秦 勇

（柳州市智能制造科技服務(wù)中心，廣西 柳州 545001）

0 背景與需求

鋼纜索材料磁彈效應(yīng)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變，相應(yīng)的磁導(dǎo)率發(fā)生改變。通過測(cè)定磁導(dǎo)率變化來反映應(yīng)力變化，依據(jù)此原理制成脈沖磁彈儀和磁通量傳感器構(gòu)成的纜索應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)。脈沖磁彈儀檢測(cè)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）屬于非接觸測(cè)量，不影響原來的纜索應(yīng)力結(jié)構(gòu)；（2）傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用壽命長(zhǎng)；（3）測(cè)量速度快、可以在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。所以脈沖磁彈儀已大量應(yīng)用在橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等建筑工程纜索應(yīng)力監(jiān)測(cè)上。

但是現(xiàn)有開發(fā)的纜索應(yīng)力檢測(cè)脈沖磁彈儀體積較大，重量重，機(jī)箱結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)固和內(nèi)部電路模塊分散易松散，外殼防塵防潮IP防護(hù)效果差等不足。不適合應(yīng)用在當(dāng)工程檢測(cè)人員需要攜帶磁彈儀經(jīng)常出差、爬塔或者現(xiàn)場(chǎng)儀器柜放在戶外露天環(huán)境，儀器柜體積較小等工程應(yīng)用環(huán)境。所以提出研發(fā)一款體積小，質(zhì)量輕，外殼機(jī)體結(jié)構(gòu)牢固，IP防護(hù)效果更好的輕便型纜索應(yīng)力檢測(cè)脈沖磁彈儀，來滿足脈沖磁彈儀特定環(huán)境下使用要求。

1 輕便型脈沖磁彈儀的實(shí)現(xiàn)方法

1.1 脈沖磁彈儀的電路原理

脈沖磁彈儀的電路原理如圖1脈沖磁彈儀電路原理圖所示：以RAM7單片機(jī)為CPU運(yùn)算控制存儲(chǔ)核心，通過控制高壓調(diào)制模塊和電容充放電電路給磁通量傳感器輸出脈沖測(cè)量電能；磁通量傳感器返回的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過多級(jí)濾波放大電路后，傳輸?shù)礁咚?6位AD采樣電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后傳回CPU通過一定的算法處理得出被測(cè)纜索的應(yīng)力值；CUP通過光電隔離控制開關(guān)箱輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出開關(guān)箱控制指令；上位機(jī)和云采集等遠(yuǎn)程控制通過RS485和RS232隔離通信端口操控磁彈儀工作；通過面板觸摸屏實(shí)現(xiàn)本地人機(jī)交互界面操控磁彈儀；內(nèi)置24 V開關(guān)電源輸出DC24 V，通過板載電壓轉(zhuǎn)換電路輸出±12 V、5 V、3.3 V、基準(zhǔn)2.5 V，DC24 V電源也可以通過外接移動(dòng)電源提供。儀器的軟件程序主要由磁通量積分力值算法、溫度線長(zhǎng)補(bǔ)償算法、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、高壓調(diào)制充放電驅(qū)動(dòng)、AD采樣驅(qū)動(dòng)、RS485/232遠(yuǎn)程通信驅(qū)動(dòng)和開關(guān)箱輸出驅(qū)動(dòng)等程序構(gòu)成。

圖1 脈沖磁彈儀電路原理圖

1.2 設(shè)計(jì)思路

原來設(shè)計(jì)的磁彈儀經(jīng)過多年的應(yīng)用升級(jí)改造，硬件電路原理和軟件程序算法都很成熟了，所以新設(shè)計(jì)的輕便型磁彈儀要基本保持原來磁彈儀硬件電路原理和軟件程序算法不變，這樣既能保證研發(fā)的成功率又能在工程使用上兼容通用型磁彈儀。要使儀器小型輕量解決的途徑就只有重新優(yōu)化各模塊電路的布局，壓縮各模塊電路的體積與重量，優(yōu)化儀器外殼及安裝空間，讓其架構(gòu)更加穩(wěn)固，體積更小，IP防護(hù)等級(jí)更高。

1.2.1 儀器輸出脈沖電壓調(diào)整

根據(jù)鋼索應(yīng)力脈沖磁彈測(cè)量原理：鋼索線徑越大磁通量傳感器內(nèi)徑就越大，測(cè)量時(shí)需要的磁化電能就越大，需要儀器輸出脈沖電壓就越高，則相應(yīng)配套的高壓模塊的充電電容體積質(zhì)量就越大。原來通用型脈沖磁彈儀輸出脈沖電壓是100～420 V，適應(yīng)磁通量傳感器型號(hào)是CCT8～CCT165，由于輸出脈沖電壓較高，所以要選擇大體積的充放電電容與升壓模塊，要是降低輸出脈沖電壓就能相應(yīng)地減少電容模塊和升壓模塊的體積和質(zhì)量。在目前橋梁纜索應(yīng)力檢測(cè)工程應(yīng)用中，磁通量傳感器使用量最多的是單索應(yīng)力監(jiān)測(cè)，單索應(yīng)力監(jiān)測(cè)一般使用CCT20及以下的磁通量傳感器，輸出脈沖電壓100～150V，俗稱小傳感器測(cè)量。多根單索組合成一束纜索，對(duì)于整束纜索應(yīng)力檢測(cè)需要線徑比較大的磁通量傳感器，一般使用CCT85至CCT145線徑的磁通量傳感器，輸出脈沖電壓300～420 V，俗稱大傳感器測(cè)量。目前，工程應(yīng)用上小傳感器測(cè)量的精度和穩(wěn)定性都遠(yuǎn)優(yōu)與大傳感器測(cè)量，這也是小傳感器測(cè)量能大量推廣的原因之一。所以兼顧磁彈儀市場(chǎng)需求和輸出脈沖電壓與儀器體積總質(zhì)量的平衡，輕便型磁彈儀設(shè)計(jì)的輸出脈沖電壓是100～150 V，適應(yīng)的磁通量傳感器CCT25以內(nèi)的小傳感器測(cè)量，這樣充放電電容模塊與升壓模塊就能做到比較小比較輕。再通過重新定制升壓模塊讓其適合布局焊接在PCB電路板上，將原來單個(gè)體積較大的充放電電容，根據(jù)容量分解為多個(gè)體積較小的電容并聯(lián)，讓其適合布局焊接在PCB電路板上。

1.2.2 儀器電路布局調(diào)整

在工程應(yīng)用上，磁彈儀一般都是布局在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集柜內(nèi)，工程人員一般是在安裝調(diào)試或者維保的時(shí)候才會(huì)使用儀器面板觸摸屏操控磁彈儀，其余大部分時(shí)間都是通過RS485/232通信遠(yuǎn)程操控儀器，數(shù)據(jù)采集柜內(nèi)也基本會(huì)有DC24V電源，所以將原來的通用型磁彈儀內(nèi)置的24V開關(guān)電源模塊與面板顯示輸入模塊獨(dú)立分體出來，設(shè)計(jì)為獨(dú)立匹配的外接設(shè)備，當(dāng)需要用的時(shí)候作為外接設(shè)備即插即用。通過分體設(shè)計(jì)就大大減小儀器體積和質(zhì)量，不論磁彈儀是放在數(shù)據(jù)采集柜做在線測(cè)量還是工程人員隨身攜帶做移動(dòng)測(cè)量都能靈活多變適應(yīng)不同的工作環(huán)境，減少的兩個(gè)電路模塊還能降低主機(jī)儀器的故障發(fā)生率。

如圖2通用型磁彈儀的外殼內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)由顯示輸入模塊、24V電源模塊、高壓調(diào)制模塊、電容充放電模塊、中央處理核心電路板這5個(gè)獨(dú)立的模塊組成，每個(gè)模塊通過導(dǎo)線或者排線連接。如圖3輕便型磁彈儀的外殼內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)：通過將顯示輸入模塊和DC24V電源模塊外移作為獨(dú)立匹配設(shè)備，剩下的電路模塊重新設(shè)計(jì)優(yōu)化布局，將所有的電路模塊都焊接在一塊PCB電路板上。這樣儀器外殼內(nèi)只有一塊PCB電路板，電路板通過排線或者線束與面板端口連接。這樣調(diào)整后，儀器外殼內(nèi)部電路空間占比就小很多，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)固，數(shù)據(jù)傳輸牢靠。

圖2 通用型磁彈儀電路結(jié)構(gòu)

圖3 輕便型磁彈儀電路結(jié)構(gòu)

1.2.3 儀器外殼和接線端口調(diào)整

輕便型脈沖磁彈儀經(jīng)過優(yōu)化布局重新設(shè)計(jì)后的硬件電路只有一塊PCB電路板，選擇達(dá)到IP67防護(hù)的一體成型加厚鋁合金外殼，接線端口選擇IP66等級(jí)的熱塑航空接頭，電源開關(guān)及面板指示燈選用IP66等級(jí)的專用面板配件。外殼和接線端口這樣調(diào)整后，儀器的外殼強(qiáng)度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)牢靠度和IP防護(hù)效果都得到較大的提升，很好地滿足輕便型脈沖磁彈儀體積小，重量輕，外殼機(jī)體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)牢固的設(shè)計(jì)要求。

1.3 輕便型脈沖磁彈儀制作與效果

通過上文理論分析及設(shè)計(jì)思路論證，針對(duì)小傳感器測(cè)量，輕便型脈沖磁彈儀研制是可行的，那就可以進(jìn)行實(shí)物制作了。經(jīng)過定制和購買相關(guān)電子元器件及模塊材料，重新設(shè)計(jì)制作PCB電路板，經(jīng)過硬件電路制作調(diào)試和軟件調(diào)試，成功制作出一套輕便型脈沖磁彈儀，目前儀器樣機(jī)已經(jīng)制作調(diào)試成功。如圖4輕便型磁彈儀分解結(jié)構(gòu)圖：儀器所有電路都布局在一塊PCB電路板上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔牢靠，一體成型鋁合金外殼穩(wěn)固牢靠，整機(jī)外殼密封IP防護(hù)效果好。如圖5輕便型磁彈儀分體布局圖：從左到右依次為輕便型脈沖磁彈儀、配套的外接觸摸屏、通用DC24V電源適配器，這樣可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境做不同的調(diào)整。輕便型脈沖磁彈儀與通用型脈沖磁彈儀對(duì)比如圖6輕便型磁彈儀與通用型磁彈儀的對(duì)比圖：對(duì)比原來的通用型磁彈儀，輕便型磁彈儀體積減小約70%，質(zhì)量減小約75%，達(dá)到了體積小，質(zhì)量輕的研制目的。由于輕便型脈沖磁彈儀基本保留了通用型磁彈儀的硬件電路原理和軟件原理，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工程應(yīng)用上針對(duì)小傳感器測(cè)量完全兼容原通用型磁彈儀，這樣兩種儀器可以互換使用。從體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、IP防護(hù)和兼容性等都達(dá)到了我們研制的輕便型脈沖磁彈儀的效果。

圖4 輕便型磁彈儀分解結(jié)構(gòu)圖

圖5 輕便型磁彈儀分體布局圖

圖6 輕便型磁彈儀與通用型磁彈儀的對(duì)比

2 結(jié)語

本文介紹研制的輕便型脈沖磁彈儀具有體積小、質(zhì)量輕、外殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、IP防護(hù)效果好、應(yīng)用場(chǎng)景可多變等優(yōu)點(diǎn)。很好地解決了通用型磁彈儀體積大、質(zhì)量重、外殼不夠穩(wěn)固等不足。并且工程應(yīng)用上針對(duì)小傳感器測(cè)量完全兼容原通用型磁彈儀，它更加適合攜帶移動(dòng)測(cè)量、采集柜在線測(cè)量、控制柜狹小與戶外露天環(huán)境等場(chǎng)景應(yīng)用，也給纜索應(yīng)力檢測(cè)工程應(yīng)用多一種脈沖磁彈儀來選擇。