[发明专利]钢绞线应力的检测方法、检测装置及其使用方法

权利要求书

1.钢绞线应力的检测方法，其特征在于，以近场磁耦合谐振理论和磁弹效应理论为基础，通过在待进行预应力监测的钢绞线处设有具有激励线圈、增强线圈和感应线圈的近磁场耦合谐振传感器，当钢绞线的预应力发生变化时，所述近磁场耦合谐振传感器的感应线圈的谐振频率发生偏移并导致所述感应线圈的感应电压发生变化，通过对所述感应线圈的感应电压进行测量，即可得到钢绞线的预应力值；

向所述激励线圈中通入与所述感应线圈的初始谐振频率相同的激励信号，所述增强线圈在激励信号的作用下形成感应电流并产生交变磁场，所述感应线圈和所述增强线圈在交变磁场的作用下产生磁耦合谐振，所述感应线圈在磁耦合谐振的作用下产生感应电压；

当处于交变磁场中的钢绞线受力发生变化时，钢绞线的磁导率因磁弹效应而发生改变，所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的电感发生变化，并引起所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率发生变化；当所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈的谐振频率变化时，激励信号的频率将偏离所述近磁场耦合谐振传感器的谐振频率，使得所述近磁场耦合谐振传感器中各线圈间的磁耦合强度减弱，所述感应线圈的感应电压发生变化；

采用近磁场耦合谐振传感器将钢绞线应力转换为感应线圈的电感，并通过近场磁耦合谐振原理将与测试频率相关的感应线圈电感转换为与测试频率无关的感应电压，根据感应电压计算钢绞线应力，实现钢绞线应力检测目的；

根据磁弹效应，钢绞线轴向预应力σ与钢绞线磁导率改变量Δμ之间的关系式为：

式中：σ是钢绞线轴向应力；E为钢绞线的弹性模量；K_u为钢绞线单轴各向异性磁化常数；λ_s为钢绞线轴向应变常数；M_s为钢绞线饱和磁化强度(A/m)；θ₀为钢绞线易磁化轴与磁场方向间的夹角(rad)；Δμ为钢绞线磁导率改变量(H/m)；H为外部磁场强度(A/m)；

根据电磁感应效应，钢绞线磁导率μ与线圈电感L间的关系式为：

式中：L是电感；N是线圈匝数；μ为钢绞线磁导率(H/m)；r为螺旋电感的半径；l为电感长度，η为l与r的比值；

各线圈的谐振频率f的计算公式为：

式中：L是线圈电感；C是线圈的寄生电容；f是线圈谐振频率；

增强线圈和感应线圈之间互感强度M的计算公式为：

式中：M是增强线圈和感应电感之间的互感；k是和电感形状相关的耦合系数，其值在0和之间；L₀为增强线圈的电感；L_s为感应线圈的电感；

感应线圈的感应电压u计算公式为：

Ψ＝MI₀(6)

式中：u为感应线圈的感应电压(V)；ψ为穿过感应线圈的磁链束(Wb)；t为时间(s)；I₀为增强线圈中的电流。

2.一种用于实现如权利要求1所述的钢绞线应力的检测方法的检测装置，其特征在于，包括近磁场耦合谐振传感器、激励装置、信号采集装置和后处理装置，所述近磁场耦合谐振传感器包括激励线圈、增强线圈和感应线圈，所述激励装置的输出端与所述激励线圈电连接，以向所述激励线圈提供激励信号，所述增强线圈的两端进行连接以形成闭合回路，所述信号采集装置的输入端与所述感应线圈电连接，以对所述感应线圈的感应电压进行采集，所述后处理装置与所述信号采集装置的输出端数据连接，以对所述信号采集装置采集到的所述感应线圈的感应电压进行数据分析和计算而得到钢绞线的预应力数据。

3.根据权利要求2所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，所述近磁场耦合谐振传感器包括用于套设在钢绞线外的线圈骨架，所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈沿所述线圈骨架的轴向进行分布，且所述激励线圈、所述增强线圈和所述感应线圈在所述线圈骨架上沿相同方向进行缠绕，所述激励线圈的两端从所述线圈骨架引出并与所述激励装置电连接，所述感应线圈的两端从所述线圈骨架引出并与所述信号采集装置电连接。

4.根据权利要求3所述的钢绞线应力的检测装置，其特征在于，在所述线圈骨架外还套设有磁屏蔽外壳，所述磁屏蔽外壳与所述线圈骨架同轴，且所述磁屏蔽外壳轴向方向的两端分别凸出于对应位置的所述激励线圈和所述感应线圈并与所述线圈骨架连接。