磁通量传感器在海河大桥桥梁健康监测中的应用
2015-04-23
海河大桥位于海河入海口处，新港船闸和防潮闸内侧，现状建有双向四车道特大桥一座，桥宽23米，桥梁起点位于海河南岸现状海河大桥收费站处，终点止于新港二号路，与城区段高架桥相接，桥梁全长2030米，其中跨越海河主桥采用独塔斜拉桥，利用河中岛屿布置主塔，主跨为310米，具体跨径布置为46+3×48+310米，主桥全长500米。两侧引桥为预应力t梁。新建桥梁斜拉桥结构采用与原桥基本相同、主塔与原桥塔对称布置的单塔斜拉桥，具体跨径布置为310+2×50+2×40米。
一、磁通量传感器测量原理
当铁磁性材料受到外力作用时, 其内部产生机械应力或应变, 相应地引起磁化强度发生改变, 即产生磁弹性效应。 通过建立磁化强度与应力之间的关系, 能实现对铁磁材料中的应力进行检测。一个可行的应力检测方法是在被测构件上缠绕两个线圈, 一个初级线圈, 一个次级线圈, 将被测材料作为线圈的铁心进行测量。如果在初级线圈的两端加一个交流激励信号, 就会产生一个随时间而变化的交变磁场, 根据法拉第电磁感应定律, 在次级线圈中就会产生一个感生电动势:
vind( t ) =-n（1）
通过线圈的磁通量是沿着被测试件的方向。测试过程中,被测试件可能并未完全充满线圈, 因此总的磁通量是由通过空气的磁通量和通过试件的磁通量两部分组成。感应电压为:
vind( t )= - n h(（2）
式中, 和 分别为线圈中被空气和试件所占部分的表面积。 是空气的磁导率。如果将感应电压对时间进行积分, 所得到的对时间进行平均的输出电压是：
vout= - inddt= [ + ds]（3）
式中,h 和b 分别是磁场强度和磁通量密度在时间间隔 ( t2 - t1 ) 中所发生的变化, 与此同时电流从 0增大到 i a 。与 ia 相应的磁场强度是 h a , 应测得磁场强度为 h a 时的磁导率。 如果线圈的匝数较多并且排列紧密, 则其内的磁场几乎是均 匀的, 有铁心存在时也是如此。因此方程( 3)可以简化为:
vout= ( ) ] （4）
式中, s 0是线圈的总的截面面积, sf是试件的截面面积, t是是rc电路的时间常数。在线圈中未放试件的情况下, 随时间变化的输出电压的积分为:
v0=（5）
由方程（4）和方程（5）可得
= [1+ ( -1)] （6）
则相对磁导率
=1+ （ -1）（7）
拟合相对磁导率与索力( 或应力) 的关系, 便可用来测量铁磁 性材料的内张力。
通量传感器就是利用上述原理制成的, 其结构如图 1 所示, 它由初级和次级两层线圈组成。当在初级线圈通入脉 冲电流时, 铁磁材料被磁化, 会在钢芯试件纵向产生脉冲磁场。由于相互感应, 在次级线圈中产生感应电压, 感应电压同施 加的磁通量成正比关系。对任一种铁磁材料, 在试验室进行几 组应力、温度下的试验, 建立磁导率变化与结构应力、温度的关 系后, 即可用来测定用该种材料制造的构件的内力。
图 1磁通量传感器结构简图
2 海河大桥磁通量传感器应用设计
海河大桥的主梁自重及汽车荷载均由拉索承担，拉索是特别容易产生疲劳和腐蚀损伤的结构件，其寿命往往比桥梁其他构件的寿命都短，但拉索是桥梁中的重要构件，起着牵一发动全身的作用，因此准确及时掌握拉索的内力及其变化特征至关重要。
为了监测所里的变化，以及在斜拉索发生损伤时，能够及时通过安装索力监测系统的传感器监测其变化，系统中对长、中、短索，都选择部分斜拉索进行监测。
拉索的索力可以采用基于动力法索力测试、光纤光栅智能索和磁通量传感器等方法测试，其中振动法测索力技术应用比较广泛，该方法对长索具有较好的精度，但对短索误差较大；磁通量技术测试精度高，但造价较高、数据采集系统复杂，对传输线的要求较高；光纤光栅智能索可以较准确地测量拉索的应变，但成品索的制作和运输要求较高，本方案采用磁通量传感器监测斜拉索索力，从而直接进行拉索的安全评定。全桥共计74根斜拉索，其中在24根索内布置传感器。
拉索索力分析：主要包括基于振动法的斜拉索索力识别，基于斜拉索索力和应变监测的斜拉索索力极值分析和疲劳损伤分析。根据斜拉索索力极值和疲劳损伤进行预警。
3 数据采集系统
数据采集制度采用阀值和定时两种方式，本次设计为：在桥梁结构运行的初期，采取24小时连续采用的策略；运行30天后，对数据进行分析，揭示桥梁结构实际受力特点和规则，根据桥梁结构的实际受力特点和规律，确定触发采集系统的阀值和确定定时采集的具体时间段。
数据采集系统的设计考虑数据采集系统的总体构架、数据采集系统的软件、硬件、数据采集策略等几个方面。该桥不是很长，信号衰减不明显，因此，采用一个数据采集站进行数据的集中采集。数据采集站塔梁结合部位在主梁桥面上，为保证监测仪器正常工作，必须保持24小时连续供电。
数据采集策略分为动态采集和静态数据采集，数据采集制度需采用阀值和定时两种方式，采样频率将根据桥梁结构的计算结果确定，但需保证数据具有间隔实时对应关系。
数据处理与控制子系统完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制等工作。数据处理与控制子系统在整个系统中起到承前启后的重要作用，其具有以下几个工程：监测数据的校验；数据的初步分析；数据的结构化以及存储、查询、可视化；能够响应后续功能模块模块对数据的请求；能够控制传感器子系统的采样。
数据处理与控制子系统总体构成图
结论：
在海河大桥的健康检测中，全桥共计38组，每组2根，共76根斜拉索，在其中24根拉索上安装磁通量传感器，所有索力传感器均安装在锚下，其中，磁通量传感器在索厂制作过程中安装。磁通量传感器安装在拉索的下预埋管内，选用整束式磁通量传感器，直接套在索体外部。磁通量传感器能有效监测吊索安全。系统采集的数据可以通过光纤传输到海河大桥监控室，大大减轻了桥梁管理人员的负担，并为桥梁管理提供了数据。监控中心接收到实时数据后根据设置的预警阀值进行分级报警监测。
