用于钢索桥的索力在线监测装置的制作方法

本实用新型涉及一种索力传感器，尤其是涉及一种应用于钢索桥健康在线监测的索力传感器。

背景技术：

钢缆索是一种柔性的承力构件，其索力状态是衡量建筑是否处于正常运营状态的一个重要标志，实时监测钢缆索的索力对建筑健康监测具有重要工程意义。磁弹效应法是目前监测索力最具潜力的一种方法，该方法通过使用磁通量传感器来测定钢缆索中的磁通量变化，主要包括缠绕在钢索上的激励线圈和检测线圈，激励线圈产生交变的磁信号，检测线圈测量得到磁通量信号，利用该磁通量信号幅度与钢索拉力的线性关系，进而监测得到钢索拉力。该方法具有使用寿命长、受外界干扰小，可以全天候工作等特点，广泛用于索力监测及钢索桥的健康监测。

申请号为201410214291.4的中国专利“一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器”公开了一种索力传感器，包括壳体，套设在钢缆索上的线圈骨架和激励线圈，激励线圈由铜线在线圈骨架的外侧壁上绕制而成，线圈骨架的外侧壁上设置有矩形凹槽，矩形凹槽位于线圈骨架的轴向中部，矩形凹槽内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元。该方法存在的问题是需要将线圈缠绕在钢索上，故适用于新建桥的钢索测量，在已建桥的钢索应用中则存在着现场施工不便，施工完毕后难以准确标定的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有磁电索力检测单元中需要将线圈缠绕在钢索上进行测量的施工不便问题，提出一种与钢索固联简单方便的磁电索力测量装置，实施中克服了安装间隙对磁通量测量的影响，且磁通路平滑无突变，具有较强的市场推广价值。

本实用新型的技术方案如下：

用于钢索桥的索力在线监测装置，包括激励线圈、接收线圈、夹具、U型衔铁和两只工业纯铁导磁座，激励线圈和接收线圈分别设置在U型衔铁的两个侧臂上；工业纯铁导磁座的顶部为平面，固定在U型衔铁的端部，工业纯铁导磁座的底部为与钢索的直径相匹配的圆弧面，通过夹具压贴在钢索的外表面上，U型衔铁、钢索和两只工业纯铁导磁座之间构成封闭的磁回路；激励线圈上施加脉冲电信号，通过测量接收线圈输出端的电磁感应信号，计算得到钢索的索力。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，U型衔铁上设置有温度传感器。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，夹具包括弧形底板、螺杆和压板，压板设置在U型衔铁的U型底部，弧形底板工作面为与钢索的直径相匹配的圆弧面，螺杆设置在压板和弧形底板之间，将工业纯铁导磁座压贴在钢索的外表面上。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，螺杆为内六方螺杆。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，U型衔铁为硅钢片制成的一体化结构。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，工业纯铁导磁座粘接在U型衔铁的端部。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，工业纯铁导磁座通过非导磁环片包箍在U型衔铁的端部。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，U型衔铁的外径和钢索的外径尺寸一致。

上述用于钢索桥的索力在线监测装置中，工业纯铁导磁座的外径和钢索的外径尺寸一致。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

1、本实用新型的索力在线监测装置将激励线圈和接收线圈分别设置在U型衔铁的两个侧臂上，并通过压板和螺杆结构，将U型衔铁、导磁座压接在钢索的外表面上，形成封闭的磁回路，实现了磁弹效应法索力测量，现场拆卸装配简单、使用可靠；该压紧结构改变了传统夹具将U型衔铁的端部进行改进后的压接方式，确保了整个磁回路中导磁体的外径粗细保持一致，避免了磁场从外径变化的压接位置处进行泄漏的问题。

2、本实用新型的导磁座采用工业纯铁制成，一方面具有良好的导磁特性，另一方面材料本身硬度低、容易成型加工，且在螺杆的压力下容易变形，使得导磁座的表面容易与多股钢丝绳组成的扭曲钢索表面无缝贴合，从而减小了磁回路中的磁场泄漏，进而提高了信号幅度和测量信噪比。

3、本实用新型在U型衔铁的外部上设置有温度传感器，通过实时监测装置的工作温度，并与实验室的环境考核得到标定结果相比对，对监测的索力进行修正，确保了测量结果的准确性。

附图说明

图1为磁电式索力在线监测装置的工作原理示意图；

图2为索力在线监测装置的结构示意图；

图3为图2在A-A剖面的结构示意图；

图4为工业纯铁导磁座的结构示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为索力在线监测装置的电路原理图。

附图标记为：1—钢索；2—激励线圈；3—接收线圈；4—U型衔铁；5—夹具；6—弧形底板；7—工业纯铁导磁座；8—螺杆；9—螺帽；10—压板；11—温度传感器；12—底部；13—顶部；15—磁通量信号；21—信号发生器；22—放大器；23—数据采集卡；24—电脑；25—脉冲信号。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型旁路结构的磁电式索力在线监测装置主要包括激励线圈2、接收线圈3、U型衔铁4和夹具5，夹具5将硅钢片制成的U型衔铁4固定在钢索1上，并形成闭合的磁回路。当激励线圈2通入重频脉冲信号后，会在U型衔铁4内部产生磁通量信号15，经过钢索1后被接收线圈3接收，进行信号放大处理后得到电磁感应信号，根据磁电索力测量原理，该信号幅度与钢索1的索力呈线性关系，根据在实验室对索力和电磁输出信号的标定系数，即可实时对索力进行监测。

如图2至图5所示，本实用新型索力监测装置的具体结构包括激励线圈2、接收线圈3、夹具5、U型衔铁4和两只工业纯铁导磁座7，激励线圈2和接收线圈3分别设置在U型衔铁4的两个U型侧臂上；工业纯铁导磁座7的顶部12为平面，固定在U型衔铁4的端部，工业纯铁导磁座7的底部13为与钢索1的直径相匹配的圆弧面，通过夹具5压贴在钢索1的外表面上，U型衔铁4、钢索1和两只工业纯铁导磁座7之间构成封闭的磁回路；工业纯铁导磁座7可粘接在U型衔铁4的端部，或者通过非导磁环片(如铝、铜、塑料凳)包箍在U型衔铁4的端部。制作中保证U型衔铁4、钢索1和工业纯铁导磁座7的外径尺寸基本一致。

传统的夹具均在U型衔铁4的端部做文章，通常把U型衔铁4的端部加粗，套上一个双半环的夹片固定在钢索1上，这样由于U型衔铁4的端部尺寸改变，会导致结合处的磁阻变化，进而发生磁场泄漏，影响到测量信号的幅值和信噪比。

本实用新型采用了如图2-3的结构，夹具5包括弧形底板6、螺杆8和压板10，压板10设置在U型衔铁4的U型底部，弧形底板6工作面为与钢索1的直径相匹配的圆弧面，螺杆8设置在压板10和弧形底板6之间，将工业纯铁导磁座7压贴在钢索1的外表面上。螺杆8采用内六方螺杆，可施加较大的外力。U型衔铁4为硅钢片制成的一体化结构，硬度较高，而导磁座采用工业纯铁制成，一方面具有良好的导磁特性，另一方面材料本身硬度低、容易成型加工制成圆弧型。同时导磁座在螺杆的压力下容易变形，更好地贴在钢索1的外表面。

施工中，将钢索1的外部保护材料去除并擦拭干净后，将工业纯铁导磁座7压在钢索1的外部，钢索7一般采用多股的钢丝绳拧成，其表面为沟槽结构，而硬度较小的纯铁可与其表面紧密贴合，使得贴合处没有间隙，从而减小了磁回路中的磁场泄漏，

为了克服环境温度对测量结果的影响，U型衔铁4上设置有温度传感器11，可设置在U型结构的底部位置处，通过实时监测装置的工作温度，并与实验室的环境考核得到标定结果相比对，对监测的索力进行修正，确保了测量结果的准确性。

如图6所示，索力监测装置可等效为串联的磁阻回路，其中RW为激励线圈的磁阻，RS为测量线圈的磁阻，RC为U型衔铁4、钢索1和两只工业纯铁导磁座7构成的磁回路的磁阻；信号发生器21产生频率500Hz、幅值为1V、占空比为5％的重频脉冲信号25，施加在等效电路的Vin端，经过放大器22进行约50倍的放大后输出的信号Vout被数据采集卡23进行采集，同步采集温度传感器10的温度信号，并根据实验室对不同环境温度下索力和电压值的标定结果，可计算得到索力的变化值。

本实用新型的索力在线监测装置具有现场拆卸装配简单、使用可靠，可广泛用于在建和已建钢索桥的索力监测中，具有广泛的推广价值。