图；

其中，1-第一传感器结构单元、2-第二传感器结构单元、3-网架杆件套孔、4-半环形固定带、5-螺栓固定孔、6-激励线圈、7-感应线圈、8-排针连接器插针、9-排针连接器插孔、10-温度传感器、11-引出线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

磁通量传感器在桥梁索力的健康监测领域运用已经比较成熟，但将其运用于网架结构杆件轴力的健康是前所未有的。本发明方法采用的主要原理是电磁感应原理，通过电源为激励线圈通电瞬间，感应线圈由于电磁感应现象会产生瞬时感应电流且借助放大系统可以测得感应线圈上的瞬时感应电压。研究表明，瞬时感应电压的大小与材料的磁导率直接相关，而材料的磁导率又与杆件所处的应力状态紧密联系。

一种新型开合式磁通量传感器，如图1所示，包括两个对称的半环形结构单元：第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2，所述第一传感器结构单元1、第二传感器结构单元2中心形成一网架杆件套孔3。

如图2和图3所示，所述第一传感器结构单元1、第二传感器结构单元2外侧均设置有多个半环形固定带4，所述半环形固定带4的两个端处均设置有螺栓固定孔5，所述第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2均包括有激励线圈6和感应线圈7，所述第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2的一个端面均设置有排针连接器插针8，所述第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2的另一端面均设置有排针连接器插孔9，所述激励线圈6和感应线圈7均通过排针连接器插针8和排针连接器插孔9的配合连接相连通，所述第一传感器结构单元1的内部安装有温度传感器10，所述激励线圈6和感应线圈7的引出线11从第一传感器结构单元1的端面引出。

本实施方式中，将第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2通过排针连接器插针8和排针连接器插孔9插在一起，使感应线圈6和激励线圈7各自构成了一个完整的回路。将连接在一起的第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2通过两个半环形固定带4做进一步加固，采用螺栓在螺栓固定孔5将第一传感器结构单元1和第二传感器结构单元2固定。半环形固定带4可以对磁通量传感器起到良好的保护作用，防止磁通量传感器在测量过程中对排针连接器产生破坏。

一种网架杆件轴力测试方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1：根据待测试的网架杆件的直径选取磁通量传感器的结构参数，搭建磁通量传感器。

所述磁通量传感器的结构参数包括：激励线圈材料规格、感应线圈材料规格、激励线圈的绕线匝数、感应线圈的绕线匝数、激励线圈的绕线长度、感应线圈的绕线长度、第一传感器结构单元的内径和外径、第二传感器结构单元的内径和外径。。

本实施方式中，激励线圈的材料和感应线圈的材料均为铜线，铜线直径为0.3mm，激励线圈与第一传感器结构单元和第二传感器结构单元之间、激励线圈与感应线圈之间之间以绝缘材料分隔。

若待测试的网架杆件的直径d，激励线圈的绕线匝数nj＝9d，感应线圈的绕线匝数nc＝2d，激励线圈的绕线长度lj＝0.3nj(mm)，感应线圈的绕线长度lc＝0.3nc(mm)，第一传感器结构单元和第二传感器结构单元的内径为d0＝d+5mm，第一传感器结构单元和第二传感器结构单元的外径为d1＝d0+10mm。

感应线圈位于元件的中央部位。

传感器结构单元长度l＝lj+20mm，感应线圈和激励线圈位于元件的中间，感应线圈和激励线圈两端各留出10mm空间。

步骤2：根据网架杆件轴力测试的实际工程需要，选择与待测试的网架杆件相同的杆件材料模型。

步骤3：将搭建后的磁通量传感器安装于杆件材料模型上，将磁通量传感器的激励线圈的引出线连接冲击电压电源，将磁通量传感器的感应线圈的引出线连接电压采集装置。

本实施方式中，采用的电压采集装置为示波器。

步骤4：通过磁通量传感器采集杆件材料模型在不同的荷载工况下的瞬时感应电压，通过瞬时感应电压确定其对应磁导率，对不同的荷载工况下的磁导率进行标定，并绘制应力-磁导率曲线。

本实施方式中，通过电磁感应的感应电压及材料的其他参数(如横截面积、温度)等求得的磁导率来反映杆件的受力大小。磁导率与应力之间的关系如式(1)所示：

其中，eσ为磁性应变能，λs磁致伸缩系数，在未磁化材料被磁化至饱和时产生，σ为外加应力，θ为外加应力与磁化方向的夹角。

材料的磁化可以表述为材料磁场强度h和磁通量b的关系，即针对任意材料，如式(2)所示：

其中，b为磁通量，wb/m²；为磁导率张量，h为材料磁场强度，a/m。

假设铁磁性材料横截面积为as，永久磁场强度为h(t)，线圈横截面积at，激励线圈缠绕圈数为nj，μ0为真空磁导率。由法拉第法则，可以得到由于线圈中磁通量的变化而引起的产生于线圈中的电压，如式(3)所示：

设磁场为各向同性，相应地被测材料的磁导率μr即可表示为如式(4)所示：

其中，vout为测量的输出电压，v0为不经过铁磁材料的输出电压。

步骤5：在施工过程中，将搭建后的磁通量传感器安装于待测试的网架杆件上，将磁通量传感器的激励线圈的引出线连接冲击电压电源，将磁通量传感器的感应线圈的引出线连接电压采集装置。

本实施方式中，采用的电压采集装置为示波器。

步骤6：通过磁通量传感器采集待测试的网架杆件当前的瞬时感应电压，通过瞬时感应电压确定其对应磁导率，根据标定的应力-磁导率曲线确定网架杆件轴力。