磁通量传感器索力监测系统在工程中的应用

磁通量传感器索力监测系统在工程中的应用引言：随着城市化建设的加快，桥梁建设的跨度越来越大，造型越来越多，作为大跨度桥梁的重要受力构件拉索，其建设过程中及运营过程中的受力变化必须定期监控，才能保证大桥的安全，特别是经常出现超限超载车辆的大桥。过去施工的拱桥、斜拉桥拉索，一般只有在施工过程中由千斤顶张拉力进行控制及锁定索力，或手动频率法进行索力测定，但由于索力的相互影响及频率法测定精度较差，往往造成索力与设计值偏差太大索力不均匀，引起个别索力受力过大，造成桥梁事故。吸取过去桥梁建设教训，在该桥吊杆中引用了索力无损监控检测技术。正文：原理：索力无损监控监测系统是由磁通量传感器和磁弹仪组成索力测定基本系统，在此基础上增加连线与计算机相应软件及计算机网络相联可以实现索力远程实时监控测量。磁通量传感器2.1磁通量传感器磁通量传感器是基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成，即铁磁性材料（钢绞线、平行钢丝、精轧螺纹钢等）承受的外界机械荷载发生变化时，其内部的磁化强度（磁导率）发生变化，通过测量铁磁性材料制成的构件的磁导率变化，来测定构件的内力（索力）变化。2.2构造它由初级和次级两层线圈组成。当通入交流电流时,在磁线圈中会产生一个随时间而变化的交变磁场。根据电磁感应原理，构件就会被磁化，进而在测量线圈中产生感应电压，当磁心受到应力时，磁通量发生变化，输出电压就会发生变化。所以，只要测量出输出电压，就可以测得磁心应力。对于铁磁性材料的缆索、锚杆、精轧螺纹钢等结构，在试验室针对不同的产品、温度、外力进行若干组试验，找出相同材料、不同温度、外力作用下磁通量的关系，建立磁导率变化、平均积分电压与材料荷载、温度之间的关系，并对其进行标定修正计算后，即可用以指导测定缆索、锚杆等构件任意情况下的内力（索力）。2.3.主要特点2.3.1磁通量传感器制成哈佛式，套在需要测力的构件周围，在不影响桥梁运营的前提下，随时可以更换损坏的传感器，结实耐用、拆装方便、重复性好，与被测构件不接触，对原构件本身无损伤，同时也不与构件相连，构件对传感器也无影响。2.3.2耐久性、准确性、精度更高，受外围影响因素更小，抗干扰能力强，误差更小。2.3.3维修成本低、使用寿命长，无损测量，可用于长期监测。2.3.4防水性能极佳，可用于水施工环境监测。2.3.5由于存在磁化过程，构件本身又是传感器的组成部分，它直接感应物件的磁特性变化来测量应力。2.3.6铁磁性材料的磁特性受材料本身化学成分、组织结构、杂质缺陷、材料的非均匀性、温度等影响，应考虑清除这些因素的影响。2.4.磁通量传感器的应用范围2.4.1常规应用传感器适用于斜拉桥的斜拉索，系杆拱桥的吊杆和系杆，悬索桥的缆索体系，预应力结构的体外索和预应力筋、钢筋、地锚等关键受力构件张力测量，可用于其施工阶段及运营阶段的张力大小测量。2.4.2多截面监测利用磁通量传感器非接触式测量的特点，实现体内预应力筋不同截面的应力监测。2.4.3运营中监测将磁通量传感器设计成哈弗式结构，直接在运营中的拉索上制作，通过模拟标定进行曲线拟合和校准，即可实现运营中桥梁拉索的索力监测。2.4.4单根磁通量传感器监测对钢绞线索，可以适用多个单根钢绞线磁通量传感器安放在锚具内部，测量单根钢绞线的张力，可以算整束索索力，也可以选用大型号传感器，套装在整根索体的PE外，测量整束索力。2.4.5平行钢丝拉索索力对平行钢丝索，将传感器套装在索体的PE外。3.磁弹仪磁通量采集仪包括激发器、信号调理器、数据采集器和内置处理器。他通过传感器内的冲级线圈给构件施加激励电压，通过初级线圈获得应力信息。仪器一个通讯接口接受和响应主机的命令。磁通量采集仪是多通道、实时处理系统。磁通量测量系统直接测量传感器安装点的温度、构件感应积分电压，由此计算并显示构件的内力。3.1磁通量传感器索力监测系统系统磁通量传感器索力监测系统主要由传感器和配套磁弹仪组成，便携式磁弹仪自身带有操作平台及LED显示器，能实现16个通道测量，可直接操作读数，也可通过仪器上的通讯接口与计算机系统相连，实现自动数据采集或过程操作。3.1.1离线检测系统磁通量传感器测量系统的基础配置主要包括磁通量传感器、开关集线箱、磁弹仪、数据传输线及布线管、仪器保护箱，构成数据采集系统（数据采集箱）根据传感器的数量及分布情况在桥梁上设置一个或多个数据采集箱，构成离线检测系统，实现人工定期数据采集。

3.1.2在线监测系统在离线检测系统的基础上，增加数据传输系统（有线、无线或以太网传输）和数据处理系统，即可实现索力的实时在线监测，具有自动测量、异常预警等功能，可以根据需要自主设定采集的时间、频率。互动性好，操作简单。数据处理系统是综合采集、传输、数据分析、显示、报表、异常预警和评估等功能于一体的集成系统。根据不同行业的管理特点、被集成结构的特点、监测方法以及管理人员的具体情况的综合管理系统。估域器掩感器弋氏压电源J-疑485集线器）一〔地址握匐―数据传输系统I客户端互联网(TCP/IP)数据采集箱信号线及护线管估域器掩感器弋氏压电源J-疑485集线器）一〔地址握匐―数据传输系统I客户端互联网(TCP/IP)数据采集箱信号线及护线管外接电源数据采集系统磁獐仗传感器数据处理系统客户端p-ir监控计算机（监控软件）信号线£无线数传模块|I甲传感系统网络系统在线监测系统示意图3.2索力监测系统的配置3.2.1传感器布置：接线长度小于等于300米，既可以每根索上安装，也可只选择重要截面上安装。传感器与数据采集箱之间用专用信号线连接，用线管或线槽进行保护，传输线的距离一般控制在300米以内，避免距离过长使信号失真。3.2.2数据采集箱常用规格：8、16、24、32、40通道。数据采集箱集成的传感器数量，按通道数最多可分别集成8、16、24、32、40台磁通量传感器。3.2.3数据采集箱的数量及分布：根据传感器的数量和分布来决定数据采集箱的型号（通道数X数量（总通道数X安装位置。3.3使用方法3.3.1标定阶段3.3.1.1标定的目的标定的目的是在不同的应力和温度水平下测量磁弹响应特性。建立不同标准力值与磁导率以及温度的率定关系，得出计算公式系数、温度修正系数、零点积分值和零点温度值。3.3.1.2标定的方法力值标定将安装好传感器的待测试件（或样本构件）、标准力传感器同时安装于拉力试验台座上。根据测量上限，分5〜6级荷载等级，匀速施加荷载。测量不同荷载等级下的电压积分值，拟合电压积分值和标准力值的关系。得到拟合系数C0，C1，C2,C3和零点积分以及标定时温度。温度标定传感器内含构件，并让构件自由，在相差5度以上的两个温度点，测量积分值，由此计算出构件的温度修正系数。3.3.2测量阶段工程测量以测量待测构件的工作应力或内力为目的。测量时，磁通量传感器必须已经事先安装于待测构件之上，应用磁弹仪测量传感器的输出积分电压和温度，以此数据代入标定阶段得出的标定曲线即可得到待测构件的实际应力或内力。3.3.2.1安装过程的测量穿心式安装传感器，记录带编号传感器安装位置，以便测试时选择通道。将传感器的传输线与磁弹仪相连，并将磁弹仪连好电源。拉索未张拉时，初始零点化，以此作为测量零点，并记录好。后续张拉过程中，直接进入测量界面，对应通道按RUN进行测量，记录测量结果。最好同时记录索力值、温度和积分值。3.3.2.2运营过程的测量用万用表检查传感器内电阻，判断传感器是否正常。注意：不出现短路现象即为正常。将传感器与仪器连接好，直接进入测量界面，选好与传感器对应的通道，按RUN进入测量，记录测量结果。最好同时记录索力值、温度和积分值。3.3.2.3单个传感器测量采用磁弹仪对单个传感器进行测量或逐个测量时，传感器的传输线直接与磁弹仪的端口相连。运行磁弹仪，对测量结果进行显示。也可再将磁弹仪通过RS232通讯端口与电脑相连，进行自动数据采集。3.3.2.4多个传感器测量采用磁弹仪对多个传感器进行测量时，传感器与开关集线箱相连，开关箱再与磁弹仪的信号端口和地址控制端口相连，磁弹仪对测量结果进行显示。也可再将磁弹仪与电脑相连，进行自动数据采集。3.3.3注意事项3.3.3.1使用前注意事项仪表使用环境：放置仪表的环境须清洁、干燥、通风、温度适宜。仪表使用时位置一旦固定，严禁经常移动特别是带电移动，否则可能导致信号电缆插头内部引线脱落而产生故障。注意接头可靠性，防止短路，断路，注意水汽凝结。测量之前要保证主线圈接头之间，及与接头端部之间无短路。仪表与传感器连接为六芯传输线，其中两芯为充电电压，两芯为回复信号，两芯为温度信号，使用时严禁6芯之间相互短路，以免损坏仪表，仪表充电时严禁接触六芯传输线，以防触电。3.3.3.2测量过程中注意事项a.现场第一次测试前，先用万用表测量传感器电阻，确保传感器线路正常。测量时，必须注意选择仪器测量通道、传感器参数是否与使用的传感器一致，严禁采用不合理的参数进行测量。由于仪表使用220V交流电，所以，测量时不要触摸线缆的插座、插头及仪表的电源、接线端口。3.3.3.3长期使用注意事项清洁：在工业环境下，仪表外壳上的积灰或污染，必须在断电情况下经常用湿抹布擦干净。但要注意不能用酒精等溶剂擦拭显示窗。防静电：仪表损坏或者运行不正常，未经允许不得拆开仪表。如有必要拆开检查，需在专业人员指导下进行，取PCB板时要手持板的四角，切勿用手摸到有集成块引脚的地方，以防静电击坏集成块。拆下的PCB板应立即装入屏蔽袋，在没有屏蔽袋的情况下可用普通报纸包好。严禁随意放置。仪表属于精密仪器，内部完全属于电气连接，不能受到振动，冲击等，更要放水防潮。长