高釩索索力監(jiān)測電磁彈傳感器的研發(fā)與應(yīng)用

胡孝陽 段元鋒，* 魏 巍 段元昌

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.杭州健而控科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

隨著科技水平的進步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向大跨纜索體系發(fā)展。其中鋼纜索作為索承體系橋梁的核心受力構(gòu)件，其應(yīng)力狀態(tài)會直接對橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用產(chǎn)生重大影響。作為國內(nèi)外公路交通最為重要的組成部分，橋梁的安全事故會對國家造成極大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的社會影響。因此，有效實現(xiàn)對鋼纜索索力監(jiān)（檢）測一直是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。

傳統(tǒng)的索力測量方法，一般是通過獲取外加應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)某種物理量的變化，間接計算應(yīng)力的大小，具有一定的適用性，但均存在各種程度的缺陷：

（1）電阻應(yīng)變片測定法［1］，其原理在于外加力會導(dǎo)致應(yīng)變片長度和電阻值發(fā)生改變，通過電阻值的變化反算結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力。其優(yōu)勢在于可以通過電橋電路抑制溫度漂移，產(chǎn)品種類較多，測量方式簡單，操作靈活。其缺點在于，電阻應(yīng)變片在使用的過程中需要使用黏結(jié)劑，黏結(jié)劑的性能會直接影響測量精度，且難以確定應(yīng)力絕對值。

（2）振動頻率法［2］，是通過加速度傳感器測量拉索振動頻率，再通過理論分析或?qū)嶒炃€來換算實際索力。該方法具有安裝簡單、可重復(fù)使用等優(yōu)點，但計算結(jié)果容易受到邊界條件、彎曲剛度、減振裝置等影響，精度較低。

（3）光纖光柵（FBG）測定法［3］，原理在于通過測量光纖光柵波長的變化反算結(jié)構(gòu)所受外力的變化。由于依靠光作為敏感信息的載體，光纖光柵傳感器具有電絕緣性好、傳輸損耗小、安全可靠、抗電磁干擾性強、耐腐蝕性、化學(xué)性能穩(wěn)定、可實現(xiàn)多點分布式測量等優(yōu)點。但光纖傳感器極易損壞，且需與解調(diào)儀配合使用，故成本較高，且只能測量應(yīng)變，需要進一步計算確定索力，由于溫度等因素影響，難以獲得絕對索力。

（4）振弦式應(yīng)變法［4］，原理在于鋼弦在不同的拉力下會具有不同的自振頻率，通過確定構(gòu)件的自振頻率可反算被測構(gòu)件應(yīng)力大小。缺點在于永久安裝存在困難，難以實現(xiàn)絕對索力監(jiān)測。

長期研究表明，鋼拉索等鐵磁材料在實際使用過程中，當(dāng)其材料特性或受力狀態(tài)發(fā)生變化時，材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，從而會表現(xiàn)不同的磁特性。利用對磁特性的測量，可以實現(xiàn)對鋼索的無損索力測量。針對基于磁彈效應(yīng)的研究最早由捷克斯洛伐克（Czechoslovakia）的夸美紐斯大學(xué)的Kvasnica等學(xué)者開展，主要研究了鐵磁材料的磁特性與外應(yīng)力、溫度的關(guān)系［5］；之后日本的Sumitro S以明石海峽大橋為例，對比多種索力監(jiān)測方法，并指出基于磁彈效應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測法的獨特優(yōu)勢［6］；近些年來，國內(nèi)同濟大學(xué)逯彥秋等［7］，也進行了磁通量傳感器的相關(guān)研究。然而，磁通量傳感器采用副線圈作為檢測元件，其繞線復(fù)雜，感應(yīng)電壓較弱，限制其測量精度和工程使用。浙江大學(xué)的段元鋒教授團隊［8-14］提出使用一種新型磁電層 合 材 料（Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D，TD/PMNT/TD）代替副線圈，研發(fā)出一種電磁彈傳感器（EME sensor）。研究表明，與傳統(tǒng)磁通量傳感器相比，磁電磁彈效應(yīng)式應(yīng)力傳感器體積更小、磁電響應(yīng)速度更快、測量精度更高。

作為國內(nèi)新型鋼纜索材料，高釩索索體由多層鋼絲旋鈕而成，鋼絲表面鍍鋅鋁合金鍍層，具有抗腐蝕性高、防火性能強、無須PE覆蓋從而施工方便、耐久性好、美觀性好等優(yōu)點［15-16］，已在眾多空間結(jié)構(gòu)中得到運用，例如，武漢市宏圖大道站下沉廣場上蓋預(yù)應(yīng)力弦支單層網(wǎng)殼［17］。同時，作為索承橋主要承重構(gòu)件，如懸索橋主纜，近年來高釩索同樣在橋梁領(lǐng)域得以應(yīng)用。目前為止，電磁彈傳感器僅在鋼絞線、高強鋼絲、平行鋼絲拉索、鋼絞線吊桿［18-21］等材料中有了應(yīng)用，還未實現(xiàn)針對高釩索的索力監(jiān)測，因此本文主要針對高釩索，研發(fā)電磁彈傳感器，通過試驗研究傳感器測量穩(wěn)定性和測量精度，并將其運用到實際工程中。

1 電磁彈傳感器工作原理

1.1 磁彈效應(yīng)

根據(jù)磁疇原理［22］，當(dāng)鐵磁材料（如鋼索）受到外荷載作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)變，同時材料內(nèi)部磁疇會發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致材料磁特性（例如導(dǎo)磁率）發(fā)生變化。因此通過量化鐵磁材料的磁特性值變化，即可評定被測構(gòu)件的內(nèi)力。由基本理論公式：

式中：λs為磁致伸縮系數(shù)；σ為所受應(yīng)力；θ0為應(yīng)力方向與磁化軸的夾角；Ku為單軸各向異性常數(shù)；Ms為飽和磁化強度；H為磁場強度；μ是磁導(dǎo)率。

在式（1）中，當(dāng)構(gòu)件受力方向固定（如軸心受拉），磁場強度達(dá)到飽和值時，θ0為固定值，λs可由經(jīng)驗公式［23］：

式中，γi表示應(yīng)力方向。

結(jié)合式（1）、式（2）可以看出，應(yīng)力σ和磁特征值μ存在一定的比例關(guān)系。這樣可以通過分析磁特性預(yù)測應(yīng)力值，作為電磁彈傳感器的研究基礎(chǔ)。

1.2 智能磁電傳感元件

磁電層合材料是基于磁致伸縮材料和壓電材料的乘積效應(yīng)進行工作［14］。其工作原理在于：磁致伸縮材料在磁場中會產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變通過黏結(jié)作用傳遞給壓電材料，壓電材料受力產(chǎn)生電場，最后通過電路采集電信號，即可通過電信號反算磁場信號，實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換。本次電磁彈傳感器采用智能磁電傳感元件是由Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D三種材料層合而成，具有電磁轉(zhuǎn)換效率高、磁電響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點。

1.3 電磁彈傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

電磁彈傳感器在實際監(jiān)測過程中，需配合相應(yīng)設(shè)備和軟件組成測量系統(tǒng)，設(shè)備硬件主要包括上位機電腦、電磁彈傳感器、磁彈儀和多通道采集箱，其中控制程序存儲于上位機電腦中，磁彈儀主要包括數(shù)據(jù)處理模塊，多通道采集箱實現(xiàn)一臺磁彈儀對應(yīng)多個傳感器，可以大大減少實際工程中磁彈儀的數(shù)量，降低成本。系統(tǒng)工作流程在于（圖1）：首先將被測鋼構(gòu)件穿過電磁彈傳感器；然后通過軟件控制電路在主線圈中產(chǎn)生脈沖電流信號，智能磁電傳感元件同步產(chǎn)生電壓信號；之后采集模塊會收集電流電壓信號，并進行數(shù)據(jù)處理，得到磁特征值與索力的關(guān)系；最后程序?qū)㈥P(guān)系曲線輸入上位機軟件中，即可實現(xiàn)索力監(jiān)測。

圖1 電磁彈傳感器監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle of EME sensory system

2 電磁彈傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁彈傳感器的結(jié)構(gòu)（圖2），傳感器內(nèi)部為待測鋼構(gòu)件，之后從內(nèi)到外依次是骨架、磁電傳感元件、主線圈和保護層，其余空隙為真空。具體參數(shù)尺寸如表1所示。

圖2 電磁彈傳感器橫斷面圖Fig.2 Cross-section of EME sensor

表1 電磁彈傳感器參數(shù)尺寸Table 1 Size of EME sensor

3 實驗室標(biāo)定

本次實驗室標(biāo)定采用直徑為80 mm的高釩索（圖3），與后文中工程現(xiàn)場所用拉索相同。索力理論破斷力6 390 kN，有效面積4 379 mm2，彈性模量（1.6±0.1）×105N/mm2，設(shè)計索力在1 500 kN左右。為了驗證該傳感器的可行性和穩(wěn)定性，在實驗室中針對80 mm的高釩索做了全面試驗。試驗所用標(biāo)定系統(tǒng)如圖4所示：在拉索制作階段就預(yù)先將電磁彈傳感器布置在拉索中間；之后將拉索固定在加載架上，連接好電磁彈傳感器整套測量設(shè)備；最后驅(qū)動電路激勵初級線圈，通過NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備（USB-6211）收集相關(guān)電壓和電流信號；最后利用溫箱控制標(biāo)定過程的溫度，以消除溫度變化帶來的影響。

圖3 高釩索索體截面Fig.3 Cross-section of Galfan cable

圖4 傳感器標(biāo)定系統(tǒng)Fig.4 calibration equipments for EME sensor

試驗過程包括：在四個不同的溫度（2℃，18℃，35℃，50℃）下，該標(biāo)定試驗加載荷載范圍為800～1 800 kN，加載步長200 kN，每級荷載保持10 min，進行5次測量，并對結(jié)果取平均值。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，確定最終磁特征參數(shù)。圖5顯示了在四種不同溫度下的標(biāo)定曲線，可以發(fā)現(xiàn)磁特性參數(shù)隨著外荷載呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢，對結(jié)果進行曲線擬合，可以得到四個不同溫度下的二次標(biāo)定方程，這里用評價擬合好壞的指標(biāo)R2判斷曲線擬合程度：

圖5 高釩索溫度標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curves of EME sensors in different temperature

式中：yi為實際測得的值；Yi為擬合曲線計算出來的值；-y為yi的均值。

經(jīng)計算，各曲線擬合系數(shù)達(dá)到R2=0.999。最大相對誤差小于2%?？梢缘贸鼋Y(jié)論：針對高釩索的電磁彈傳感器所得到的磁特征值與索力值的相關(guān)性明顯；標(biāo)定后測量值與張拉力吻合度良好，傳感器測量精度高，滿足工程要求。

4 工程應(yīng)用

之后成功將該電磁彈傳感器應(yīng)用于福建省某懸索橋，主跨70.5 m。懸索橋主纜一段錨固在主梁上，一段與背索相連錨固在地錨上。主梁采用扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋塔采用梭形造型，高20.35 m，主纜背索均采用直徑80 mm的高釩索，與上文實驗室標(biāo)定所用索相同。圖6為電磁彈傳感器現(xiàn)場安裝的位置，其中圖6（a）為整體示意圖，可以看出傳感器在主纜靠近錨頭的地方；圖6（b）是傳感器的細(xì)部實物圖，可以看出傳感器外表面都會有噴漆處理，目的是為了防止銹蝕等因素影響傳感器的使用壽命。

圖6 電磁彈傳感器現(xiàn)場安裝位置Fig.6 On-site location of EME sensors

5 結(jié) 論

高釩索作為國內(nèi)新型鋼纜索材料，已經(jīng)在土木工程領(lǐng)域備受關(guān)注和推廣，而傳統(tǒng)的鋼索的索力監(jiān)測方法也難以適應(yīng)現(xiàn)代橋梁運行結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需求。本文研發(fā)的針對高釩索的電磁彈傳感器和相應(yīng)測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)采集信息的自動化和對在役拉索的長效監(jiān)測，為保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文從磁彈效應(yīng)和磁電材料的基本原理出發(fā)，研發(fā)電磁彈傳感器，通過實驗室標(biāo)定對電磁彈傳感器的精度進行了驗證，并最終將傳感器運用到實際工程項目中?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

（1）實驗室試驗證明，該電磁彈傳感器所得到的磁特征值與索力值的相關(guān)性明顯；測量值與張拉力吻合度良好，傳感器測量精度較大，最大測量誤差小于2%。

（2）該電磁彈傳感器成功運用到實際工程，說明該電磁彈傳感器的可靠性，可用于索力長期監(jiān)測。未來階段在得到實橋的長期數(shù)據(jù)后，將會進一步對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。