基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索锈蚀监测系统及监测方法与流程

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统及监测方法。

背景技术：

拉索是斜拉桥结构体系中的重要组成部分，是斜拉桥中关键、重要的受力构件，起着牵一发而动全身的重要作用，也是斜拉桥结构体系中最为敏感、最容易发生损伤或者破坏的构件。在大气污染严重地区、水污染严重地区、雨水(特别是酸雨)、海洋性环境中，斜拉桥拉索极易遭受环境腐蚀性介质的侵蚀，拉索的锈蚀损伤或者破坏会对斜拉桥结构产生重大影响甚至引发严重灾难性后果，是延长斜拉桥结构使用寿命的瓶颈所在，拉索的性能严重影响斜拉桥结构的使用寿命。因此，为保障斜拉桥的结构安全及预防运营事故的发生，有必要对斜拉桥拉索进行锈蚀损伤监测，从而保障斜拉桥的全寿命安全。

人工观察是早期人们对斜拉桥拉索锈蚀损伤监测时常用的方法，但高空作业严重威胁技术人员的生命安全，且存在大量的主观经验成分。目前的声发射技术，由于噪声信号的干扰，声发射技术很难准确得到有效信号，这对锈蚀损伤监测效果将产生影响。基于磁场的检测/监测技术，在监测前不需要清理被测构件表面铁锈油污，表面油漆及镀层也无需去除，可以保持构件原貌进行检测。监测时不需要专门的磁化设备，仅利用地球磁场作为激励磁化场，具有极大的便利性。现有的磁记忆方法仅可定性地测量结构锈蚀损伤，但无法定量地监测锈蚀损伤，更无法定量给出锈蚀损伤程度，也无法给出安全系数和损伤位置，所以无法定量的进行安全预警。磁漏检测法目前在理论上尚不完善且在定量监测上存在困难。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于变基线及磁场梯度的桥梁冲刷监测系统及监测方法，以解决现有磁记忆方法仅可定性地测量结构锈蚀损伤，但无法定量地监测锈蚀损伤的问题。

一种基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统，包括锈蚀损伤测量探头、数据传输系统及数据控制系统；

所述锈蚀损伤测量探头能够沿着拉索移动并测量拉索的磁感应强度，且将磁感应强度信息传输至所述数据传输系统；

所述数据传输系统再将所述磁感应强度信息传输至所述数据控制系统；

所述控制控制系统根据所述磁感应强度信息计算磁场梯度，并进一步计算得到拉索的锈蚀损伤率，进而对拉索的锈蚀损伤进行安全预警。

在其中一个实施例中，所述锈蚀损伤测量探头包括：

外壳；

三轴磁传感器，设于所述外壳内，用于测量拉索的磁感应强度；

无线数据传输模块，设于所述外壳内，用于将测得的磁感应强度信息传输给所述数据传输系统；

微处理器，设于所述外壳内，用于控制所述三轴磁传感器和所述无线数据传输模块；及

电源，设于所述外壳内，用于为所述三轴磁传感器、所述无线传输模块和所述微处理器提供电能。

在其中一个实施例中，所述外壳为长方体，所述三轴磁传感器设于所述外壳的几何中心处，所述三轴磁传感器的x、y和z轴与所述外壳的高度、宽度及长度方向平行。

一种基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索锈蚀损伤监测方法，包括如下步骤：

(1)将拉索分成若干区段进行监测，从拉索的某区段一端开始，锈蚀损伤测量探头沿着拉索朝区段的另一端匀速移动，锈蚀损伤测量探头的xoz平面与铅垂面平行，锈蚀损伤测量探头的z方向始终与拉索的长度方向平行且相对距离保持不变，在沿着一根拉索移动过程中，锈蚀损伤测量探头的x和y方向均保持不变，锈蚀损伤的测量探头的移动速率v为：

v＝dresf(1)

式中，dres为预先指定的锈蚀损伤监测的分辨率，f为三轴磁传感器的采样频率；

(2)在选择的拉索区段内，锈蚀损伤测量探头在拉索上的位置为zi＝dres·i，其中i＝0…n，n表示该区段监测完需要测试的次数，得到x、y和z方向的磁感应强度bx(zi)，by(zi)和bz(zi)；

(3)计算总磁感应强度bt(zi)：

(4)选择的拉索区段内位置zi处的磁感应强度沿z方向的梯度：

式中，bx(zi)和bx(zi-1)分别为位置zi和zi-1处的x方向的磁感应强度；by(zi)和by(zi-1)分别为位置zi和zi-1处y方向的磁感应强度；bz(zi)和bz(zi-1)分别为位置zi和zi-1处的z方向的磁感应强度，bxz(zi)，byz(zi)和bzz(zi)分别为bx(zi)，by(zi)，bz(zi)沿z方向的梯度；

(5)选择的拉索区段内位置zi处的总磁感应强度沿z方向的梯度：

(6)测试完成后，对测试区段的拉索的磁场梯度取平均值：

式中，e(|bxz,j|)、e(|byz,j|)、e(|bzz,j|)和e(|btz,j|)分别为bxz(zi)，byz(zi)、bzz(zi)和btz(zi)在测试区段内绝对值的平均值；

(7)分别通过四个磁场梯度计算拉索的锈蚀损伤率：

式中，ηxz,j、ηyz,j、ηzz,j和ηtz,j分别为通过bxz(zi)，byz(zi)、bzz(zi)和btz(zi)四类磁场梯度计算得到的锈蚀率，kj为与拉索钢丝中心至三轴磁传感器探头中心的距离相关的修正系数；kj计算公式如下：

式中，sj-1和sj分别第j-1次监测和第j次监测过程中拉索中心至三轴磁传感器探头中心的距离；

(8)计算拉索的锈蚀损伤率

(9)通过选择区段的拉索锈蚀损伤率与允许的极限锈蚀率ηlim对比，进行安全评价和预警；

(10)按照前述步骤对斜拉桥拉索的所有区段进行监测计算，分别得到拉索所有区段的锈蚀率，分别进行安全评价和预警；

(11)通过定期监测计算，得到随时间变化的一系列的锈蚀率，计算随时间变化的锈蚀率梯度，通过锈蚀率的演化，进行拉索锈蚀损伤率的评价与预警。

本发明的有益效果：

本发明基于磁场梯度张量提出斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统及监测方法，通过锈蚀损伤测量探头沿着拉索移动，测得拉索的磁感应强度，计算磁场梯度，进一步得到拉索的锈蚀损伤率，可以定量地实现拉索锈蚀损伤监测，解决斜拉桥拉索锈蚀损伤的磁场监测中无法定量监测的问题，在监测前不需要清理被测构件表面铁锈油污，表面油漆及镀层也无需去除，可以保持构件原貌进行检测，不需要施加磁化设备，通过磁感应强度变化由数据控制系统计算出拉索锈蚀率，对拉索锈蚀损伤进行预警。本发明提供了一种新的斜拉桥拉索锈蚀损伤监测的方法，监测系统所需设备数量少，布设简便，监测准确。

附图说明

图1为一实施方式中斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统的原理示意图；

图2图1所示斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统的实施示意图；

图3为图1中锈蚀损伤测量探头的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统，包括锈蚀损伤测量探头7、数据传输系统8和数据控制系统9。

请一并参阅图2，锈蚀损伤测量探头7能够沿着拉索6移动，锈蚀损伤测量探头7移动的过程中能够测量拉索6的磁感应强度，并将测得的磁感应强度信息传输至数据传输系统8，数据传输系统8再将磁感应强度信息传输给数据控制系统9。数据控制系统9根据磁感应强度信息计算磁场梯度，进一步得到拉索6的锈蚀损伤率，进而对拉索6的锈蚀损伤进行安全预警。

请一并参阅图3，具体地，锈蚀损伤测量探头7包括外壳、三轴磁传感器1、无线数据传输模块2、微处理器3及电源4。外壳作为载体，三轴磁传感器1、无线数据传输模块2、微处理器3及电源4均设置于外壳内。外壳优选高强度工程塑料材料制成，磁场可以穿透外壳。三轴磁传感器1用于测量拉索6的磁感应强度。无线数据传输模块2用于将测得的磁感应强度信息传输给数据传输系统8，同时，数据控制系统9发出的控制信号可以经由数据传输系统8传输给无线数据传输模块2，实现控制锈蚀损伤测量探头7。微处理器3用于控制三轴磁传感器1和无线数据传输模块2。电源4用于为三轴磁传感器1、无线传输模块和微处理器3提供电能。

进一步地，外壳为长方体，三轴磁传感器1设于外壳的几何中心处，三轴磁传感器1的x、y和z轴与外壳的高度、宽度及长度方向平行。外壳的几何中心设为原点o。数据控制系统9采用计算机终端和网络。

请参阅图1至图3，本发明还提供一种基于磁场梯度张量的斜拉桥拉索锈蚀损伤监测方法。为实现该监测方法，其采用上述监测系统。该监测方法具体包括以下步骤：

本监测方法定期对斜拉桥5拉索6进行监测，每次将斜拉桥5拉索6的全长度范围的监测一次，以下以第j次监测为例。

(1)将拉索6分成若干区段，每个区段为1米，进行监测。监测斜拉桥5拉索6锈蚀损伤时，从拉索6的某区段一端开始，锈蚀损伤测量探头7沿着斜拉桥5拉索6朝区段的另一端匀速移动，锈蚀损伤测量探头7的xoz平面与铅垂面平行，锈蚀损伤测量探头7的z方向始终与拉索6的长度方向平行且相对距离保持不变，在沿着一根拉索6移动过程中，锈蚀损伤测量探头7的x和y方向均保持不变。锈蚀损伤的测量探头的移动速率v为：

v＝dresf(1)

式中，dres为预先指定的锈蚀损伤监测的分辨率，单位为m。建议0.1mm≤dres≤10m，m即10^-4m≤dres≤10^-2m。f为三轴磁传感器1的采样频率，f≥1000hz。

(2)在选择的拉索6区段内，锈蚀损伤测量探头7在拉索6上的位置为zi＝dres·i，其中i＝0…n，n表示该区段监测完，需要测试的次数，得到x、y和z方向的磁感应强度bx(zi)，by(zi)和bz(zi)。

(3)计算总磁感应强度bt(zi)：

(4)选择的拉索6区段内位置zi处的磁感应强度沿z方向的梯度：

式中，bx(zi)和bx(zi-1)分别为位置zi和zi-1处的x方向的磁感应强度；by(zi)和by(zi-1)分别为位置zi和zi-1处y方向的磁感应强度；bz(zi)和bz(zi-1)分别为位置zi和zi-1处的z方向的磁感应强度，bxz(zi)，byz(zi)和bzz(zi)分别为bx(zi)，by(zi)，bz(zi)沿z方向的梯度；

(5)选择的拉索6区段内位置zi处的总磁感应强度沿z方向的梯度：

(6)测试完成后，对测试区段的拉索6的磁场梯度取平均值：

式中，e(|bxz,j|)、e(|byz,j|)、e(|bzz,j|)和e(|btz,j|)分别为bxz(zi)，byz(zi)、bzz(zi)和btz(zi)在测试区段内绝对值的平均值；

(7)分别通过四个磁场梯度计算拉索6的锈蚀损伤率：

式中，ηxz,j、ηyz,j、ηzz,j和ηtz,j分别为通过bxz(zi)，byz(zi)、bzz(zi)和btz(zi)四类磁场梯度计算得到的锈蚀率，kj为与拉索6钢丝中心至三轴磁传感器1探头中心的距离相关的修正系数；kj计算公式如下：

式中，sj-1和sj分别第j-1次监测和第j次监测过程中拉索6中心至三轴磁传感器1探头中心的距离；

(8)计算拉索6的锈蚀损伤率

(9)通过选择区段的拉索6锈蚀损伤率与允许的极限锈蚀率ηlim对比，进行安全评价和预警；

(10)对斜拉桥5拉索6的所有区段进行步骤(2)-(9)的操作，分别计算得到拉索6所有区段的锈蚀率，分别进行安全评价和预警。其中，锈蚀率即是锈蚀损伤率，由于锈蚀导致拉索损失的重量与初始重量的比值，即本次监测时测量的拉索重量/初始重量。

(11)通过定期监测，每次进行步骤(2)-(10)的操作，得到随时间变化的一系列的锈蚀率，计算随时间变化的锈蚀率梯度，通过锈蚀率的演化，可进行拉索6锈蚀损伤率的评价与预警。

上述基于磁场梯度张量提出斜拉桥拉索锈蚀损伤监测系统及监测方法，通过锈蚀损伤测量探头7沿着拉索6移动，测得拉索6的磁感应强度，计算磁场梯度，进一步得到拉索6的锈蚀损伤率，可以定量地实现拉索6锈蚀损伤监测，解决斜拉桥5拉索6锈蚀损伤的磁场监测中无法定量监测的问题，在监测前不需要清理被测构件表面铁锈油污，表面油漆及镀层也无需去除，可以保持构件原貌进行检测，不需要施加磁化设备，通过磁感应强度变化由数据控制系统9计算出拉索6锈蚀率，对拉索6锈蚀损伤进行预警。本发明提供了一种新的斜拉桥5拉索6锈蚀损伤监测的方法，监测系统所需设备数量少，布设简便，监测准确。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。