基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统及方法技术领域
本发明涉及一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统及方法。
背景技术
主缆是悬索桥结构体系中的重要组成部分，是悬索桥中关键、重要的受力构件，起
着牵一发而动全身的重要作用，也是悬索桥结构体系中最为敏感、最容易发生损伤或者破
坏的构件。我国酸雨区面积已占国土面积的三分之一，成为继欧洲、北美之后世界第三大重
酸雨沉降区，在这种大气污染严重地区、水污染严重地区、雨水（特别是酸雨）、海洋性环境
中，悬索桥主缆极易遭受环境中S2O4、Cl—等腐蚀性介质的侵蚀，主缆的损伤或者破坏会对悬
索桥结构产生重大影响甚至引发严重灾难性后果，是延长悬索桥结构使用寿命的瓶颈所
在，主缆的性能严重影响悬索桥结构的使用寿命。悬索桥主缆腐蚀是目前造成主缆损伤的
主要因素，随着时间的推移其结构性能会不断退化，缩短桥梁的使用寿命，更使得桥梁的安
全可靠性评价出现困难。因此，为保障悬索桥的结构安全及预防运营事故的发生，有必要对
悬索桥主缆进行腐蚀监测，从而保障悬索桥的全寿命安全。
人工观察是早期人们对悬索桥主缆腐蚀监测时常用的方法，但高空作业严重威胁
技术人员的生命安全，且存在大量的主观经验成分。磁漏检测法目前在理论上尚不完善且
在定量监测上存在困难。钢绞线之间存在空隙，并且在各个钢丝表面都存在原始缺陷，基于
超声波的腐蚀监测同样存在巨大的误差甚至错误。另一方面，上述磁漏检测法和超声波法
等均需要人工高空作业，亦严重威胁技术人员的生命安全，尚无法实现在线腐蚀监测，更无
法准确实现主缆腐蚀位置的精确定位。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题之一是提供一种基于磁场的
悬索桥主缆腐蚀监测系统，该监测系统可以在大气污染严重地区、水污染严重地区、雨水
（特别是酸雨）、海洋性环境中等环境作用下，在保持主缆构件原貌的情况下进行全程自动
监测。
就监测系统而言，包括爬行机器人、腐蚀传感探头和数据控制系统；
所述爬行机器人沿主缆螺旋爬行；
所述腐蚀传感探头安装于爬行机器人上，包括三轴磁场传感器、无线数据传输模块、微
处理器、电源和外壳，所述三轴磁场传感器测量主缆的磁感应强度，所述无线数据传输模块
将三轴磁场传感器测得的磁感应强度信息发送至数据控制系统，所述微处理器控制三轴磁
场传感器和无线数据传输模块，所述电源为三轴磁场传感器、无线数据传输模块和微处理
器提供电能，所述外壳将三轴磁场传感器、无线数据传输模块、微处理器和电源封装；
所述数据控制系统对磁场数据进行处理，得到主缆的腐蚀位置，从而对悬索桥的主缆
进行预警。
所述爬行机器人与腐蚀传感探头之间的中心距长度为0.2m，所述腐蚀传感探头的
测量中心至主缆外表面的距离为0.02m；
所述腐蚀传感探头的外形为长方体，所述三轴磁场传感器位于腐蚀传感探头的几何中
心，且所述三轴磁场传感器的x、y和z轴分别与所述腐蚀传感探头的高度、宽度、长度方向平
行，宽度和高度取0.02m。
本发明的监测系统的有益效果：本监测系统能够解在大气污染严重地区、水污染
严重地区、雨水（特别是酸雨）、海洋性环境中等环境作用下对主缆腐蚀进行定量且在线监
测，并且能够在保持主缆构件原貌的情况下进行全程自动监测，避免人工高空作业的风险。
本发明要解决的技术问题之二是提供一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测方法，
该方法使用上述监测系统以实现全程自动监测主缆，并精确地给出悬索桥主缆腐蚀位置，
达到悬索桥主缆腐蚀监测并预警。
就监测方法而言，包括如下步骤：
S1）建立坐标系：对于悬索桥的每一根主缆，以主缆开始测量位置的横截面中心为原点
，建立柱坐标系，主缆长度方向为轴，主缆环向为轴，主缆横截面的径向为轴，其
中，主缆所在的铅垂面为所在的平面，在测量时的每一时刻，上述柱坐标系下的轴、
轴和轴方向分别与三轴磁传感器在自身直角坐标系下的x、y和z轴对应；
S2）监测悬索桥主缆腐蚀时，爬行机器人沿着主缆呈螺旋形移动，将任意时刻的移动速
度分解为2个方向的速率：即轴方向的移动速速度和轴方向的移动速度，轴方向的移
动速率沿主缆长度方向且在主缆所在的铅垂面内；轴方向的移动速率沿环向且垂直于
主缆长度方向，爬行机器人沿着主缆呈螺旋形移动时，腐蚀传感探头的测量中心至主缆外
表面的距离始终不变，腐蚀传感探头的测量中心为腐蚀传感探头的几何中心，为0.02m
（为1/2的腐蚀传感探头宽度，再加上0.01m），
爬行机器人在轴方向的移动速度为
（1）
式中，为预先指定的腐蚀监测的分辨率，单位为m，建议取，即
；为三轴磁传感器的采样频率（），
爬行机器人在轴方向的移动角速度为
（2b）
爬行机器人在轴方向的移动速度为
（2b）
式中，为预先指定的腐蚀监测的分辨率，单位为弧度，；为腐蚀传感探头
的测量中心距离主缆中心的距离，，为主缆的外观半径，为腐蚀传感探头的测
量中心至主缆外表面的距离；为三轴磁传感器的采样频率（），
爬行机器人沿着主缆呈螺旋形移动，在柱坐标系下，腐蚀传感探头中的三轴磁传感器
任意时刻测得的轴、轴、轴方向的磁感应强度分别为，，
；
S3）计算每一时刻的沿着主缆长度方向（轴方向）磁感应强度的梯度
（3a）
（3b）
（3c）
S4）计算每一时刻的磁场梯度张量在轴方向的局部缩并，定义为局部模量
（4）
S5）确定主缆长度方向（轴方向）腐蚀的位置
（5）
S6）计算每一时刻的沿着主缆环向（轴方向）的磁感应强度的梯度
（6a）
（6b）
（6c）
S7）计算每一时刻的磁场梯度张量在轴方向的局部缩并，定义为局部模量
（7）
S8）确定主缆环向方向腐蚀的位置
（8）
S9）根据主缆的腐蚀位置和，对悬索桥的主缆腐蚀进行安全预警。
本发明监测方法的有益效果：本监测方法能够精确地给出悬索桥主缆腐蚀位置，
达到悬索桥主缆腐蚀监测并预警的效果。
附图说明
图1为本发明一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统的结构示意图；
图2为本发明一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统中的腐蚀传感探头的结构示意
图；
图3为本发明一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统中的腐蚀传感探头和爬行机器
人的移动示意图；
图4为本发明一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统中的腐蚀传感探头 和爬行机
器人的柱坐标及移动速度分解示意图；
附图标记：1-电源、2-三轴磁场传感器、3-微处理器、4-无线数据模块、 5-工程塑料外
壳、6-悬索桥、7-主缆、8-腐蚀传感探头、9-爬行机器人、10- 数据控制系统。
具体实施方式
实施例1
本实施例为一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测系统，包括爬行机器人、腐蚀传感探
头和数据控制系统；
所述爬行机器人沿主缆螺旋爬行；
所述腐蚀传感探头安装于爬行机器人上，包括三轴磁场传感器、无线数据传输模块、微
处理器、电源和外壳，所述三轴磁场传感器测量主缆的磁感应强度，所述无线数据传输模块
将三轴磁场传感器测得的磁感应强度信息发送至数据控制系统，所述微处理器控制三轴磁
场传感器和无线数据传输模块，所述电源为三轴磁场传感器、无线数据传输模块和微处理
器提供电能，所述外壳将三轴磁场传感器、无线数据传输模块、微处理器和电源封装；
所述数据控制系统对磁场数据进行处理，得到主缆的腐蚀位置，从而对悬索桥的主缆
进行预警。
所述爬行机器人与腐蚀传感探头之间的中心距长度为0.2m，所述腐蚀传感探头的
测量中心至主缆外表面的距离为0.02m；
所述腐蚀传感探头的外形为长方体，所述三轴磁场传感器位于腐蚀传感探头的几何中
心，且所述三轴磁场传感器的x、y和z轴分别与所述腐蚀传感探头的高度、宽度、长度方向平
行，宽度和高度取0.02m。
实施例2
本实施例为一种基于磁场的悬索桥主缆腐蚀监测方法，包括如下步骤：
S1）建立坐标系：对于悬索桥的每一根主缆，以主缆开始测量位置的横截面中心为原点
，建立柱坐标系，主缆长度方向为轴，主缆环向为轴，主缆横截面的径向为轴，其
中，主缆所在的铅垂面为所在的平面，在测量时的每一时刻，上述柱坐标系下的轴、
轴和轴方向分别与三轴磁传感器在自身直角坐标系下的x、y和z轴对应；
S2）监测悬索桥主缆腐蚀时，爬行机器人沿着主缆呈螺旋形移动，将任意时刻的移动速
度分解为2个方向的速率：即轴方向的移动速速度和轴方向的移动速度，轴方向的移
动速率沿主缆长度方向且在主缆所在的铅垂面内；轴方向的移动速率沿环向且垂直于
主缆长度方向，爬行机器人沿着主缆呈螺旋形移动时，腐蚀传感探头的测量中心至主缆外
表面的距离始终不变，腐蚀传感探头的测量中心为腐蚀传感探头的几何中心，为0.02m
（为1/2的腐蚀传感探头宽度，再加上0.01m），
爬行机器人在轴方向的移动速度为
（1）
式中，为预先指定的腐蚀监测的分辨率，单位为m，建议取，即
；为三轴磁传感器的采样频率（），
爬行机器人在轴方向的移动角速度为
（2b）
爬行机器人在轴方向的移动速度为
（2b）
式中，为预先指定的腐蚀监测的分辨率，单位为弧度，；为腐蚀传感探头
的测量中心距离主缆中心的距离，，为主缆的外观半径，为腐蚀传感探头的测
量中心至主缆外表面的距离；为三轴磁传感器的采样频率（），
爬行机器人沿着主缆呈螺旋形移动，在柱坐标系下，腐蚀传感探头中的三轴磁传感器
任意时刻测得的轴、轴、轴方向的磁感应强度分别为，，
；
S3）计算每一时刻的沿着主缆长度方向（轴方向）磁感应强度的梯度
（3a）
（3b）
（3c）
S4）计算每一时刻的磁场梯度张量在轴方向的局部缩并，定义为局部模量
（4）
S5）确定主缆长度方向（轴方向）腐蚀的位置
（5）
S6）计算每一时刻的沿着主缆环向（轴方向）的磁感应强度的梯度
（6a）
（6b）
（6c）
S7）计算每一时刻的磁场梯度张量在轴方向的局部缩并，定义为局部模量
（7）
S8）确定主缆环向方向腐蚀的位置
（8）
S9）根据主缆的腐蚀位置和，对悬索桥的主缆腐蚀进行安全预警。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技
术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或
基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将
实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说
明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明
内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包
含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。