基于磁彈效應(yīng)的鋼索應(yīng)力測量儀表的研發(fā)與設(shè)計(jì)

曾 科 秦 勇

（柳州市自動(dòng)化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的體外索和預(yù)應(yīng)力筋等是工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件之一，對(duì)其施工階段及運(yùn)營階段的張力大小監(jiān)控具有重要的意義。傳統(tǒng)的索力或應(yīng)力測量方法，如振動(dòng)頻率法、壓力傳感器測定法和應(yīng)變片測定法等[1]，都存在明顯的缺陷，限制了它們?cè)诠こ讨械膽?yīng)用范圍。近年來，國外提出了基于磁彈效應(yīng)法測試鋼索應(yīng)力的新方法，工程界對(duì)于此方法的研究，正是想彌補(bǔ)傳統(tǒng)的索力或應(yīng)力測量方法的不足。雖然磁彈效應(yīng)法也存在測量過程中一些固有的弱點(diǎn)，但是其測量系統(tǒng)往往具有極低的成本，同時(shí)又不容易損壞，有著很長的使用壽命。隨著全球經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，必然有更多的大型建筑需要更低成本檢測方案，因此從長遠(yuǎn)來看磁彈效應(yīng)法是最具有潛力的一種鋼索應(yīng)力測量方式[2-3]。國際上對(duì)磁彈效應(yīng)法測量鋼結(jié)溝應(yīng)力的主要研究集中在歐洲、日本和美國等一些研究機(jī)構(gòu)里。國內(nèi)也有些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行磁彈效應(yīng)法測量鋼索應(yīng)力的研究，但尚處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段，國內(nèi)有企業(yè)（如柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司）生產(chǎn)了適合磁彈效應(yīng)法測量的磁通量傳感器，但國內(nèi)沒有與之相配套的測量儀表，只能采用國外的儀表。因此，研發(fā)設(shè)計(jì)一套能運(yùn)用于實(shí)際工程的鋼索應(yīng)力測量儀表成為必要，本文將介紹自主研發(fā)的測量儀表樣機(jī)研發(fā)情況和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

1 測量理論[4-5]

利用磁致伸縮效應(yīng)可以使磁能(實(shí)際上是電能)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而利用磁致伸縮的逆效應(yīng)可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?電能)。磁彈索力傳感器正是利用這種磁彈效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)索力測量的。當(dāng)鋼索受到軸向應(yīng)力時(shí)(拉力或壓力)，其軸向發(fā)生形變，使得其磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，而索力與磁導(dǎo)率的變化成正比，通過測量增加磁導(dǎo)率可計(jì)算出應(yīng)力值。

直接測量磁通量或磁通量密度是比較困難的，可采用變通的方法，依據(jù)磁感應(yīng)原理可簡便的研究一個(gè)材料磁化的磁性質(zhì)。利用兩個(gè)線圈來進(jìn)行，一個(gè)初級(jí)線圈，一個(gè)次級(jí)線圈，將被測材料作為線圈的鐵心。在初級(jí)線圈的兩端加一個(gè)脈沖激勵(lì)能量，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間而變化的變化磁場，其增加磁導(dǎo)率μ 一般由磁場強(qiáng)度變化ΔH 和磁通量密度變化ΔB 之間的關(guān)系來描述：

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在次級(jí)線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢：

通過線圈的磁通量是沿著被測構(gòu)件的方向。測試過程中，被測構(gòu)件可能并未完全充滿線圈，因此總的磁通量是由通過空氣的磁通量和通過構(gòu)件的磁通量兩部分組成。感應(yīng)電壓為：

其中：Sμ0和Sμ分別為線圈中被空氣和構(gòu)件所占部分的表面積。μ0是空氣的磁導(dǎo)率。如果將感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，所得到的對(duì)時(shí)間進(jìn)行平均的輸出電壓是：

如果線圈的匝數(shù)較多并且排列緊密，則其內(nèi)的磁場幾乎是均勻的，有鐵心存在時(shí)也是如此。因此方程（4）可簡化為：

其中：S0是線圈的總的截面面積，Sf是構(gòu)件的截面面積，T 是RC電路的時(shí)間常數(shù)。在線圈中未放試件的情況下，隨時(shí)間變化的輸出電壓的積分為：

由方程（5）和方程（6）可得：

由公式（7）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 實(shí)施方法分析

由上述理論分析可由兩個(gè)積分電壓計(jì)算出鋼索應(yīng)力值，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，影響積分電壓測量的因素很多，在鋼索應(yīng)力一樣的情況下各種不良影響因素均能引起積分電壓Vout和V0有不同的測量結(jié)果，這些因素包括：傳感器一次側(cè)的勵(lì)磁能量的大??；積分時(shí)間段的選擇；由于現(xiàn)場連接傳感器導(dǎo)線長度的差異而引起勵(lì)磁電路參數(shù)的變化；鋼索材料鐵磁特性的不同；另外根據(jù)鐵磁材料磁導(dǎo)率的特性，鐵磁材料溫度的變化會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而影響積分電壓值。

首先，分析上述的各種因素，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場運(yùn)用情況實(shí)施方法可分為：①通過算法可補(bǔ)償?shù)囊蛩兀瑐鞲衅靼惭b位置不同導(dǎo)致連接導(dǎo)線長度的差異和環(huán)境溫度引起鋼索溫度的差異，導(dǎo)線長度的差異由初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓和積分時(shí)間段的初級(jí)線圈電流通過特殊算法補(bǔ)償積分電壓，溫度的差異可設(shè)定標(biāo)定溫度和實(shí)測溫度通過溫度補(bǔ)償算法補(bǔ)償積分電壓；②通過參數(shù)設(shè)制可控制的因素，對(duì)需施工的鋼索預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，避免鋼索材料的影響，根據(jù)鋼索達(dá)到磁飽和但又不能產(chǎn)生大量磁渦流的原則確定初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓值，積分時(shí)間段的選擇根據(jù)鋼索將近達(dá)到磁飽和而又未飽和的原則確定積分時(shí)間段開始時(shí)的初級(jí)線圈電流值；③通過針對(duì)需施工的鋼索預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)，確定沒有鋼索時(shí)的空載積分電壓V0的值，確定標(biāo)定時(shí)鋼索溫度和溫度補(bǔ)償系數(shù)的值，以及確定4 個(gè)增加磁導(dǎo)率與應(yīng)力值關(guān)系的3 次線性方程的系數(shù)。

鋼索應(yīng)力測量儀表首先檢測初級(jí)線圈電流曲線、次級(jí)線圈電壓曲線和鋼索溫度三組物理變量，對(duì)初級(jí)線圈電流曲線和次級(jí)線圈電壓曲線進(jìn)行濾波等數(shù)字信號(hào)處理，再依據(jù)積分時(shí)間段計(jì)算次級(jí)線圈積分電壓值，該值經(jīng)過導(dǎo)線長度補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償計(jì)算后得到最終積分電壓值，運(yùn)用公式（7）算出增加磁導(dǎo)率，最后依據(jù)增加磁導(dǎo)率與應(yīng)力值關(guān)系的3 次線性方程計(jì)算出鋼索應(yīng)力值。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

依據(jù)鋼索應(yīng)力計(jì)算所需的物理量要求，儀表必須測得初級(jí)線圈電流、次級(jí)線圈電壓、初級(jí)線圈勵(lì)磁電壓和鋼索溫度四個(gè)物理量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的處理計(jì)算，硬件電路主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、勵(lì)磁控制電路和模擬量測量電路三個(gè)部分組成，如圖1。

圖1 硬件電路框圖

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)[6]

單片機(jī)系統(tǒng)最關(guān)鍵的是處理器的選擇，依據(jù)測量要求，處理器必須有足夠的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)初級(jí)線圈電流曲線和次級(jí)線圈電壓曲線的數(shù)據(jù)，以及能快速處理數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算能力，因此選擇高性價(jià)比的處理器芯片LPC2378 芯片，它內(nèi)嵌ARM7TDMI-S 處理器，32KB 的SRAM，高達(dá)72MHz 的工作頻率。采用MAX485 芯片與處理器UART接口組成RS485 通訊鏈路與計(jì)算機(jī)通訊。

3.2 勵(lì)磁控制電路

根據(jù)測量原理，必須給傳感器初級(jí)線圈一高壓脈沖激勵(lì)，使得構(gòu)件磁化，并進(jìn)入磁飽和區(qū)。高壓脈沖的獲得是通過一高壓大容量急充放電電解電容放電實(shí)現(xiàn)。處理器LPC2378 控制400V120mA 的高壓模塊給急充放電電容充電，處理器啟動(dòng)高壓模塊后，不斷的通過勵(lì)磁電壓測量電路測量實(shí)際的電容電壓值，并與勵(lì)磁電壓參數(shù)做比較，當(dāng)實(shí)際的電容電壓值達(dá)到目標(biāo)電壓后，處理器停止高壓模塊輸出，充電停止，處理器發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離開通可控硅，給初級(jí)線圈施與勵(lì)磁能量。

3.3 模擬量測量電路

依據(jù)力值的計(jì)算原理，需要采集4 路模擬量信號(hào)：第一路模擬量信號(hào)為給初級(jí)線圈放電的電容電壓，在電容兩端用分壓電阻的方式采集電壓信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)放電路處理電壓信號(hào)；第二路模擬量信號(hào)為初級(jí)線圈施加勵(lì)磁能量后的電流信號(hào)，通過高精度測流電阻（50mΩ）獲取的電流值的電壓信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)放電路處理電壓信號(hào)；第三路模擬量信號(hào)為初級(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)過過壓保護(hù)和浪涌保護(hù)電路后，再經(jīng)過運(yùn)放電路處理電壓信號(hào)；第四路模擬量為溫度信號(hào)測量，溫阻信號(hào)經(jīng)過處理和過壓浪涌保護(hù)后，再經(jīng)過運(yùn)放電路處理電壓信號(hào)。運(yùn)放后4 路模擬量信號(hào)，經(jīng)過一獨(dú)立雙通道4 路16 位高精度A/D 轉(zhuǎn)換器AD7654，把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到處理器芯片。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

鋼索應(yīng)力測量儀表試制樣機(jī)出來后，在柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司試驗(yàn)室的拉索靜載試驗(yàn)的臺(tái)座上，分別對(duì)磁通量傳感器CCT18B、CCT20J 測量單根鋼絞線進(jìn)行多次重復(fù)加載測試。測試實(shí)驗(yàn)在650T 試驗(yàn)臺(tái)座上進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用30T 應(yīng)變片壓力傳感器，其不確定度為0.5%。試驗(yàn)最大荷載為180KN(0.69 倍公稱破斷索力)。

CCT18B 對(duì)單根光面鋼絞線進(jìn)行測量試驗(yàn)，分別在不同溫度和傳感器連接導(dǎo)線長度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，勵(lì)磁電容電壓在50 米以下、100 米、150米的情況下分別設(shè)置為120V、130V、140V 電壓，數(shù)據(jù)如表1：

表1

CCT20J 對(duì)環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞進(jìn)行測量試驗(yàn)，分別在不同溫度和傳感器連接導(dǎo)線長度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，勵(lì)磁電容電壓在50 米以下、100米、150 米的情況下分別設(shè)置為120V、130V、140V 電壓，數(shù)據(jù)如表2：

表2

根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，在3 米連接導(dǎo)線分別在20°C 和35°C室溫的情況下對(duì)比儀表測量力值結(jié)果，以及在25°C 室溫50 米、100米、150 米的情況下，儀表測量的力值與參照標(biāo)準(zhǔn)力值的誤差都小于2%。

5 結(jié)語

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制出的基于磁彈效應(yīng)的鋼索應(yīng)力測量儀表的樣機(jī)基本能避免實(shí)際工程應(yīng)用中影響電壓積分測量的各種因素，精度小于2%，基本達(dá)到工程應(yīng)用要求。

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

［2］孫志遠(yuǎn)，楊學(xué)山，石文勇.基于磁彈效應(yīng)的索力傳感器研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2008，2，28(2)：182-186.

［3］鄧年春，龍躍，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應(yīng)用[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2008(2)：17-20.

［4］Ю.И.雷巴利琴科.磁彈性扭矩傳感器[M].北京：計(jì)量出版社，1985，10.

［5］WANG M L，CHEN Z.Magneto-elastic permeability measurement for stress monitoring in steel tendons and cables [C]//Proc.of the PIE 7th Annual Symposium on Smart Structures and Materials，Health Monitoring of Highway Transportation Infrastructure，2000，399：492-500.

［6］曹垣亮.基于ARM9/7 產(chǎn)品化研發(fā)實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008，7.