基于磁弹效应的桥梁钢缆索应力在线监测及可重构系统研制

摘要

钢缆索因其具有抗拉性能好、抗疲劳强度高以及抗冲击性能强等特点，现已是桥梁建设、起重机和缆车等各大工程设备及领域的主要受力和传力部件。钢缆索索力的变化是衡量钢缆索结构健康状态的重要标志。钢缆索长期在自然环境中受到腐蚀、过载、疲劳等多方面的因素影响而发生失效断裂，导致重大事故和损失。基于磁弹效应的索力测试技术是一种新型无损检测技术，因其传感器结构简单、成本低廉、测量精度高等优点，现已在国内外桥梁索索力监测领域广泛使用。然而现有的磁弹索力传感器因其结构的特殊性，在进行钢缆索应力测量时存在难以安装维护和统一标定的问题，不利于在役钢缆索的索力监测。因此对原有磁弹传感器进行优化设计，提出新型的传感器结构具有重要的现实意义和实用价值。 本文在综述现有磁弹传感器不足之处的基础上，针对套筒式磁弹传感器进行了有限元仿真，在旁路式磁弹传感器的结构上完成优化设计工作，提出柔性磁弹传感器、半包络式磁弹传感器、包络式磁弹传感器、放置式磁弹传感器以及互感式磁弹传感器等多种新型传感器结构，搭建了钢缆索索力测量的软硬件平台，编写了检测信号的后处理程序，并针对多种磁弹传感器开展了钢缆索索力测量试验。主要研究内容如下： (1)从钢缆索的力磁特性出发，从能量的角度阐明钢缆索磁弹效应的作用机理，基于磁弹法测量索力的数学模型，推导出相应的索力计算公式。 (2)基于磁弹法测量索力的数学模型建立了套筒式磁弹传感器的有限元仿真模型，分析了钢缆索中磁感应强度的分布情况，获取了钢缆索应力与其磁导率之间的变化关系。 (3)研制了柔性磁弹传感器、半包络式磁弹传感器、包络式磁弹传感器、放置式磁弹传感器以及互感式磁弹传感器等五种新型可重构式磁弹传感器，解决了套筒式磁弹传感器安装维护困难的问题；搭建了磁弹索力测量系统的硬件系统，实现了激励信号的产生和功率与检测信号的前置放大和滤波处理；基于LabVIEW开发了相应的数据采集软，完成检测信号的采集与预处理操作；基于MATLAB编写了数据后处理程序，实现了对检测信号的数字滤波、零线调整和数值积分操作。 (4)基于不同的励磁结构，分别对以上五种磁弹传感器开展了索力测量对比试验，验证新型传感器实现索力测量的可行性。试验结果表明，所设计的五种新型磁弹传感器线性度都较高，能适应于索力测量。其中，半包络式和包络式磁弹传感器相较于旁路式磁弹传感器，灵敏度更好，测量性能更优。

目录

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2磁弹索力传感器的研究进展和现状

1.3目前存在的问题

1.4本文主要研究内容的结构安排

第二章 磁弹法测量索力的理论基础

2.1 引言

2.2钢缆索力-磁效应的电磁场理论基础

2.3 磁弹效应

2.4 磁弹索力测量原理

2.5本章小结

第三章 磁弹法测量钢缆索力-磁关系仿真研究

3.1引言

3.2钢缆索应力—磁导率关系仿真

3.4本章小结

第四章 可重构磁弹索力传感器及测量系统设计

4.1引言

4.2磁弹索力测量系统总体设计

4.3可重构磁弹传感器设计

4.4 硬件系统

4.5 软件系统

4.6本章小结

第五章 基于磁弹法的钢缆索索力测量试验研究

5.1引言

5.2试验平台及方案

5.3钢缆索索力测量试验

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文情况说明

致谢

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