宋 凱,柳 權(quán),劉國勇,劉付鵬,徐 帆

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063;2.江西飛尚科技有限公司,南昌 330063)

?

閉合磁路的磁彈索力傳感器優(yōu)化及實驗研究*

宋 凱1*,柳 權(quán)1,劉國勇2,劉付鵬2,徐 帆2

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063;2.江西飛尚科技有限公司,南昌 330063)

針對目前已經(jīng)工程應(yīng)用的磁彈索力傳感器的磁路結(jié)構(gòu)、工作點及激勵信號等設(shè)計的不足,從鐵磁性材料的磁特性出發(fā),結(jié)合基于磁彈效應(yīng)的索力測量原理,設(shè)計并制作了單“U”型磁軛的閉合磁路磁彈索力傳感器,確定了激勵信號的幅值、頻率及傳感器工作點。實驗結(jié)果表明,在激勵峰峰值為6 V時,纜索處于近飽和磁化階段,此時傳感器靈敏度最高,為32.470 mV/kN,其測量結(jié)果的線性相關(guān)系數(shù)為0.970 4。

傳感器;應(yīng)力測量;磁彈效應(yīng);閉合磁路

鋼纜索具有較強的抗拉強度、抗疲勞強度及抗沖擊韌性,并且其重量輕、柔性好,在橋梁建設(shè)、起重機、纜車等各大工程設(shè)備及領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于其長期工作于風(fēng)振、腐蝕、大載荷及交變載荷環(huán)境中,容易產(chǎn)生疲勞累積、應(yīng)力過大、集中或松弛甚至損傷所致的應(yīng)力損失,從而對纜索結(jié)構(gòu)的運營狀況產(chǎn)生不利影響,所以必須對纜索的應(yīng)力大小進行實時測量和監(jiān)測,確保纜索結(jié)構(gòu)體系的正常受力狀態(tài)。傳統(tǒng)的鋼纜索應(yīng)力測量法主要有[1-2]:頻率測定、液壓表測定及壓力傳感器測定3種方法,對于已建成或已經(jīng)投入運營的橋梁等工程設(shè)備的鋼纜索,幾乎只有頻率測定能夠滿足其在線測量及監(jiān)測的需求。由于必須使用人工敲擊或其他方式使纜索產(chǎn)生振動,且基頻的識別較為困難,使得頻率測定法受到了極大的限制。

基于磁彈效應(yīng)(Magneto-Elasto Effect)的應(yīng)力測量法作為索力測量的新方法,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壽命長、動態(tài)響應(yīng)快和易校準等優(yōu)點,在國內(nèi)外的應(yīng)用日益廣泛。Ming L WANG等人[3-5]提出雙線圈結(jié)構(gòu)測量纜索增量磁導(dǎo)率(Increment Permeability)的原理,研制了套筒式磁彈傳感器,將其運用到橋梁纜索的應(yīng)力測量,并提出使用增量相對磁導(dǎo)率作為纜索應(yīng)力的評價標準,然而應(yīng)用套筒式傳感器對已建纜索的應(yīng)力測試還有頗多困難。唐德東[6-8]等人開展了基于磁彈法的大量研究工作,構(gòu)建了磁彈效應(yīng)法的理論模型,完善了該方法的理論體系,設(shè)計并提出了單旁路勵磁結(jié)構(gòu)傳感器的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計和差動式溫度自動補償技術(shù),但傳感器的工作點仍遵循Ming L WANG模型,選取在磁導(dǎo)率最大值附近。段元鋒等人[9-10]研制了具有超磁致伸縮材料驅(qū)動的壓電材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)構(gòu)成的復(fù)合層疊式傳感器代替了傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈,并運用到了鐵軌和纜索的應(yīng)力測量,使得傳感器精度和信噪比更高,同時尺寸更小。

本文研制了磁彈索力傳感器系統(tǒng)及閉合磁路的磁彈傳感器[8,11],以直徑為9 mm的鍍鋅鋼纜索為實驗對象,開展了應(yīng)力測試實驗,研究了不同激勵強度下的測量信號特征,提出了傳感器的最佳磁化工作點。

1 磁彈傳感器測量原理

當(dāng)鐵磁性材料被外磁場磁化時,若其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變(拉力、壓力或扭轉(zhuǎn)),則其磁特性參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變(如磁導(dǎo)率)。通過測量并獲得其磁特性參數(shù)和應(yīng)力的關(guān)系,即可實現(xiàn)纜索的應(yīng)力測量。

根據(jù)Joule效應(yīng)、材料力學(xué)及鐵磁學(xué)可以推導(dǎo),當(dāng)纜索在磁場強度為H的外磁場中被磁化時,其索力的大小與磁特性之間的函數(shù)關(guān)系為[12]:

(1)

式中,E為彈性模量;A為鋼纜索的橫截面積;λs為飽和磁致伸縮系數(shù);Ms為飽和磁化強度;Ku為單軸各向異性常數(shù);θ0為外磁場與易磁化軸的夾角。

由式(1)可以看出,索力F的變化只和外磁場強度H和增量磁導(dǎo)率Δμ有關(guān)。當(dāng)選定外磁場強度(即確定傳感器工作點)后,F只和Δμ有關(guān),并且呈線性關(guān)系。

圖1 鐵磁性材料的磁滯回線

如圖1所示的鐵磁性材料的磁滯回線,增量磁導(dǎo)率Δμ定義為[3-4]:

Δμ=ΔB/ΔH

(2)

為了測量Δμ,一種可能的方法是設(shè)計嵌套式雙線圈結(jié)構(gòu),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,若檢測線圈中的磁場為均勻磁場,則其增量相對磁導(dǎo)率在某一溫度下可以由下式表示[13]:

(3)

其中S0和Sf分別為感應(yīng)線圈和纜索的橫截面積;Vout和V0分別為線圈中有纜索和在空氣中的積分電壓。

由式(3)可以看出,相對磁導(dǎo)率和Vout成線性關(guān)系。綜上所述,索力F與積分電壓Vout成線性關(guān)系,所以可通過標定積分電壓Vout與纜索應(yīng)力的關(guān)系,實現(xiàn)纜索的應(yīng)力測量及監(jiān)測。

2 閉合磁路的磁彈索力測量系統(tǒng)

磁彈索力測量系統(tǒng)包括依次連接的激勵模塊、傳感器、后處理模塊3個部分,如圖2所示。

圖2 閉合磁路的磁彈索力測量系統(tǒng)示意圖

圖3 閉合磁路傳感器

2.1 傳感器設(shè)計

目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的磁彈索力傳感器大多為開放磁路式的即套筒式磁彈索力傳感器,它由兩個嵌套于纜索外的線圈構(gòu)成,纜索是其主要的磁路部分。雖然它結(jié)構(gòu)簡單,靈敏度高,但其在線安裝困難的缺點卻成了其發(fā)展和推廣應(yīng)用的最大阻礙。為了克服傳統(tǒng)磁彈索力傳感器的缺點,可以將纜索設(shè)計成磁路中的一部分,激勵和檢測線圈分別繞制于由高磁導(dǎo)率材料(如工業(yè)純鐵)制成的“U”形磁軛的兩個磁極上。在線測量時,只需將磁軛安裝至纜索表面即可。

如圖3所示的傳感器,其設(shè)計參數(shù)可以由磁路分析獲得。為了避免探頭工作時,其磁軛部分處于較高磁化狀態(tài)(低磁導(dǎo)率),其磁軛和磁極的橫截面積應(yīng)不小于纜索的橫截面積:

(4)

(5)

線圈的參數(shù)可通過分析磁路結(jié)構(gòu)各部分的磁導(dǎo)獲得。根據(jù)磁路的歐姆定律,由激勵線圈產(chǎn)生的磁動勢Fm為:

(6)

其中H0為傳感器的磁化工作點。根據(jù)纜索的初始磁化曲線可以確定H0處纜索的磁導(dǎo)率μ的值。

如圖4為傳感器的等效磁路圖,根據(jù)磁路的基爾霍夫定律可以求得:

①設(shè)纜索的磁導(dǎo)為G1,則

(7)

②氣隙的磁導(dǎo)為G2,主要是指磁極和纜索之間空隙,其值可以由下式導(dǎo)出[15]:

G2=0.077μ0(D0-D1)

(8)

③磁極和磁軛的磁導(dǎo)分別為G3、G4,磁導(dǎo)率為μ1,則:

(9)

(10)

圖4 等效磁路示意圖

2.2 激勵參數(shù)及工作點

目前已經(jīng)實現(xiàn)工程應(yīng)用的套筒式磁彈索力傳感器,采用的多為高頻、低占空比的脈沖直流型激勵源,頻率多在500 Hz左右。考慮到脈沖直流激勵在電壓為0 V時,由于纜索為鐵磁性材料,其磁場并不為0,而是具有一定的剩磁Br,若此時纜索的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,則很有可能出現(xiàn)磁化混亂的現(xiàn)象[14],對測量帶來不利影響。同時,由于較高的頻率會在纜索中產(chǎn)生渦流效應(yīng),纜索內(nèi)耗增加,測量靈敏度降低。此外,工程上磁化工作點H0一般選取在最大磁化率區(qū)(具有最大磁導(dǎo)率Pm),此時磁導(dǎo)率對外磁場強度變化最劇烈?；诖艔椥?yīng)的索力測量法實質(zhì)上是測量纜索的增量磁導(dǎo)率Δμ,其磁化工作點H0應(yīng)該選取在Δμ對應(yīng)力較為敏感的區(qū)域,然而該磁化區(qū)域并不在最大磁化率區(qū)之內(nèi)。

如圖5所示為鋼索在50 MPa和100 MPa應(yīng)力下的磁化曲線。由圖5可以看出,當(dāng)激勵磁場強度為2 000 A/m～4 000 A/m時,磁感應(yīng)強度的變化量ΔB最大,即由應(yīng)力所致的增量磁導(dǎo)率Δμ變化最大,可以認為此時傳感器的檢測靈敏度最大。綜上分析,應(yīng)該采取具有正負雙向激勵的信號作為激勵源,其幅值應(yīng)該使纜索處于近飽和磁化區(qū)。

圖5 不同應(yīng)力狀態(tài)下的磁化曲線

實驗系統(tǒng)激勵信號峰峰值Vp-p為6 V、頻率f為2.5 Hz的方波信號。設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器的線圈和激勵參數(shù)

2.3 信號采集及處理

保證數(shù)據(jù)的可控性，數(shù)億量級的數(shù)據(jù)需要實時處理，對于現(xiàn)在的計算機硬件來說是一個極大的挑戰(zhàn)，如何搭建一個高性能，高并發(fā)的實時數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并在突發(fā)情況，自然災(zāi)害發(fā)生的情況下保證數(shù)據(jù)不會丟失，是智慧城市發(fā)展的第二個需要面臨的問題。

信號采集模塊使用的是遙測采集系統(tǒng),感應(yīng)線圈拾取的感應(yīng)信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后通過該系統(tǒng)實時顯示并儲存在工控機中,最終通過軟件對信號進行低通濾波、零線調(diào)整和積分處理,如圖6所示。

圖6 測量系統(tǒng)實物圖

圖7 并聯(lián)電容

3 應(yīng)力測量及結(jié)果分析

實驗測試用的纜索為φ9 mm的鍍鋅鋼纜索,采用電子萬能拉伸試驗機進行張拉實驗,應(yīng)力測試范圍為0～20 kN,采樣間隔為2 kN,測量系統(tǒng)采樣時拉伸機低速保載,每次采樣時間為30 s。實驗環(huán)境溫度為25 ℃,測量前對纜索進行預(yù)應(yīng)力拉伸實驗,以消除由應(yīng)力所致的剩磁對測量結(jié)果的影響。

由拉伸機產(chǎn)生的噪聲對積分信號的影響是巨大的。與模擬積分電路的輸出不同,對感應(yīng)信號進行數(shù)字積分處理時,考慮到即使是很小的雜波也會對積分信號的幅值產(chǎn)生較大影響,雖然低通濾波處理濾除了一部分高頻雜波,但實際采集過程中由于拉伸機產(chǎn)生的噪聲卻難以濾除。實驗中在檢測線圈兩端并聯(lián)了電容,使高頻雜波在采集卡之前形成回路,以達到濾波的目的。

圖8(a)、(b)為并聯(lián)電容前后的積分信號波形圖,可以看出,無并聯(lián)電容時,積分電壓波形的包絡(luò)線呈現(xiàn)無規(guī)律變化,而并聯(lián)電容后,積分信號能夠在長時間采集過程中保持穩(wěn)定。從圖8(c)可以看出,雖然并聯(lián)電容將減小積分電壓的幅值,但其測量結(jié)果的線性度有顯著的提高。

圖8 電容對積分信號的影響

在圖8(b)所示的積分信號,其最小值總是在零點附近波動,為了獲得某一載荷下的積分電壓,應(yīng)使用每個周期的最大值和最小值之差并作算術(shù)平均來表征,測量結(jié)果如圖8(c)所示。從圖中可以看出,傳感器在較低載荷下的靈敏度有所降低,初步分析有以下兩點:由于磁極內(nèi)徑D1小于纜索公稱直徑D0,當(dāng)傳感器安裝于纜索表面時,在較低載荷下纜索與磁極存在一定的壓力;試驗的纜索其繩芯為纖維材料,該材料為非鐵磁性且對外圍鋼絲具有支撐、緩沖和潤滑作用,而磁彈傳感器只能反映纜索中鐵磁性材料部分,即鋼絲部分的拉(應(yīng))力水平,且由于纜索結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,逐漸增大的外力必將導(dǎo)致其鋼絲接觸行為發(fā)生改變,使得其鋼絲受力并不完全呈現(xiàn)線性增加趨勢。

為了驗證傳感器的磁化工作點H0在纜索的不同磁化區(qū)對測量靈敏度的影響,實驗還選取了Vp-p分別為4 V、8 V、10 V的激勵信號進行索力測試,測試之前使用高斯計測量傳感器未安裝纜索時,感應(yīng)線圈磁極處的磁場強度以獲取纜索的磁化程度,結(jié)果如表2所示。根據(jù)纜索的磁化曲線可知,纜索在上述激勵電壓下分別工作于初始磁化區(qū),近飽和磁化區(qū)和飽和磁化區(qū)。在如圖9所示的測量結(jié)果,其靈敏度依次為26.884、28.359和28.874,可見當(dāng)激勵電壓為6 V時測量靈敏度最大,此時纜索處于近飽和磁化區(qū)。

表2 感應(yīng)線圈磁極的磁場強度

圖9 不同激勵信號幅值對測量信號的影響

4 結(jié)論

根據(jù)磁彈效應(yīng)的索力測試原理結(jié)合鐵磁性材料特有的磁特性,設(shè)計并制作了閉合磁路的磁彈索力傳感器,使用遙測采集及數(shù)字信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的提取及處理,并開展了應(yīng)力測試實驗,提出將傳感器的磁化工作點H0選取在近飽和磁化區(qū),實現(xiàn)了傳感器靈敏度的優(yōu)化。本文未開展溫度對測量結(jié)果的影響分析,進一步的研究工作所以可在某一溫度下進行應(yīng)力標定后通過溫度補償來獲得實際應(yīng)力值,也可以在不同溫度下分別進行標定從而實現(xiàn)纜索的應(yīng)力評價。

[1] 熊桂開,周成濤.五種方法測定拉索索力的特點與適用性分析[J].路基工程,2012(2):138-140.

[2]孫江波,趙紅華,趙作周,等.斜拉索索力測量方法的比較分析[J].工業(yè)建筑,2011,41(S1):402-403.

[3]Wang M L.Monitoring of Cable Forces Using Magneto-Elastic Sensors[C]//2nd US China Symposium Workshop on Recent Developments and Future Trends of Computational Mechanics in Structural Engineering,1998:25-28.

[4]Wang M L,Chen Z.Magneto-Elastic Permeability Measurement for Stress Monitoring in Steel Tendons and Cables[C]//Proc of the SPIE 7th Annual Symposium on Smart Structures and M aterials,Health Monitoring of the High Way Transportation 200 Infrastructure,1995:492-500.

[5]Jarosevic A.Magnetoelastic Method of Stress Measurement in Steel[J].NATO Science Series Volume 65,1999:107-114.

[6]唐德東.基于磁彈效應(yīng)的鋼纜索索力在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)探索[D].重慶:重慶大學(xué),2007:51-52.

[7]唐德東,黃尚廉,陳偉民.基于磁彈效應(yīng)的斜拉橋索力傳感器研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(10):28-29.

[8]唐德東,黃尚廉,姜建山,等.基于磁彈效應(yīng)溫度補償型單旁路勵磁索力傳感器研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(6):1241-1244.

[9]Duan Yuanfeng,Siu Wing Or.Smart Elasto-Magneto-Electric(EME)Sensors for Stress Monitoring of Steel Structures in Railway Infrastructures[N].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A,2011(12):895-901.

[10]Duan Yuanfeng,Siu Wing Or.Steel Stress Monitoring Sensor Based on Elasto-Magnetic Effect and Using Magneto-Electric Laminated Composite[J].Journal of Applied Physics,2012(111):07E516.

[11]石延平,范書華,臧勇.一種用于檢測轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的新型多功能非接觸式傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2012,25(3):378-382.

[12]孫志遠.基于磁彈效應(yīng)的索力傳感器研究[J].地震工程與工程振動,2008,28(1):183-184.

[13]Zhiyuan S,Xueshan Y,Feng G,et al.Fabrication of Cable Tension Sensor Based on Magnetoelastic Effect[J].Proceedings of 2009 International Conference on Electronic Computer Technology,China,2009:659-663.

[14]劉小亮.磁彈索力傳感器設(shè)計方法及實驗研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011:14-15.

[15]林其壬.磁路設(shè)計原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987:103-106.

The Optimization and Experimental Study of Closed-Loop Magneto-Elasto Cable Tension Sensor*

SONGKai1*,LIUQuan1,LIUGuoyong2,LIUfupeng2,XUFan2

(1.Key Laboratory of Nondestructive Test(Ministry of Education),NCHU,Nanchang 330063,China;2.Jiangxi Fasion Technology Co.,ltd,Nanchang 330063,China)

Presently,the design of magneto-elasto cable tension sensor’s parameters such as sensor structure,working point and drive signal is not perfect.In order to make the sensitivity higher,the magnetic properties of ferromagnetic materials and the principle of cable force measurement based on magneto-elasto effect was discussed.A“U”shaped of single bypass closed-loop Magneto-Elasto Cable Tension Sensor was designed,then confirmed the amplitude and frequency of the drive signal,and the working point has also been determined.The results shows that while theVp-pof the drive is 6 V,the sensitivity reached maximum,32.470 mV/kN.Moreover,this have been proved that it runs a high degree of linearity to stress,the linearly dependent coefficient is 0.970 4.

sensor;stress measurement;magneto-elasto effect;closed-loop magnetic circuit

宋 凱(1975-)男,副教授,博士,主要研究方向為電磁無損檢測新技術(shù),電磁場數(shù)值計算,songkai@nchu.edu.cn;

柳 權(quán)(1989-)男,碩士研究生,主要研究方向為電磁無損檢測新技術(shù),liu-quan@hotmail.com。

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51265041);江西省教育廳科技項目(GJJ12406);無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室基金項目(ZD201029003);南昌航空大學(xué)研究生創(chuàng)新專項基金(YC2013-009)

2014-09-15 修改日期:2014-11-23

C:3120W;7210X

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.007

TP212.1

A

1004-1699(2015)02-0188-05