基于旁路結(jié)構(gòu)的磁彈效應(yīng)索力傳感器研究*

邵 磊，馮志敏，胡海剛

（寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211）

基于旁路結(jié)構(gòu)的磁彈效應(yīng)索力傳感器研究*

邵 磊，馮志敏*，胡海剛

（寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211）

針對磁彈效應(yīng)索力傳感器工程應(yīng)用安裝與維護(hù)技術(shù)難題，提出了一種旁路結(jié)構(gòu)的磁彈性索力傳感器。應(yīng)用磁路定律和等效磁路法，對套筒式結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行磁路系統(tǒng)分析；基于等效磁路原理，設(shè)計旁路式結(jié)構(gòu)索力傳感器，給出器件結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸；搭建相應(yīng)的傳感器試驗(yàn)檢測系統(tǒng)，在WDW-300拉伸試驗(yàn)機(jī)上對兩種傳感器進(jìn)行磁電復(fù)合材料誘導(dǎo)電壓與拉力比較試驗(yàn)。對旁路結(jié)構(gòu)索力傳感器進(jìn)行抗溫性試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，旁路結(jié)構(gòu)索力傳感器檢測精度高，重復(fù)誤差0.02%～0.5%，傳感器性能穩(wěn)定性和溫度適應(yīng)性好，適合于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測的工程應(yīng)用。

傳感器；索力測量；磁彈效應(yīng)；等效磁路；磁電復(fù)合材料；旁路結(jié)構(gòu)

近年來，鋼纜索技術(shù)廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)上，開展動態(tài)在線索力監(jiān)測對保證橋梁正常安全運(yùn)行顯得尤為重要。鋼纜索索力測定作為斜拉橋健康監(jiān)測的重要手段在工程上得到廣泛應(yīng)用［1］。磁彈效應(yīng)的電磁測量是將鋼纜索本體作為傳感器鐵芯，在外部穿套線圈所形成的特殊傳感器，利用鋼纜索自身磁特性與其所受張力之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過檢測磁電復(fù)合材料輸出誘導(dǎo)電壓實(shí)現(xiàn)索力精確測量的一種方法［2-3］。相對于鋼纜索錨頭處安裝壓力傳感器的索力監(jiān)測法，以及通過加速度傳感器獲取鋼索固有頻率的計算振頻測量法［4］比較，磁彈效應(yīng)法具有壽命長、動態(tài)響應(yīng)快和測量精度高［5-6］。

但是，由繞制在鋼纜索外部的激勵線圈與纜索本體組成的閉環(huán)套筒式結(jié)構(gòu)，適合鋼纜索更換或現(xiàn)場繞制線圈時使用，傳感器安裝和現(xiàn)場維護(hù)較為困難，直接影響傳感器的測量精度，更難以在已建成橋梁的索力監(jiān)測應(yīng)用中實(shí)施，不利于養(yǎng)護(hù)維修和參數(shù)標(biāo)定［7-8］。因此，解決磁彈效應(yīng)閉環(huán)套筒結(jié)構(gòu)索力傳感器的安裝維護(hù)難題，是該類傳感器工程推廣應(yīng)用的一個關(guān)鍵技術(shù)。本文提出了旁路結(jié)構(gòu)索力傳感器的總體設(shè)計方案，通過勵磁磁路等效分析和臺架試驗(yàn)研究，為大跨度橋梁工程應(yīng)用提供了一種新的索力檢測器件。

1 檢測原理

被磁化的鐵磁材料在機(jī)械外力作用下，材料內(nèi)部形成的磁彈性能量使磁化強(qiáng)度矢量獲得重新取向，導(dǎo)致材料磁導(dǎo)率發(fā)生變化。鋼纜索受力狀態(tài)與纜索磁化特性的相互關(guān)系，即磁彈效應(yīng)數(shù)學(xué)模型［9］：

式中，l為鋼纜索的長度；H為磁場強(qiáng)度；B為感應(yīng)磁場強(qiáng)度；σ為鋼纜索應(yīng)力。

由式（1）和式（2）可得磁電復(fù)合材料輸出電壓

式中，φ在一定磁場中，是鐵磁性復(fù)合材料的材料常數(shù)。

由式（3）可知，磁電復(fù)合材料輸出誘導(dǎo)電壓與鋼纜索應(yīng)力成正比，由此通過輸出電壓就能精確檢測鋼纜索受力大小。

2 總體設(shè)計

2.1 磁路等效分析

套筒式磁彈效應(yīng)索力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，受力鋼纜索采用過盈配合穿過線圈骨架，把預(yù)先制備的磁電復(fù)合材料嵌入線圈骨架的軸向凹槽中，在線圈骨架外側(cè)纏繞覆蓋激勵線圈，最后在線圈骨架外側(cè)用套筒進(jìn)行封裝固定。

纏繞線圈是造成磁彈性索力傳感器安裝拆卸困難的關(guān)鍵所在，因此，必須改變線圈的穿套結(jié)構(gòu)形式。從磁學(xué)角度分析，套筒式傳感器結(jié)構(gòu)可簡化為圖2所示的分支磁路結(jié)構(gòu)。由磁路基爾霍夫第一定律可知：

式中，Φ為通過鋼纜索的磁通量；Φ1為通過線圈骨架上部的磁通量；Φ2為通過線圈骨架下部的磁通量。

圖2 套筒式磁路結(jié)構(gòu)

圖2中兩個分支磁路并聯(lián)后，再與繞有激勵線圈的受力鋼纜索鐵芯進(jìn)行磁路串聯(lián)，可轉(zhuǎn)換成圖3所示的并聯(lián)等效磁路，每個分支磁路由安培環(huán)路定理得［12］：

式中，F(xiàn)為磁動勢；N為線圈匝數(shù)；I為激勵電流；R0為鋼纜索磁阻；R1、R2為兩分支磁路磁阻。

由式（4）、式（5）得：

圖3并聯(lián)等效磁路

圖1 套筒式傳感器結(jié)構(gòu)

套筒式結(jié)構(gòu)的等效簡化磁路如圖4所示，兩并聯(lián)支路的總磁阻、鋼纜索的磁阻形成了單一的串聯(lián)回路。因此設(shè)計時若改變線圈骨架、套筒、鋼纜索三者結(jié)構(gòu)關(guān)系或者傳感器結(jié)構(gòu)與參數(shù)尺寸，必須保持磁力線形成原有的封閉環(huán)路，即使其磁路滿足簡化等效磁路關(guān)系。

圖4 簡化等效磁路

2.2 等效磁路轉(zhuǎn)換

根據(jù)磁路等效原理，設(shè)想用一種無分支磁路結(jié)構(gòu)替代原來兩并聯(lián)支路磁路結(jié)構(gòu)，形成旁路式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 旁路式傳感器結(jié)構(gòu)

圖5中把鋼纜索視為整個磁回路一部分而非鐵芯，勵磁線圈直接繞在旁路磁極上，并將磁極外端設(shè)計成一個專用夾具結(jié)構(gòu)，用螺母與鋼纜索緊固連接。由磁學(xué)分析知，圖5旁路式傳感器可簡化為圖6所示的無分支等效磁路。

圖6 旁路結(jié)構(gòu)等效磁路

由磁路歐姆定律得：

式中，Φ′為磁路的磁通量；F′為磁動勢；R0為鋼纜索的磁阻；R′為軛鐵、磁極和氣隙的總磁阻。

若式（6）與式（7）結(jié)果相等，則二者等效磁路效果完全一致。在旁路傳感器結(jié)構(gòu)中，由于鋼纜索沒有穿套線圈，傳感器左磁極、軛鐵、右磁極與鋼纜索組成一個封閉磁回路，其等效磁路與圖4相同。

2.3 復(fù)合材料誘導(dǎo)電壓

由圖5知，軛鐵和磁極采用過盈配合安裝，磁電復(fù)合材料嵌入磁極軸向凹槽中，并在磁極外側(cè)纏繞覆蓋激勵線圈，用磁極夾具固定鋼纜索。鋼纜索在磁化過程中，因受外部拉力作用，其內(nèi)部磁特性參數(shù)的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，回路的磁通量隨之變化，通過檢測磁電復(fù)合材料的輸出誘導(dǎo)電壓獲得索力。

磁電復(fù)合材料由磁致伸縮層、壓電材料層、磁致伸縮層膠合而成，如圖7所示。

圖7 磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

圖7中，M是磁化方向，P是極化方向。當(dāng)傳感器的激勵線圈通入電流I時，鋼纜索軸向被磁化。同樣，鋼纜索受力狀態(tài)發(fā)生變化時，其軸向的磁通量會發(fā)生相應(yīng)變化，磁致伸縮層因感應(yīng)軸向磁通量的變化在長度方向產(chǎn)生一定應(yīng)變量［13，14］。由于壓電層與磁致伸縮層采用高強(qiáng)度粘結(jié)，壓電層會發(fā)生協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而通過機(jī)械-電耦合的電極化產(chǎn)生誘導(dǎo)電壓，測量壓電層輸出誘導(dǎo)電壓。

2.4 傳感器件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提高傳感器的檢測精度與分辨力，除鋼纜索外，其他導(dǎo)磁材料均選用最大磁導(dǎo)率和飽和磁通密度高、剩磁小的工業(yè)純鐵，以保證磁路的漏磁達(dá)到最小值。

旁路勵磁磁路結(jié)構(gòu)尺寸如圖8所示。圖8中，D為鋼纜索公稱直徑、D1為纜索夾具內(nèi)孔直徑、L1為軛鐵高度、L2為軛鐵寬度、L3為軛鐵間中心孔距、L5為均勻磁場的磁化長度、L4為非均勻磁場的磁化長度。

考慮到磁極夾具存在加工誤差，導(dǎo)致左、右磁極和鋼纜索接口處產(chǎn)生部分氣隙，形成間隙磁阻，可能會造成整個封閉磁回路的磁通量泄漏，大幅降低傳感器的靈密度。若考慮氣隙δ0，磁極夾具內(nèi)孔直徑應(yīng)滿足：D1=D-2δ0

由于激勵線圈端部存在磁化過渡區(qū)，內(nèi)磁場呈非均勻性，為使鋼纜索磁化均勻，要求均勻磁場的磁化長度遠(yuǎn)大于非均勻磁場磁化長度，一般有L5≥2L4。在滿足線圈骨架內(nèi)置要求前提下，軛鐵間中心孔距應(yīng)滿足：L3≥L5+2L4。

一般而言，工業(yè)純鐵的導(dǎo)磁性遠(yuǎn)大于鋼纜索，為使鋼纜索的磁化強(qiáng)度最大，且保證整個封閉磁回路的漏磁達(dá)到最小，則傳感器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計的基本原則是磁回路中各個部件的橫截面積大于鋼纜索橫截面積，由此，軛鐵面積A1、磁極面積A2大于鋼纜索橫截面積。軛鐵、磁極尺寸應(yīng)滿足：L1·L2≥πD2/4； D2≥D。傳感器其他參數(shù)尺寸需要根據(jù)結(jié)構(gòu)和裝配要求綜合確定。

圖8 旁路式傳感器結(jié)構(gòu)尺寸

3 臺架試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證旁路結(jié)構(gòu)傳感器的可行性，搭建了圖9所示的旁路結(jié)構(gòu)傳感器試驗(yàn)檢測系統(tǒng)。圖中，220 V交流電通過可調(diào)變壓器和直流整流模塊變換為38 V電壓，給功率放大器供電。信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，經(jīng)功率放大器后驅(qū)動絕緣柵雙極晶體管，從而產(chǎn)生可控的近似恒流源，并輸入傳感器的勵磁線圈［15］。通過磁致伸縮效應(yīng)，磁電傳感單元檢測到誘導(dǎo)電壓。

圖9 旁路結(jié)構(gòu)傳感器試驗(yàn)檢測系統(tǒng)原理圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過檢測套筒式傳感器與旁路式傳感器的精度、檢測不同溫度下旁路式傳感器的精度，研究傳感器的適用性。

①傳感器檢測精度比較試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：選擇直徑為12 mm的鋼纜索作為研究對象，在WDW-300拉伸試驗(yàn)機(jī)上，鋼纜索拉力范圍為0～20 kN，室溫20℃，重復(fù)5組參數(shù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果：套筒式結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。采用線性回歸擬合方法，處理實(shí)測誘導(dǎo)電壓與施加于鋼纜索上拉力數(shù)據(jù)，五組試驗(yàn)的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.999 20、0.999 65、0.999 44、0.997 73、0.9973 2，最大重復(fù)誤差小于0.3%。

旁路式結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示。采用線性回歸擬合方法處理，處理實(shí)測誘導(dǎo)電壓與施加于鋼纜索上拉力數(shù)據(jù)，五組試驗(yàn)的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.998 33、0.999 63、0.999 77、0.998 34、0.998 82，最大重復(fù)誤差小于0.3%。

圖10 套筒結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖11 旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

試驗(yàn)結(jié)果可知，旁路式結(jié)構(gòu)傳感器與套筒式結(jié)構(gòu)傳感器的測量精度總體相等，從線性相關(guān)系數(shù)來看，傳感器工作時間越長，旁路式結(jié)構(gòu)的測量精度比較高。這是由于套筒式結(jié)構(gòu)的鋼纜索鐵芯與激勵線圈固連一體，受力過程中會造成一定的漏磁，影響測量精度。旁路式結(jié)構(gòu)的鋼纜索鐵芯與激勵線圈完全獨(dú)立，對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的漏磁影響較小。

臺架試驗(yàn)表明，旁路式結(jié)構(gòu)傳感器的檢測精度同樣能滿足實(shí)際工程要求，不僅能夠有效克服套筒結(jié)構(gòu)傳感器的安裝與維護(hù)困難，且傳感器性能更穩(wěn)定。有利于磁彈效應(yīng)索力傳感器在大跨度橋梁工程健康檢測中的推廣應(yīng)用。

②旁路式傳感器溫度適應(yīng)性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：選擇直徑為12 mm的鋼纜索為研究對象，在WDW-300拉伸試驗(yàn)機(jī)上，鋼纜索拉力為范圍0～20 kN，試驗(yàn)環(huán)境溫度-10℃、0℃、10℃、30℃、50℃、70℃。在同一溫度條件下恒溫工作30 min，重復(fù)5組參數(shù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果：如圖12～圖17所示。在不同溫度下，旁路式傳感器的輸出誘導(dǎo)電壓測量精度較高，線性相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.995以上，重復(fù)性誤差0.02～0.5%。該傳感器對溫度適應(yīng)性較強(qiáng)，適用于不同環(huán)境溫度下的索力檢測。

然而，由于基底電壓不同，溫度對索力傳感器的性能產(chǎn)生較大影響，并隨負(fù)載大小變化。圖18為空載時溫度對誘導(dǎo)電壓影響曲線，呈非線性關(guān)系。在實(shí)際測量過程中，應(yīng)采取有效的溫度補(bǔ)償措施。

圖12 -10℃下旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖13 0℃下旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖14 10℃下旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖15 30℃下旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖16 50℃下旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖17 70℃下旁路結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)電壓-拉力

圖18 空載時旁路結(jié)構(gòu)的溫度影響

4 結(jié)論

理論分析與試驗(yàn)對比可得出以下結(jié)論：

①基于等效磁路關(guān)系設(shè)計的旁路結(jié)構(gòu)索力傳感器，只有在保證軛鐵、磁極、鋼纜索系統(tǒng)形成封閉環(huán)路前提下，才能滿足磁彈性精確測量的基本要求。

②旁路結(jié)構(gòu)索力傳感器的輸出誘導(dǎo)電壓與鋼纜索張力呈線性關(guān)系，且重復(fù)檢測誤差在0.02%～0.5%，可有效解決套筒結(jié)構(gòu)傳感器工程安裝與維護(hù)復(fù)雜困難，性能穩(wěn)定性較好，適合于橋梁工程健康檢測應(yīng)用。

③在不同環(huán)境溫度下，旁路結(jié)構(gòu)索力傳感器檢測精度的溫度適應(yīng)性好。但動態(tài)環(huán)境溫度對傳感器性能影響較大，需通過溫度補(bǔ)償方法對系統(tǒng)作進(jìn)一步評估與試驗(yàn)。

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邵 磊（1989-），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ坦收显\斷與機(jī)電控制，shaolei8905@163.com；

馮志敏（1960-），男，漢族，教授，主要從事機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究，fengzhimin@nbu.edu.cn。

Studies on Magneto-Elastic Effect Cable Force Sensor Based on the Bypass Structure*

SHAO LEI，F(xiàn)ENG Zhimin*，HU Haigang
（Maritime College，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

For the problems of installation and maintenance for magneto-elastic effect cable force sensor in engineering application，the magneto-elastic effect cable force sensor based on the bypass structure is put forward.Applying the law of magnetic circuit，the sleeve structure sensor is analyzed systematically.Based on the principle of equivalent magnetic circuit，bypass structure sensor is designed and the parameters of device structure size parameters are given.The corresponding experimental test system is set up.In the tensile test machine of WDW-300，the comparative experiment research between magneto-electric composites induced voltage and tension about the two kinds of sensor is carried out.Temperature resistance test of bypass structure sensor is conducted.The results show that：the measurement precision of cable tension sensor on the structure of bypass type is high；the repetition error is 0.02%～0.5%；the stability and temperature adaptability of the sensor are good.It is suitable for the practical application of large span bridge engineering structural health monitoring.

sensor；cable force measurement；magneto-elastic effect；equivalent magnetic circuit；magneto-electric laminated composite；bypass structure EEACC：3120；7230

TU502；TP212.6

A

1004-1699（2015）07-0997-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.010

項目來源：國家科學(xué)自然基金項目（61071198）；浙江省科技計劃項目（2013C31045）；浙江省科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目（2013TD212）

2015-03-02 修改日期：2015-04-14