一種橋梁拉索斷絲監測傳感器的制作方法

本發明涉及橋梁健康現場監測領域，特別是一種橋梁拉索斷絲監測傳感器。

背景技術：

常規的橋梁拉索絲股的無損檢測技術有電磁式、超聲探傷、射線、導波和磁致伸縮等；這些技術都存在機構、原理和模型復雜、高空作業、故障率高和使用條件苛刻等問題，從理論上來看它們都無法實現在線檢測。

常用的聲發射傳感器一般都基于壓電陶瓷等材料，其體積大、感性和機電耦合系數偏低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于聲發射信號的橋梁拉索斷絲監測傳感器，以實現對橋梁拉索的絲股狀態進行在線監測，及時獲知橋梁運營期間拉索的斷絲狀況。

解決上述問題的技術方案是：一種橋梁拉索斷絲監測傳感器，包括傳感器主體、固定裝置和信號線，所述傳感器主體由耦合橡膠、PVDF壓電膜、支撐軟橡膠構成；PVDF壓電膜由一層或多層PVDF壓電薄膜層疊構成，多層PVDF壓電薄膜間使用絕緣膠水粘貼，PVDF壓電膜粘貼在耦合橡膠與支撐軟橡膠之間，形成“三明治結構”；

所述的多層PVDF壓電薄膜每一層都有兩個輸出電極, 同極性的電極通過信號線或常用的電路工藝連接，構成多層壓電薄膜電氣并聯；信號線在正負兩極分別引出，阻波材料覆蓋裸露的傳感器電極；

工作狀態下，傳感器主體分別緊貼在橋梁拉索的絲股的表面上，采用固定裝置收緊固定；信號線順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源。

其進一步技術方案是：所述支撐軟橡膠采用吸波材料。

所述的固定裝置是柔性固定裝置，包括自鎖式不銹鋼扎帶、高強度自粘纏繞包帶或彈性環箍。

其更進一步技術方案是：所述傳感器主體形狀為平面、柔性弧面、圓環形面、折線夾角面或其他與被監測拉索外形形狀相配合的形狀。

由于采用上述技術方案，本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器具有以下有益效果：

1、本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器是一種聲發射傳感器，比普通基于壓電陶瓷等材料制成的聲發射傳感器性能好，能實現對橋梁拉索的絲股狀態進行在線監測，及時獲知橋梁運營期間拉索的斷絲狀況：

本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器是一種聲發射傳感器，包括傳感器主體、固定裝置和信號線，所述傳感器主體可按照監測目標定制為任何尺寸和多種形狀；傳感器主體由耦合橡膠、PVDF壓電膜、支撐軟橡膠。PVDF壓電膜粘貼在耦合橡膠與支撐軟橡膠之間，形成“三明治結構”；工作狀態下，傳感器主體緊貼在橋梁拉索的絲股的表面上，采用固定裝置收緊固定；信號線順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源；

本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器是一種聲發射傳感器，由于所述傳感器主體的敏感元件PVDF壓電膜有極高的機-電耦合系數，同樣受力條件下輸出電壓比壓電陶瓷高10倍；PVDF厚度薄且可任意裁剪成任何形狀，方便安裝； PVDF的時間穩定性好，性能隨時間漂移低；因而比基于壓電陶瓷等材料的聲發射傳感器性能好；在正常使用中，鋼絞線中心鋼絲與環繞鋼絲緊密接觸，若中心鋼絲斷絲，絲股斷絲時發出的強烈彈性波波經索體傳導給斷絲監測傳感器的傳感器主體，引起PVDF壓電膜產生微變形，輸出極高的電壓；產生的電壓通過引出導線順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源；儀表接受到高壓信號，判斷絲股產生了斷絲情況；從而能及時報告橋梁運營期間拉索的斷絲狀況。

2、對不同監測需求有極高的適應性：

①本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器的傳感器主體不需外部供電，滿足絲股斷絲長期監測的能源要求；

②能滿足橋梁拉索索內狹小空間的安裝需求；

構成本發明橋梁拉索斷絲監測傳感器之傳感器主體的PVDF壓電膜的厚度僅有9～110微米，耦合橡膠和支撐軟橡膠根據需要可選擇100～1000微米的任意尺寸，傳感器主體總厚度一般小于2000微米，傳感的長寬尺寸可任意裁剪，對不同監測需求有極高的適應性, 特別是橋梁拉索這種絲股之間間隙極小的空間也能適應；

③PVDF這種材料有更好的時間穩定性；同時， PVDF壓電膜的尺寸優勢及可任意裁剪的特性，使其可以內置于纜索的保護結構中，提高了傳感器的成活率。

由于以上特點，本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器能適用于對各種橋梁拉索的絲股狀態進行在線監測，適用范圍廣，具有較好的社會經濟效益。

下面，結合附圖和實施例對本發明之一種橋梁拉索斷絲監測傳感器的技術特征作進一步的說明。

附圖說明

圖1是實施例一所述的一種橋梁拉索斷絲監測傳感器的傳感器主體結構示意圖（平面型）；

圖2是實施例二所述的一種橋梁拉索斷絲監測傳感器的傳感器主體結構示意圖（弧形）；

圖3是實施例一所述的一種橋梁拉索斷絲監測傳感器安裝使用狀態示意圖；

圖4是圖3的A部放大圖；

圖5是實施例二所述的一種橋梁拉索斷絲監測傳感器安裝使用狀態結構示意圖。

圖中：

1-支撐軟橡膠，2-PVDF壓電膜，3-耦合橡膠，4-鋼絲，5-信號線，6-固定裝置，7-傳感器電極，8-索股為六邊形的橋梁拉索，9-索股為圓形絞線形式的橋梁拉索。

具體實施方式

一種橋梁拉索斷絲監測傳感器，包括傳感器主體、固定裝置6和信號線5；

所述傳感器主體由耦合橡膠3、PVDF壓電膜2、支撐軟橡膠1構成，PVDF壓電膜2由一層或多層PVDF壓電薄膜層疊構成，多層PVDF壓電薄膜間使用絕緣膠水粘貼，PVDF壓電膜2粘貼在耦合橡膠3與支撐軟橡膠1之間，形成“三明治結構”；

所述的多層PVDF壓電薄膜每一層都有兩個輸出電極, 同極性的電極通過信號線或常用的電路工藝連接，構成多層壓電薄膜電氣并聯；信號線5在正負兩極分別引出，阻波材料覆蓋裸露的傳感器電極7；

工作狀態下，多個傳感器主體分別緊貼在橋梁拉索的絲股的表面上，采用固定裝置收緊固定；信號線順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源。

所述支撐軟橡膠1采用吸波材料。

所述的固定裝置6是柔性固定裝置，包括自鎖式不銹鋼扎帶、高強度自粘纏繞包帶或彈性環箍。

根據傳感器主體結構不同，有不同實施方式，以下舉例說明：

實施例一

一種傳感器主體為平面結構的橋梁拉索斷絲監測傳感器Ⅰ：

如圖1所示，該傳感器主體為平面結構，從內到外依次為耦合橡膠3、PVDF壓電膜2、支撐軟橡膠1；

該種傳感器主體為平面結構的橋梁拉索斷絲監測傳感器Ⅰ主要用于監測索體結構由高強鍍鋅（環氧噴涂、光面）鋼絲、纏繞包帶、內層HDPE和外層HDPE構成、其索股為六邊形的橋梁拉索8，其安裝狀態參見圖3、圖4。

其制作和安裝方法是：按拉索索股的外形尺寸、絲股的多少裁剪出多層PVDF壓電薄膜、耦合橡膠和支撐橡膠，并對裁剪邊緣進行物理和絕緣保護；采用常用的電路工藝連接PVDF壓電膜層的同極性電極，使多層壓電薄膜構成電氣并聯，在正負兩極分別引出信號線5，并采用吸波材料覆蓋因此而裸露出的金屬傳感器電極7；

按圖1所示結構，采用膠水粘貼耦合橡膠、PVDF壓電膜和支撐橡膠，分別制成6片參數一致的斷絲檢測傳感器主體；將這些傳感器主體分別緊貼在絲股的6個表面上，采用高強度自粘纏繞包帶作為固定裝置6將傳感器主體收緊固定；信號線5順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源（參見圖3、圖4）。

實施例二

一種傳感器主體為弧面結構的橋梁拉索斷絲監測傳感器Ⅱ：

如圖2所示，該傳感器主體為弧面結構，從內到外依次為耦合橡膠3、PVDF壓電膜2、支撐軟橡膠1。

該種傳感器主體為弧面結構的橋梁拉索斷絲監測傳感器Ⅱ主要用于監測由無粘結鋼絞線構成的索股為圓形絞線形式的橋梁拉索（即：體內預應力拉索）9之無粘結鋼絞線在長期的使用中索內絲股的斷絲情況，該索股為圓形絞線形式的橋梁拉索9之索體由高強鍍鋅（環氧噴涂、光面）鋼絲、纏繞包帶、HDPE構成；索股為圓形絞線形式，其安裝狀態參見圖5。

其制作和安裝方法是：根據設計圖紙獲知索股為圓形絞線形式的橋梁拉索9絲股的整體形狀、尺寸和防腐保護形式；以此為根據，確定耦合橡膠的尺寸、PVDF壓電薄膜的層數和尺寸和支撐軟橡膠的尺寸，選擇合理的固定裝置；裁剪出多層PVDF壓電薄膜、耦合橡膠和支撐橡膠，并對裁剪邊緣進行物理和絕緣保護；

采用常用的電路工藝連接PVDF壓電薄膜層的同極性電極，使多層壓電薄膜構成電氣并聯，在正負兩極分別引出信號線5，并采用吸波材料覆蓋因此而裸露出的金屬傳感器電極7；

按圖2所示結構，采用膠水粘貼耦合橡膠、PVDF壓電膜和支撐橡膠，分別制成6片參數一致的斷絲檢測傳感器主體；將這些弧面結構的傳感器主體分別緊貼在索股為圓形絞線形式的橋梁拉索9絲股的6個表面上（參見圖5），采用高強度自粘纏繞包帶作為固定裝置6將傳感器主體收緊固定；信號線5順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源。

在拉索投入使用后，若環繞絲股出現斷絲，則發出的強烈彈性波經索體傳導給斷絲監測傳感器的傳感器主體（中心絲股發出的彈性波經界面接觸傳導到環繞鋼絲上），從而PVDF壓電膜輸出極高的電壓并通過引出導線順著絲股間隙由錨固系統引出外部給儀表提供信號源，就能及時獲知橋梁運營期間拉索的斷絲狀況。

作為本發明實施例的一種變換，所述傳感器主體形狀還可以是其他與被監測拉索外形形狀相配合的形狀，例如：圓環形面、折線夾角面或其他與被監測拉索外形形狀相配合的形狀，其目的是增大傳感與監測對象的接觸面積。