一種基于mems加速度傳感器修正的磁通量索力檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于土木工程結構安全檢測設備領域，特別是涉及一種基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測裝置。
【背景技術】
[0002]橋梁拉索的索力大小直接決定著斜拉橋、懸索橋、拱橋等拉索體系橋梁的工作狀態，索力的變化是衡量拉鎖體系橋梁纜索結構是否處于正常運行狀態的重要標志。因此，采用準確的方法對橋梁索力進行檢測是保證橋梁順利施工和安全運行的必要手段。
[0003]目前，國內橋梁索力的檢測通常是采用如下幾種方法:油壓表法、壓力傳感器測定、振動法(頻率法)等。但是，由于油壓表法存在指針易偏位，高壓時指針抖動大，讀數人為誤差大等缺點；壓力傳感器測定法動態響應差，壽命短，價格昂貴等問題;振動法(頻率法)的可靠性取決于拾振器的安裝位置，不能實現全天候檢測等問題。
[0004]但是，近年來針對橋梁索力檢測出現了以磁通量法為代表的新方法，并且具有較高的工程應用前景。橋梁索力磁通量檢測方法的原理是基于鐵磁性材料的磁彈性效應，即當鐵磁性材料承受的外界機械荷載發生變化時，其內部的磁化強度(磁導率)發生變化。在工程實踐中，通過測試鐵磁性材料制成的構件的磁導率變化即可以用來測定構件的內應力。然而，目前基于磁通量檢測的橋梁索力檢測裝置測量到的磁通量是一個靜態絕對電壓值，這個電壓值會因為磁通量傳感器內部線圈及其它電子元器件的老化并隨著時間的推移會引起數據漂移。這將導致在工程實踐中需要對基于磁通量檢測的橋梁索力檢測裝置重新進行現場標定；同時，這也將導致使用成本增加并增加數據處理的難度。因此，這種基于磁通量檢測的橋梁索力檢測裝置在工程上應用存在一定的局限性。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測裝置。由于橋梁鋼纜索會受到過車、大風等因素的激振而發生微振動，本發明采用的是將基于MEMS(微機電技術)的加速度傳感器內置到磁通量傳感器中的技術解決方案。通過測量橋梁鋼纜索振動頻率特征來分析得出橋梁鋼纜索當前的受力特性，并通過該特性來修正磁通量傳感器的數據漂移，從而不僅解決了磁通量傳感器內部線圈及其它電子元器件的老化而導致的數據漂移問題，還提高了橋梁索力測量的穩定性和可靠性。
[0006]本發明的技術解決方案:
[0007]一種基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測裝置，包括MEMS加速度傳感器
1、溫度傳感器2、激勵線圈3、感應線圈4、升壓模塊5、晶閘管6、高壓電容器7、橋梁鋼纜索8、積分器9、低通濾波器10、模數轉換器11、微控制器12、抗混疊濾波器13、RS485接口 14、數據顯示模塊15;
[0008]其特征在于:MEMS加速度傳感器I的兩端分別連接在抗混疊濾波器13兩端，抗混疊濾波器13通過RS485接口 14與微控制器12連接;感應線圈4的兩端分別接在積分器9的兩端，低通濾波器10連接在積分器9與模數轉換器11之間，模數轉換器11連接在低通濾波器10與微控制器12之間；激勵線圈3和高壓電容器7的兩端分別并聯在升壓模塊5與晶閘管6上，晶閘管6連接在高壓電容器7與升壓模塊5之間，數據顯示模塊15連接在微控制器12上；
[0009]MEMS加速度傳感器I通過PCB板內置安裝在磁通量傳感器骨架上形成磁通量索力檢測裝置，MEMS加速度傳感器I將橋梁鋼纜索所受到的外部激勵產生的振動信號通過抗混疊濾波器13濾除混疊信號后，再經過模數轉換器11轉換成數字信號，最后經過微控制器12進行FFT運算，最終得到橋梁鋼纜索振動的特征頻率值。
[0010]其中溫度傳感器2用來修正磁通量傳感器的溫度漂移;激勵線圈3是由索力檢測裝置發送的激勵信號;低通濾波器11是根據磁通量傳感器輸出信號的帶寬而設定的固定頻率低通濾波器，用于濾除信號帶寬之外的干擾和噪聲;抗混疊濾波器13是根據MEMS加速度傳感器輸出的纜索振動頻率特征，根據采樣定理，設定滿足采樣定律的截止頻率，用于濾除混疊信號；晶閘管6用做電子開關，由微控制器12的邏輯信號控制。
[0011]優選地，所述MEMS加速度傳感器I的方向為Z軸。
[0012]優選地，所述MEMS加速度傳感器I與溫度傳感器2共用供電端子。
[0013]優選地，所述數據顯示模塊15為觸摸屏，可以顯示當前索力值、溫度漂移值、特征頻率值及磁通量傳感器的數據修正值。
[0014]優選地，所述感應線圈4直接插入在激勵線圈3中，在工程檢測中，將橋梁鋼纜索8直接固定在感應線圈4上，感應線圈4將感應到的感應電壓通過積分器9運算得出橋梁鋼纜索因受力而引起的磁導率變化，最終得到積分電壓的變化值。
[0015]優選地，所述微控制器12可以選擇51系列單片機，也可以選擇ARM系列控制器，其主要是對時域信號進行FFT運算得到橋梁鋼纜索的特征頻率值、對MEMS加速度傳感器所測得的索力值進行特征頻率計算得到磁通量傳感器的數據修正值及將數據傳輸到數據顯示模塊15。
[0016]特征頻率值與橋梁鋼纜索之間的關系式為:
[0017]T = 4ml2fr2/r
[0018](其中m為單位長度索重，I為索長，fr為第r階模態頻率)
[0019]通過分析fr，并反推出當前的力值T，就可以修正磁通量傳感器當前的測量力值。
[0020]高壓電容器7通過晶閘管6對激勵線圈3放電。
[0021]因振動信號測量的是頻率信號，而由元器件老化產生的時間漂移所影響的是信號的幅值，故通過MEMS加速度傳感器測量的索力值不會因時間而發生數據漂移，所以該誤差相對于磁通量傳感器測量的數據具有基準對比的意義，可對磁通量傳感器的測量數據進行修正。所述的基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測裝置，其特征在于:感應線圈4將感應到的感應電壓通過積分器9運算得出橋梁鋼纜索因受力而引起的磁導率變化，最終得到積分電壓的變化值。
[0022]本發明具有結構簡單，制造使用方便的特點，只需要在磁通量傳感器內部內置一個MEMS加速度傳感器，就可以解決目前磁通量索力檢測裝置最大的時間漂移問題，降低了監測成本，并提高監測數據的有效性和可靠性。
【附圖說明】
[0023 ]圖1是本發明磁通量傳感器內部結構圖；
[0024]圖2是本發明磁通量采集原理框圖。
[0025]附圖中各部件的標記如下:1、MEMS加速度傳感器;2、溫度傳感器;3、激勵線圈；4、感應線圈；5升壓模塊;6、晶閘管;7、高壓電容器;8、橋梁鋼纜索;9、積分器;10、低通濾波器；
11、