一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置及驱动方法

摘要

一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，包括壳体、线圈、超磁致伸缩体、冲击头、加载块、端盖、驱动电源；线圈设置在壳体中，超磁致伸缩体设置在线圈中，冲击头设置在超磁致伸缩体上端部，端盖设置在壳体顶部，加载块设置在端盖的中间孔中，位于冲击头上部，驱动电源通过导线与线圈连接；所述驱动电源输出周期为t的矩形方波电压，且输出的矩形方波电压为间断输出，且矩形方波电压一次仅输出一个周期t；当驱动电源输出的一个周期t的矩形方波电压通入线圈时，会使超磁致伸缩体产生一次伸缩运动，超磁致伸缩体产生的伸缩运动带动冲击头击打加载块，加载块将冲击力传递至箱梁，使箱梁产生一次“锤击”激励。

权利要求

1.一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，其特征是：包括壳体（1）；所述壳体（1）中间固定设置有线圈骨架（2），线圈骨架（2）中间设置有通孔；线圈骨架（2）上绕制有线圈（3）；所述线圈骨架（2）通孔中活动设置有超磁致伸缩体（4），超磁致伸缩体（4）与线圈骨架（2）的通孔之间设置有间隙；所述超磁致伸缩体（4）上端部设置有冲击头（5），超磁致伸缩体（4）与冲击头（5）之间设置有缓冲环（12）；所述壳体（1）顶部固定设置有端盖（8），端盖（8）中间设置有通孔，通孔中间设置有加载块（7）；所述端盖（8）与加载块（7）通过橡胶薄膜环（9）连接；所述冲击头（5）与加载块（7）之间设置有间隙；所述壳体（1）底部中间设置有螺纹通孔，螺纹通孔内设置有顶丝（14）；所述顶丝（14）与超磁致伸缩体（4）底部之间设置有下垫块（15）；下垫块（15）与超磁致伸缩体（4）固定连接；所述端盖（8）与冲击头（5）之间设置有蝶形弹簧（6），所述蝶形弹簧（6）为开槽蝶形弹簧，蝶形弹簧（6）设置有预压。

2.根据权利要求1所述高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，其特征是：所述线圈骨架（2）外侧固定设置有铁厄环（13）。

3.根据权利要求1所述高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，其特征是：所述端盖（8）与橡胶薄膜环（9）通过内压环（11）与螺钉固定连接；所述加载块（7）与橡胶薄膜环（9）通过外压环（10）与螺钉固定连接。

4.根据权利要求1所述高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，其特征是：还包括驱动电源（16）；驱动电源（16）通过导线与线圈（3）连接。

5.根据权利要求4所述高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，其特征是：所述括驱动电源（16）上设置有通信装置和控制装置。

6.一种权利要求5所述高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置的驱动方法，其特征是：S1：所述驱动电源（16）输出周期为t的矩形方波；周期t的方波有正半周和负半周，且正半周和负半周幅值相等；

S2：所述驱动电源（16）输出的矩形方波为间断输出；且矩形方波一次仅输出一个周期t；矩形方波的周期t从0.2‑0.5毫秒连续可调；高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置工作时，矩形方波电压的周期t与高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置谐振频率一致；

S3：所述驱动电源（16）间断输出的矩形方波之间的周期为T；高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置一次驱动为一个扫描周期T’；在扫描周期T’内包含若干个周期T，周期T的时间从长到短逐渐变化；

S4：所述扫描周期分为粗扫描周期T粗和精扫描周期T精；T粗的扫描范围从1Hz‑150Hz,扫描时间为1800秒；T精的扫描范围以T粗扫描出的箱梁中高阶谐振频率为中心点，前后各设置5Hz为扫描范围，扫描时间为300秒；精扫描周期T精有若干个，数量以粗扫描周期发现的箱梁中高阶谐振频率数量确定。

说明书

一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置及驱动方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高架桥箱梁安全状况主动监测技术领域，具体涉及一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置及驱动方法。

背景技术

[0002] 随着中国公路交通的快速发展，国内修建了大量的高架公路桥梁，其中箱型梁桥的结构最为广泛；同时，由于国内运输公司为减少运营成本，重载货车的载重量大幅增加并
大量使用，加重了桥梁箱梁的载荷，特殊情况下甚至出现载荷超出箱梁设计指标的状况，使
箱梁出现疲劳、老化甚至开裂问题；虽然一般情况下这些问题不会立刻导致箱梁的失效断
裂，但如果不能及时发现并对箱梁进行保养维修，就会导致箱梁结构的进一步恶化，最终导
致断桥事故的发生；截止到目前，国内已经发生了多起箱梁断裂垮塌事故，因此如何实现高
架桥箱梁健康状况的动态监测，及时发现箱梁出现的疲劳、老化甚至开裂成为一个急需解
决的问题。

[0003] 对高架桥箱梁健康状况的检测，对其振动特性的检测是最为有效的方法；对高架桥箱梁振动检测的方法，国内外均有大量的研究、论述和实践，并有大量的研究成果；在对
高架桥箱梁振动检测的振动激励源上，则采用了各种各样的装置和方法：有采用行驶的车
辆作为激励源、有采用偏心振动机械作为激励源、也有采用重力冲击装置作为激励源；但这
些激励源均存在体积大、重量大、不易固定设置在箱梁上、激励频率不易控制等缺点；这些
激励源装置作为理论研究或对个别高架桥箱梁进行健康检测还可以接受使用，但作为高架
桥箱梁健康状况的动态监测装置使用，则必须解决体积大、重量大、不易固定设置在箱梁
上、激励频率不易控制等问题。

发明内容

[0004] 为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，包括壳体、线圈、超磁致伸缩体、冲击头、加载块、端盖、驱动电源；线圈设置在壳体
中，超磁致伸缩体设置在线圈中，冲击头设置在超磁致伸缩体上端部，端盖设置在壳体顶
部，加载块设置在端盖的中间孔中，位于冲击头上部，驱动电源通过导线与线圈连接；所述
驱动电源输出周期为t的矩形方波电压，且输出的矩形方波电压为间断输出，且矩形方波电
压一次仅输出一个周期t；当驱动电源输出的一个周期t的矩形方波电压通入线圈时，会使
超磁致伸缩体产生一次伸缩运动，超磁致伸缩体产生的伸缩运动带动冲击头击打加载块，
加载块将冲击力传递至箱梁，使箱梁产生一次“锤击”激励；所述驱动电源间断输出的矩形
方波电压之间的周期为T，且一个扫描周期中，周期T从1.0秒到6.7毫秒之间逐渐变化，相当
于一个扫描周期过程对箱梁施加了频率从1赫兹到150赫兹的“锤击”扫描；由于“锤击”扫描
的频率覆盖了箱梁的中、高阶谐振频率，因此会在一个扫描周期过程中使箱梁在中、高阶谐
振频率点产生谐振峰，检测出谐振峰即可得到箱梁的中、高阶谐振频率；本发明的激励源装
置由于采用了超磁致材料，具有体积小、重量轻、输出功率大、激励频率连续可控的优点，因
此彻底解决了以往的激励源装置体积大、重量大、不易固定设置在箱梁上、激励频率不易控
制等缺点，使高架桥箱梁健康状况动态监测得以实现。

[0005] 为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，包括壳体；所述壳体中间固定设置有线圈骨架，线圈骨架中间设置有通
孔；线圈骨架上绕制有线圈；所述线圈骨架通孔中活动设置有超磁致伸缩体，超磁致伸缩体
与线圈骨架的通孔之间设置有间隙，当线圈通过有电流时，超磁致伸缩体会随线圈电流的
变化发生长度方向的伸缩变化；所述超磁致伸缩体上端部设置有冲击头，当超磁致伸缩体
发生长度方向的伸缩变化时，会带动冲击头做上下运动；所述壳体顶部固定设置有端盖，端
盖中间设置有通孔，通孔中间设置有加载块；所述冲击头与加载块之间设置有间隙，冲击头
做上下运动时会与加载块产生撞击，产生类似“锤击”作用；所述端盖与加载块通过橡胶薄
膜环连接，加载块与端盖的分离设计，可确保“锤击”能量通过加载块全部传递到箱梁；所述
端盖与冲击头之间设置有蝶形弹簧，蝶形弹簧与冲击头、超磁致伸缩体构成弹性系统，弹性
系统会有其固有的谐振频率。

[0006] 进一步的，所述线圈骨架外侧固定设置有铁厄环，铁厄环与壳体组成完整的磁回路，防止出现磁泄漏，可进一步提高电能到机械能的转换效率。

[0007] 进一步的，所述壳体底部中间设置有螺纹通孔，螺纹通孔内设置有顶丝；所述顶丝与超磁致伸缩体底部之间设置有下垫块；下垫块与超磁致伸缩体通过粘接固定连接；通过
调整顶丝，可调整蝶形弹簧的预压，达到调整弹性系统谐振频率的目的。

[0008] 进一步的，所述端盖与橡胶薄膜环通过内压环与螺钉固定连接；所述加载块与橡胶薄膜环通过外压环与螺钉固定连接。

[0009] 进一步的，所述超磁致伸缩体与冲击头之间设置有缓冲环，缓冲环防止超磁致伸缩体因受力过大发生破裂，同时可使“锤击”产生的冲击力有更广的频域范围。

[0010] 进一步的，所述蝶形弹簧为开槽蝶形弹簧；蝶形弹簧设置有预压，蝶形弹簧的预压调整在蝶形弹簧的负刚度弹性范围。

[0011] 进一步的，还包括驱动电源；驱动电源通过导线与线圈连接。

[0012] 进一步的，所述括驱动电源上设置有通信装置和控制装置，可通过远程控制驱动电源的输出。

[0013] 高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置的驱动，是通过对驱动电源输出电压的特殊控制得以实现，其具体方法阐述如下：

[0014] S1：所述驱动电源输出周期为t的矩形方波电压；周期t的矩形方波电压有正半周和负半周，且正半周和负半周幅值相等；

[0015] S2：所述驱动电源输出的矩形方波电压为间断输出，即矩形方波电压一次仅输出一个周期t；矩形方波电压的周期t从0.2‑0.5毫秒连续可调，调整矩形方波电压的周期t，可
与调整弹性系统谐振频率一致，使激励源装置的冲击能量输出达到最大；

[0016] S3：所述驱动电源（16）间断输出的矩形方波电压之间的周期为T；高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置一次驱动为一个扫描周期T’；在扫描周期T’内包含若干个周期T，周
期T的时间从长到短逐渐变化；

[0017] S4：所述扫描周期T’分为粗扫描周期T粗和精扫描周期T精；T粗的扫描范围为1Hz‑150Hz,此扫描范围覆盖了箱梁的中、高阶谐振频率；扫描时间为1800秒；T精的扫描范围以T
粗扫描出的箱梁中、高阶谐振频率为中心点，前后各设置5Hz为扫描范围，扫描时间为300
秒；精扫描周期T精有若干个，数量以粗扫描周期内发现的箱梁中、高阶谐振频率数量确定；
设置T粗和T精多次扫描，既可以缩短总体扫描时间，又可得到较高的扫描精度。

[0018] 由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

[0019] 本发明公开的一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，包括壳体、线圈、超磁致伸缩体、冲击头、加载块、端盖、驱动电源；线圈设置在壳体中，超磁致伸缩体设置在线圈
中，冲击头设置在超磁致伸缩体上端部，端盖设置在壳体顶部，加载块设置在端盖的中间孔
中，位于冲击头上部，驱动电源通过导线与线圈连接；所述驱动电源输出周期为t的矩形方
波电压，且输出的矩形方波电压为间断输出，且矩形方波电压一次仅输出一个周期t；当驱
动电源输出的一个周期t的矩形方波电压通入线圈时，会使超磁致伸缩体产生一次伸缩运
动，超磁致伸缩体产生的伸缩运动带动冲击头击打加载块，加载块将冲击力传递至箱梁，使
箱梁产生一次“锤击”激励；所述驱动电源间断输出的矩形方波电压之间的周期为T，且一个
扫描周期中，周期T从1.0秒到6.7毫秒之间逐渐变化，相当于一个扫描周期过程对箱梁施加
了频率从1赫兹到150赫兹的“锤击”扫描；由于“锤击”扫描的频率覆盖了箱梁的中、高阶谐
振频率，因此会在一个扫描周期中使箱梁在中、高阶谐振频率点产生谐振峰，检测出谐振峰
即可得到箱梁的中、高阶谐振频率；本发明的激励源装置由于采用了超磁致材料，具有体积
小、重量轻、输出功率大、激励频率连续可控的优点，因此彻底解决了以往的激励源装置体
积大、重量大、不易固定设置在箱梁上、激励频率不易控制等缺点，使高架桥箱梁健康状况
动态监测得以实现。

附图说明

[0020] 图1为高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置外观示意图；

[0021] 图2为高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置剖视图；

[0022] 图3为局部A放大示意图；

[0023] 图4为驱动电源一个扫描周期输出电压波形示意图。

[0024] 图中：1、壳体；2、线圈骨架；3、线圈；4、超磁致伸缩体；5、冲击头；6、蝶形弹簧；7、加载块；8、端盖；9、橡胶薄膜环；10、外压环；11、内压环；12、缓冲环；13、铁厄环；14、顶丝；15、
下垫块；16、驱动电源。

具体实施方式

[0025] 通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

[0026] 一种高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置，包括壳体1；所述壳体1中间固定设置有线圈骨架2，线圈骨架2中间设置有通孔；线圈骨架2上绕制有线圈3；所述线圈骨架2通
孔中活动设置有超磁致伸缩体4，超磁致伸缩体4与线圈骨架2的通孔之间设置有间隙；所述
超磁致伸缩体4上端部设置有冲击头5；所述壳体1顶部固定设置有端盖8，端盖8中间设置有
通孔，通孔中间设置有加载块7；所述冲击头5与加载块7之间设置有间隙；所述端盖8与加载
块7通过橡胶薄膜环9连接；所述端盖8与冲击头5之间设置有蝶形弹簧6，蝶形弹簧6为开槽
蝶形弹簧，蝶形弹簧6设置有预压；所述线圈骨架2外侧固定设置有铁厄环13；所述壳体1底
部中间设置有螺纹通孔，螺纹通孔内设置有顶丝14；所述顶丝14与超磁致伸缩体4底部之间
设置有下垫块15；下垫块15与超磁致伸缩体4通过粘接固定连接；所述端盖8与橡胶薄膜环9
通过内压环11与螺钉固定连接；所述加载块7与橡胶薄膜环9通过外压环10与螺钉固定连
接；所述超磁致伸缩体4与冲击头5之间设置有缓冲环12；所述高架桥箱梁谐振频率监测用
激励源装置还包括驱动电源16；驱动电源16通过导线与线圈3连接；所述括驱动电源16上设
置有通信装置和控制装置；

[0027] 所述高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置的驱动，是通过对驱动电源输出电压的特殊控制得以实现，其具体方法阐述如下：

[0028] S1：所述驱动电源16输出周期为0.5毫秒的矩形方波电压；周期0.5毫秒的方波电压有正半周和负半周，且正半周和负半周幅值相等；

[0029] S2：所述驱动电源16输出的矩形方波电压为间断输出；且矩形方波电压一次仅输出一个周期0.5毫秒；

[0030] S3：所述驱动电源（16）间断输出的矩形方波电压之间的周期为T；高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置一次驱动为一个扫描周期T’；在扫描周期T’内包含若干个周期T，周
期T的时间从长到短逐渐变化；

[0031] S4：所述扫描周期T’分为粗扫描周期T粗和精扫描周期T精；T粗的扫描范围从1Hz‑150Hz,扫描时间为1800秒；T精的扫描范围以T粗扫描出的箱梁中、高阶谐振频率为中心点，
前后各设置5Hz为扫描范围，扫描时间为300秒；精扫描周期T精有若干个，数量以粗扫描周
期内发现的箱梁中、高阶谐振频率数量确定。

[0032] 高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置在使用时，配套有高架桥箱梁谐振频率监测装置。

[0033] 高架桥箱梁谐振频率监测用激励源装置在使用时，通过黏胶固定设置在箱梁长度方向1/3处的底部，高架桥箱梁谐振频率监测装置通过黏胶固定设置在箱梁长度方向2/3处
的底部；监测时间为车辆较少通过的夜间时段；通过远程控制，启动驱动电源16，对箱梁进
行“锤击”激励，进行粗扫描；扫描过程中，高架桥箱梁谐振频率监测装置对箱梁振动状况进
行测量；粗扫描结束后，根据高架桥箱梁谐振频率监测装置的测量结果，找出箱梁的初步
中、高阶谐振点；然后再对箱梁的初步中、高阶谐振点进行精扫描，最终得到准确的箱梁中、
高阶谐振点的频率和幅值。

[0034] 本发明未详述部分为现有技术。