本發(fā)明屬于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件軸力測試的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型開合式磁通量傳感器及網(wǎng)架桿件軸力測試方法。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其自重輕、剛度大、造型豐富美觀、綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等一系列優(yōu)點(diǎn)而成為各類體育場館、車站等重要建筑的首選。隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)量的快速增加，入役年限的增長，結(jié)構(gòu)在長期經(jīng)受各種自然以及人為因素等的不利的影響下都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的健康狀況發(fā)生惡化。因此對已經(jīng)投入使用的各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的健康監(jiān)測以確定其實(shí)際服役狀態(tài)，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)、處理各種潛在隱患，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性的破壞具有十分重要的意義。目前工程中對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測的方式主要包括應(yīng)變片法、頻率法和磁通量法等幾種方式。但相較于橋梁結(jié)構(gòu)比較成熟的健康監(jiān)測手段，目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常用的幾種健康監(jiān)測方式都存在著各自的弊端。預(yù)埋應(yīng)變片的方式存在著應(yīng)變片使用壽命不足的嚴(yán)重缺陷，而采用現(xiàn)場粘貼應(yīng)變片的方式除給檢測帶來巨大的工作量外，不可避免的帶來大量的高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高。頻率法測試桿件軸力的方法由于螺栓球節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的傳力模式，周圍桿件對彎曲及彈性約束的影響而導(dǎo)致的頻率變化不可忽略，其精度還有待于進(jìn)一步提高。因此探索一種經(jīng)濟(jì)可行、長期有效的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件軸力測試方法是本發(fā)明的主要目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種新型開合式磁通量傳感器及網(wǎng)架桿件軸力測試方法。

一種新型開合式磁通量傳感器，包括兩個(gè)對稱的半環(huán)形結(jié)構(gòu)單元：第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元(2)，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)、第二傳感器結(jié)構(gòu)單元(2)中心形成一網(wǎng)架桿件套孔(3)；

所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)、第二傳感器結(jié)構(gòu)單元(2)外側(cè)均設(shè)置有多個(gè)半環(huán)形固定帶(4)，所述半環(huán)形固定帶(4)的兩個(gè)端處均設(shè)置有螺栓固定孔(5)，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元(2)均包括有激勵(lì)線圈(6)和感應(yīng)線圈(7)，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元(2)的一個(gè)端面均設(shè)置有排針連接器插針(8)，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元(2)的另一端面均設(shè)置有排針連接器插孔(9)，所述激勵(lì)線圈(6)和感應(yīng)線圈(7)均通過排針連接器插針(8)和排針連接器插孔(9)的配合連接相連通，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)的內(nèi)部安裝有溫度傳感器(10)，所述激勵(lì)線圈(6)和感應(yīng)線圈(7)的引出線(11)從第一傳感器結(jié)構(gòu)單元(1)的端面引出。

一種網(wǎng)架桿件軸力測試方法，采用所述的新型開合式磁通量傳感器，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)待測試的網(wǎng)架桿件的直徑選取磁通量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，搭建磁通量傳感器；

所述磁通量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：激勵(lì)線圈材料規(guī)格、感應(yīng)線圈材料規(guī)格、激勵(lì)線圈的繞線匝數(shù)、感應(yīng)線圈的繞線匝數(shù)、激勵(lì)線圈的繞線長度、感應(yīng)線圈的繞線長度、第一傳感器結(jié)構(gòu)單元和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)徑、第一傳感器結(jié)構(gòu)單元和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元的外徑；

步驟2：根據(jù)網(wǎng)架桿件軸力測試的實(shí)際工程需要，選擇與待測試的網(wǎng)架桿件相同的桿件材料模型；

步驟3：將搭建后的磁通量傳感器安裝于桿件材料模型上，將磁通量傳感器的激勵(lì)線圈的引出線連接沖擊電壓電源，將磁通量傳感器的感應(yīng)線圈的引出線連接電壓采集裝置；

步驟4：通過磁通量傳感器采集桿件材料模型在不同的荷載工況下的瞬時(shí)感應(yīng)電壓，通過瞬時(shí)感應(yīng)電壓確定其對應(yīng)磁導(dǎo)率，對不同的荷載工況下的磁導(dǎo)率進(jìn)行標(biāo)定，并繪制應(yīng)力-磁導(dǎo)率曲線；

步驟5：在施工過程中，將搭建后的磁通量傳感器安裝于待測試的網(wǎng)架桿件上，將磁通量傳感器的激勵(lì)線圈的引出線連接沖擊電壓電源，將磁通量傳感器的感應(yīng)線圈的引出線連接電壓采集裝置；

步驟6：通過磁通量傳感器采集待測試的網(wǎng)架桿件當(dāng)前的瞬時(shí)感應(yīng)電壓，通過瞬時(shí)感應(yīng)電壓確定其對應(yīng)磁導(dǎo)率，根據(jù)標(biāo)定的應(yīng)力-磁導(dǎo)率曲線確定網(wǎng)架桿件軸力。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出一種新型開合式磁通量傳感器及網(wǎng)架桿件軸力測試方法，本發(fā)明解決了目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在使用階段健康監(jiān)測面臨的難題。提出了一種更加高效、快捷的桿件軸力測試方法，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益；本發(fā)明提出的磁通量傳感器由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)組成，安裝和拆卸更加的方便快捷，可重復(fù)使用。傳感器中排針連接器的使用將激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈各自連接成完整的回路，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；本發(fā)明所采用的磁通量傳感器截面形式采用圓截面，可以最大程度上保證感應(yīng)線圈和激勵(lì)線圈的磁場不受截面形式的影響，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中新型開合式磁通量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中傳感器結(jié)構(gòu)單元的正視圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式中傳感器結(jié)構(gòu)單元側(cè)正視圖；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式中網(wǎng)架桿件軸力測試方法的流程圖；

其中，1-第一傳感器結(jié)構(gòu)單元、2-第二傳感器結(jié)構(gòu)單元、3-網(wǎng)架桿件套孔、4-半環(huán)形固定帶、5-螺栓固定孔、6-激勵(lì)線圈、7-感應(yīng)線圈、8-排針連接器插針、9-排針連接器插孔、10-溫度傳感器、11-引出線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施方式加以詳細(xì)的說明。

磁通量傳感器在橋梁索力的健康監(jiān)測領(lǐng)域運(yùn)用已經(jīng)比較成熟，但將其運(yùn)用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件軸力的健康是前所未有的。本發(fā)明方法采用的主要原理是電磁感應(yīng)原理，通過電源為激勵(lì)線圈通電瞬間，感應(yīng)線圈由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象會產(chǎn)生瞬時(shí)感應(yīng)電流且借助放大系統(tǒng)可以測得感應(yīng)線圈上的瞬時(shí)感應(yīng)電壓。研究表明，瞬時(shí)感應(yīng)電壓的大小與材料的磁導(dǎo)率直接相關(guān)，而材料的磁導(dǎo)率又與桿件所處的應(yīng)力狀態(tài)緊密聯(lián)系。

一種新型開合式磁通量傳感器，如圖1所示，包括兩個(gè)對稱的半環(huán)形結(jié)構(gòu)單元：第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1、第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2中心形成一網(wǎng)架桿件套孔3。

如圖2和圖3所示，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1、第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2外側(cè)均設(shè)置有多個(gè)半環(huán)形固定帶4，所述半環(huán)形固定帶4的兩個(gè)端處均設(shè)置有螺栓固定孔5，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2均包括有激勵(lì)線圈6和感應(yīng)線圈7，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2的一個(gè)端面均設(shè)置有排針連接器插針8，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2的另一端面均設(shè)置有排針連接器插孔9，所述激勵(lì)線圈6和感應(yīng)線圈7均通過排針連接器插針8和排針連接器插孔9的配合連接相連通，所述第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1的內(nèi)部安裝有溫度傳感器10，所述激勵(lì)線圈6和感應(yīng)線圈7的引出線11從第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1的端面引出。

本實(shí)施方式中，將第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2通過排針連接器插針8和排針連接器插孔9插在一起，使感應(yīng)線圈6和激勵(lì)線圈7各自構(gòu)成了一個(gè)完整的回路。將連接在一起的第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2通過兩個(gè)半環(huán)形固定帶4做進(jìn)一步加固，采用螺栓在螺栓固定孔5將第一傳感器結(jié)構(gòu)單元1和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元2固定。半環(huán)形固定帶4可以對磁通量傳感器起到良好的保護(hù)作用，防止磁通量傳感器在測量過程中對排針連接器產(chǎn)生破壞。

一種網(wǎng)架桿件軸力測試方法，如圖4所示，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)待測試的網(wǎng)架桿件的直徑選取磁通量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，搭建磁通量傳感器。

所述磁通量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：激勵(lì)線圈材料規(guī)格、感應(yīng)線圈材料規(guī)格、激勵(lì)線圈的繞線匝數(shù)、感應(yīng)線圈的繞線匝數(shù)、激勵(lì)線圈的繞線長度、感應(yīng)線圈的繞線長度、第一傳感器結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)徑和外徑、第二傳感器結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)徑和外徑。。

本實(shí)施方式中，激勵(lì)線圈的材料和感應(yīng)線圈的材料均為銅線，銅線直徑為0.3mm，激勵(lì)線圈與第一傳感器結(jié)構(gòu)單元和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元之間、激勵(lì)線圈與感應(yīng)線圈之間之間以絕緣材料分隔。

若待測試的網(wǎng)架桿件的直徑d，激勵(lì)線圈的繞線匝數(shù)nj＝9d，感應(yīng)線圈的繞線匝數(shù)nc＝2d，激勵(lì)線圈的繞線長度lj＝0.3nj(mm)，感應(yīng)線圈的繞線長度lc＝0.3nc(mm)，第一傳感器結(jié)構(gòu)單元和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)徑為d0＝d+5mm，第一傳感器結(jié)構(gòu)單元和第二傳感器結(jié)構(gòu)單元的外徑為d1＝d0+10mm。

感應(yīng)線圈位于元件的中央部位。

傳感器結(jié)構(gòu)單元長度l＝lj+20mm，感應(yīng)線圈和激勵(lì)線圈位于元件的中間，感應(yīng)線圈和激勵(lì)線圈兩端各留出10mm空間。

步驟2：根據(jù)網(wǎng)架桿件軸力測試的實(shí)際工程需要，選擇與待測試的網(wǎng)架桿件相同的桿件材料模型。

步驟3：將搭建后的磁通量傳感器安裝于桿件材料模型上，將磁通量傳感器的激勵(lì)線圈的引出線連接沖擊電壓電源，將磁通量傳感器的感應(yīng)線圈的引出線連接電壓采集裝置。

本實(shí)施方式中，采用的電壓采集裝置為示波器。

步驟4：通過磁通量傳感器采集桿件材料模型在不同的荷載工況下的瞬時(shí)感應(yīng)電壓，通過瞬時(shí)感應(yīng)電壓確定其對應(yīng)磁導(dǎo)率，對不同的荷載工況下的磁導(dǎo)率進(jìn)行標(biāo)定，并繪制應(yīng)力-磁導(dǎo)率曲線。

本實(shí)施方式中，通過電磁感應(yīng)的感應(yīng)電壓及材料的其他參數(shù)(如橫截面積、溫度)等求得的磁導(dǎo)率來反映桿件的受力大小。磁導(dǎo)率與應(yīng)力之間的關(guān)系如式(1)所示：

其中，eσ為磁性應(yīng)變能，λs磁致伸縮系數(shù)，在未磁化材料被磁化至飽和時(shí)產(chǎn)生，σ為外加應(yīng)力，θ為外加應(yīng)力與磁化方向的夾角。

材料的磁化可以表述為材料磁場強(qiáng)度h和磁通量b的關(guān)系，即針對任意材料，如式(2)所示：

其中，b為磁通量，wb/m²；為磁導(dǎo)率張量，h為材料磁場強(qiáng)度，a/m。

假設(shè)鐵磁性材料橫截面積為as，永久磁場強(qiáng)度為h(t)，線圈橫截面積at，激勵(lì)線圈纏繞圈數(shù)為nj，μ0為真空磁導(dǎo)率。由法拉第法則，可以得到由于線圈中磁通量的變化而引起的產(chǎn)生于線圈中的電壓，如式(3)所示：

設(shè)磁場為各向同性，相應(yīng)地被測材料的磁導(dǎo)率μr即可表示為如式(4)所示：

其中，vout為測量的輸出電壓，v0為不經(jīng)過鐵磁材料的輸出電壓。

步驟5：在施工過程中，將搭建后的磁通量傳感器安裝于待測試的網(wǎng)架桿件上，將磁通量傳感器的激勵(lì)線圈的引出線連接沖擊電壓電源，將磁通量傳感器的感應(yīng)線圈的引出線連接電壓采集裝置。

本實(shí)施方式中，采用的電壓采集裝置為示波器。

步驟6：通過磁通量傳感器采集待測試的網(wǎng)架桿件當(dāng)前的瞬時(shí)感應(yīng)電壓，通過瞬時(shí)感應(yīng)電壓確定其對應(yīng)磁導(dǎo)率，根據(jù)標(biāo)定的應(yīng)力-磁導(dǎo)率曲線確定網(wǎng)架桿件軸力。