磁彈式索力檢測系統(tǒng)設計與仿真

李登峰， 王 剛， 楊可標

(長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

磁彈式索力檢測系統(tǒng)設計與仿真

李登峰， 王 剛， 楊可標

(長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

針對鋼索應力測量，設計了一種磁彈式索力檢測系統(tǒng)。推導了基于磁彈效應原理測量鋼索應力的關系式。進行了磁通量傳感器的設計和磁感應強度ANSYS仿真，給出了檢測系統(tǒng)的硬件結構和實際測量波形。實驗結果表明：索力檢測系統(tǒng)，精度小于5 %，基本達到工程應用需求。

磁彈效應； 磁通量傳感器； 磁感應強度； 索力

0 引 言

拉索是纜索支承型橋梁的核心構件之一，其服役狀況關系到橋梁的安全運營與使用壽命。拉索的安全監(jiān)測主要通過監(jiān)測拉索的索力判斷。目前，國內外索力傳感器有電阻應變式、振弦式、光纖式3種，其共同點均為接觸式索力傳感器，傳感器本身的動態(tài)響應較差，工作壽命有限[1]。磁彈式是近幾年發(fā)展起來的纜索索力檢測方法，其所用到的磁通量傳感器是一種非接觸式傳感器，在橋梁的健康檢測中極具潛力，基于磁通量傳感器的索力檢測系統(tǒng)具有極高的社會和經(jīng)濟價值。

1 磁彈式鋼索內部應力測量原理

磁通量傳感器基于磁彈效應原理測量索力，將鐵磁材料置于磁場環(huán)境中，鐵磁材料將被磁化，當其受到機械力的作用時，內部產(chǎn)生應變，導致磁導率μ發(fā)生變化[2]，磁導率μ為磁通量密度B與磁場強度H的比值。根據(jù)材料力學，鐵磁性材料磁導率變化與應力關系的數(shù)學模型為

(1)

式中 Δμ為磁導率變化量；σ為構件內部產(chǎn)生的應力；λm為磁化飽和狀態(tài)磁致伸系數(shù)；μ1為無外力作用下磁導率；Bm為磁化飽和狀態(tài)的磁感應強度。由式(1)可得

(2)

當鐵磁材料的λm和Bm比較穩(wěn)定時，Δμ和σ成正比關系，具有很好的線性關系。因此，可通過測量增加磁導率計算應力值。

直接測量磁導率比較困難，可依據(jù)磁感應原理研究鐵磁材料磁化的磁特性。磁通量傳感器的結構簡圖如圖1所示，由初級和次級兩層線圈組成。如果在初級線圈的兩端加交流激勵信號，將產(chǎn)生一個隨時間變化的交變磁場，根據(jù)法拉第電磁感應定律，在次級線圈中將產(chǎn)生感應電動勢

(3)

圖1 磁通量傳感器結構和應力測量原理

通過線圈的磁通量沿著被測試件的方向。測試過程中，被測鋼索可能并未完全充滿線圈，故總的磁通量由通過空氣的磁通量和通過鋼索的磁通量組成。感應電壓為

(4)

式中 μ0為空氣的磁導率；Sμ0和Sμ分別為線圈中空氣和鋼索所占部分的表面積。如果將感應電壓對時間進行積分，得到對時間進行平均的輸出電壓為

(5)

式中ΔG和ΔB分別為磁場強度和磁通量密度在時間間隔t2-t1中所發(fā)生的變化。如果線圈的匝數(shù)較多并且排列緊密，則其內的磁場幾乎是均勻分布的，有鐵心存在時亦如此[3],由此式(5)可簡化為

(6)

式中 S0為線圈總的截面面積；Sf為鋼索的截面面積；T為RC電路的時間常數(shù)。在線圈中未放鋼索的情況下，隨時間變化的輸出電壓的積分為

(7)

由式(6)、式(7)可得

(8)

由方程(8)可知，可通過某時間段的積分電壓Vout和V0計算出增加磁導率，進而計算出應力值。

2 磁通量傳感器設計與制作

2.1 傳感器工作點

磁通量傳感器工作點即激勵磁場強度H，由測量原理分析可知，激勵磁場強度對于提高傳感器的靈敏度和信噪比至關重要，所以磁場強度的確定要考慮這兩方面因素。其基本依據(jù)為鐵磁材料的磁特性，圖2為鐵磁材料的磁化特性曲線和磁導率隨磁場強度變化的曲線，μm為最大磁導率點，Hμm為對應的磁場強度。如果采用剩磁法，磁場強度的選擇應該選在深度飽和區(qū)，以保證勵磁磁場撤去后，材料的剩余磁場強度相對較大[4]；而采用磁彈效應法測索力，則需要測量磁導率的變化，所以磁場強度的選擇應在最大磁導率μm對應的Hμm附近。因此，對需施工的鋼索預先進行標定實驗，根據(jù)鋼索將近達到磁飽和而又未飽和的原則確定初級線圈勵磁電壓值。

圖2 鐵磁材料的磁化特性曲線

2.2 磁通量傳感器設計與制作

磁通量傳感器的設計需要確定3個參數(shù)：激勵線圈的匝數(shù)、感應線圈的匝數(shù)、激勵線圈的勵磁電流。為了定量觀察和分析鋼索中磁感應強度的分布，確定這3個參數(shù)，可通過ANSYS有限元仿真軟件實現(xiàn)對磁通量傳感器的仿真。

根據(jù)對傳感器原理及結構分析可知：傳感器設計需要達到優(yōu)化激勵磁場工作點，以提高傳感器靈敏度和信噪比[5]；擴大磁場分布的均勻范圍以保證感應線圈內部磁化均勻的目的。激勵線圈需密繞以及與感應線圈間用絕緣材料隔開以減少漏磁場及干擾，絕緣材料可采用青稞紙。由于激勵線圈在鋼索中產(chǎn)生的磁場由中間向兩端逐漸減小，為了保證感應線圈內部纜索磁化均勻，且傳感器尺寸適當，感應線圈宜較短，處在激勵線圈的中間。

為了驗證設計方法，對直徑為10mm的鋼索進行傳感器設計。通過多次繞線試驗，繞制不同長度、匝數(shù)、層數(shù)的線圈，發(fā)現(xiàn)若將激勵線圈串聯(lián)成兩層后，感應電壓波形呈鋸齒狀，影響測量，故激勵線圈由一層線圈組成，最終確定的傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 磁通量索力傳感器設計參數(shù)表

圖3為設計的磁通量傳感器仿真圖，可知，在感應線圈的長度內，鋼索的磁感應強度均勻。由圖2曲線可知，磁通量傳感器處于近飽和區(qū)的工作點為0.6～0.8 T，而從圖4的鋼索軸向的磁感應強度的具體數(shù)值可知，此時鋼索剛好處于近飽和磁化區(qū)，達到勵磁效果。

圖3 鋼索磁感應強度分布

圖4 距離—磁感應強度曲線

3 測量系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

依據(jù)計算鋼索應力所需的物理量要求，儀表必須測得初級線圈電流、次級線圈電壓和鋼索溫度3個物理量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的處理計算，如圖5所示，硬件電路包括單片機控制單元、勵磁控制電路、感應電壓積分電路。

圖5 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案

3.1 單片機系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)最關鍵的是處理器的選擇，依據(jù)測量要求，處理器必須具有足夠高的A/D精度和采樣速率，且能夠快速處理數(shù)字信號，因此選擇高性價比的處理器芯片STM32F103RCT6，具有12位分辨率,采樣速率可達1 MHz[6]。采用MAX232芯片與處理器UART接口組成RS—232通信鏈路與PC通信。上位機采用LabVIEW軟件編程進行數(shù)據(jù)采集。

3.2 勵磁控制電路

根據(jù)直流脈沖法測量原理，必須給傳感器初級線圈一直流脈沖激勵使得構件磁化并進入近飽和區(qū)。通過PWM脈沖控制MOS管，調節(jié)占空比實現(xiàn)可控直流電源20～60 V。控制器STM32輸出PWM脈沖，經(jīng)過光耦TLP521隔離后控制MOS管VNB20N07的通斷，從而給激勵線圈通入直流脈沖，系統(tǒng)PWM脈沖頻率為100 Hz。實驗此種方法需要在勵磁線圈兩端接一個反向的二極管，用于吸收感應線圈磁場突變產(chǎn)生的能量。

3.3 模擬量測量電路

依據(jù)力值的計算原理，需要采集2路模擬量信號：1)初級線圈施加勵磁能量后次級線圈產(chǎn)生的感應電壓，從次級線圈產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過低通濾波和電壓跟隨電路后，再經(jīng)過放大電路處理電壓信號；2)溫度信號測量。采集的2路模擬量信號經(jīng)過STM32的12位高精度A/D轉換器轉換為數(shù)字信號，進而進行處理運算。感應電壓的積分在程序端進行，采用滑動平均積分法算法。

實際測量波形如圖6所示，勵磁時間為100 μs。其中，通道1為勵磁信號，通道2為感應信號。在直流脈沖激勵下，感應線圈只在激勵磁場突變的短暫時刻產(chǎn)生感應電壓，其余時間電壓為零。激勵脈沖電壓從高跳變?yōu)榱銜r，感應線圈也會有一個反向感應電動勢，二者大小相等，故只需采集正向感應電壓即可，圖6為一加鍺二極管濾除反向電壓后的波形。

圖6 勵磁電壓和感應信號波形

4 拉力模擬實驗

鋼索應力檢測系統(tǒng)制作完成后，在如圖7自制的手動拉力實驗機(可施加1 T的力)上，對直徑為10 mm的測量單根鋼索進行多次重復加載測試。標準傳感器采用量程為10 T的S型壓力傳感器。溫度為室溫25 ℃。

圖7 自制手動拉力實驗機

在同一條件下重復進行5次，得到的測試數(shù)據(jù)。將5次測得的積分電壓求平均值，并與加載外力的對應關系線性擬合，如圖8所示，擬合方程為y=-1.036 2x+113.419 5，感應積分電壓與鋼索拉力近似成線性關系。隨著鋼索拉力的增加，積分電壓呈減少趨勢。

圖8 積分電壓與應力關系

5 結束語

磁彈式索力檢測系統(tǒng)，通過理論分析仿真和實際測量實驗可以得到以下結論：

1)該鋼索應力檢測系統(tǒng)精度小于5 %。

2)磁感應強度最佳工作點的選擇通過ANSYS仿真論證，在實際中，由于測量裝置存在漏電流等影響因素，宜采用有限實驗數(shù)據(jù)回歸法進行最佳磁場強度的最終確定。

3)實際測量中,由于溫度不恒定，對磁通量傳感器存在影響，可以在程序端進行溫度補償，實現(xiàn)應力測量。

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

[2] 孫志遠，楊學山.基于磁彈效應的索力傳感器研究[J].地震工程與二程振動， 2008,28(2):182-186.

[3] 鄧年春，龍 躍.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應用[J].預應力技術，2008 (2):17-20.

[4] 唐德東，黃尚廉.基于磁彈效應的斜拉橋索力傳感器研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(10):28-30.

[5] 劉小亮，陳偉民.套筒式磁彈索力傳感器設計研究[J].傳感技術學報，2010,23(10):1510-1514.

[6] 蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

Design and simulation of magnetic-elastic cable tension detecting system

LI Deng-feng, WANG Gang, YANG Ke-biao

(School of Electronic and Control Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

In view of steel cable tension measurement,a set of magnetic-elastic cable tension detecting system is designed.Based on principle of magnetic-elastic effect,the relation of cable stress measurement is deduced.Magnetic flux sensor is designed,whose magnetic induction intensity is simulated by ANSYS.And hardware structure of detection system and actual measurement waveform are given.Experimental data is given,and the results show that the precision of the cable force testing system is less than 5 %,achieve engineering application requirements.

magnetic-elastic effect; magnetic flux sensor; magnetic induction intensity； cable tension

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0067—03

2016—09—20

TP 212.1

A

1000—9787(2017)09—0067—03

李登峰(1964-)，男，碩士，副教授，主要從事智能測控和嵌入式系統(tǒng)的研究工作。