磁通量傳感器在海河大橋橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
2015-04-23
海河大橋位于海河入?？谔?，新港船閘和防潮閘內(nèi)側(cè)，現(xiàn)狀建有雙向四車(chē)道特大橋一座，橋?qū)?3米，橋梁起點(diǎn)位于海河南岸現(xiàn)狀海河大橋收費(fèi)站處，終點(diǎn)止于新港二號(hào)路，與城區(qū)段高架橋相接，橋梁全長(zhǎng)2030米，其中跨越海河主橋采用獨(dú)塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310米，具體跨徑布置為46+3×48+310米，主橋全長(zhǎng)500米。兩側(cè)引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力t梁。新建橋梁斜拉橋結(jié)構(gòu)采用與原橋基本相同、主塔與原橋塔對(duì)稱(chēng)布置的單塔斜拉橋，具體跨徑布置為310+2×50+2×40米。
一、磁通量傳感器測(cè)量原理
當(dāng)鐵磁性材料受到外力作用時(shí), 其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變, 相應(yīng)地引起磁化強(qiáng)度發(fā)生改變, 即產(chǎn)生磁彈性效應(yīng)。 通過(guò)建立磁化強(qiáng)度與應(yīng)力之間的關(guān)系, 能實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁材料中的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。一個(gè)可行的應(yīng)力檢測(cè)方法是在被測(cè)構(gòu)件上纏繞兩個(gè)線圈, 一個(gè)初級(jí)線圈, 一個(gè)次級(jí)線圈, 將被測(cè)材料作為線圈的鐵心進(jìn)行測(cè)量。如果在初級(jí)線圈的兩端加一個(gè)交流激勵(lì)信號(hào), 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間而變化的交變磁場(chǎng), 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, 在次級(jí)線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢(shì):
vind( t ) =-n（1）
通過(guò)線圈的磁通量是沿著被測(cè)試件的方向。測(cè)試過(guò)程中,被測(cè)試件可能并未完全充滿線圈, 因此總的磁通量是由通過(guò)空氣的磁通量和通過(guò)試件的磁通量?jī)刹糠纸M成。感應(yīng)電壓為:
vind( t )= - n h(（2）
式中, 和 分別為線圈中被空氣和試件所占部分的表面積。 是空氣的磁導(dǎo)率。如果將感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分, 所得到的對(duì)時(shí)間進(jìn)行平均的輸出電壓是：
vout= - inddt= [ + ds]（3）
式中,h 和b 分別是磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通量密度在時(shí)間間隔 ( t2 - t1 ) 中所發(fā)生的變化, 與此同時(shí)電流從 0增大到 i a 。與 ia 相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是 h a , 應(yīng)測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度為 h a 時(shí)的磁導(dǎo)率。 如果線圈的匝數(shù)較多并且排列緊密, 則其內(nèi)的磁場(chǎng)幾乎是均 勻的, 有鐵心存在時(shí)也是如此。因此方程( 3)可以簡(jiǎn)化為:
vout= ( ) ] （4）
式中, s 0是線圈的總的截面面積, sf是試件的截面面積, t是是rc電路的時(shí)間常數(shù)。在線圈中未放試件的情況下, 隨時(shí)間變化的輸出電壓的積分為:
v0=（5）
由方程（4）和方程（5）可得
= [1+ ( -1)] （6）
則相對(duì)磁導(dǎo)率
=1+ （ -1）（7）
擬合相對(duì)磁導(dǎo)率與索力( 或應(yīng)力) 的關(guān)系, 便可用來(lái)測(cè)量鐵磁 性材料的內(nèi)張力。
通量傳感器就是利用上述原理制成的, 其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示, 它由初級(jí)和次級(jí)兩層線圈組成。當(dāng)在初級(jí)線圈通入脈 沖電流時(shí), 鐵磁材料被磁化, 會(huì)在鋼芯試件縱向產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。由于相互感應(yīng), 在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓, 感應(yīng)電壓同施 加的磁通量成正比關(guān)系。對(duì)任一種鐵磁材料, 在試驗(yàn)室進(jìn)行幾 組應(yīng)力、溫度下的試驗(yàn), 建立磁導(dǎo)率變化與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度的關(guān) 系后, 即可用來(lái)測(cè)定用該種材料制造的構(gòu)件的內(nèi)力。
圖 1磁通量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2 海河大橋磁通量傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)
海河大橋的主梁自重及汽車(chē)荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生疲勞和腐蝕損傷的結(jié)構(gòu)件，其壽命往往比橋梁其他構(gòu)件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構(gòu)件，起著牽一發(fā)動(dòng)全身的作用，因此準(zhǔn)確及時(shí)掌握拉索的內(nèi)力及其變化特征至關(guān)重要。
為了監(jiān)測(cè)所里的變化，以及在斜拉索發(fā)生損傷時(shí)，能夠及時(shí)通過(guò)安裝索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測(cè)其變化，系統(tǒng)中對(duì)長(zhǎng)、中、短索，都選擇部分斜拉索進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
拉索的索力可以采用基于動(dòng)力法索力測(cè)試、光纖光柵智能索和磁通量傳感器等方法測(cè)試，其中振動(dòng)法測(cè)索力技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，該方法對(duì)長(zhǎng)索具有較好的精度，但對(duì)短索誤差較大；磁通量技術(shù)測(cè)試精度高，但造價(jià)較高、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)傳輸線的要求較高；光纖光柵智能索可以較準(zhǔn)確地測(cè)量拉索的應(yīng)變，但成品索的制作和運(yùn)輸要求較高，本方案采用磁通量傳感器監(jiān)測(cè)斜拉索索力，從而直接進(jìn)行拉索的安全評(píng)定。全橋共計(jì)74根斜拉索，其中在24根索內(nèi)布置傳感器。
拉索索力分析：主要包括基于振動(dòng)法的斜拉索索力識(shí)別，基于斜拉索索力和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的斜拉索索力極值分析和疲勞損傷分析。根據(jù)斜拉索索力極值和疲勞損傷進(jìn)行預(yù)警。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集制度采用閥值和定時(shí)兩種方式，本次設(shè)計(jì)為：在橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行的初期，采取24小時(shí)連續(xù)采用的策略；運(yùn)行30天后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)和規(guī)則，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)和規(guī)律，確定觸發(fā)采集系統(tǒng)的閥值和確定定時(shí)采集的具體時(shí)間段。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件、硬件、數(shù)據(jù)采集策略等幾個(gè)方面。該橋不是很長(zhǎng)，信號(hào)衰減不明顯，因此，采用一個(gè)數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中采集。數(shù)據(jù)采集站塔梁結(jié)合部位在主梁橋面上，為保證監(jiān)測(cè)儀器正常工作，必須保持24小時(shí)連續(xù)供電。
數(shù)據(jù)采集策略分為動(dòng)態(tài)采集和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集制度需采用閥值和定時(shí)兩種方式，采樣頻率將根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果確定，但需保證數(shù)據(jù)具有間隔實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系。
數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、管理、可視化以及對(duì)監(jiān)測(cè)采樣的控制等工作。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起到承前啟后的重要作用，其具有以下幾個(gè)工程：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)；數(shù)據(jù)的初步分析；數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化以及存儲(chǔ)、查詢、可視化；能夠響應(yīng)后續(xù)功能模塊模塊對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求；能夠控制傳感器子系統(tǒng)的采樣。
數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)總體構(gòu)成圖
結(jié)論：
在海河大橋的健康檢測(cè)中，全橋共計(jì)38組，每組2根，共76根斜拉索，在其中24根拉索上安裝磁通量傳感器，所有索力傳感器均安裝在錨下，其中，磁通量傳感器在索廠制作過(guò)程中安裝。磁通量傳感器安裝在拉索的下預(yù)埋管內(nèi)，選用整束式磁通量傳感器，直接套在索體外部。磁通量傳感器能有效監(jiān)測(cè)吊索安全。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)光纖傳輸?shù)胶：哟髽虮O(jiān)控室，大大減輕了橋梁管理人員的負(fù)擔(dān)，并為橋梁管理提供了數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后根據(jù)設(shè)置的預(yù)警閥值進(jìn)行分級(jí)報(bào)警監(jiān)測(cè)。
