[发明专利]钢索/杆构件应力的无源式磁性监测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及结构监测领域，特别涉及一种用于钢索/杆应力测量的没有外部激励线圈的磁性监测方法，还涉及一种磁性检测装置。

背景技术

钢索/杆因具有柔性大、强度高、使用方便等优点，其作为主要的承力和传力构件大量应用于各种大型结构及建筑，如斜拉桥、悬索桥、缆车索道、世博轴、机场、大剧院、大型体育馆等。在实际使用过程中，往往因交变应力、腐蚀、风致振动等影响，钢索/杆构件局部发生疲劳老化，由此引起的钢丝腐蚀及断裂会直接体现在钢索/杆应力上；大型结构及建筑整体也会发生变异与老化，由其引起的整体线型、内力分布变化最终也都会在钢索/杆应力上得到间接集中表现；也就是说，钢索/杆应力不仅直接反映了钢索/杆自身的安全状况，也间接地反映了整体结构的安全状况。一旦钢索/杆构件断裂，由其引发的故事将危机人们的生命和财产安全，造成不可估量的损失。因此，对在役钢索/杆构件进行应力监测是非常必要的。

目前，国内外一直在寻求一种能实时监测、长使用寿命、对结构本身无损、操作简单方便、既适应已建结构又适应在建结构的钢索/杆构件应力监测方法。目前已存在的方案主要有四种：振频法、压力传感器法、智能缆索技术和磁性方法：

(1)振频法(也称频率法)：利用索力与频率的关系，通过测量索的振动频率来间接计算出索力。相对而言，它是最为成熟的一种方法，传感器安装维护方便、使用简单。但是索在张紧状态下其自由振动方程的解要受缆索的长度、密度、垂度、斜度等多个边界条件影响，由于索的边界条件实际上是介于铰支和固支之间，因此索的不同边界条件其计算结果差异很大，导致这种方法的监测精度较低，特别是索长度较短时(小于40米)即杆件，测量误差更大。此外，当采用外部环境随机激励时(比如风，车载等)，人工自动求解钢缆索的自振频率也是有极大困难的，除非采取人工激励和人工识别方法求出缆索振动的基频，从而得到索力。然而，从结构健康长期监测角度来看，必须依赖外部环境随机激励来激发索振动，再对振动信号利用基频自动识别软件进行分析处理，获取基频信号，但难度太大，效果不理想，且不能进行实时监测。该方法有较大的局限性。

(2)压力传感器法：利用各种原理的力传感器构成压力环式锚头索力传感器，通过测量锚头的压力来反映缆索索力，测量精度高。传感器必须套在锚头中，因此它只能在索安装时就事先安装好，且必须针对每个拉索锚头的具体结构进行每个传感器的结构设计，其制造成本高、安装工艺复杂，只适应正在安装的缆索，不能适应已经投入使用的杆索。另外传感器一旦安装到位，就永久性地承受杆索的交变压力，且没有任何喘息恢复的机会，传感器寿命较短，且损坏之后无法更换，不能达到应力长期监测的要求，也不适应已建结构。

(3)智能缆索技术：将耐高温高压的大量程光纤光栅传感器在杆索制作的过程中植入至钢索/杆锚杯或连接筒，使钢索/杆具有应力自感知的功能。由于在杆索制作过程中植入光纤光栅传感器，干扰了钢索/杆正常的制作工艺，协调不好就会耽误工期，且光纤光栅传感器成活率不高；在智能缆索使用过程中，光纤光栅传感器如压力传感器一样，时时处于工作状态，承受交变应力，极易疲劳失效，传感器失效后无法更换，不适合长期监测，也不适应已建结构。虽然目前已提出一些技术来提高传感器的成活率及其使用寿命，但仍是一个难点。

(4)磁性方法：当钢索/杆受到的应力变化时，此材料的磁畴方向和畴壁大小都将发生变化，导致材料的磁性参数(磁感应强度、磁导率)变化，通过测量某磁性参数而获知应力。目前已有的方法为双线圈和多线圈的磁通测量方式，通过测量磁感应强度来获知应力。在钢索/杆索身/杆身位置绕制同轴的激励线圈和感应线圈形成套筒式双线圈方法，或者在钢索/杆索身/杆身位置绕制激励线圈，在轭铁制作的旁路上绕制感应线圈形成单旁路式双线圈方法和双旁路式多线圈方法。激励线圈为缆索提供一个激励磁场，而感应线圈根据电磁感应定律测量钢缆索磁感应强度的变化，经积分后从而得出应力。在应力测量过程中，传感器本身不受力，很难被损坏，使用寿命长；但传感装置制作繁琐，后续信号处理复杂，操作使用不便，测量灵敏度低。图1为一种典型的采用套筒式双线圈进行磁性监测的方法示意图，图2为一种典型的磁性应力监测传感器的结构示意图。

综上所述，在上述的四种方法中，磁性方法满足应力实时长期监测的需求，不仅可以实时监测，且具有较长的理论使用寿命，既适应已建结构又适应在建结构，对结构本身无损，是最具潜力的一种方法。只要解决磁性方法的不足，它将具有广泛的应用前景。

发明内容