李登峰， 王 剛， 楊可標(biāo)

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

磁彈式索力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

李登峰， 王 剛， 楊可標(biāo)

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

針對(duì)鋼索應(yīng)力測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種磁彈式索力檢測(cè)系統(tǒng)。推導(dǎo)了基于磁彈效應(yīng)原理測(cè)量鋼索應(yīng)力的關(guān)系式。進(jìn)行了磁通量傳感器的設(shè)計(jì)和磁感應(yīng)強(qiáng)度ANSYS仿真，給出了檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)際測(cè)量波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：索力檢測(cè)系統(tǒng)，精度小于5 %，基本達(dá)到工程應(yīng)用需求。

磁彈效應(yīng)； 磁通量傳感器； 磁感應(yīng)強(qiáng)度； 索力

0 引 言

拉索是纜索支承型橋梁的核心構(gòu)件之一，其服役狀況關(guān)系到橋梁的安全運(yùn)營(yíng)與使用壽命。拉索的安全監(jiān)測(cè)主要通過監(jiān)測(cè)拉索的索力判斷。目前，國(guó)內(nèi)外索力傳感器有電阻應(yīng)變式、振弦式、光纖式3種，其共同點(diǎn)均為接觸式索力傳感器，傳感器本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，工作壽命有限[1]。磁彈式是近幾年發(fā)展起來的纜索索力檢測(cè)方法，其所用到的磁通量傳感器是一種非接觸式傳感器，在橋梁的健康檢測(cè)中極具潛力，基于磁通量傳感器的索力檢測(cè)系統(tǒng)具有極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 磁彈式鋼索內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量原理

磁通量傳感器基于磁彈效應(yīng)原理測(cè)量索力，將鐵磁材料置于磁場(chǎng)環(huán)境中，鐵磁材料將被磁化，當(dāng)其受到機(jī)械力的作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致磁導(dǎo)率μ發(fā)生變化[2]，磁導(dǎo)率μ為磁通量密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值。根據(jù)材料力學(xué)，鐵磁性材料磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中 Δμ為磁導(dǎo)率變化量；σ為構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力；λm為磁化飽和狀態(tài)磁致伸系數(shù)；μ1為無外力作用下磁導(dǎo)率；Bm為磁化飽和狀態(tài)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由式(1)可得

(2)

當(dāng)鐵磁材料的λm和Bm比較穩(wěn)定時(shí)，Δμ和σ成正比關(guān)系，具有很好的線性關(guān)系。因此，可通過測(cè)量增加磁導(dǎo)率計(jì)算應(yīng)力值。

直接測(cè)量磁導(dǎo)率比較困難，可依據(jù)磁感應(yīng)原理研究鐵磁材料磁化的磁特性。磁通量傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，由初級(jí)和次級(jí)兩層線圈組成。如果在初級(jí)線圈的兩端加交流激勵(lì)信號(hào)，將產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的交變磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在次級(jí)線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(3)

圖1 磁通量傳感器結(jié)構(gòu)和應(yīng)力測(cè)量原理

通過線圈的磁通量沿著被測(cè)試件的方向。測(cè)試過程中，被測(cè)鋼索可能并未完全充滿線圈，故總的磁通量由通過空氣的磁通量和通過鋼索的磁通量組成。感應(yīng)電壓為

(4)

式中 μ0為空氣的磁導(dǎo)率；Sμ0和Sμ分別為線圈中空氣和鋼索所占部分的表面積。如果將感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得到對(duì)時(shí)間進(jìn)行平均的輸出電壓為

(5)

式中ΔG和ΔB分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通量密度在時(shí)間間隔t2-t1中所發(fā)生的變化。如果線圈的匝數(shù)較多并且排列緊密，則其內(nèi)的磁場(chǎng)幾乎是均勻分布的，有鐵心存在時(shí)亦如此[3],由此式(5)可簡(jiǎn)化為

(6)

式中 S0為線圈總的截面面積；Sf為鋼索的截面面積；T為RC電路的時(shí)間常數(shù)。在線圈中未放鋼索的情況下，隨時(shí)間變化的輸出電壓的積分為

(7)

由式(6)、式(7)可得

(8)

由方程(8)可知，可通過某時(shí)間段的積分電壓Vout和V0計(jì)算出增加磁導(dǎo)率，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)力值。

2 磁通量傳感器設(shè)計(jì)與制作

2.1 傳感器工作點(diǎn)

磁通量傳感器工作點(diǎn)即激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度H，由測(cè)量原理分析可知，激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于提高傳感器的靈敏度和信噪比至關(guān)重要，所以磁場(chǎng)強(qiáng)度的確定要考慮這兩方面因素。其基本依據(jù)為鐵磁材料的磁特性，圖2為鐵磁材料的磁化特性曲線和磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線，μm為最大磁導(dǎo)率點(diǎn)，Hμm為對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如果采用剩磁法，磁場(chǎng)強(qiáng)度的選擇應(yīng)該選在深度飽和區(qū)，以保證勵(lì)磁磁場(chǎng)撤去后，材料的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大[4]；而采用磁彈效應(yīng)法測(cè)索力，則需要測(cè)量磁導(dǎo)率的變化，所以磁場(chǎng)強(qiáng)度的選擇應(yīng)在最大磁導(dǎo)率μm對(duì)應(yīng)的Hμm附近。因此，對(duì)需施工的鋼索預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，根據(jù)鋼索將近達(dá)到磁飽和而又未飽和的原則確定初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓值。

圖2 鐵磁材料的磁化特性曲線

2.2 磁通量傳感器設(shè)計(jì)與制作

磁通量傳感器的設(shè)計(jì)需要確定3個(gè)參數(shù)：激勵(lì)線圈的匝數(shù)、感應(yīng)線圈的匝數(shù)、激勵(lì)線圈的勵(lì)磁電流。為了定量觀察和分析鋼索中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布，確定這3個(gè)參數(shù)，可通過ANSYS有限元仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量傳感器的仿真。

根據(jù)對(duì)傳感器原理及結(jié)構(gòu)分析可知：傳感器設(shè)計(jì)需要達(dá)到優(yōu)化激勵(lì)磁場(chǎng)工作點(diǎn)，以提高傳感器靈敏度和信噪比[5]；擴(kuò)大磁場(chǎng)分布的均勻范圍以保證感應(yīng)線圈內(nèi)部磁化均勻的目的。激勵(lì)線圈需密繞以及與感應(yīng)線圈間用絕緣材料隔開以減少漏磁場(chǎng)及干擾，絕緣材料可采用青稞紙。由于激勵(lì)線圈在鋼索中產(chǎn)生的磁場(chǎng)由中間向兩端逐漸減小，為了保證感應(yīng)線圈內(nèi)部纜索磁化均勻，且傳感器尺寸適當(dāng)，感應(yīng)線圈宜較短，處在激勵(lì)線圈的中間。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法，對(duì)直徑為10mm的鋼索進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)。通過多次繞線試驗(yàn)，繞制不同長(zhǎng)度、匝數(shù)、層數(shù)的線圈，發(fā)現(xiàn)若將激勵(lì)線圈串聯(lián)成兩層后，感應(yīng)電壓波形呈鋸齒狀，影響測(cè)量，故激勵(lì)線圈由一層線圈組成，最終確定的傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 磁通量索力傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖3為設(shè)計(jì)的磁通量傳感器仿真圖，可知，在感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度內(nèi)，鋼索的磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻。由圖2曲線可知，磁通量傳感器處于近飽和區(qū)的工作點(diǎn)為0.6～0.8 T，而從圖4的鋼索軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度的具體數(shù)值可知，此時(shí)鋼索剛好處于近飽和磁化區(qū)，達(dá)到勵(lì)磁效果。

圖3 鋼索磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖4 距離—磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

3 測(cè)量系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

依據(jù)計(jì)算鋼索應(yīng)力所需的物理量要求，儀表必須測(cè)得初級(jí)線圈電流、次級(jí)線圈電壓和鋼索溫度3個(gè)物理量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的處理計(jì)算，如圖5所示，硬件電路包括單片機(jī)控制單元、勵(lì)磁控制電路、感應(yīng)電壓積分電路。

圖5 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)最關(guān)鍵的是處理器的選擇，依據(jù)測(cè)量要求，處理器必須具有足夠高的A/D精度和采樣速率，且能夠快速處理數(shù)字信號(hào)，因此選擇高性價(jià)比的處理器芯片STM32F103RCT6，具有12位分辨率,采樣速率可達(dá)1 MHz[6]。采用MAX232芯片與處理器UART接口組成RS—232通信鏈路與PC通信。上位機(jī)采用LabVIEW軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 勵(lì)磁控制電路

根據(jù)直流脈沖法測(cè)量原理，必須給傳感器初級(jí)線圈一直流脈沖激勵(lì)使得構(gòu)件磁化并進(jìn)入近飽和區(qū)。通過PWM脈沖控制MOS管，調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)可控直流電源20～60 V?？刂破鱏TM32輸出PWM脈沖，經(jīng)過光耦TLP521隔離后控制MOS管VNB20N07的通斷，從而給激勵(lì)線圈通入直流脈沖，系統(tǒng)PWM脈沖頻率為100 Hz。實(shí)驗(yàn)此種方法需要在勵(lì)磁線圈兩端接一個(gè)反向的二極管，用于吸收感應(yīng)線圈磁場(chǎng)突變產(chǎn)生的能量。

3.3 模擬量測(cè)量電路

依據(jù)力值的計(jì)算原理，需要采集2路模擬量信號(hào)：1)初級(jí)線圈施加勵(lì)磁能量后次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從次級(jí)線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過低通濾波和電壓跟隨電路后，再經(jīng)過放大電路處理電壓信號(hào)；2)溫度信號(hào)測(cè)量。采集的2路模擬量信號(hào)經(jīng)過STM32的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行處理運(yùn)算。感應(yīng)電壓的積分在程序端進(jìn)行，采用滑動(dòng)平均積分法算法。

實(shí)際測(cè)量波形如圖6所示，勵(lì)磁時(shí)間為100 μs。其中，通道1為勵(lì)磁信號(hào)，通道2為感應(yīng)信號(hào)。在直流脈沖激勵(lì)下，感應(yīng)線圈只在激勵(lì)磁場(chǎng)突變的短暫時(shí)刻產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其余時(shí)間電壓為零。激勵(lì)脈沖電壓從高跳變?yōu)榱銜r(shí)，感應(yīng)線圈也會(huì)有一個(gè)反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，二者大小相等，故只需采集正向感應(yīng)電壓即可，圖6為一加鍺二極管濾除反向電壓后的波形。

圖6 勵(lì)磁電壓和感應(yīng)信號(hào)波形

4 拉力模擬實(shí)驗(yàn)

鋼索應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)制作完成后，在如圖7自制的手動(dòng)拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)(可施加1 T的力)上，對(duì)直徑為10 mm的測(cè)量單根鋼索進(jìn)行多次重復(fù)加載測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用量程為10 T的S型壓力傳感器。溫度為室溫25 ℃。

圖7 自制手動(dòng)拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)

在同一條件下重復(fù)進(jìn)行5次，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)。將5次測(cè)得的積分電壓求平均值，并與加載外力的對(duì)應(yīng)關(guān)系線性擬合，如圖8所示，擬合方程為y=-1.036 2x+113.419 5，感應(yīng)積分電壓與鋼索拉力近似成線性關(guān)系。隨著鋼索拉力的增加，積分電壓呈減少趨勢(shì)。

圖8 積分電壓與應(yīng)力關(guān)系

5 結(jié)束語

磁彈式索力檢測(cè)系統(tǒng)，通過理論分析仿真和實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

1)該鋼索應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)精度小于5 %。

2)磁感應(yīng)強(qiáng)度最佳工作點(diǎn)的選擇通過ANSYS仿真論證，在實(shí)際中，由于測(cè)量裝置存在漏電流等影響因素，宜采用有限實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸法進(jìn)行最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度的最終確定。

3)實(shí)際測(cè)量中,由于溫度不恒定，對(duì)磁通量傳感器存在影響，可以在程序端進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測(cè)量。

[1] 高建勛.斜拉橋索力測(cè)試方法及誤差研究[J].公路與汽運(yùn)，2004(4):80- 81.

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[6] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

Design and simulation of magnetic-elastic cable tension detecting system

LI Deng-feng, WANG Gang, YANG Ke-biao

(School of Electronic and Control Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

In view of steel cable tension measurement,a set of magnetic-elastic cable tension detecting system is designed.Based on principle of magnetic-elastic effect,the relation of cable stress measurement is deduced.Magnetic flux sensor is designed,whose magnetic induction intensity is simulated by ANSYS.And hardware structure of detection system and actual measurement waveform are given.Experimental data is given,and the results show that the precision of the cable force testing system is less than 5 %,achieve engineering application requirements.

magnetic-elastic effect; magnetic flux sensor; magnetic induction intensity； cable tension

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0067—03

2016—09—20

TP 212.1

A

1000—9787(2017)09—0067—03

李登峰(1964-)，男，碩士，副教授，主要從事智能測(cè)控和嵌入式系統(tǒng)的研究工作。