[发明专利]基于逆磁致伸缩效应的吊杆拉力传感器及其拉力测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对索，杆钢构件的内部应力测量技术，尤其涉及一种基于逆磁致伸缩效应的吊杆拉力传感器及其拉力测量方法。

背景技术

在系杆拱桥中的吊杆一般可做成刚性吊杆或柔性吊杆两种。刚性吊杆应用情况如下：

吊杆是一根轴心受拉构件,做成钢筋混凝土构件则易产生开裂,且截面尺寸也较大,故常采用预应力构件,通过给吊杆施加预压应力,避免吊杆在荷载作用下开裂,这样称之为刚性吊杆。柔性吊杆是采用预应力高强钢丝束或钢绞线,只承受拉力作用,不能受压,在桥较宽、吊杆间距较大、荷载也较大时,使用较合理方便。不论是刚性吊杆还是柔性吊杆，以上都需要准确测量其拉力。

目前国内外可初步用于吊杆拉力测量的有振动频率法和通过安装套筒式磁弹传感器的电磁测量法。振动频率法是安装加速度传感器在吊杆上测出吊杆振动的固有频率、然后利用吊杆的力学参数，建立结构模型并进行模态分析得到拉力与振动频率的关系，从而计算出拉力。该方法除了是间接测量方式外，吊杆需通过随机起振测量其频率比较不方便，往往需要通过外部激励。

当铁磁材料受到外部应力作用时，其长度、截面积等几何参数和内部应力都会发生变化，这种几何参数和内部应力变化最终会导致铁磁材料磁特性参数（比如磁导率）发生变化。当磁特性参数（磁导率）由于受力变化而改变时，若在铁磁材料上施加有电磁激励，通过适当方式测量出其磁特性参数的变化即可反推其受力状态。

目前索杆钢构件的基于逆磁致伸缩的应力测量研究和应用仍处于起步阶段，具体到吊杆上，常见的测量方式为：以被测吊杆为铁芯，在铁芯外设置感应线圈和励磁线圈，被测吊杆既是励磁线圈的铁芯同时也是感应线圈的铁芯，这种测量方式需要将线圈需要套接在被测吊杆外，故现有技术中要么在制作或安装吊杆时预先将线圈套筒穿套在吊杆上，要么只能现场绕制线圈，测量装置安装十分麻烦，大大的限制了其应用及测量精度。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于逆磁致伸缩效应的吊杆拉力传感器，其结构为：所述吊杆拉力传感器由两个夹具、连接杆、两个激励线圈和检测线圈组成；所述夹具一端形成夹持部，夹具另一端形成连接部，夹具通过夹持部与待测吊杆固定连接，夹具通过连接部与连接杆连接；激励线圈缠绕在夹具上连接部和夹持部之间的位置处，检测线圈缠绕在连接杆上两个连接部之间的位置处；所述连接杆形成轭铁，所述夹具形成磁极，轭铁、两个磁极和两个磁极之间的待测吊杆形成封闭的磁回路。

前述吊杆拉力传感器的原理是：轭铁、左右两个磁极和该两个磁极之间的待测吊杆四者形成封闭的磁回路后，此时，只需对检测线圈上的输出感应电压进行测量即可知道待测吊杆在当前情况下所承受的外应力大小。相比于现有技术，本发明所提出的结构具有结构简单、拆装方便的优势，既不需要在制作或安装吊杆时预先设置传感器，也不需要现场绕制线圈，可以十分便捷地在运营中的吊杆上加装传感器，大大扩展了基于逆磁致伸缩效应的传感器在应力测量中的应用环境。

为了使传感器结构简单化以便制作以及提高传感器的美观性，本发明还在前述方案基础上作了如下改进：所述连接杆的轴向与待测吊杆轴向平行。基于与前述改进相同的原因，本发明还针对连接杆和夹具的结构提出了如下的优选方案：所述连接杆的轴向与夹具轴向垂直。

本发明还针对连接杆提出了如下优选方案：所述连接杆为长方体形，连接杆上设置有两个轴向平行的安装孔，安装孔形状与连接部形状匹配，连接部插接在安装孔内，连接部和安装孔过盈配合。

优选地，所述夹持部由两个装夹块组成，其中一个装夹块与夹具本体为整体结构；两个装夹块上都设置有半圆形缺口，两个半圆形缺口将待测吊杆包夹在内；两个装夹块之间通过螺栓连接。

本发明还提出了一种基于逆磁致伸缩效应的吊杆拉力测量方法，该测量方法所依赖的硬件装置即为前述的吊杆拉力传感器；所述测量方法为：

1）将前述吊杆拉力传感器安装在待测吊杆上；

2）定期对吊杆拉力传感器施加电磁激励，读取当前电磁激励条件下吊杆拉力传感器的输出电压值，并计算出拉力；

3）将计算出的拉力与设定的安全阈值进行比较：若计算出的拉力大于安全阈值，则发出告警；若拉力小于安全阈值，则仅作记录不告警，返回步骤2）；

步骤2）中，根据下式计算拉力σ(t)：