钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器

摘要

一种钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器，包括内外两片柔性印刷线圈，柔性印刷线圈自身结构可卷曲贴覆于钢索表面以形成单层或多层螺线管线圈，经连接器锁固后安装于被测钢索，解除锁固状态后从钢索表面拆除。该一体化传感器既可工作于磁致伸缩传感器功能，在钢索中激励出纵向模态超声导波，对钢索进行长距离缺陷检测，或基于超声导波声弹性效应，对一定距离内的钢索平均应力进行测量；也可工作于磁弹传感器功能，通过对钢索材料磁导率的测量，基于磁弹性效应，计算出钢索某一截面的应力值，或沿钢索长度方向进行扫查，获取钢索材料磁导率沿长度方向的变化后，反映缺陷的大小和位置。

说明书

技术领域：

钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器，属于电磁声学传感器技术 领域，其作用是在钢索中激励出纵向模态超声导波，对钢索进行长距离缺陷检测，或基于 超声导波声弹性效应，对一定距离内的钢索平均应力进行测量；也可测量钢索材料沿长度 方向的磁导率变化，反映出缺陷的大小和位置，或基于磁弹性效应，测量得出钢索某一截 面的平均应力。该传感器集合了磁致伸缩和磁弹传感器的共同结构，具有缺陷检测与应力 测量的双功能，同时其具有柔性可卷曲的物理性质，结构轻便，易于拆装，适用于钢索的 实际工程检测。

背景技术：

钢索的健康状况监测主要包括对其应力状况的监测和对其中缺陷的检测。目前单一功 能的传感器都只能对应力或缺陷进行检测，且由于结构复杂和体积、质量较大等原因，在 实际检测中存在安装不方便等局限性。因此，需要发展结构简洁，集应力和缺陷检测双功 能于一体的，方便拆装的新型传感器。

发明内容：

本发明的目的为实现磁致伸缩传感器和磁弹传感器的结构统一，方便安装于钢索和从 钢索上拆卸，使单一传感器具有对钢索应力和缺陷检测的双功能。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁 弹一体化传感器，包括内外两片柔性印刷线圈，柔性印刷线圈中铜线沿线圈宽度方向均匀 分成N组，N为大于或等于2的偶数，每组铜线的一端与连接器相焊接；内外两片柔性印 刷线圈可卷曲贴覆在钢索表面，柔性印刷线圈未焊接有连接器的一端扣合在连接器被锁固 后形成环状安装于钢索上，以形成与钢索长度方向一致的内外两个螺旋管线圈；外层柔性 印刷线圈的N组铜线采取同向绕制方式；当内层柔性印刷线圈的N组铜线采用正反交替绕 制方式时，一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能；当内层柔性印刷线圈的N组铜线采 用同向绕制方式时，一体化传感器工作于磁弹传感器功能；通过改变内层柔性印刷线圈的 连接导线的连接方式来改变它的绕制方向。

一体化传感器安装于钢索后，沿钢索长度方向，外层柔性螺线管的宽度大于内层柔性 螺线管，且内层柔性螺线管与外层柔性螺线管沿钢索长度方向的中心保持一致。

采用的柔性印刷线圈为单层或多层柔性印刷线圈；单层柔性印刷线圈缠绕钢索卷曲一 次后，未焊接有连接器的一端扣合在连接器后被锁固，在钢索表面形成具有单层线圈的螺 线管线圈；多层柔性印刷线圈相比单层柔性印刷线圈，外形上存在一窄条状气隙，多层柔 性印刷线圈未焊接有连接器的一端可穿过该气隙(n-1)次后，扣合在连接器内被锁固，在钢 索表面形成具有n层线圈的螺线管线圈，其中n为大于1的自然数，表示多层线圈的层数。

本发明工作于磁致伸缩传感器功能时，内层线圈的N组铜线实现正反交替绕线方式 时，相邻同向绕制的线圈的组数为任何小于N且可被N整除的自然数，以此改变内层柔性 印刷线圈中正向与反向绕制线圈沿钢索长度方向的间距即频率特征参数，调节一体化传感 器工作于磁致伸缩传感器功能时的中心频率。

本发明采用以上技术方案，使得一体化传感器可实现磁致伸缩和磁弹传感器的双功能， 并且结构轻便，易于拆装，利用此两种传感器功能都可对钢索的应力和缺陷进行检测。

附图说明：

图1本发明整体安装示意图；

图2单层柔性印刷线圈示意图；

图3多层柔性印刷线圈示意图；

图4-a一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时，内层柔性印刷线圈频率特征参数为d； 时各组铜线输入输出端口的连线方式；

图4-b一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时，内层柔性印刷线圈频率特征参数为e 时各组铜线输入输出端口的连线方式；

图5一体化传感器工作于磁弹传感器功能时，内层柔性印刷线圈的各组铜线输入输出端口 的连线方式；

图6一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时，接收的超声导波回波信号；

图7一体化传感器工作于磁弹传感器功能时的接收信号；

图中：1-钢索2-内层柔性印刷线圈3-外层柔性印刷线圈4-连接器5-铜线6-基板7-气隙

具体实施方式：

钢索应力与缺陷检测用柔性磁致伸缩和磁弹一体化传感器由内层柔性印刷线圈2和外 层柔性印刷线圈3组成，柔性印刷线圈分为单层柔性印刷线圈(图2)和多层柔性印刷线圈 (图3)两种形式。柔性印刷线圈由连接器4，铜线5和基板6组成。单层线圈的长度L依 据钢索外径D进行设计，一般L＞π×D，由此单层柔性印刷线圈可卷曲一次后，通过连接器 4扣合安装于钢索1表面。

多层柔性印刷线圈的长度L依据线圈最终绕制于钢索表面的层数n进行设计，一般 L＞n×π×D。多层柔性印刷线圈安装于钢索1时，未焊接有连接器的一端穿过其自身结构中 存在的气隙7共(n-1)次后，通过连接器4扣合，整个多层柔性因数线圈将以n层形式绕制 于钢索1表面。

单层和多层柔性印刷线圈都可用于一体化传感器的内层柔性印刷线圈2和外层柔性印 刷线圈3。但外层柔性印刷线圈3沿钢索长度方向的宽度W₁必须大于内层柔性印刷线圈2 沿钢索长度方向的宽度W₂，一般取W₁＞3×W₂。

一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时，外层柔性印刷线圈3中通入直流，提供静 态偏置磁场对钢索1进行磁化。内层柔性印刷线圈2细分为N(N为大于2的偶数)组线圈， 其中相邻两组线圈的间距，即频率特征参数d，应参照传感器的中心频率f，依据公式d＝v/(2×f) 进行选择，其中v为中心频率为f的超声导波在钢索中的传播速度。当内层柔性印刷线圈2 内N组线圈的输入输出端口依照图4(a)所示连接，相邻两组线圈的绕制方式将相反。此时， 线圈的频率特征参数为d。当内层柔性印刷线圈2中N组线圈的输入输出端口依照图4(b)连 接，此时，线圈的频率特征参数为e，显然e＝2×d，由此依据传感器的中心频率计算公式f＝ v/(2×e)可知，与图4(a)所示连接方式相比，传感器的中心频率f发生变化。通过改变内层柔 性印刷线圈2中N组线圈输入输出端口的连接方式，相邻同向绕制的线圈的组数为任何小 于N且可被N整除的自然数，以此改变内层柔性印刷线圈的频率特征参数，实现对传感器 中心频率的调节。

内层柔性印刷线圈2作为激励线圈时，其中通入导波激励信号，在钢索1中激励出纵向 模态超声导波；内层柔性印刷线圈2作为接收线圈时，钢索1中不连续界面处(如缺陷， 端面等)产生的反射回波，在接收线圈中引起的电压信号被传输至采集电路。图5为柔性 一体化传感器工作于磁致伸缩传感器时接收的典型信号，其中包括缺陷回波和端面回波。

当基于超声导波的声弹性效应测量钢索应力时，一般选择在钢索1上安装两个相距为 L_t的如图1所示的传感器，其中一个作为激励传感器，另一个作为接收传感器。当环境温 度T恒定，钢索中应力σ不同时，一体化传感器激励出的超声导波在钢索1中传播相同距 离L_t所用的时间t也不同。通过上述一体化传感器工作于磁致伸缩传感器功能时的实施方 式，可标定出钢索应力σ与传播时间t以及环境温度T之间的关系曲线，在实际测量中，读 取出超声导波的传播时间t和环境温度T，即可计算得出一定长度L_t内钢索的平均应力σ。

当一体化传感器工作于磁弹传感器功能时，外层柔性印刷线圈3中通入直流脉冲信号， 内层柔性印刷线圈2中的感应电压信号传输至采集电路。此时，内层柔性印刷线圈2中N 组线圈的输入输出端口连接方式如图6所示，N组线圈都为同向绕制。图7所示为典型的 磁弹传感器接收信号。该接收信号反应出测量位置处钢索1的磁导率η。当钢索1中存在缺 陷或应力发生改变时，钢索的磁导率η随之发生变化。采用上述一体化传感器工作于磁弹 传感器功能时的实施方式，一体化传感器沿钢索长度方向进行扫描检测，可测取磁导率沿 钢索长度方向的变化曲线，以此确定钢索中缺陷的位置和大小。

基于磁弹效应对钢索应力进行测量时，采用上述一体化传感器工作于磁弹传感器功能 时的实施方式，标定出钢索应力σ与钢索磁导率η以及环境温度T的关系曲线，在实际测 量中，测取实际的钢索磁导率η和环境温度T，即可计算得出钢索某一截面的平均应力σ。