一种基于永磁效应的应力监测装置及方法与流程

本发明属于桥梁检测，涉及一种基于永磁效应的应力监测装置及方法。

背景技术：

1、预应力钢绞线作为预应力结构中的主要受力构件主要提供预应力和关键受力的构件，其应力状态直接决定着结构的整体性能。钢绞线在张拉、施工及后续结构的运营过程中，由于材料性能、施工状况和环境条件等因素的影响，会导致其出现应力损失、衰退和应力分布不均匀性等一系列问题，导致结构整体应力水平降低。一旦预应力构件中的钢绞线出现此类情况(如应力损失过大或断裂失效等)，结构有可能在毫无征兆的情况下迅速发生破坏。因此为了保证结构的安全运营和后期维修加固管理，需要对钢绞线的应力状态进行监测，以便尽可能早地发现影响结构安全运行和造成健康隐患的问题，并能及时采取相应的防范和加固措施，把安全问题和不良事故提前扼制。

2、现有的钢筋应力监测手段常规方法主要有光纤传感器监测、振弦传感器监测、磁通量传感器监测。其中光纤传感器监测虽然结构紧凑，灵敏度高，但其缺点在于光纤易损坏、造价昂贵、且不适用于复杂恶劣坏境；振弦传感器结构简单、紧凑、稳定可靠，且其安装调试简单，但是振弦传感器仍旧存在寿命较短、监测数据可靠性不高、受周围振动因素影响大等缺陷；磁通量传感器的测量结果较可靠，但其需要大型励磁设备、复杂的电路调参，同时存在易受到材料自身因素影响(如受化学成分、组织结构、杂质、缺陷、材料的非均匀性、温度等影响)的缺点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉、灵敏度高的用于斜拉索或预应力钢绞线的应力监测装置以及监测方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于永磁效应的应力监测装置，包括永磁体和霍尔集成模块；霍尔集成模块固定在滑块装置上，滑块装置安装于滑轨上，滑轨两侧设置有挡板；永磁体固定在滑轨右侧挡板左边的永磁体承托板上；

4、通过滑块的移动带动霍尔集成模块移动，霍尔集成模块中霍尔探头检测永磁体中轴线不同位置的磁信号，磁信号由微控制器处理后输出至外部设备，外部设备根据提前标定的力-磁关系计算出被测装置的应力。

5、其中力-磁关系为：

6、

7、其中，bz表示永磁体磁感应强度矢量的z向分量，h表示永磁体充磁方向的尺寸，σ、ep分别表示被测装置的应力和弹性模量，x、y、z分别表示测量点的三维坐标或表示坐标原点指向空间任一点的矢径，x0、y0、z0表示坐标原点指向电流元矢量的积分常量，a、b分别表示永磁体的长和宽，k由下式给出：

8、

9、式中，μ0表示真空磁导率，js表示电流密度。

10、优选地，霍尔集成模块包括霍尔传感器、ad转换器和微控制器，其中霍尔传感器包括稳压调整电路、差分放大器、温度采集模块和霍尔探头；

11、稳压调整电路分别与差分放大器、ad转换器、微控制器和霍尔探头连接，用于提供连续的电压输出；霍尔探头一端置于永磁体中轴线处，另一端与差分放大器连接，差分放大器、ad转换器、微控制器依次连接；温度采集模块与微控制器连接；

12、霍尔探头用于获取磁信号，并将磁信号转换为电信号后由差分放大器放大，再由ad转换器转换为数字信号传输至微控制器中计算磁场强度的大小，微控制器输出的信号通过串行接口输出至外部设备；

13、温度采集模块用于采集温度数据，并由微控制器修正温度漂移对磁场强度测量值的影响，减少误差。

14、优选地，滑块下部设有弹簧式孔洞，孔洞封闭时呈尖角圆锥状；永磁体承托板下部设有孔洞，供被测装置穿过。

15、优选地，该装置还包括上、下两个外壳，外壳壳体设计为椭圆形或半圆形，两外壳前、后侧各有两个锁扣；外壳还具有屏磁的作用。

16、优选地，外壳还设计有夹层，夹层中填充隔热保温材料。

17、优选地，适用于该装置的应力监测方法：使用该装置前，先进行力-磁关系标定，标定完成后将应力监测装置安装于被测装置上，通过滑块下部的弹簧式孔洞与被测装置紧密连接；在被测装置发生应变时，滑块发生同步移动并带动霍尔探头移动，霍尔探头在永磁体中轴线上的不同位置将检测到的磁信号输入微控制器中，由微控制器计算对应位置的磁场强度并输出至外部磁解设备，再由外部设备提取数据，通过力-磁关系反馈出被测装置的应力变化。

18、本发明的有益效果在于：本发明传感器具有制造容易、结构简单、成本低廉、灵敏度较高，无需大型励磁设备等特点，同时可以应用于斜拉索、体外预应力筋和结构内钢筋应力监测。

19、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于永磁效应的应力监测装置，其特征在于：包括永磁体和霍尔集成模块；霍尔集成模块固定在滑块上，滑块安装于滑轨上，滑轨两侧设置有挡板；永磁体固定在滑轨右侧挡板左边的永磁体承托板上；

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁效应的应力监测装置，其特征在于：所述力-磁关系为：

3.根据权利要求1所述的一种基于永磁效应的应力监测装置，其特征在于：所述霍尔集成模块包括霍尔传感器、ad转换器和微控制器，其中霍尔传感器包括稳压调整电路、差分放大器、温度采集模块和霍尔探头；

4.根据权利要求1所述的一种基于永磁效应的应力监测装置，其特征在于：滑块下部设有弹簧式孔洞，孔洞封闭时呈尖角圆锥状。

5.根据权利要求1所述的一种基于永磁效应的应力监测装置，其特征在于：该装置还包括上、下两个外壳，外壳壳体设计为椭圆形或半圆形，两外壳前、后侧各有两个锁扣；外壳还具有屏磁的作用。

6.根据权利要求5所述的一种基于永磁效应的应力监测装置，其特征在于：外壳还设计有夹层，夹层中填充隔热保温材料。

7.适用于权利要求1～6中任一项所述装置的应力监测方法，其特征在于：使用该装置前，先进行力-磁关系标定，标定完成后将应力监测装置安装于被测装置上，通过滑块下部的弹簧式孔洞与被测装置紧密连接；在被测装置发生应变时，滑块同步发生移动并带动霍尔探头移动，霍尔探头在永磁体中轴线上的不同位置将检测到的磁信号输入微控制器中，由微控制器计算对应位置的磁场强度并输出至外部设备，再由外部设备提取数据，通过力-磁关系反馈出被测装置的应力变化。

技术总结
本发明涉及一种基于永磁效应的应力监测装置及方法，属于桥梁检测技术领域。应力监测装置主要包括永磁体和霍尔传感器，霍尔传感器与AD转换器、微处理器一起固定在滑块上，永磁体固定在滑轨右侧挡板左边的永磁体承托板上。在检测被测装置应力变化时，先进行力‑磁关系标定，标定完成后安装于被测装置上，通过滑块装置下部孔洞与被测装置紧密连接；在被测装置发生应变时，霍尔探头在永磁体中轴线上的不同位置将检测到的磁信号输入，经霍尔传感器处理后输出，再由外部磁解设备提取数据，通过力‑磁关系反馈出被测装置的应力变化。本发明通过永磁体即霍尔传感器即可实现斜拉索、应力筋、钢筋等的应力监测，结构简单，灵敏度高。

技术研发人员：袁飞云,张奔牛,蒋海飞,杨跃东,宋杨,闫红光,张文居,邓嘉毅,陈伟,王阳,胡金铭,范鑫,朱冬,张沛,曾唯恐
受保护的技术使用者：四川藏区高速公路有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13