[发明专利]一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法

说明书

本发明提供了一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法，属于结构健康监测技术领域。包括一根导磁钢缆索试件、一个用于索力测量的单级线圈索力传感器以及缠绕传感器所需的线圈骨架、加载装置、试件固定夹持装置、产生自感线圈传感器激励信号的发生电路、以及信号处理所需的放大、滤波、有效值和数模转换等各个信号分析处理电路；将钢缆索试件磁导率变化量作为中间量，建立起索力值和自感量变化量之间的线性关系，从而测量出索力值。本发明的效果和益处是解决了传统磁通量索力传感器线圈多，体积大，抗干扰能力低等不足，具有制作工艺简单，体积小，提高传感器的信噪比等优点。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及到一种索力监测方法，特别涉及到一种用自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法。

背景技术

钢缆索由于具有柔性大、强度高和频率低等优点，现已广泛应用在大跨度和大型建筑结构与牵引机械等领域。索力的监测是衡量钢缆索是否处于正常运营状态的重要标志，但是也成为世界公认的难题技术。因此对钢缆索的索力监测显得尤为重要。

目前在钢缆索的索力监测技术中一般采用方法是：(1)油压表读数法；(2)压力传感器法；(3)频率测定法；(4)磁弹效应法。

其中磁弹效应法是新兴的研究方法，以磁弹效应原理为基础，通过测量铁磁材料在外力作用下引起的磁导率的改变量，推算出外力的大小。相比于传统的索力监测方法磁弹效应法更适用于在建和建成结构索力监测，并且可以进行在线动态监测，但其理论尚未成熟需要更深入的研究。

专利号201420343581.4一种数值磁通量索力传感器，该发明设计利用两级线圈进行索力测量，即激励线圈和感应线圈。由于采用两级线圈进行监测，其绕线复杂，传感器引线较多，体积较大。

专利号201310718430.2一种磁通量传感器的磁化钢索方法，该发明对两级线圈进行改进，多个感应线圈可以共用一个激励线圈。虽然降低了一定成本，减少了激励线圈的数量，但是本质还是利用两级线圈进行测量。

专利号201410214291.4一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器，该发明利用具有磁致伸缩效应的磁电传感单元代替感应线圈，将激励线圈和磁电传感单元组合进行索力测量。虽然测试响应时间较短，速度快，但是由于引入了磁电传感单元，使结构复杂，增加成本。

发明内容

为了解决现有磁弹效应传感器线圈多，体积大，成本高，响应速度慢，信噪比较低等问题，本发明提供了一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法。该方法避免了感应线圈的使用，将激励线圈和感应线圈一体化，使得测量结果更加准确。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器，该单级线圈索力传感器将传统磁通量索力传感器中的激励线圈和感应线圈一体化，该单级线圈索力传感器的测力系统包括激励电路、单级线圈索力传感器、前置放大电路、带通滤波器、有效值电路和数模转换器，上述各模块部件依次连接；将单级线圈索力传感器7缠绕到与待测钢缆索试件4尺寸相匹配线圈骨架5上，线圈骨架5套入待测钢缆索试件4中，通过泡沫剂6填充；将由线圈骨架5支撑的单级线圈索力传感器7置于加载系统中，加载系统包括加载装置1、加载固定件2和试件夹持头3，其中试件夹持头3和加载固定件2利用螺栓连接。

当待测钢缆索试件4内存在磁场时，待测钢缆索试件4被磁化，磁化程度通过磁导率表示；在稳恒磁场中，磁导率是实数；在交变磁场中，磁感应强度落后于磁场的变化，即磁感应强度与磁场存在相位差，磁导率用复数表示，复数磁导率同时反映了二者的振幅与相位关系。

磁场和磁感应强度用复数表示为：