一种基于MEMS加速度传感器修正的磁通量索力检测装置技术领域
本发明属于土木工程结构安全检测设备领域，特别是涉及一种基于MEMS加速度传感
器修正的磁通量索力检测装置。
背景技术
桥梁拉索的索力大小直接决定着斜拉桥、悬索桥、拱桥等拉索体系桥梁的工作状态，
索力的变化是衡量拉锁体系桥梁缆索结构是否处于正常运行状态的重要标志。因此，采用
准确的方法对桥梁索力进行检测是保证桥梁顺利施工和安全运行的必要手段。
目前，国内桥梁索力的检测通常是采用如下几种方法：油压表法、压力传感器测定、
振动法(频率法)等。但是，由于油压表法存在指针易偏位，高压时指针抖动大，读数人
为误差大等缺点；压力传感器测定法动态响应差，寿命短，价格昂贵等问题；振动法(频
率法)的可靠性取决于拾振器的安装位置，不能实现全天候检测等问题。
但是，近年来针对桥梁索力检测出现了以磁通量法为代表的新方法，并且具有较高的
工程应用前景。桥梁索力磁通量检测方法的原理是基于铁磁性材料的磁弹性效应，即当铁
磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其内部的磁化强度(磁导率)发生变化。在工
程实践中，通过测试铁磁性材料制成的构件的磁导率变化即可以用来测定构件的内应力。
然而，目前基于磁通量检测的桥梁索力检测装置测量到的磁通量是一个静态绝对电压值，
这个电压值会因为磁通量传感器内部线圈及其它电子元器件的老化并随着时间的推移会
引起数据漂移。这将导致在工程实践中需要对基于磁通量检测的桥梁索力检测装置重新进
行现场标定；同时，这也将导致使用成本增加并增加数据处理的难度。因此，这种基于磁
通量检测的桥梁索力检测装置在工程上应用存在一定的局限性。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于MEMS加速度传感器修正的磁
通量索力检测装置。由于桥梁钢缆索会受到过车、大风等因素的激振而发生微振动，本发
明采用的是将基于MEMS(微机电技术)的加速度传感器内置到磁通量传感器中的技术解决
方案。通过测量桥梁钢缆索振动频率特征来分析得出桥梁钢缆索当前的受力特性，并通过
该特性来修正磁通量传感器的数据漂移，从而不仅解决了磁通量传感器内部线圈及其它电
子元器件的老化而导致的数据漂移问题，还提高了桥梁索力测量的稳定性和可靠性。
本发明的技术解决方案：
一种基于MEMS加速度传感器修正的磁通量索力检测装置，包括MEMS加速度传感器1、
温度传感器2、激励线圈3、感应线圈4、升压模块5、晶闸管6、高压电容器7、桥梁钢
缆索8、积分器9、低通滤波器10、模数转换器11、微控制器12、抗混叠滤波器13、RS485
接口14、数据显示模块15；
其特征在于：MEMS加速度传感器1的两端分别连接在抗混叠滤波器13两端，抗混叠
滤波器13通过RS485接口14与微控制器12连接；感应线圈4的两端分别接在积分器9
的两端，低通滤波器10连接在积分器9与模数转换器11之间，模数转换器11连接在低
通滤波器10与微控制器12之间；激励线圈3和高压电容器7的两端分别并联在升压模块
5与晶闸管6上，晶闸管6连接在高压电容器7与升压模块5之间，数据显示模块15连接
在微控制器12上；
MEMS加速度传感器1通过PCB板内置安装在磁通量传感器骨架上形成磁通量索力检测
装置，MEMS加速度传感器1将桥梁钢缆索所受到的外部激励产生的振动信号通过抗混叠滤
波器13滤除混叠信号后，再经过模数转换器11转换成数字信号，最后经过微控制器12
进行FFT运算，最终得到桥梁钢缆索振动的特征频率值。
其中温度传感器2用来修正磁通量传感器的温度漂移；激励线圈3是由索力检测装置
发送的激励信号；低通滤波器11是根据磁通量传感器输出信号的带宽而设定的固定频率
低通滤波器，用于滤除信号带宽之外的干扰和噪声；抗混叠滤波器13是根据MEMS加速度
传感器输出的缆索振动频率特征，根据采样定理，设定满足采样定律的截止频率，用于滤
除混叠信号；晶闸管6用做电子开关，由微控制器12的逻辑信号控制。
优选地，所述MEMS加速度传感器1的方向为Z轴。
优选地，所述MEMS加速度传感器1与温度传感器2共用供电端子。
优选地，所述数据显示模块15为触摸屏，可以显示当前索力值、温度漂移值、特征
频率值及磁通量传感器的数据修正值。
优选地，所述感应线圈4直接插入在激励线圈3中，在工程检测中，将桥梁钢缆索8
直接固定在感应线圈4上，感应线圈4将感应到的感应电压通过积分器9运算得出桥梁钢
缆索因受力而引起的磁导率变化，最终得到积分电压的变化值。
优选地，所述微控制器12可以选择51系列单片机，也可以选择ARM系列控制器，其
主要是对时域信号进行FFT运算得到桥梁钢缆索的特征频率值、对MEMS加速度传感器所
测得的索力值进行特征频率计算得到磁通量传感器的数据修正值及将数据传输到数据显
示模块15。
特征频率值与桥梁钢缆索之间的关系式为：
T＝4ml2fr2/r
(其中m为单位长度索重，l为索长，fr为第r阶模态频率)
通过分析fr，并反推出当前的力值T，就可以修正磁通量传感器当前的测量力值。
高压电容器7通过晶闸管6对激励线圈3放电。
因振动信号测量的是频率信号，而由元器件老化产生的时间漂移所影响的是信号的幅
值，故通过MEMS加速度传感器测量的索力值不会因时间而发生数据漂移，所以该误差相
对于磁通量传感器测量的数据具有基准对比的意义，可对磁通量传感器的测量数据进行修
正。所述的基于MEMS加速度传感器修正的磁通量索力检测装置，其特征在于：感应线圈4
将感应到的感应电压通过积分器9运算得出桥梁钢缆索因受力而引起的磁导率变化，最终
得到积分电压的变化值。
本发明具有结构简单，制造使用方便的特点，只需要在磁通量传感器内部内置一个
MEMS加速度传感器，就可以解决目前磁通量索力检测装置最大的时间漂移问题，降低了监
测成本，并提高监测数据的有效性和可靠性。
附图说明
图1是本发明磁通量传感器内部结构图；
图2是本发明磁通量采集原理框图。
附图中各部件的标记如下：1、MEMS加速度传感器；2、温度传感器；3、激励线圈；
4、感应线圈；5升压模块；6、晶闸管；7、高压电容器；8、桥梁钢缆索；9、积分器；
10、低通滤波器；11、模数转换器；12、微控制器；13、抗混叠滤波器；14、RS485接口；
15、数据显示模块。
具体实施方式
本发明可以通过公开的技术具体实施，通过下面的实施例可以对本发明进行进一步的
描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。
实施例如图2所示：本发明在实施过程当中，首先将MEMS传感器固定在PCB板上并
内置安装在磁通量传感器骨架上，由于MEMS加速度传感器的振动轴方向要与桥梁钢缆索
的振动方向保持垂直，所以一般选择Z轴为MEMS加速度传感器的方向。此外，由于MEMS
加速度传感器只需供电就可以直接输出电压信号，所以MEMS传感器的供电可以与温度传
感器一起供电以减少供电端子。
当索力检测装置如图2所示安装制作好后便可以对桥梁钢缆索进行索力检测。在工程
实践中，只需把MEMS加速度传感器的输出线缆引出即可。当检测装置与桥梁钢缆索安装
完成后，便可以启动索力检测。首先，磁通量索力检测装置利用晶闸管6通过升压模块5
为高压电容器7充电直至设定电压值；然后，当磁通量索力检测装置微控制器12接收到
采集命令后，高压电容器7通过与激励线圈3连接的晶闸管6对激励线圈3进行放电，同
时感应线圈4感应到因磁通量变化而引起的感应电压；最后，通过磁通量索力检测装置内
部的积分电路及滤波器滤波并调理得出桥梁钢缆索在不同受力情况下对应的磁导率变化
而引起的感应电压变化值。
当需要修正磁通量索力检测装置磁通量传感器测量的数据时，首先，需要利用MEMS
加速度传感器进行采样，采样的数据通过抗混叠滤波器13和模数转换器11处理后得到一
组等间隔采样的时域数据；然后，并通过微控制器12对其进行FFT运算得到当前桥梁钢
缆索振动的特征频率值；最后，通过当前特征频率值所对应的索力值来修正磁通量传感器
的感应电压值。例如，当磁通量索力检测装置初次安装后测量得到的桥梁钢缆索拉力值为
T0，此时MEMS加速度传感器测得的特征频率是5Hz，通过T＝4ml2fr2/r公式计算可得出当
前桥梁钢缆索的拉力为T，将这两个数据作为检测装置的初始值存储，一般安装之初
(T0＝T)。
但是，假设磁通量索力检测装置经过几个月的使用之后，通过磁通量索力检测装置测
量的桥梁钢缆缆索当前拉力值为T1，而经过MEMS加速度传感器测量到的拉力值为Tn，此
时，便可通过Tn-T＝A，T1-(T0+A)＝C，C即为磁通量传感器的修正值，从而可对每次测
量值减去C即可得到当前桥梁钢缆索所受到的绝对受拉力值，最终达到索力修正的技术效
果。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而
理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不
脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。