一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器技术

本发明专利技术公开了一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器，通过确定索力传感器中磁电传感单元随磁场变化而产生的诱导电压与钢缆索索力之间的线性关系式，然后采用具有磁致伸缩性能的磁电传感单元来代替磁通量传感器的检测线圈作为检测单元检测钢缆索轴向变形时索力传感器的诱导电压；优点是可以减少检测单元的漏磁以及检测单元与激励线圈之间的漏磁，从而使得传感器测量精度得到提高，另外具有磁致伸缩性能的磁电传感单元可以直接通过线圈骨架内部磁场的变化响应出诱导电压，不需要经过磁通量的变化感应出诱导电压后再通过检测单元的传输得到响应电压，响应时间较短，测试速度快；且索力传感器的制作工艺简单化，提高了传感器的信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器
本专利技术涉及一种钢缆索索力检测技术，尤其是涉及一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器。
技术介绍
钢缆索是一种柔性的承力构件，其索力状态是衡量建筑是否处于正常运营状态的一个重要标志，实时监测钢缆索的索力对建筑健康监测具有重要工程意义。磁弹效应法是目前监测索力最具潜力的一种方法，该方法通过使用磁通量传感器来测定钢缆索中的磁通量变化，从而得到钢缆索的索力，其具体过程为:首先绕制如图1所示的磁通量传感器，该磁通量传感器包括线圈骨架，绕制在线圈骨架外侧面上的检测线圈、绕制在检测线圈外侧面上的激励线圈以及将检测线圈和激励线圈进行封装的外壳，然后将线圈骨架套在钢缆索上，接着给激励线圈加上激励电流，线圈骨架轴向产生磁场将钢缆索磁化，钢缆索作为检测线圈和激励线圈的铁芯，磁通量传感器实时检测钢缆索索力，当钢缆索受力轴向发生变形，线圈骨架轴向磁场相应发生变化，作为检测单元的检测线圈感应线圈骨架轴向磁场的变化并产生诱导电压输出到数据采集设备中，数据采集设备通过数据拟合，得到诱导电压和索力之间的线性关系，根据诱导电压和索力之间的线性关系计算得到索力。但是，现有磁弹效应法存在以下问题:一、磁通量传感器通过检测线圈感应线圈骨架内部磁通量的变化进而产生感应电动势，在测量过程中由于漏磁原因，以及激励线圈和检测线圈之间存在相互干扰，导致传感器的测量精度不高；二、测量过程中要先经过激励线圈磁化钢缆索，再由检测线圈感应出钢缆索变形时磁场磁通量的变化，进而计算测得索力，由于激励线圈在磁化钢缆索时需要一定的响应时间，检测线圈要获取被测特征信号的磁场信息也需要一定的时间，由此导致传感器的响应速度比较慢，测试速度慢；三、为了在线圈骨架内部达到尽可能大的且分布均匀的磁通量，要求检测线圈和线圈骨架之间以及检测线圈和激励线圈之间有很严格的尺寸匹配，由此导致传感器加工工艺比较复杂且测量过程中传感器的信噪比较低。
技术实现思路
专利技术所要解决的技术问题之一是提供一种测量精度高，测试速度快，传感器加工工艺简单，且测量过程中信噪比较高的索力检测方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种索力检测方法，包括以下步骤:①制备索力传感器:①-1制备具有磁致伸缩性能的磁电传感单元；①-2取一与待测钢缆索尺寸匹配的线圈骨架，在线圈骨架上的外侧壁上开一凹槽；①-3将磁电传感单元嵌入所述的凹槽内；①-4将激励线圈绕在线圈骨架上，得到索力传感器；②截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索样本，将钢缆索样本套在线圈骨架内作为激励线圈的铁芯，然后在线圈骨架套上套筒进行封装，钢缆索样本的两端位于线圈骨架外；③确定索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系:③-1给激励线圈加上正弦激励电流，线圈骨架的轴向产生磁场，钢缆索样本被磁化；③-2将钢缆索样本两端装在拉力试验机上，在拉力试验机上依次对钢缆索样本施加 0KN，2KN, 4KN, 6KN, 8KN, 10KN, 12KN, 14KN, 16KN, 18KN 和 20KN 的拉力，并采用数字示波器采集并记录在对应拉力下索力传感器的诱导电压值，得到一组由拉力与诱导电压值组成的数据；③-3重复步骤③-2至η次，η≥5，得到η组由拉力与诱导电压值组成的数据；③-4对η组数据分别进行线性拟合，得到η个拉力与诱导电压的线性关系式:y =kiX+ay其中i = 1,2,3,..., n, y表示拉力，x表示诱导电压值,Iii表示线性相关系数,Si表示常数；③-5将η个线性关系式中的线性相关系数相加后取平均值，记为k，将η个线性关系式中的常数相加后取平均值记为a，得到索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系式y = kx+a ；y表示 索力，x表示诱导电压值；④将测试过的索力传感器套在待测钢缆索上对钢缆索索力进行实时监控，根据公式y = kx+a和索力传感器实时监控得到的诱导电压值计算得到待测钢缆索的实时索力。与现有技术相比，本专利技术的优点在于先确定索力传感器中磁电传感单元随磁场变化而产生的诱导电压与钢缆索索力之间的线性关系式，然后通过具有磁致伸缩性能的磁电传感单元来代替磁通量传感器的检测线圈作为检测单元，可以有效的减少检测单元本身的漏磁以及检测单元与激励线圈之间的漏磁，而且还可以消除检测单元和激励线圈的相互影响，从而使得传感器测量精度得到提高，另外具有磁致伸缩性能的磁电传感单元可以直接通过线圈骨架内部磁场的变化响应出诱导电压，不需要经过磁通量的变化感应出诱导电压后再通过检测单元的传输得到响应电压，响应时间较短，测试速度快；同时磁电传感单元最为检测单元与激励线圈之间不存在尺寸匹配问题，索力传感器的制作工艺简单化，提高了传感器的信噪比。专利技术所要解决的技术问题之二是提供一种测量精度高，响应速度快，加工工艺简单，且测量过程中信噪比较高的索力传感器。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种索力传感器，包括壳体，套设在钢缆索上的线圈骨架和激励线圈，所述的激励线圈由铜线在所述的线圈骨架的外侧壁上绕制而成，所述的线圈骨架的外侧壁上设置有矩形凹槽，所述的矩形凹槽位于所述的线圈骨架的轴向中部，所述的矩形凹槽内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元，所述的磁电传感单元为长方体结构，所述的磁电传感单元的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的磁电传感单元的上端面不超出所述的矩形凹槽，所述的磁电传感单元的长边与所述的线圈骨架的轴向平行，沿所述的线圈骨架的轴向所述的磁电传感单元的两端与所述的矩形凹槽的两端各具有一段距离且两者相等，该段距离不小于所述的磁电传感单元的长边长度的四分之一。所述的磁电传感单元包括从上到下排列的第一磁致伸缩层、压电晶体层和第二磁致伸缩层，所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的上表面固定粘结有延伸到压电晶体层一侧的第一电极，所述的压电晶体层的下表面固定粘结有延伸到压电晶体层另一侧的第二电极，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的压电晶体层的电极方向垂直于所述的线圈骨架的轴向，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的外形大小相同，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的体积之和占所述的磁电传感单元的总体积的 60%?80%。所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的体积之和占所述的磁电传感单元的总体积的76%。所述的第一电极和所述的第二电极从所述的矩形凹槽内伸出后分别紧贴所述的矩形凹槽两侧的线圈骨架的外侧壁延伸后伸出所述的壳体外，所述的激励线圈的铜线绕在所述的第一电极和所述的第二电极上，所述的磁电传感单元悬空设置在所述的矩形凹槽内且与所述的矩形凹槽的内侧面均不接触。所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面通过环氧树脂粘结剂粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面也通过环氧树脂粘结剂粘结固定，所述的环氧树脂粘结剂的厚度为0.1mm?0.2mm,所述的压电晶体层的上表面和所述的第一电极通过导电银胶粘结，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二电极通过导电银胶粘结，所述的导电银胶的厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种索力检测方法，其特征在于包括以下步骤：①制备索力传感器：①‑1制备具有磁致伸缩性能的磁电传感单元；①‑2取一与待测钢缆索尺寸匹配的线圈骨架，在线圈骨架上的外侧壁上开一凹槽；①‑3将磁电传感单元嵌入所述的凹槽内；①‑4将激励线圈绕在线圈骨架上，得到索力传感器；②截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索样本，将钢缆索样本套在线圈骨架内作为激励线圈的铁芯，然后在线圈骨架套上套筒进行封装，钢缆索样本的两端位于线圈骨架外；③确定索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系：③‑1给激励线圈加上正弦激励电流，线圈骨架的轴向产生磁场，钢缆索样本被磁化；③‑2将钢缆索样本两端装在拉力试验机上，在拉力试验机上依次对钢缆索样本施加0KN，2KN,4KN，6KN，8KN，10KN，12KN，14KN，16KN，18KN和20KN的拉力，并采用数字示波器采集并记录在对应拉力下索力传感器的诱导电压值，得到一组由拉力与诱导电压值组成的数据；③‑3重复步骤③‑2至n次，n≥5，得到n组由拉力与诱导电压值组成的数据；③‑4对n组数据分别进行线性拟合，得到n个拉力与诱导电压的线性关系式：y＝kix+ai，其中i＝1，2，3，…，n，y表示拉力，x表示诱导电压值，ki表示线性相关系数，ai表示常数；③‑5将n个线性关系式中的线性相关系数相加后取平均值，记为k，将n个线性关系式中的常数相加后取平均值记为a，得到索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系式y＝kx+a；y表示索力，x表示诱导电压值；④将测试过的索力传感器套在待测钢缆索上对钢缆索索力进行实时监控，根据公式y＝kx+a和索力传感器实时监控得到的诱导电压值计算得到待测钢缆索的实时索力。...

【技术特征摘要】
1.一种索力检测方法，其特征在于包括以下步骤: ①制备索力传感器: ①-1制备具有磁致伸缩性能的磁电传感单元； ①-2取一与待测钢缆索尺寸匹配的线圈骨架，在线圈骨架上的外侧壁上开一凹槽； ①-3将磁电传感单元嵌入所述的凹槽内； ①-4将激励线圈绕在线圈骨架上，得到索力传感器； ②截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索样本，将钢缆索样本套在线圈骨架内作为激励线圈的铁芯，然后在线圈骨架套上套筒进行封装，钢缆索样本的两端位于线圈骨架外； ③确定索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系: ③-1给激励线圈加上正弦激励电流，线圈骨架的轴向产生磁场，钢缆索样本被磁化； ③-2将钢缆索样本两端装在拉力试验机上，在拉力试验机上依次对钢缆索样本施加OKN, 2KN, 4KN, 6KN, 8KN, 10KN, 12KN, 14KN, 16KN, 18KN 和 20KN 的拉力，并采用数字示波器采集并记录在对应拉力下索力传感器的诱导电压值，得到一组由拉力与诱导电压值组成的数据； ③-3重复步骤③-2至η次，η≥5，得到η组由拉力与诱导电压值组成的数据； ③-4对η组数据分别进行线性拟合，得到η个拉力与诱导电压的线性关系式:y =kiX+ay其中i = 1,2,3,..., n, y表示拉力，x表示诱导电压值,Iii表示线性相关系数,Si表示常数； ③-5将η个线性关系式中的线性相关系数相加后取平均值，记为k，将η个线性关系式中的常数相加后取平均值记为a，得到索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系式I = kx+a ；y表示索力，x表示诱导电压值； ④将测试过的索力传感器套在待测钢缆索上对钢缆索索力进行实时监控，根据公式y=kx+a和索力传感器实时监控得到的诱导电压值计算得到待测钢缆索的实时索力。2.一种使用权利要求1的索力检测方法的索力传感器，包括壳体，套设在钢缆索上的线圈骨架和激励线圈，所述的激励线圈由铜线在所述的线圈骨架的外侧壁上绕制而成，其特征在于所述的线圈骨架的外侧壁上设置有矩形凹槽，所述的矩形凹槽位于所述的线圈骨架的轴向中部，所述的矩形凹槽内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元，所述的磁电传感单元为长方体结构，所述的磁电传感单元的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的磁电传感单元的上端面不超出所述的矩形凹槽，所述的磁电传感单元的长边与所述的线圈骨架的轴向平行，沿所述的线圈骨架的轴向所述的磁电传感单元的两端与所述的矩形凹槽的两端各具有一段距离且两者相等，该段距离不小于所述的磁电传感单元的长边长度的四分之一。3.根据权利要求2所述的一种索力传感器，其特征在于所述的磁电传感单元包括从上到下排列的第一磁致伸缩层、压电晶体层和第二磁致伸缩层，所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的上表面固定粘结有延伸到压电晶体层一侧的第一电极，所述的压电晶体层的下表面固定粘结有延伸到压电晶体层另一侧的第二电极，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志敏，李宏伟，邵磊，胡海刚，李秋胜，李玲，张刚，陈郭，赵洪洋，汪明，
申请(专利权)人：宁波大学，宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33