一種基于mems加速度傳感器修正的磁通量索力檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁拉索的索力大小直接決定著斜拉橋、懸索橋、拱橋等拉索體系橋梁的工作狀態(tài)，索力的變化是衡量拉鎖體系橋梁纜索結(jié)構(gòu)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的重要標(biāo)志。因此，采用準(zhǔn)確的方法對(duì)橋梁索力進(jìn)行檢測(cè)是保證橋梁順利施工和安全運(yùn)行的必要手段。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)橋梁索力的檢測(cè)通常是采用如下幾種方法:油壓表法、壓力傳感器測(cè)定、振動(dòng)法(頻率法)等。但是，由于油壓表法存在指針易偏位，高壓時(shí)指針抖動(dòng)大，讀數(shù)人為誤差大等缺點(diǎn)；壓力傳感器測(cè)定法動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，壽命短，價(jià)格昂貴等問(wèn)題;振動(dòng)法(頻率法)的可靠性取決于拾振器的安裝位置，不能實(shí)現(xiàn)全天候檢測(cè)等問(wèn)題。
[0004]但是，近年來(lái)針對(duì)橋梁索力檢測(cè)出現(xiàn)了以磁通量法為代表的新方法，并且具有較高的工程應(yīng)用前景。橋梁索力磁通量檢測(cè)方法的原理是基于鐵磁性材料的磁彈性效應(yīng)，即當(dāng)鐵磁性材料承受的外界機(jī)械荷載發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)部的磁化強(qiáng)度(磁導(dǎo)率)發(fā)生變化。在工程實(shí)踐中，通過(guò)測(cè)試鐵磁性材料制成的構(gòu)件的磁導(dǎo)率變化即可以用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力。然而，目前基于磁通量檢測(cè)的橋梁索力檢測(cè)裝置測(cè)量到的磁通量是一個(gè)靜態(tài)絕對(duì)電壓值，這個(gè)電壓值會(huì)因?yàn)榇磐總鞲衅鲀?nèi)部線圈及其它電子元器件的老化并隨著時(shí)間的推移會(huì)引起數(shù)據(jù)漂移。這將導(dǎo)致在工程實(shí)踐中需要對(duì)基于磁通量檢測(cè)的橋梁索力檢測(cè)裝置重新進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；同時(shí)，這也將導(dǎo)致使用成本增加并增加數(shù)據(jù)處理的難度。因此，這種基于磁通量檢測(cè)的橋梁索力檢測(cè)裝置在工程上應(yīng)用存在一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測(cè)裝置。由于橋梁鋼纜索會(huì)受到過(guò)車、大風(fēng)等因素的激振而發(fā)生微振動(dòng)，本發(fā)明采用的是將基于MEMS(微機(jī)電技術(shù))的加速度傳感器內(nèi)置到磁通量傳感器中的技術(shù)解決方案。通過(guò)測(cè)量橋梁鋼纜索振動(dòng)頻率特征來(lái)分析得出橋梁鋼纜索當(dāng)前的受力特性，并通過(guò)該特性來(lái)修正磁通量傳感器的數(shù)據(jù)漂移，從而不僅解決了磁通量傳感器內(nèi)部線圈及其它電子元器件的老化而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)漂移問(wèn)題，還提高了橋梁索力測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0007]一種基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測(cè)裝置，包括MEMS加速度傳感器
1、溫度傳感器2、激勵(lì)線圈3、感應(yīng)線圈4、升壓模塊5、晶閘管6、高壓電容器7、橋梁鋼纜索8、積分器9、低通濾波器10、模數(shù)轉(zhuǎn)換器11、微控制器12、抗混疊濾波器13、RS485接口 14、數(shù)據(jù)顯示模塊15;
[0008]其特征在于:MEMS加速度傳感器I的兩端分別連接在抗混疊濾波器13兩端，抗混疊濾波器13通過(guò)RS485接口 14與微控制器12連接;感應(yīng)線圈4的兩端分別接在積分器9的兩端，低通濾波器10連接在積分器9與模數(shù)轉(zhuǎn)換器11之間，模數(shù)轉(zhuǎn)換器11連接在低通濾波器10與微控制器12之間；激勵(lì)線圈3和高壓電容器7的兩端分別并聯(lián)在升壓模塊5與晶閘管6上，晶閘管6連接在高壓電容器7與升壓模塊5之間，數(shù)據(jù)顯示模塊15連接在微控制器12上；
[0009]MEMS加速度傳感器I通過(guò)PCB板內(nèi)置安裝在磁通量傳感器骨架上形成磁通量索力檢測(cè)裝置，MEMS加速度傳感器I將橋梁鋼纜索所受到的外部激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)抗混疊濾波器13濾除混疊信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器11轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)微控制器12進(jìn)行FFT運(yùn)算，最終得到橋梁鋼纜索振動(dòng)的特征頻率值。
[0010]其中溫度傳感器2用來(lái)修正磁通量傳感器的溫度漂移;激勵(lì)線圈3是由索力檢測(cè)裝置發(fā)送的激勵(lì)信號(hào);低通濾波器11是根據(jù)磁通量傳感器輸出信號(hào)的帶寬而設(shè)定的固定頻率低通濾波器，用于濾除信號(hào)帶寬之外的干擾和噪聲;抗混疊濾波器13是根據(jù)MEMS加速度傳感器輸出的纜索振動(dòng)頻率特征，根據(jù)采樣定理，設(shè)定滿足采樣定律的截止頻率，用于濾除混疊信號(hào)；晶閘管6用做電子開關(guān)，由微控制器12的邏輯信號(hào)控制。
[0011]優(yōu)選地，所述MEMS加速度傳感器I的方向?yàn)閆軸。
[0012]優(yōu)選地，所述MEMS加速度傳感器I與溫度傳感器2共用供電端子。
[0013]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)顯示模塊15為觸摸屏，可以顯示當(dāng)前索力值、溫度漂移值、特征頻率值及磁通量傳感器的數(shù)據(jù)修正值。
[0014]優(yōu)選地，所述感應(yīng)線圈4直接插入在激勵(lì)線圈3中，在工程檢測(cè)中，將橋梁鋼纜索8直接固定在感應(yīng)線圈4上，感應(yīng)線圈4將感應(yīng)到的感應(yīng)電壓通過(guò)積分器9運(yùn)算得出橋梁鋼纜索因受力而引起的磁導(dǎo)率變化，最終得到積分電壓的變化值。
[0015]優(yōu)選地，所述微控制器12可以選擇51系列單片機(jī)，也可以選擇ARM系列控制器，其主要是對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算得到橋梁鋼纜索的特征頻率值、對(duì)MEMS加速度傳感器所測(cè)得的索力值進(jìn)行特征頻率計(jì)算得到磁通量傳感器的數(shù)據(jù)修正值及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)顯示模塊15。
[0016]特征頻率值與橋梁鋼纜索之間的關(guān)系式為:
[0017]T = 4ml2fr2/r
[0018](其中m為單位長(zhǎng)度索重，I為索長(zhǎng)，fr為第r階模態(tài)頻率)
[0019]通過(guò)分析fr，并反推出當(dāng)前的力值T，就可以修正磁通量傳感器當(dāng)前的測(cè)量力值。
[0020]高壓電容器7通過(guò)晶閘管6對(duì)激勵(lì)線圈3放電。
[0021]因振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的是頻率信號(hào)，而由元器件老化產(chǎn)生的時(shí)間漂移所影響的是信號(hào)的幅值，故通過(guò)MEMS加速度傳感器測(cè)量的索力值不會(huì)因時(shí)間而發(fā)生數(shù)據(jù)漂移，所以該誤差相對(duì)于磁通量傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)具有基準(zhǔn)對(duì)比的意義，可對(duì)磁通量傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。所述的基于MEMS加速度傳感器修正的磁通量索力檢測(cè)裝置，其特征在于:感應(yīng)線圈4將感應(yīng)到的感應(yīng)電壓通過(guò)積分器9運(yùn)算得出橋梁鋼纜索因受力而引起的磁導(dǎo)率變化，最終得到積分電壓的變化值。
[0022]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造使用方便的特點(diǎn)，只需要在磁通量傳感器內(nèi)部?jī)?nèi)置一個(gè)MEMS加速度傳感器，就可以解決目前磁通量索力檢測(cè)裝置最大的時(shí)間漂移問(wèn)題，降低了監(jiān)測(cè)成本，并提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0023 ]圖1是本發(fā)明磁通量傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2是本發(fā)明磁通量采集原理框圖。
[0025]附圖中各部件的標(biāo)記如下:1、MEMS加速度傳感器;2、溫度傳感器;3、激勵(lì)線圈；4、感應(yīng)線圈；5升壓模塊;6、晶閘管;7、高壓電容器;8、橋梁鋼纜索;9、積分器;10、低通濾波器；
11、