閉合磁路的磁彈索力傳感器優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究*

宋 凱,柳 權(quán),劉國(guó)勇,劉付鵬,徐 帆

(1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063;2.江西飛尚科技有限公司,南昌 330063)

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閉合磁路的磁彈索力傳感器優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究*

宋 凱1*,柳 權(quán)1,劉國(guó)勇2,劉付鵬2,徐 帆2

(1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063;2.江西飛尚科技有限公司,南昌 330063)

針對(duì)目前已經(jīng)工程應(yīng)用的磁彈索力傳感器的磁路結(jié)構(gòu)、工作點(diǎn)及激勵(lì)信號(hào)等設(shè)計(jì)的不足,從鐵磁性材料的磁特性出發(fā),結(jié)合基于磁彈效應(yīng)的索力測(cè)量原理,設(shè)計(jì)并制作了單“U”型磁軛的閉合磁路磁彈索力傳感器,確定了激勵(lì)信號(hào)的幅值、頻率及傳感器工作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在激勵(lì)峰峰值為6 V時(shí),纜索處于近飽和磁化階段,此時(shí)傳感器靈敏度最高,為32.470 mV/kN,其測(cè)量結(jié)果的線性相關(guān)系數(shù)為0.970 4。

傳感器;應(yīng)力測(cè)量;磁彈效應(yīng);閉合磁路

鋼纜索具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度及抗沖擊韌性,并且其重量輕、柔性好,在橋梁建設(shè)、起重機(jī)、纜車等各大工程設(shè)備及領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于其長(zhǎng)期工作于風(fēng)振、腐蝕、大載荷及交變載荷環(huán)境中,容易產(chǎn)生疲勞累積、應(yīng)力過大、集中或松弛甚至損傷所致的應(yīng)力損失,從而對(duì)纜索結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀況產(chǎn)生不利影響,所以必須對(duì)纜索的應(yīng)力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè),確保纜索結(jié)構(gòu)體系的正常受力狀態(tài)。傳統(tǒng)的鋼纜索應(yīng)力測(cè)量法主要有[1-2]:頻率測(cè)定、液壓表測(cè)定及壓力傳感器測(cè)定3種方法,對(duì)于已建成或已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的橋梁等工程設(shè)備的鋼纜索,幾乎只有頻率測(cè)定能夠滿足其在線測(cè)量及監(jiān)測(cè)的需求。由于必須使用人工敲擊或其他方式使纜索產(chǎn)生振動(dòng),且基頻的識(shí)別較為困難,使得頻率測(cè)定法受到了極大的限制。

基于磁彈效應(yīng)(Magneto-Elasto Effect)的應(yīng)力測(cè)量法作為索力測(cè)量的新方法,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和易校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用日益廣泛。Ming L WANG等人[3-5]提出雙線圈結(jié)構(gòu)測(cè)量纜索增量磁導(dǎo)率(Increment Permeability)的原理,研制了套筒式磁彈傳感器,將其運(yùn)用到橋梁纜索的應(yīng)力測(cè)量,并提出使用增量相對(duì)磁導(dǎo)率作為纜索應(yīng)力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),然而應(yīng)用套筒式傳感器對(duì)已建纜索的應(yīng)力測(cè)試還有頗多困難。唐德東[6-8]等人開展了基于磁彈法的大量研究工作,構(gòu)建了磁彈效應(yīng)法的理論模型,完善了該方法的理論體系,設(shè)計(jì)并提出了單旁路勵(lì)磁結(jié)構(gòu)傳感器的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和差動(dòng)式溫度自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù),但傳感器的工作點(diǎn)仍遵循Ming L WANG模型,選取在磁導(dǎo)率最大值附近。段元鋒等人[9-10]研制了具有超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)的壓電材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)構(gòu)成的復(fù)合層疊式傳感器代替了傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈,并運(yùn)用到了鐵軌和纜索的應(yīng)力測(cè)量,使得傳感器精度和信噪比更高,同時(shí)尺寸更小。

本文研制了磁彈索力傳感器系統(tǒng)及閉合磁路的磁彈傳感器[8,11],以直徑為9 mm的鍍鋅鋼纜索為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,開展了應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn),研究了不同激勵(lì)強(qiáng)度下的測(cè)量信號(hào)特征,提出了傳感器的最佳磁化工作點(diǎn)。

1 磁彈傳感器測(cè)量原理

當(dāng)鐵磁性材料被外磁場(chǎng)磁化時(shí),若其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變(拉力、壓力或扭轉(zhuǎn)),則其磁特性參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變(如磁導(dǎo)率)。通過測(cè)量并獲得其磁特性參數(shù)和應(yīng)力的關(guān)系,即可實(shí)現(xiàn)纜索的應(yīng)力測(cè)量。

根據(jù)Joule效應(yīng)、材料力學(xué)及鐵磁學(xué)可以推導(dǎo),當(dāng)纜索在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的外磁場(chǎng)中被磁化時(shí),其索力的大小與磁特性之間的函數(shù)關(guān)系為[12]:

(1)

式中,E為彈性模量;A為鋼纜索的橫截面積;λs為飽和磁致伸縮系數(shù);Ms為飽和磁化強(qiáng)度;Ku為單軸各向異性常數(shù);θ0為外磁場(chǎng)與易磁化軸的夾角。

由式(1)可以看出,索力F的變化只和外磁場(chǎng)強(qiáng)度H和增量磁導(dǎo)率Δμ有關(guān)。當(dāng)選定外磁場(chǎng)強(qiáng)度(即確定傳感器工作點(diǎn))后,F只和Δμ有關(guān),并且呈線性關(guān)系。

圖1 鐵磁性材料的磁滯回線

如圖1所示的鐵磁性材料的磁滯回線,增量磁導(dǎo)率Δμ定義為[3-4]:

Δμ=ΔB/ΔH

(2)

為了測(cè)量Δμ,一種可能的方法是設(shè)計(jì)嵌套式雙線圈結(jié)構(gòu),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,若檢測(cè)線圈中的磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng),則其增量相對(duì)磁導(dǎo)率在某一溫度下可以由下式表示[13]:

(3)

其中S0和Sf分別為感應(yīng)線圈和纜索的橫截面積;Vout和V0分別為線圈中有纜索和在空氣中的積分電壓。

由式(3)可以看出,相對(duì)磁導(dǎo)率和Vout成線性關(guān)系。綜上所述,索力F與積分電壓Vout成線性關(guān)系,所以可通過標(biāo)定積分電壓Vout與纜索應(yīng)力的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)纜索的應(yīng)力測(cè)量及監(jiān)測(cè)。

2 閉合磁路的磁彈索力測(cè)量系統(tǒng)

磁彈索力測(cè)量系統(tǒng)包括依次連接的激勵(lì)模塊、傳感器、后處理模塊3個(gè)部分,如圖2所示。

圖2 閉合磁路的磁彈索力測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖3 閉合磁路傳感器

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的磁彈索力傳感器大多為開放磁路式的即套筒式磁彈索力傳感器,它由兩個(gè)嵌套于纜索外的線圈構(gòu)成,纜索是其主要的磁路部分。雖然它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度高,但其在線安裝困難的缺點(diǎn)卻成了其發(fā)展和推廣應(yīng)用的最大阻礙。為了克服傳統(tǒng)磁彈索力傳感器的缺點(diǎn),可以將纜索設(shè)計(jì)成磁路中的一部分,激勵(lì)和檢測(cè)線圈分別繞制于由高磁導(dǎo)率材料(如工業(yè)純鐵)制成的“U”形磁軛的兩個(gè)磁極上。在線測(cè)量時(shí),只需將磁軛安裝至纜索表面即可。

如圖3所示的傳感器,其設(shè)計(jì)參數(shù)可以由磁路分析獲得。為了避免探頭工作時(shí),其磁軛部分處于較高磁化狀態(tài)(低磁導(dǎo)率),其磁軛和磁極的橫截面積應(yīng)不小于纜索的橫截面積:

(4)

(5)

線圈的參數(shù)可通過分析磁路結(jié)構(gòu)各部分的磁導(dǎo)獲得。根據(jù)磁路的歐姆定律,由激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fm為:

(6)

其中H0為傳感器的磁化工作點(diǎn)。根據(jù)纜索的初始磁化曲線可以確定H0處纜索的磁導(dǎo)率μ的值。

如圖4為傳感器的等效磁路圖,根據(jù)磁路的基爾霍夫定律可以求得:

①設(shè)纜索的磁導(dǎo)為G1,則

(7)

②氣隙的磁導(dǎo)為G2,主要是指磁極和纜索之間空隙,其值可以由下式導(dǎo)出[15]:

G2=0.077μ0(D0-D1)

(8)

③磁極和磁軛的磁導(dǎo)分別為G3、G4,磁導(dǎo)率為μ1,則:

(9)

(10)

圖4 等效磁路示意圖

2.2 激勵(lì)參數(shù)及工作點(diǎn)

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的套筒式磁彈索力傳感器,采用的多為高頻、低占空比的脈沖直流型激勵(lì)源,頻率多在500 Hz左右?？紤]到脈沖直流激勵(lì)在電壓為0 V時(shí),由于纜索為鐵磁性材料,其磁場(chǎng)并不為0,而是具有一定的剩磁Br,若此時(shí)纜索的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,則很有可能出現(xiàn)磁化混亂的現(xiàn)象[14],對(duì)測(cè)量帶來(lái)不利影響。同時(shí),由于較高的頻率會(huì)在纜索中產(chǎn)生渦流效應(yīng),纜索內(nèi)耗增加,測(cè)量靈敏度降低。此外,工程上磁化工作點(diǎn)H0一般選取在最大磁化率區(qū)(具有最大磁導(dǎo)率Pm),此時(shí)磁導(dǎo)率對(duì)外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化最劇烈。基于磁彈效應(yīng)的索力測(cè)量法實(shí)質(zhì)上是測(cè)量纜索的增量磁導(dǎo)率Δμ,其磁化工作點(diǎn)H0應(yīng)該選取在Δμ對(duì)應(yīng)力較為敏感的區(qū)域,然而該磁化區(qū)域并不在最大磁化率區(qū)之內(nèi)。

如圖5所示為鋼索在50 MPa和100 MPa應(yīng)力下的磁化曲線。由圖5可以看出,當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為2 000 A/m～4 000 A/m時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量ΔB最大,即由應(yīng)力所致的增量磁導(dǎo)率Δμ變化最大,可以認(rèn)為此時(shí)傳感器的檢測(cè)靈敏度最大。綜上分析,應(yīng)該采取具有正負(fù)雙向激勵(lì)的信號(hào)作為激勵(lì)源,其幅值應(yīng)該使纜索處于近飽和磁化區(qū)。

圖5 不同應(yīng)力狀態(tài)下的磁化曲線

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)峰峰值Vp-p為6 V、頻率f為2.5 Hz的方波信號(hào)。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器的線圈和激勵(lì)參數(shù)

2.3 信號(hào)采集及處理

保證數(shù)據(jù)的可控性，數(shù)億量級(jí)的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)處理，對(duì)于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)硬件來(lái)說是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，如何搭建一個(gè)高性能，高并發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并在突發(fā)情況，自然災(zāi)害發(fā)生的情況下保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，是智慧城市發(fā)展的第二個(gè)需要面臨的問題。

信號(hào)采集模塊使用的是遙測(cè)采集系統(tǒng),感應(yīng)線圈拾取的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存在工控機(jī)中,最終通過軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波、零線調(diào)整和積分處理,如圖6所示。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 并聯(lián)電容

3 應(yīng)力測(cè)量及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試用的纜索為φ9 mm的鍍鋅鋼纜索,采用電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行張拉實(shí)驗(yàn),應(yīng)力測(cè)試范圍為0～20 kN,采樣間隔為2 kN,測(cè)量系統(tǒng)采樣時(shí)拉伸機(jī)低速保載,每次采樣時(shí)間為30 s。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃,測(cè)量前對(duì)纜索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力拉伸實(shí)驗(yàn),以消除由應(yīng)力所致的剩磁對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

由拉伸機(jī)產(chǎn)生的噪聲對(duì)積分信號(hào)的影響是巨大的。與模擬積分電路的輸出不同,對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字積分處理時(shí),考慮到即使是很小的雜波也會(huì)對(duì)積分信號(hào)的幅值產(chǎn)生較大影響,雖然低通濾波處理濾除了一部分高頻雜波,但實(shí)際采集過程中由于拉伸機(jī)產(chǎn)生的噪聲卻難以濾除。實(shí)驗(yàn)中在檢測(cè)線圈兩端并聯(lián)了電容,使高頻雜波在采集卡之前形成回路,以達(dá)到濾波的目的。

圖8(a)、(b)為并聯(lián)電容前后的積分信號(hào)波形圖,可以看出,無(wú)并聯(lián)電容時(shí),積分電壓波形的包絡(luò)線呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化,而并聯(lián)電容后,積分信號(hào)能夠在長(zhǎng)時(shí)間采集過程中保持穩(wěn)定。從圖8(c)可以看出,雖然并聯(lián)電容將減小積分電壓的幅值,但其測(cè)量結(jié)果的線性度有顯著的提高。

圖8 電容對(duì)積分信號(hào)的影響

在圖8(b)所示的積分信號(hào),其最小值總是在零點(diǎn)附近波動(dòng),為了獲得某一載荷下的積分電壓,應(yīng)使用每個(gè)周期的最大值和最小值之差并作算術(shù)平均來(lái)表征,測(cè)量結(jié)果如圖8(c)所示。從圖中可以看出,傳感器在較低載荷下的靈敏度有所降低,初步分析有以下兩點(diǎn):由于磁極內(nèi)徑D1小于纜索公稱直徑D0,當(dāng)傳感器安裝于纜索表面時(shí),在較低載荷下纜索與磁極存在一定的壓力;試驗(yàn)的纜索其繩芯為纖維材料,該材料為非鐵磁性且對(duì)外圍鋼絲具有支撐、緩沖和潤(rùn)滑作用,而磁彈傳感器只能反映纜索中鐵磁性材料部分,即鋼絲部分的拉(應(yīng))力水平,且由于纜索結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,逐漸增大的外力必將導(dǎo)致其鋼絲接觸行為發(fā)生改變,使得其鋼絲受力并不完全呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。

為了驗(yàn)證傳感器的磁化工作點(diǎn)H0在纜索的不同磁化區(qū)對(duì)測(cè)量靈敏度的影響,實(shí)驗(yàn)還選取了Vp-p分別為4 V、8 V、10 V的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行索力測(cè)試,測(cè)試之前使用高斯計(jì)測(cè)量傳感器未安裝纜索時(shí),感應(yīng)線圈磁極處的磁場(chǎng)強(qiáng)度以獲取纜索的磁化程度,結(jié)果如表2所示。根據(jù)纜索的磁化曲線可知,纜索在上述激勵(lì)電壓下分別工作于初始磁化區(qū),近飽和磁化區(qū)和飽和磁化區(qū)。在如圖9所示的測(cè)量結(jié)果,其靈敏度依次為26.884、28.359和28.874,可見當(dāng)激勵(lì)電壓為6 V時(shí)測(cè)量靈敏度最大,此時(shí)纜索處于近飽和磁化區(qū)。

表2 感應(yīng)線圈磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度

圖9 不同激勵(lì)信號(hào)幅值對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響

4 結(jié)論

根據(jù)磁彈效應(yīng)的索力測(cè)試原理結(jié)合鐵磁性材料特有的磁特性,設(shè)計(jì)并制作了閉合磁路的磁彈索力傳感器,使用遙測(cè)采集及數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的提取及處理,并開展了應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn),提出將傳感器的磁化工作點(diǎn)H0選取在近飽和磁化區(qū),實(shí)現(xiàn)了傳感器靈敏度的優(yōu)化。本文未開展溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響分析,進(jìn)一步的研究工作所以可在某一溫度下進(jìn)行應(yīng)力標(biāo)定后通過溫度補(bǔ)償來(lái)獲得實(shí)際應(yīng)力值,也可以在不同溫度下分別進(jìn)行標(biāo)定從而實(shí)現(xiàn)纜索的應(yīng)力評(píng)價(jià)。

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The Optimization and Experimental Study of Closed-Loop Magneto-Elasto Cable Tension Sensor*

SONGKai1*,LIUQuan1,LIUGuoyong2,LIUfupeng2,XUFan2

(1.Key Laboratory of Nondestructive Test(Ministry of Education),NCHU,Nanchang 330063,China;2.Jiangxi Fasion Technology Co.,ltd,Nanchang 330063,China)

Presently,the design of magneto-elasto cable tension sensor’s parameters such as sensor structure,working point and drive signal is not perfect.In order to make the sensitivity higher,the magnetic properties of ferromagnetic materials and the principle of cable force measurement based on magneto-elasto effect was discussed.A“U”shaped of single bypass closed-loop Magneto-Elasto Cable Tension Sensor was designed,then confirmed the amplitude and frequency of the drive signal,and the working point has also been determined.The results shows that while theVp-pof the drive is 6 V,the sensitivity reached maximum,32.470 mV/kN.Moreover,this have been proved that it runs a high degree of linearity to stress,the linearly dependent coefficient is 0.970 4.

sensor;stress measurement;magneto-elasto effect;closed-loop magnetic circuit

宋 凱(1975-)男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)新技術(shù),電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,songkai@nchu.edu.cn;

柳 權(quán)(1989-)男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)新技術(shù),liu-quan@hotmail.com。

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265041);江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ12406);無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(ZD201029003);南昌航空大學(xué)研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金(YC2013-009)

2014-09-15 修改日期:2014-11-23

C:3120W;7210X

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.007

TP212.1

A

1004-1699(2015)02-0188-05