一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼軌應(yīng)力檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著高鐵作為國家戰(zhàn)略，高鐵的作用日益凸顯。眾所周知，高鐵的最基礎(chǔ)設(shè)施是鋼軌，而鋼軌主要由鋼鐵組成的。金屬結(jié)構(gòu)的各種微觀的缺陷或者局部應(yīng)力集中，都會導致鋼件結(jié)構(gòu)和設(shè)備失效甚至事故的發(fā)生。在各種鐵制構(gòu)件加工后，即使構(gòu)件設(shè)計合理，在材料的內(nèi)部也不可避免地存在殘余應(yīng)力。即使工作條件是在額定負荷下，也有可能因為載荷與內(nèi)應(yīng)力的疊加，導致構(gòu)件應(yīng)力重新分配與產(chǎn)生二次變形，而降低構(gòu)件的剛性和構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定性，從而引發(fā)事故。
[0003]同時，絕大多數(shù)鐵路都鋪設(shè)在野外或高架橋，設(shè)備工作環(huán)境惡劣，且沒有專門的供電系統(tǒng)，所以檢測裝置的功耗問題不容忽視。
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種抗震動、防水、低功耗、抗干擾、非接觸式的應(yīng)力檢測方法來實現(xiàn)高可靠、低成本、安裝便捷的應(yīng)力檢測，減少鐵路脹軌，保證鐵路系統(tǒng)正常的安全運營。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)及方法，本方法通過巨磁阻元件所測磁場強度大小進行鋼軌應(yīng)力檢測，具有高效能、低成本、便捷安裝等優(yōu)勢，有效的解決鋼軌應(yīng)力的檢測問題。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)，包括線圈、交流電源、巨磁阻元件和鋼軌，其中，巨磁阻元件設(shè)置于線圈內(nèi)，線圈連接交流電源，線圈上交流電源提供給線圈固定頻率的交變電流，該交變電流會產(chǎn)生一個交變磁場，該磁場在鋼軌上產(chǎn)生相應(yīng)的電渦流，巨磁阻元件測量交變電流產(chǎn)生磁場與電渦流產(chǎn)生磁場相互作用的磁場強度大小，實現(xiàn)對鋼軌應(yīng)力的檢測。
[0008]所述巨磁阻元件為GMR傳感器，可測量動態(tài)磁場強度和靜態(tài)磁場強度。
[0009]所述GMR傳感器連接上位機，將檢測的數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行數(shù)據(jù)分析。
[0010]所述巨磁阻元件檢測的磁場強度大小是由激勵線圈產(chǎn)生的磁場強度與鋼軌渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場強度的疊加。
[0011]所述線圈為激勵線圈。
[0012]一種基于上述系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:
[0013](I)連接、放置線圈、交流電源、巨磁阻元件和鋼軌；
[0014](2)在激勵線圈上加以固定頻率的交變電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律與安培定貝1J，在線圈內(nèi)部會產(chǎn)生一個垂直于線圈纏繞方向的交變磁場；
[0015](3)交變磁場將在鋼軌上產(chǎn)生一個電渦流，電渦流會產(chǎn)生一個垂直于電渦流的磁場；
[0016](4)線圈產(chǎn)生的交變磁場與渦流產(chǎn)生的磁場疊加共同作用于GMR傳感器，使得GMR傳感器產(chǎn)生弱電信號，將弱電信號上傳到上位機進行處理，即可得到由鋼軌受力不同引起的GMR傳感器電信號的變化，即可得到鋼軌應(yīng)力大小。
[0017]本發(fā)明的工作原理:當鋼軌受到外部機械力或其它作用時，由于壓磁效應(yīng)，其內(nèi)部應(yīng)力σ變化會引起鋼軌磁導率μ變化的，而磁導率μ的變化將會引起激勵線圈產(chǎn)生渦流的大小的改變，而電渦流的大小又會改變其產(chǎn)生的磁場的大小。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019](I)采用電磁感應(yīng)方式測量鋼軌應(yīng)力，無接觸方式，可解決接觸式應(yīng)力傳感器由于鐵軌震動影響應(yīng)力傳感器精度及壽命的問題；
[0020](2)鋼軌應(yīng)力檢測采用電磁感應(yīng)方式具有抗震動、防水、非接觸式、低功耗等特點，具有高效能、低成本、便捷安裝等優(yōu)勢，有效的解決鋼軌應(yīng)力的檢測問題。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]其中，1、電源線；2、激勵線圈；3、GMR傳感器；4、鋼軌；5、電渦流。
【具體實施方式】
:
[0023]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0024]如圖1所示，一種非接觸式應(yīng)力檢測方法，通過巨磁阻元件所測磁場強度大小進行鋼軌應(yīng)力檢測。
[0025]進一步地，所述巨磁阻元件為GMR傳感器，既可以測量動態(tài)磁場強度，也可以測量靜態(tài)磁場強度。GMR傳感器測得數(shù)據(jù)之后，上傳給上位機進行數(shù)據(jù)分析處理。
[0026]進一步地，磁場強度大小，是由激勵線圈產(chǎn)生的磁場強度與鋼軌渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場強度的疊加。
[0027]進一步地，激勵線圈產(chǎn)生的磁場是由在激勵線圈上所加固定頻率的交變電流產(chǎn)生，所述磁場強度大小及方向根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律與安培定則確定。
[0028]進一步地，所述鋼軌渦流效應(yīng)由激勵線圈產(chǎn)生的交變磁場產(chǎn)生，所述渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場強度大小及方向根據(jù)奧斯特實驗確定。
[0029]綜上，本方案采用電磁感應(yīng)方式測量鋼軌應(yīng)力，無接觸方式，可解決接觸式應(yīng)力傳感器由于鐵軌震動影響應(yīng)力傳感器精度及壽命的問題。
[0030]且，鋼軌應(yīng)力檢測采用電磁感應(yīng)方式具有抗震動、防水、非接觸式、低功耗等特點，具有高效能、低成本、便捷安裝等優(yōu)勢，有效的解決鋼軌應(yīng)力的檢測問題。
[0031]具體包括:
[0032]第一步，在激勵線圈2上加一固定頻率的交變電流。
[0033]第二步，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律與安培定則，在線圈內(nèi)部會產(chǎn)生一個垂直于線圈纏繞方向的交變磁場。
[0034]第三步，該交變磁場將在鋼軌4上產(chǎn)生一個電渦流5。
[0035]第四步，該電渦流5會產(chǎn)生一個垂直于渦流的磁場。
[0036]第五步，當鋼軌受到外部機械力或其它作用時，由于壓磁效應(yīng)，其內(nèi)部應(yīng)力σ變化會引起磁導率μ變化的，而磁導率μ的變化將會引起激勵線圈產(chǎn)生渦流的大小的改變，而電渦流的大小又會改變其產(chǎn)生的磁場的大小。
[0037]第六步，線圈產(chǎn)生的交變磁場與渦流產(chǎn)生的磁場疊加共同作用于GMR傳感器3，會使得GMR傳感器3的磁阻發(fā)生變化，進而產(chǎn)生一個變化的電信號。
[0038]第七步，GMR傳感器3產(chǎn)生的信號上傳到上位機進行處理，即可得到由鋼軌受力不同引起的GMR傳感器電信號的變化，即可得到鋼軌應(yīng)力大小。
[0039]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)，其特征是:包括線圈、交流電源、巨磁阻元件和鋼軌，其中，巨磁阻元件設(shè)置于線圈內(nèi)，線圈連接交流電源，線圈上交流電源提供給線圈固定頻率的交變電流，該交變電流產(chǎn)生一個交變磁場，所述交變磁場在鋼軌上產(chǎn)生相應(yīng)的電渦流，巨磁阻元件測量交變電流產(chǎn)生磁場與電渦流產(chǎn)生磁場相互作用的磁場強度大小，實現(xiàn)對鋼軌應(yīng)力的檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)，其特征是:所述巨磁阻元件為GMR傳感器，測量動態(tài)磁場強度和靜態(tài)磁場強度。
3.如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)，其特征是:所述GMR傳感器連接上位機，將檢測的數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行數(shù)據(jù)分析。
4.如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)，其特征是:所述巨磁阻元件檢測的磁場強度大小是由激勵線圈產(chǎn)生的磁場強度與鋼軌渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場強度的疊加。
5.如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)，其特征是:所述線圈為激勵線圈。
6.一種基于如權(quán)利要求1-5中任一項所述的系統(tǒng)的檢測方法，其特征是:包括以下步驟: (1)連接、放置線圈、交流電源、巨磁阻元件和鋼軌； (2)在激勵線圈上加以固定頻率的交變電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律與安培定則，在線圈內(nèi)部會產(chǎn)生一個垂直于線圈纏繞方向的交變磁場； (3)交變磁場將在鋼軌上產(chǎn)生一個電渦流，電渦流會產(chǎn)生一個垂直于電渦流的磁場； (4)線圈產(chǎn)生的交變磁場與渦流產(chǎn)生的磁場疊加共同作用于GMR傳感器，使得GMR傳感器產(chǎn)生變化的電信號，將該電信號上傳到上位機進行處理，即可得到由鋼軌受力不同引起的GMR傳感器電信號的變化，即可得到鋼軌應(yīng)力的大小。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸式應(yīng)力檢測系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括線圈、交流電源、巨磁阻元件和鋼軌，其中，巨磁阻元件設(shè)置于線圈內(nèi)，線圈連接交流電源，線圈上交流電源提供給線圈固定頻率的交變電流，該交變電流會產(chǎn)生一個交變磁場，該磁場在鋼軌上產(chǎn)生相應(yīng)的電渦流，巨磁阻元件測量交變電流產(chǎn)生磁場與電渦流產(chǎn)生磁場相互作用的磁場強度大小，實現(xiàn)對鋼軌應(yīng)力的檢測；本發(fā)明采用電磁感應(yīng)方式測量鋼軌應(yīng)力，無接觸方式，可解決接觸式應(yīng)力傳感器由于鐵軌震動影響應(yīng)力傳感器精度及壽命的問題。
【IPC分類】G01N27-72, G01L1-12
【公開號】CN104655332
【申請?zhí)枴緾N201510061691
【發(fā)明人】周鳴樂, 馮正乾, 劉波, 李剛, 李敏, 李旺, 王瑋, 楊曉暉
【申請人】山東省計算中心（國家超級計算濟南中心）
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月4日