專利名稱：一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于橋梁工程測量技術領域，具體涉及一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置。
背景技術：
拉索是梁-索組合橋梁結構重要的傳力及受力構件，如斜拉橋中的斜拉索，梁拱組合橋梁中的吊桿及懸索橋的懸吊桿等。拉索索力的精確測量不僅是該類橋梁施工監控的重要環節，而且對后期橋梁養護管理與健康監測也起著非常重要的作用。目前國內外工程應用中，拉索索力常用的測量方法有油壓表測定法、壓力傳感器標定法及頻率法。油壓表測定法適用于施工階段進拉索張拉索力標定，此時通過油壓表控制油壓千斤頂是比較方便的，但該方法只適用于施工階段索力測定。傳感器標定法是在錨具下預埋應力傳感器，通過傳感器應變讀數計算索力，但該類傳感器成本較高，而且在溫度和濕度影響下長期穩定性也是不容忽視的問題。成橋后的拉索索力測量一般采用頻率法，頻率法測量索力精度高、適合長期觀測。目前振動頻率法測索力一般采用加速度傳感器。此方法將加速度傳感器固定于拉索表面拾取拉索的振動信號，再對信號頻譜分析獲取拉索固有頻率，然后通過拉索頻率與索力力學方程計算出拉索的索力。但是使用加速度傳感器測拉索頻率有以下幾方面的缺點(I)傳感器成本高，數據采集設備復雜；(2)對于套有PE保護管的拉索，PE管與拉索之間存在間隙，由于無法將加速度傳感器直接固定在拉索表面而應用受到限制；(3)大跨橋梁主梁剛度相對小，橋面橫向、豎向振動明顯，因此加速度拾取的信號是拉索振動與橋面振動耦合效應，測試精度受到影響。光纖光柵是近幾十年發展最為迅速的一種新型全光纖無源器件，以光纖光柵為傳感元件研制的應變傳感器，具有靈敏度高、體積小、耐腐蝕、抗電磁輻射干擾等優點；克服了傳統電類傳感器長期穩定性差以及信號傳輸距離短的缺點，能夠實現張力結構纜索狀態的實時監測。并且多個光纖光柵還可以組成準分布式傳感系統，采用一根光纜就可以實現準分布式測量。公開號為CN101526409的中國專利公開了一種基于光纖應變傳感的測力技術，其將光纖應變傳感元件預埋入鋼纜索的錨固區內，通過測量光纖應變傳感元件的應變量實現對鋼纜索、索力的測量；但光纖應變傳感器測量精度受環境溫度，濕度影響大，需要安裝溫度補償傳感器進行溫度修正，對數據采集和傳輸設備要求高，整個測量系統成本高。
發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，不受環境因素所影響，測量精度高，成本低。一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，包括電磁傳感單元，用于感應拉索在環境激勵下的橫向振動，并產生感應電動勢；
信號采集單元，用于采集所述的感應電動勢；信號處理單元，接收信號采集單元采集到的感應電動勢，并拾取感應電動勢的頻率，進而根據所述的頻率計算出拉索索力。所述的電磁傳感單兀由一個或兩個電磁傳感器構成；所述的電磁傳感器包括一永磁體，所述的永磁體上繞制有感應線圈，所述的感應線圈與信號采集單元相連。優選的技術方案中，若所述的電磁傳感單兀由一個電磁傳感器構成，則該電磁傳感器通過固定支架固定于拉索一側；若所述的電磁傳感單元由兩個電磁傳感器構成，則兩個電磁傳感器通過固定支架分別固定于拉索兩側，且兩個電磁傳感器與拉索的間距相等；能夠使得兩個電磁傳感器磁阻相等，進而提高電磁傳感器的靈敏度，可有效消除零點殘余電壓。優選的技術方案中，所述的電磁傳感單元由兩個電磁傳感器構成；其中，第一電磁傳感器的感應線圈的一端與第二電磁傳感器的感應線圈的一端相連，第一電磁傳感器的感應線圈的另一端和第二電磁傳感器的感應線圈的另一端均與信號采集單元相連。采用由兩 個電磁傳感器構成的差動式電磁傳感單元相對于采用單個電磁傳感器的，靈敏度和線性度都有明顯改善，可部分消除拉索垂直傳感器方向振動的影響。優選的技術方案中，所述的永磁體為U型永磁體，所述的U型永磁體兩端設有感應探頭；感應探頭可減少端部漏磁，提聞感應線圈的電感值。優選的技術方案中，所述的固定支架上設有調距部件；能夠通過調整電磁傳感器與拉索的間距，保證電磁傳感器的靈敏度。優選的技術方案中，所述的感應線圈通過繞線管繞制于永磁體上；可有效保護感應線圈免受損壞。所述的信號處理單元根據公式T = 4ml2f2計算索力；其中T為索力，m為拉索單位長度的質量，f為拉索基頻，即等于感應電動勢的基頻，感應電動勢的基頻為感應電動勢頻率中的第一個頻率值(頻率值最低)，其可從感應電動勢的頻譜圖中識別，I為拉索計算長度，其長度值由拉索的幾何長度和拉索的錨固約束條件決定。優選的技術方案中，所述的信號處理單元連接有人機界面單元；能夠實時顯示拉索的索力信息，并方便用戶對信號處理單元進行參數設置。所述的信號處理單元為DSP。本發明的有益技術效果為(I)本發明通過電磁傳感單元與拉索非接觸感應，不受拉索表面防腐層及PE保護管的影響；(2)本發明的電磁傳感單元設計簡單，價格低廉，且測量精度高；(3)本發明不需要外部電源驅動，信號采集處理設備簡單方便，適用于現場測量，且不受環境溫度、濕度等因素影響。
圖I為本發明裝置的結構及應用示意圖。圖2為本發明電磁傳感單元一種實例的結構及應用示意圖。圖3為本發明電磁傳感單元另一種實例的結構及應用示意圖。
圖4為本發明電磁傳感單元另一種實例的結構及應用俯視圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其測量原理進行詳細說明。實施例I如圖I所示，一種基于電磁感應的非接 觸型拉索索力測量裝置，包括電磁傳感單元、信號采集單元、信號處理單元和人機界面單元；其中如圖2所示，電磁傳感單元用于感應拉索在環境激勵下的橫向振動，并產生感應電動勢；其由一個電磁傳感器構成，該電磁傳感器通過固定支架5固定于拉索一側；電磁傳感器包括一 U型永磁體1，U型永磁體I上套有繞線管4，繞線管4上繞制有感應線圈2，U型永磁體I兩端均設有感應探頭3，感應線圈2的兩端與信號采集單元相連。本實施例中，U型永磁體采用合金永磁體；合金永磁材料矯頑力大,磁能體高,永久性好，體積小，其磁場強度比傳統磁鐵提高了近20倍；合金永磁材料另一優點是機械性能好，可以切割成需要的形狀。繞線管選用鋁質的弱磁性材料。感應線圈采用銅質漆包線，均勻細密繞制在繞線管上；由于在環境振動下，拉索振動幅值很小，為提高感應電動勢幅值，應降低線圈電阻，選擇較粗的導線，故選擇直徑0. 06 0. Imm的漆包線，匝數在3000 5000匝左右。感應探頭選用導磁率高，漏磁小的硒鋼加工而成。信號采集單元與電磁傳感單元相連，其用于采集感應線圈兩端產生的感應電動勢；本實施例中，信號采集單元采用型號為RS-1161 (深圳諾順)的模塊電路。信號處理單元與信號采集單元相連，其接收信號采集單元采集到的感應電動勢，并拾取感應電動勢的頻率，進而根據頻率計算出拉索索力。本實施例中，信號處理單元采用美國TI公司型號為TMS320C2812的DSP芯片。人機界面單元與信號處理單元相連，其用于根據用戶的指令對信號處理單元進行參數設定，并實時顯示拉索的索力信息。本實施例中，人機界面單元采用型號為6AV66420AA110AX0(西門子)的產品。實施例2如圖I所示，一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，包括電磁傳感單元、信號采集單元、信號處理單元和人機界面單元；其中如圖3和圖4所示，電磁傳感單元用于感應拉索在環境激勵下的橫向振動，并產生感應電動勢；其由兩個電磁傳感器構成，兩個電磁傳感器通過固定支架5分別固定于拉索兩側，固定支架5上設有調距螺栓6 ；電磁傳感器包括一 U型永磁體，U型永磁體上套有繞線管4，繞線管4上繞制有感應線圈，U型永磁體兩端均設有感應探頭；感應線圈21的一端與感應線圈22的一端相連，感應線圈21的另一端和感應線圈22的另一端均與信號采集單元相連；感應探頭31與拉索的間距等于感應探頭32與拉索的間距。本實施例中，U型永磁體采用合金永磁體；合金永磁材料矯頑力大,磁能體高,永久性好，體積小，其磁場強度比傳統磁鐵提高了近20倍；合金永磁材料另一優點是機械性能好，可以切割成需要的形狀。繞線管選用鋁質的弱磁性材料。感應線圈采用銅質漆包線，盡量均勻細密繞制在繞線管上；由于在環境振動下，拉索振動幅值很小，為提高感應電動勢幅值，應降低線圈電阻，選擇較粗的導線，故選擇直徑0. 06 0. Imm的漆包線，匝數在3000 5000匝左右。感應探頭選用導磁率高，漏磁小的硒鋼加工而成。信號采集單元與電磁傳感單元相連，其用于采集感應線圈兩端產生的感應電動勢；本實施例中，信號采集單元采用型號為RS-1161 (深圳諾順)的模塊電路。信號處理單元與信號采集單元相連，其接收信號采集單元采集到的感應電動勢，并拾取感應電動勢的頻率，進而根據頻率計算出拉索索力。本實施例中，信號處理單元采用美國TI公司型號為TMS320C2812的DSP芯片。人機界面單元與信號處理單元相連，其用于根據用戶的指令對信號處理單元進行參數設定，并實時顯示拉索的索力信息。本實施例中，人機界面單元采用型號為6AV66420AA110AX0(西門子)的產品。測量時，將兩個電磁傳感器安裝于固定支架5上，通過調距螺栓6調節感應探頭31 32與拉索的間距，在滿足拉索振動過程中不觸及感應探頭31 32的情況下，應盡量減小兩者之間的間距，以提高傳感的靈敏度，并使兩個U型永磁體11 12對稱布置在拉索兩側。拉索在環境激勵下產生橫向振動，在兩個U型永磁體11 12的感應線圈21 22上產生感應電動勢，用信號采集單元采集感應線圈21 22的疊加電動勢，將這感應電動勢信號上傳至上位計算機(信號處理單元)進行頻譜分析，就可得到拉索振動頻率，然后通過拉索振動頻率與索力之間的關系式即可計算出拉索索力。將U型永磁體固定于支架上，感應探頭與拉索之間的初始間距為d0。拉索一般是鋼絞線或平行鋼絲等鐵磁性材料，因此，U型永磁體與拉索之間形成磁路；拉索在車輛等外部荷載激勵下產生橫向振動，拉索與感應探頭之間的距離d隨之發生變化，從而引起磁路中的磁阻變化，在感應線圈兩端產生感應電動勢E，具體公式表達如下E = j Co LI(I)式I中L為感應線圈的電感，I為感應線圈上的感應電流，Co為感應電流的頻率。感應線圈的電感L可由下式表示
權利要求
1.一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于，包括 電磁傳感單元，用于感應拉索在環境激勵下的橫向振動，并產生感應電動勢； 信號采集單元，用于采集所述的感應電動勢； 信號處理單元，接收信號采集單元采集到的感應電動勢，并拾取感應電動勢的頻率，進而根據所述的頻率計算出拉索索力。
2.根據權利要求I所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的電磁傳感單兀由一個或兩個電磁傳感器構成；所述的電磁傳感器包括一永磁體，所述的永磁體上繞制有感應線圈，所述的感應線圈與信號采集單元相連。
3.根據權利要求2所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于若所述的電磁傳感單元由一個電磁傳感器構成，則該電磁傳感器通過固定支架固定于拉索一側；若所述的電磁傳感單元由兩個電磁傳感器構成，則兩個電磁傳感器通過固定支架分別固定于拉索兩側，且兩個電磁傳感器與拉索的間距相等。
4.根據權利要求2所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的電磁傳感單元由兩個電磁傳感器構成；其中，第一電磁傳感器的感應線圈的一端與第二電磁傳感器的感應線圈的一端相連，第一電磁傳感器的感應線圈的另一端和第二電磁傳感器的感應線圈的另一端均與信號采集單元相連。
5.根據權利要求2所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的永磁體為U型永磁體，所述的U型永磁體兩端設有感應探頭。
6.根據權利要求3所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的固定支架上設有調距部件。
7.根據權利要求2所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的感應線圈通過繞線管繞制于永磁體上。
8.根據權利要求I所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的信號處理單元根據公式T = 4ml2f2計算索力；其中T為索力，m為拉索單位長度的質量，f為拉索基頻，即等于感應電動勢的基頻，I為拉索計算長度。
9.根據權利要求I所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的信號處理單元連接有人機界面單元。
10.根據權利要求I所述的基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，其特征在于所述的信號處理單元為DSP。
全文摘要
本發明公開了一種基于電磁感應的非接觸型拉索索力測量裝置，包括電磁傳感單元、與電磁傳感單元相連的信號采集單元和與信號采集單元相連的信號處理單元，電磁傳感單元由一個或兩個電磁傳感器構成；電磁傳感器包括一永磁體，永磁體上繞制有感應線圈，感應線圈與信號采集單元相連。本發明通過電磁傳感單元與拉索非接觸感應，不受拉索表面防腐層及PE保護管的影響；電磁傳感單元設計簡單，價格低廉，且測量精度高；同時本發明不需要外部電源驅動，信號采集處理設備簡單方便，適用于現場測量，且不受環境溫度、濕度等因素影響。
文檔編號G01L5/10GK102628720SQ20121010899
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者張仁根, 程建旗, 雷波 申請人:浙江省交通規劃設計研究院