[發(fā)明專利]鋼絞線應(yīng)力的檢測方法、檢測裝置及其使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110475054.3
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113176016B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 廖棱;張森華;劉惠玲;馬虎;周建庭;孟寶全;吳韜;張宇川;馮文丹;肖堯
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶交通大學(xué);重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司
• 主分類號: G01L1/12
• 分類號: G01L1/12
• 代理公司: 重慶博凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50212
• 代理人: 項曉丹

1.鋼絞線應(yīng)力的檢測方法，其特征在于，以近場磁耦合諧振理論和磁彈效應(yīng)理論為基礎(chǔ)，通過在待進(jìn)行預(yù)應(yīng)力監(jiān)測的鋼絞線處設(shè)有具有激勵線圈、增強(qiáng)線圈和感應(yīng)線圈的近磁場耦合諧振傳感器，當(dāng)鋼絞線的預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化時，所述近磁場耦合諧振傳感器的感應(yīng)線圈的諧振頻率發(fā)生偏移并導(dǎo)致所述感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，通過對所述感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行測量，即可得到鋼絞線的預(yù)應(yīng)力值；

向所述激勵線圈中通入與所述感應(yīng)線圈的初始諧振頻率相同的激勵信號，所述增強(qiáng)線圈在激勵信號的作用下形成感應(yīng)電流并產(chǎn)生交變磁場，所述感應(yīng)線圈和所述增強(qiáng)線圈在交變磁場的作用下產(chǎn)生磁耦合諧振，所述感應(yīng)線圈在磁耦合諧振的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓；

當(dāng)處于交變磁場中的鋼絞線受力發(fā)生變化時，鋼絞線的磁導(dǎo)率因磁彈效應(yīng)而發(fā)生改變，所述近磁場耦合諧振傳感器中各線圈的電感發(fā)生變化，并引起所述近磁場耦合諧振傳感器中各線圈的諧振頻率發(fā)生變化；當(dāng)所述近磁場耦合諧振傳感器中各線圈的諧振頻率變化時，激勵信號的頻率將偏離所述近磁場耦合諧振傳感器的諧振頻率，使得所述近磁場耦合諧振傳感器中各線圈間的磁耦合強(qiáng)度減弱，所述感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化；

采用近磁場耦合諧振傳感器將鋼絞線應(yīng)力轉(zhuǎn)換為感應(yīng)線圈的電感，并通過近場磁耦合諧振原理將與測試頻率相關(guān)的感應(yīng)線圈電感轉(zhuǎn)換為與測試頻率無關(guān)的感應(yīng)電壓，根據(jù)感應(yīng)電壓計算鋼絞線應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)鋼絞線應(yīng)力檢測目的；

根據(jù)磁彈效應(yīng)，鋼絞線軸向預(yù)應(yīng)力σ與鋼絞線磁導(dǎo)率改變量Δμ之間的關(guān)系式為：

式中：σ是鋼絞線軸向應(yīng)力；E為鋼絞線的彈性模量；K_u為鋼絞線單軸各向異性磁化常數(shù)；λ_s為鋼絞線軸向應(yīng)變常數(shù)；M_s為鋼絞線飽和磁化強(qiáng)度(A/m)；θ₀為鋼絞線易磁化軸與磁場方向間的夾角(rad)；Δμ為鋼絞線磁導(dǎo)率改變量(H/m)；H為外部磁場強(qiáng)度(A/m)；

根據(jù)電磁感應(yīng)效應(yīng)，鋼絞線磁導(dǎo)率μ與線圈電感L間的關(guān)系式為：

式中：L是電感；N是線圈匝數(shù)；μ為鋼絞線磁導(dǎo)率(H/m)；r為螺旋電感的半徑；l為電感長度，η為l與r的比值；

各線圈的諧振頻率f的計算公式為：

式中：L是線圈電感；C是線圈的寄生電容；f是線圈諧振頻率；

增強(qiáng)線圈和感應(yīng)線圈之間互感強(qiáng)度M的計算公式為：

式中：M是增強(qiáng)線圈和感應(yīng)電感之間的互感；k是和電感形狀相關(guān)的耦合系數(shù)，其值在0和之間；L₀為增強(qiáng)線圈的電感；L_s為感應(yīng)線圈的電感；

感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓u計算公式為：

Ψ＝MI₀(6)

式中：u為感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓(V)；ψ為穿過感應(yīng)線圈的磁鏈?zhǔn)?Wb)；t為時間(s)；I₀為增強(qiáng)線圈中的電流。

2.一種用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的鋼絞線應(yīng)力的檢測方法的檢測裝置，其特征在于，包括近磁場耦合諧振傳感器、激勵裝置、信號采集裝置和后處理裝置，所述近磁場耦合諧振傳感器包括激勵線圈、增強(qiáng)線圈和感應(yīng)線圈，所述激勵裝置的輸出端與所述激勵線圈電連接，以向所述激勵線圈提供激勵信號，所述增強(qiáng)線圈的兩端進(jìn)行連接以形成閉合回路，所述信號采集裝置的輸入端與所述感應(yīng)線圈電連接，以對所述感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行采集，所述后處理裝置與所述信號采集裝置的輸出端數(shù)據(jù)連接，以對所述信號采集裝置采集到的所述感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計算而得到鋼絞線的預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼絞線應(yīng)力的檢測裝置，其特征在于，所述近磁場耦合諧振傳感器包括用于套設(shè)在鋼絞線外的線圈骨架，所述激勵線圈、所述增強(qiáng)線圈和所述感應(yīng)線圈沿所述線圈骨架的軸向進(jìn)行分布，且所述激勵線圈、所述增強(qiáng)線圈和所述感應(yīng)線圈在所述線圈骨架上沿相同方向進(jìn)行纏繞，所述激勵線圈的兩端從所述線圈骨架引出并與所述激勵裝置電連接，所述感應(yīng)線圈的兩端從所述線圈骨架引出并與所述信號采集裝置電連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋼絞線應(yīng)力的檢測裝置，其特征在于，在所述線圈骨架外還套設(shè)有磁屏蔽外殼，所述磁屏蔽外殼與所述線圈骨架同軸，且所述磁屏蔽外殼軸向方向的兩端分別凸出于對應(yīng)位置的所述激勵線圈和所述感應(yīng)線圈并與所述線圈骨架連接。