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基于磁弹效应的钢缆索索力在线监测关键技术探索

唐德东  
【摘要】: 钢缆索由于具有柔性大、强度高和频率低等突出优点,现已广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构与牵引机械等领域。在线监测缆索应力,动态掌握应力的变化规律,是保证钢缆索结构安全运行的重要手段。作为钢缆索结构健康状态评估的重要指标----索力的在线监测是公认的世界级难题,传统的压力传感器和振动法都有其固有的缺点,难以满足缆索应力的在线检测要求。基于磁弹效应的索力测试技术由于具有测量精度高、动态响应好、使用寿命长,能全天候检测等突出优点,已成为国外研究的热点,目前已经有用于现场的实际例子,但没有很好的解决现场安装和温度补偿等关键难题,且受知识产权和技术保密的限制。但是,该方法的理论体系并未成熟,许多关键技术还未解决,在没有任何技术资料可参考的情况下,探索磁弹效应法监测索力过程中的理论模型、磁路结构设计及磁场强度的选取、温度补偿等关键技术具有重要的科学意义和应用价值。 本文在综述国内外索力测试的各种方法的基础上,提出了基于磁弹效应的差动式单旁路励磁磁路结构的索力传感器,进行了励磁电路与磁路设计,搭建了试验平台,系统地做了拉力和温度实验。具体的研究内容如下: ①通过分析钢缆索索力测试方法的研究现状,指出了目前索力测试方法存在的问题,提出了本论文的研究工作要点。 ②对磁弹效应法监测索力的原理进行了研究,从磁畴结构的能量入手,利用能量守恒定律和热力学平衡条件对磁弹效应的模型进行了建立,并进行数值分析。 ③设计了两种励磁电路和四种不同结构的励磁磁路,针对磁路结构在实际应用中存在安装和维护特别困难等突出缺点,提出了旁路励磁的磁路结构,在钢缆索磁化特性曲线未知的情况下,提出了励磁磁路的最优磁场强度选取原理和磁路设计方法。 ④全面系统地探索了温度对磁弹效应的影响机理,在温度补偿曲线法很难达到在线监测要求的情况下,提出了差动式温度自动补偿原理,并设计了温度自动补偿结构,在空载、温度范围为-30℃~+80℃和不同恒载、温度范围为室温(14.5℃)~+80℃的条件下分别做了温度影响实验。实验表明:温度误差的自动补偿方法是可行的,补偿后的温度影响影响波动量小于2.5%。 ⑤设计制造了套筒式、旁路励磁结构和差动式的索力传感器,搭建了实验平台,设计了正弦交流励磁和脉冲恒流励磁两套实验方案,在0 kN~20kN的拉力试验机上对直径为12mm的钢缆索用四种不同结构的索力传感器做了大量的拉力实验。实验结果对比表明:差动式结构的索力传感器综合性能最好,不仅解决温度补偿和现场安装的关键难题,且重复性误差小于1.5%。 最后,总结了全文研究工作和创新之处,指出了论文的不足及近期有待深入研究的问题。


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