一种柔性的磁通量传感器及其制作和安装方法与流程

本发明涉及用于测量结构中拉索索力的一种磁通量传感器及其制作和安装方法，尤其涉及一种柔性的磁通量传感器及其制作和安装方法。

背景技术：

近几十年来，随着索结构的应用越来越广泛，悬索结构的设计计算理论也得到了完善和发展。施工过程中及已有结构中的索力控制是关系到结构内力和状态的重要环节。结构材质的恶化、缺陷或意外事故引起的结构损伤，都会引起各构件，特别是拉索的内力重分布。因此，如何确定施工和使用过程中结构的索张力大小成为摆在工程设计人员面前的重大问题。

常用的索力测试方法有压力传感器法和频率法。压力传感器短期精度高、动态性好，但需要串联在受力结构中，在荷载的长期作用下，会出现材料徐变、形变传递失真、零点漂移等问题，耐久性和长期精度不容易保证，由于在受力状态下无法重新校准，无法更换，因此用于长期监测有一定的局限性。频率法测试索力需要测得拉索的振动曲线，并进行频谱分析，得到拉索振动频率的基频或频差。因拉索端部的实际锚固条件比各种相应理论模型中的复杂，基于各种理论模型得到的索力公式各不相同，从理论上就存在误差。

近十年来，磁通量传感器以其优异的性能被开发、应用于测试拉索索力。其优点主要包括：不损伤拉索；传感器维护成本低、使用寿命长；抗干扰能力强、测量精度高、重复性好；系统可自动测量和自动温度补偿；可与计算机系统相连，进行远程健康监测。其应用主要分两种情况。对于即将建造的结构或更换安装的拉索，可采用一体式的磁通量传感器，这种传感器具有和压力式传感器类似的缺点，一次性安装，随着使用时间的推移，精度不断降低，不便更换，造成无法维护。另一种形式是针对已建结构中的拉索，可以现场制作磁通量传感器，此时，与一体式磁通量传感器对应的各个筒体就被分成两个筒片，现场由内到外，合并相应的筒片，现场缠绕相应的导线，现场制作出磁通量传感器。这种现场制作的磁通量传感器仍存在一个缺点，对每根需要测量索力的拉索都要制作，耗时较长。一般情况下，测试后该传感器仍留在结构上，虽然可以拆除，但拆除过程中会造成导线的损伤，并且操作麻烦。

目前，也有哈弗式或两半式磁通量传感器，但制作复杂，体积大，重量大，不便携带。

因此，工程中需要一种各组件模块化、标准化、系列化的磁通量传感器，能够在现场快速安装和拆除，且要求各模块轻便，操作简单。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种柔性的磁通量传感器及其制作和安装方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种柔性的磁通量传感器，用于测量拉索中的内力，包括激励线圈及测量磁场强度的组件，激励线圈中有柔性线圈组件；柔性线圈组件采用计算机中连接光驱及硬盘的数据线制作技术制作而成，包括柔性线带和两端的连接头；柔性线带中有导线并排在柔性电绝缘保护层内；在柔性线圈组件中，柔性线带两端安装有相应的连接头，插接后柔性线带内的导线依次串连。

一种柔性的磁通量传感器的制作和安装方法，主要包括以下步骤：

步骤1.采用计算机中连接光驱及硬盘的数据线制作技术，制备柔性线带，并制备相应的两种连接头；将两种连接头相应地安装在柔性线带两端，形成柔性线圈组件；

步骤2.制备用于柔性线圈组件内侧，保证柔性线圈组件安装后横截面呈圆形的定型体；定型体的宽度大于等于柔性线带的宽度，厚度可调节；柔性线圈组件和定型体组成柔性线圈组合体；

步骤3.在结构的拉索上安装多层柔性线圈组合体，组成激励线圈；各层定型体紧贴两侧的柔性线圈组件，最内层的定型体的内侧紧贴拉索表面，电连接各柔性线圈组件的导线的引出线；

步骤4：安装测量磁场强度的组件。

优选地，所述的导线为铜线，铜线由单根铜丝或多根铜丝组成。

优选地，所述的连接头，一类与ide数据线插孔端的相同，称为插孔接头；另一类带有相应的插针，称为插针接头，该类接头内部有带插针的插针卡板，插针卡板与柔性线带中的导线接触；相应地，插孔接头内的称为插孔卡板；插针卡板与插孔卡板不同之处为插针；插针为相应端的板段卷制而成，该板段的中部与另一段相连。

优选地，所述的测量磁场强度的组件为感应线圈。

优选地，该柔性的磁通量传感器包含一个温度传感器。

优选地，所述的定型体为有两个气管的气囊，或材质为软橡胶的薄板。

优选地，增加一个如下步骤，

步骤5：在激励线圈外表面，包裹一层铝箔。

优选地，所述的感应线圈与激励线圈构造相同，制作和安装方法也相同。

优选地，在所述的制作和安装方法之后，增加如下一个步骤，

步骤6：在感应线圈外表面，包裹一层铝箔。

本方案中的柔性线带可以采用连接计算机硬盘的sata数据线，可以实现更多次的插拔，不容易损坏。

本方案中的磁通量传感器自身也可以不带温度传感器，在测量时采用随身携带的温度传感器测量温度。由于钢材的磁导率随温度变化而变化，可通过温度补偿来消除温度影响。

本方案中的测量磁场强度的组件也可以选用磁电传感元件。磁电传感元件可以由磁电单相材料、磁电复合材料、磁电层合材料、霍尔元件等制作成，无需外加电源供电，无需通过积分，直接产生表征所述磁场及其磁感应强度的电信号，通过信号调理后输出最终电压信号。

本方案中的磁通量传感器在测试时，需要外接的数据采集分析仪为磁探仪，便携式磁探仪自身带有标准平台及lcd显示器。

本发明的有益效果为：

1.柔性线圈组件的制作实现了模块化，制作充分利用了成熟的数据线制作技术，制作简易；

2.提前制作柔性线圈组件，节省了现场作业时间，降低了人力成本，节约了投入；

3.柔性线圈组件便于标准化、系列化。对常见的各种规格的拉索系列，可以参照行业内已有筒式磁通量传感器的设计参数，设计相应的柔性线圈组件系列，对每种规格的拉索，提前标定相应的相邻的多层柔性线圈组件，制作标定曲线，便于测量项目中直接选用。简化了筒式磁通量传感器的设计与制作；这种标定和设计是一个循环优化的过程，最终确定合理的柔性线圈组件系列，及各柔性线圈组件的内部参数。最终，该系列的柔性线圈组件就可用于组合适合任一规格拉索的磁通量传感器。

4.本案中的磁通量传感器的各个组件重量轻，便于携带和安装；

5.本案中的磁通量传感器即可用于短时测量，也可用于长期的监测；

6.方案也适用于制作或更换常规的套筒式磁通量传感器内部的线圈，即内部采用柔性线圈组合体。

7.便于对异常的传感器进行问题的排查，便于维修和更换损坏的模块。

本方案中的柔性磁通量传感器可应用于测量结构中拉索的拉力，包括斜拉桥中的拉索、系杆拱桥中的吊杆和系杆、悬索桥中的大缆和吊杆、张拉结构中的张拉构件、预应力结构中的体外预应力拉索等。

附图说明

图1为实施例1中激励线圈中柔性线圈组件的展开示意图；

图2为图1中柔性线圈组件的连接头的端面示意图；

图3为图1中插孔、插针和金属线的编号示意图；

图4为图3中各导线串联示意图；

图5为插孔卡板示意图；

图6为插针卡板示意图；

图7为插针的横截面示意图；

图8为柔性线圈—气囊组合体端面示意图；

图9为激励线圈上端面示意图；

图10为实施例1中现场安装后的传感器示意图；

图11为实施例2中的柔性线圈组件的连接头的端面示意图；

图12为图11中右连接头的沿长度方向的视图；

图13为实施例2中的柔性线圈—弹性垫片组合体端面示意图；

图14为实施例2中激励线圈上端面示意图；

图15为实施例2中现场安装后的传感器示意图；

图16为实施例3中现场安装后的传感器示意图。

图中：1右连接头、2左连接头、3定位凸块、4柔性线带、5上端引出线、6下端引出线、7插孔、8插针、9导线、11插孔卡板、12插孔卡头、13卡脚、14插针卡板、15插针卡头、16插针、21柔性线圈组件、22连接块、23气囊、24左通气管、25右通气管、26拉索、27第一层柔性线圈—气囊组合体、28第二层柔性线圈—气囊组合体、29第三层柔性线圈—气囊组合体、30进气管、31出气管、32激励线圈、33感应线圈、34总进气管、35总出气管、36激励线圈连接线、37感应线圈连接线、38第一气阀、39第二气阀、40温度信号线、41橡胶垫片、42第一层柔性线圈—弹性垫片组合体、43第二层柔性线圈—弹性垫片组合体、44第三层柔性线圈—弹性垫片组合体、45托盘、46定位箍、47定位卡、48磁电传感元件、49磁场强度信号线、50铝箔条。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的磁通量传感器包括激励线圈和感应线圈，选择的定型体为气囊，可用于长期监测，安装后的传感器示意图见图10。拉索26的直径为116mm，参照柳州ovm的cct120型磁通量传感器(内径120mm，外径200mm，高度350mm)设计各组件参数。图1—图4为激励线圈中柔性线圈组件的示意图，柔性线带4有81根导线9，导线9为内部为铜丝的漆包线，导线9被塑胶包裹；柔性线带4的制作采用了ide数据线的制作技术。上下两端各扯起一根导线9，上端的为上端引出线5，下端的为下端引出线6，这样，左右两侧就各有80根导线9。采用80线的接头，包括右连接头1和左连接头2，后者为带插孔7侧，内侧面有定位凸块3，前者为带插针8侧，有对应的凹槽用于定位。如图3对导线9、插孔7和插针8编号，右连接头1内同号的插针8和左连接头2内插孔7相插接，插接后，导线9相串连，展开后的连接示意图见图4.。带插孔7的接头内部构造及与柔性线带4的连接采用ide数据线中的技术方法。参见图5、图6和图7，带插孔7的接头内对应每个插孔7有插孔卡板11，其形状和尺寸与ide数据线中的相同，分为插孔卡头12和卡脚13，插孔卡头12连接导线9，卡脚13用于电连接插针8。插针卡板14包括插针卡头15和插针16，前者连接导线9。插针卡头15的尺寸同插孔卡头12，与导线9的连接方式同插孔卡头12。插针16为该侧板段卷制而成。图8为柔性线圈—气囊组合体端面示意图，柔性线带4安装上两侧的右连接头1和左连接头2后称为柔性线圈组件21，因两个接头连接后即组成一个线圈，右连接头1和左连接头2此时形成连接块22。

柔性线圈组件21内安装带有左通气管24和右通气管25的气囊23后，组成一个柔性线圈—气囊组合体，气囊23的材料同血压计中气囊，为气密性布料。9为激励线圈上端面示意图，激励线圈32主要组成为第一层柔性线圈—气囊组合体27、第二层柔性线圈—气囊组合体28、第三层柔性线圈—气囊组合体29，有进气管30和出气管31。进气管30连接第三层柔性线圈—气囊组合体29的右通气管25，出气管31连接第一层柔性线圈—气囊组合体27的左通气管24，第三层柔性线圈—气囊组合体29的左通气管24连通第二层柔性线圈—气囊组合体28的左通气管24，第二层柔性线圈—气囊组合体28的右通气管25连通第一层柔性线圈—气囊组合体27的右通气管25。在充气后，各气囊鼓起，使各柔性线圈组件21横截面呈圆形，最内侧的气囊23紧抵拉索26表面。气压不宜太大，避免将连接块22撑开。各层的上端引出线5相并联，下端的为下端引出线6相并联，组成激励线圈32的激励线圈连接线36。

感应线圈33采用41线的柔性线带4，构造与激励线圈32的相同，制作和安装方法也相同。相应地有感应线圈连接线37。总进气管34连通激励线圈32的进气管30，总出气管35连通感应线圈33的相应的排气气管，感应线圈33的相应的进气气管与激励线圈32的出气管31连通。总出气管35上安装有第一气阀38，总进气管34上安装有第二气阀39，在充气后关闭第一气阀38和第二气阀39，可进行索力测量。

若希望长期在线监测，则需要总出气管35的内径小于总进气管34的内径，第一气阀38和第二气阀39保持畅通，并用微型气泵一直供气，长期保持该磁通量传感器的几何形状。一直通气便于线圈散热。

实施例2

本实施例是对实施例1的修改，用于短时的索力测量。与实施例1的不同之处在于柔性线圈组件21的定型体采用材质为软橡胶的薄板。图11为的柔性线圈组件21的连接头的端面示意图，为确保连接块22不会自行松开，在右连接头1外侧面设计了两个定位卡47，其示意图见图图12。图13为柔性线圈—弹性垫片组合体端面示意图，橡胶垫片41为定型体。图14为激励线圈32上端面示意图，激励线圈32主要组成包括第一层柔性线圈—弹性垫片组合体42、第二层柔性线圈—弹性垫片组合体43、第三层柔性线圈—弹性垫片组合体44。图15为现场安装后的传感器示意图，为使该传感器自带测温功能，增加了温度传感器，外伸温度信号线40。为确保该传感器组件不下滑，在下端有哈弗式托盘45，利用定位箍46固定在拉索上。因该传感器不便自动散热，适用于短时间测量。

实施例3

本实施例是实施例2的一种改进形式，图16为现场安装后的传感器示意图。本实施例中的测量磁场强度的组件为一个磁电传感元件48，伸出磁场强度信号线49。这使传感器的结构更加简洁，使用标准的电子元件，可提高传感器的精度。为避免周围磁场对测量结果的干扰，在激励线圈32外表面缠绕一层铝箔条50。