王 瑛，張 璋，周 尚

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京 100124)

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基于磁阻抗測量法的應力傳感器

王 瑛，張 璋，周 尚

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京 100124)

現(xiàn)階段檢測鋼軌應力的主要方法有巴克豪森磁噪聲法、X光檢測法、磁聲發(fā)射法和超聲波法等。這些方法都有共同的不足，即探測設備復雜且需要較高功耗，不適合戶外作業(yè)。文中設計了一種將應力轉變?yōu)殡娐纷杩棺兓膫鞲衅?。借助matlab仿真并通過多次的實驗與測試，得到了將阻抗變化轉換為數(shù)據(jù)的方法，并結合低功耗嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和非線性標定算法進行數(shù)據(jù)擬合，達到了應力檢測的預期精度。整個系統(tǒng)無大功率元件，為低功耗、便攜式應力傳感器奠定了一定基礎。

應力;壓磁傳感器;磁阻抗

0 引言

鋼軌的無損應力檢測一直受到工程界的重視。主要檢測方法有電阻應變計測量法、超聲波法、X射線法。其中電阻應變計只能測定鋼軌表面一點在某個方向的應變，而超聲波和X 射線法的測量準確度會受到鋼軌微觀結構以及測量裝置和鋼軌之間的耦合影響。為解決上述問題，本文提出了一種基于磁阻檢測的鋼軌應力檢測系統(tǒng)，解決了檢測方向單一、易受鋼軌微觀結構影響的問題。

AD5933是一款高精度的阻抗轉換器，片上集成頻率發(fā)生器與12位、1 MSPS的模數(shù)轉換器(ADC)。用頻率發(fā)生器產生的信號來激勵外部復阻抗，外部阻抗的響應信號由片上ADC進行采樣，再由片上DSP進行離散傅里葉變換處理，可以廣泛應用在電化學分析、生物電極阻抗測量、阻抗譜分析、自動控制傳感器等眾多領域。在本文所述方法中，壓磁傳感器采集電磁信號，經信號放大電路傳遞至AD5933，AD5933處理采集到的壓磁信號，計算出鋼軌磁阻，得到相應的應力值。

實際工程中，無損檢測為阻抗的測量提供了很大的方便，單片集成技術明顯減小了儀器的體積，使得儀器使用更加方便。簡單的I2C通訊方式，方便用戶操作，減小了用戶編程的困難。由于它給出的直接是變換后阻抗的實部和虛部數(shù)據(jù)，明顯簡化了用戶編程過程，節(jié)省了開發(fā)時間。

1 壓磁傳感器理論依據(jù)

壓磁傳感器以磁彈效應為理論基礎，即被磁化的鐵磁材料在應力作用下形成磁彈性能，使磁化強度重新取向，從而導致應力σ方向和磁導率μ發(fā)生變化[1]。

鐵磁材料的相對磁導率變化與應力σ之間的關系為[2-3]

(1)

式中：λm為磁致伸縮系數(shù)；μ為磁導率；σ為應力；Βm為磁感應強度。

式(1)是應力和磁導率的理論數(shù)學模型，它反映了當路軌受到應力作用時，由于壓磁效應的影響，路軌磁導率的變化與應力的大小成正比。也就是說當外界磁場一定時，路軌受到的應力越大，它的磁導率也就越大。

由于磁化電流I=Imcos(ωt+φ)，所以傳感器阻抗為復數(shù)阻抗，即由電阻和電抗構成，而電抗又分為容抗和感抗。

設磁化電流為I=Imcos(ωt+φ)，磁化場H=Hmcos(ωt+φ)，磁感應強度B比H落后一個相角δ，則磁通密度B為

Β=Βmcos(ωt+φ-δ)

用向量表示：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

復數(shù)電感L則為

(7)

式中：Ae為閉合電路磁芯的有效面積；le為有效磁路長度；C1為磁芯常數(shù)；N為繞組匝數(shù)。

將式(4)帶入式(6)中可得：

(8)

(9)

對于繞在磁芯上的電感線圈，對于正弦信號產生的阻抗為

(10)

將式(9)代入式(10)中得：

(11)

通過上述理論分析，由式(11)可以看出，壓磁傳感器的阻抗與其磁導率有關。在實際檢測中，構成壓磁傳感器回路的有二個部分，包括壓磁傳感器自身和待測路軌,如圖1所示。

圖1 傳感器探測位置

當壓磁傳感器和待測路軌組成回路時，磁導率就不單單是傳感器自身的了，即：

μ=f(μ傳感器，μ待測路軌)

(12)

只要路軌應力發(fā)生改變，便會導致路軌磁導率發(fā)生變化，由式(12)可以得出路軌的磁導率將直接影響測試系統(tǒng)的磁導率，同時也影響著壓磁傳感器的阻抗。該方案的設計思路便是基于上述理論，通過檢測壓磁傳感器的阻抗變化，反映應力變化。

2 壓磁傳感器結構設計

本測試系統(tǒng)使用差動式壓磁傳感器，結構如圖2所示。該傳感器主要由2個“U”型磁芯構成：C2，B1端為激勵端，A2，D2端為響應端。由于磁彈效應的作用，對于正磁致伸縮材料，由于在某一方向上應力變化，會引起水平和垂直兩個方向上磁導率的變化，從而產生響應電壓。即施加垂直應力會使沿垂直方向應力增大，水平方向應力減小。同理，若施加水平應力會使沿水平方向的應力增大，垂直方向應力減小。若使用單個“U”型磁芯作為壓磁傳感器進行測量，則會遺漏另一方向的壓力變化，造成測量不全面且電壓變化不明顯。

圖2 傳感器結構示意圖

在實際測量過程中，要特別注意壓磁傳感器的放置點，由于該系統(tǒng)主要檢測鋼軌的工作應力，而此類型應力主要集中在鋼軌頭部，所以壓磁傳感器應靠近軌頭，如圖3所示。

圖3 鋼軌示意圖

差動式壓磁傳感器的線圈纏繞方式也需要特別注意，以激勵端為例，由于磁芯1的B1端和磁芯2的C2端線圈都通有f=1 kHz的正弦交流電，故會產生磁場，發(fā)生磁耦合現(xiàn)象。根據(jù)右手螺旋法則可以確定電流產生的磁通方向和彼此交鏈的情況，方向如圖4所示，等效電路如圖5所示[4]。

圖4 磁通方向示意圖

圖5 等效電路圖

磁芯1的電流產生的磁通設為Φ11，線圈自身產生的磁通鏈設為Ψ11，此磁通鏈稱為自感磁通鏈；Φ11中的一部分或全部穿過線圈2時會產生磁通鏈,設為Ψ21，稱為互感磁通鏈。同理，線圈2中的電流i2也會產生自感磁通鏈Ψ22和互感磁通鏈Ψ12，這就是彼此的耦合情況。差動式壓磁傳感器是將磁芯1的B2端和磁芯2的C1端串聯(lián)，將磁芯1的B1端和磁芯2的C2端作為激勵的輸入。此連接方式使兩個線圈產生的磁通鏈為Ψ11、Ψ22，同向即自感方向的磁場得到增強，使得響應電壓更加明顯。若將磁芯1的B2端和磁芯2的C2端串聯(lián)，剩下的兩端作為激勵的輸入，這樣磁通鏈Ψ11、Ψ22，反向即自感方向的磁場得到減弱，使得響應電壓過小而埋沒在噪聲當中，導致無法測量。

響應端接線方式也應遵守上述原則，即使得自感方向的磁場得到增強，故將線圈1的A1和線圈2 的D1串聯(lián)，線圈1的A2和線圈2的D2作為響應的輸出。

相關測量參數(shù)如表1、表2、表3所示。

表1 垂直方向磁芯測試參數(shù)

表2 水平方向磁芯測試參數(shù)

表3 差動形式的測試參數(shù)

傳感器響應電壓數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同方式的響應電壓

從實際測量結果可以看出，采用差動式壓磁傳感器后，響應電壓最小為6．05 V，約是單端壓磁傳感器的3倍，所帶來的的優(yōu)點有兩方面：

(1)電壓幅值增大使響應信號不易埋沒于噪聲信號中，方便AD5933采集處理。

(2)使用單端壓磁傳感器測量時，垂直方向電壓變化最大為50 mV，水平方向電壓變化最大為60 mV，而使用差動式壓磁傳感器后電壓變化最大為70 mV且同時兼顧水平方向和垂直方向。通過對比，可明顯看出后者的變化更加明顯，方便測量。

3 數(shù)據(jù)檢測

本系統(tǒng)的檢測對象是待測鋼軌的磁阻，通過壓磁傳感器，加載激勵信號至待測鋼軌并采集磁阻響應信號，AD5933處理響應信號并計算幅值及相對相位，經RS232或zigbee無線網(wǎng)絡傳輸至上位數(shù)據(jù)處理單元；通過上位機數(shù)據(jù)處理單元，繪出磁阻變化曲線，再由相關標定確定應力變化。該系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)框圖

AD5933作為磁阻檢測處理芯片，通過設置操作，可以準確計算出各掃描頻點的阻抗幅值和相對相位，其功能框圖如圖7所示。

圖7 AD5933功能框圖

在阻抗檢測方案中，Z(ω)為待測阻抗，通過AD5933片上DFT運算計算出幅度值和相對相位，再乘以一個稱為增益系數(shù)的比例系數(shù)，即可計算出接在VOUT和VIN引腳之間的任何未知阻抗。但傳統(tǒng)的檢測方案并不適用于本設計，因為在該檢測系統(tǒng)中Z(ω)并不是單一的待測阻抗，它實際包含了TPA6211a1音頻放大芯片、差動式壓磁傳感器和AD623差分放大器。其中差動式壓磁傳感器為待測阻抗，AD5933可以計算出Z(ω)的幅值和相對相位，待檢測的壓磁傳感器阻抗是Z(ω)的一部分，而壓磁傳感器阻抗的變化趨勢與Z(ω)相同，所以壓磁傳感器的阻抗變化與應力之間的關系可以轉換為Z(ω)與應力之間的關系，通過數(shù)據(jù)擬合，神經網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)處理方法進行標定，即可得到與應力的函數(shù)關系。

阻抗幅值的變化是數(shù)據(jù)檢測的重點，它的變化趨勢與應力變化最為密切，施加拉應力的范圍為0.5×104～4×104N,幅值變化與應力的對應關系如表5所示。

表5 仿真數(shù)據(jù)

通過表5可以看出，阻抗幅值隨應力的增大而呈上升趨勢，最大拉應力和最小拉應力的幅值差為43.8，變化較顯著。通過matlab的數(shù)據(jù)擬合對阻抗幅值和應力的變化關系進行進一步分析，擬合后的函數(shù)關系表達式為

f(x)=p1x4+p2x3+p3x2+p4x+p5

式中：p1= -3．628×10-6;p2=0．258 3;p3= -7 655;p4= 1．008×108;p5= -4．98×108。

4 結束語

該設計采用阻抗測量芯片AD5933進行應力檢測，相比巴克豪森磁噪聲法、X光檢測法、磁聲發(fā)射法和超聲波法解決了設備復雜的問題，其穩(wěn)定度高，能在惡劣的環(huán)境中工作，而且本系統(tǒng)低功耗、無大功率用電元件。輔以zigbee無線網(wǎng)絡，可與遠程服務站進行實時數(shù)據(jù)通信，適合在鐵軌旁進行現(xiàn)場工作，為相關應力檢測領域提供了一個重要手段。

[1] 張永炬．壓磁效應及其在傳感器中的應用．臺州學院學報，2002(3)：11-12．

[2] 郭沛飛，賈振元，楊興，等．壓磁效應及其在傳感器中的應用．壓電與聲光，2001(2)：39-43．

[3] 劉海順．基于磁各向異性特性應力測試的理論與方法研究：[學位論文].徐州：中國礦業(yè)大學，2008．

[4] 謝寶昌．變壓器等效電路獲取的教學方法．電氣電子教學學報，2013，35(2)：60-62．

Rail Stress Sensor Based on Magnetic ImpedanceMeasurement Methods

WANG Ying,ZHANG Zhang,ZHOU Shang

(School of Telecommunications and Electronic Control,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

The recent main methods of testing the rail stress are magnetic barkhausen noise method,X-ray testing methods,magnetic acoustic emission method and ultrasonic method,etc．They both have the disadvantage that the testing equipment they required are of high complicity and power dissipation．This makes them not so perfect in outdoor operation．The stress resting system discussed in this dissertation,based on AD5933 and magnetoelastic effect,transitted the effect that stress exert on rail permeability to that on magnetic resistance,combined with data fitting techniques to get the relationship between stress and magnetic resistance．In addition,the whole system has no high-power components,which makes it has a possibility to be developed into a portable and low-power stress sensor．

stress;piezomagnetic sensor;magnetic resistance

2014-02-19 收修改稿日期：2014-10-06

TN212

A

1002-1841(2015)03-0003-04

王瑛(1961—)，副教授，碩士，主要研究領域為智能信息處理系統(tǒng)、虛擬儀器與測控技術等應用技術。E-mail：wtlwy@bjut．edu．cn張璋(1989—)，碩士，主要研究領域為嵌入式傳感器技術。E-mail：zz19890629@126．com