磁通量傳感器在密閉高釩索索力監(jiān)測中的應(yīng)用

黃漢斌 尹超能 王雄彪 覃華橋 王波 林春蘭

摘? 要：密閉高釩索當(dāng)前已經(jīng)成為國內(nèi)新型建筑結(jié)構(gòu)的常用索，是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件，在其他工程領(lǐng)域也逐步推廣及應(yīng)用。為解決常規(guī)索力監(jiān)測技術(shù)在新型建筑結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索監(jiān)測的應(yīng)用局限性，本文針對密閉高釩索材料特性，設(shè)計適配的磁通量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可在密閉高釩索全生命周期中實時、準(zhǔn)確掌握其索力變化，實現(xiàn)對拉索索力的長效監(jiān)測目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：磁通量傳感器? 預(yù)應(yīng)力? 密閉高釩索? 索力監(jiān)測

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0024-04

Application of magnetic flux sensor in cable force monitoring of closed high vanadium cable

HUANG Hanbin1? YIN Chaoneng1? WANG xiongbiao1? QIN Huaqiao1? WANG Bo1? LIN Chunlan2

（1.Liuzhou OVM Structure Monitoring Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China;2.Guangxi University of science and technology， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China）

Abstract： At present， the Sealed high vanadium cable has become the common cable in new building structures in China， and it is the main stress component in the prestressed structures， which is also gradually popularized and applied in other engineering fields. In order to solve the limitations of conventional cable force monitoring technology in the application of prestressed cable monitoring of new building structure，this paper designs an appropriate magnetic flux sensor and data acquisition system according to the material characteristics of closed high vanadium cable， which can grasp the cable force changes in real time and accurately in the whole life cycle of closed high vanadium cable， and realize the long-term monitoring goal of cable force.

Key Words： Magnetic flux sensor; Prestress; Sealed high vanadium cable; Cable force monitoring

隨著建筑預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的發(fā)展和材料的進(jìn)步，高釩索（GALFAN）作為一種新型預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)逐步普遍應(yīng)用于大跨度空間建筑結(jié)構(gòu)中。高釩索是95%鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層的拉索，外層鋼絲為Z型互相咬合達(dá)到密封效果的高釩索稱為密閉高釩索，具有外形美觀、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點[1]。

密閉高釩索作為建筑結(jié)構(gòu)的核心受力構(gòu)件，其索力并不是一個恒定的值，而是受建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的多種因素的影響而變化的值，建筑結(jié)構(gòu)損傷也會通過索力表現(xiàn)出來。磁通量傳感器在索力測量中具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高、使用壽命長等優(yōu)點，該技術(shù)在鋼絞線、平行鋼絲拉索等常規(guī)索結(jié)構(gòu)中應(yīng)用成熟[2-3]，但在密閉高釩索索力監(jiān)測工程應(yīng)用較少。因此，本文主要結(jié)合密閉高釩索結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計適配的磁通量傳感器并試驗驗證測量精度，結(jié)合工程項目實現(xiàn)應(yīng)用。

1? 磁通量傳感器測量機(jī)制

1.1 磁通量傳感器測量原理

磁通量傳感器是基于磁彈效應(yīng)原理制成：當(dāng)鐵磁性材料（拉索）承受外界荷載作用時，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變/應(yīng)力，相應(yīng)的引起其內(nèi)部的磁化強(qiáng)度（磁導(dǎo)率）發(fā)生改變，即產(chǎn)生磁彈效應(yīng)[4]，通過測量鐵磁性材料制成的構(gòu)件的磁導(dǎo)率變化，建立磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力之間的關(guān)系，最終測定鐵磁性材料的受力，磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型為[5]：

（1）

式中：表示磁化飽和狀態(tài)鐵磁性材料磁致伸縮系數(shù);表示無外力作用下鐵磁性材料的磁導(dǎo)率;表示磁化飽和狀態(tài)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

傳感器基本結(jié)構(gòu)見圖1，在初級線圈施加一個脈沖激勵信號，即在被測構(gòu)件中產(chǎn)生一個隨時間而變化的磁場[6]，同時在次級線圈中將會產(chǎn)生對應(yīng)的感應(yīng)電壓：

（2）

將感應(yīng)電壓對其在時間間隔內(nèi)進(jìn)行積分換算后，可得被測構(gòu)件的相對磁導(dǎo)率為：

（3）

式中：表示被測構(gòu)件磁導(dǎo)率;表示空氣的磁導(dǎo)率;表示初級線圈截面積;表示被測構(gòu)件截面積;表示時間間隔內(nèi)的平均輸出電壓;表示被測構(gòu)件未放入初級線圈時的平均輸出電壓。

根據(jù)公式（3）利用實驗室張拉標(biāo)定臺座，被測構(gòu)件進(jìn)行分級張拉實驗，建立相對磁導(dǎo)率變化與被測構(gòu)件應(yīng)力關(guān)系[7-8]。

1.2 磁通量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁通量傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，傳感器套接在被測構(gòu)件外部，由內(nèi)向外分別是內(nèi)軸體、次級線圈、絕緣層、初級線圈和外套筒。以實際工程應(yīng)用密閉高釩索（φ96mm）為例，設(shè)計與其適配傳感器型號為CCT105，尺寸為（內(nèi)徑×外徑×高度）φ105mm×φ195mm×326mm。

1.2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采集軟件控制磁彈儀給數(shù)據(jù)集線柜發(fā)送通道選址指令，在選定通道傳感器的初級線圈接入一個脈沖激勵信號，傳感器次級線圈同步輸出感應(yīng)電壓信號到磁彈儀中，隨后磁彈儀結(jié)合張拉標(biāo)定參數(shù)內(nèi)部計算得到實測索力值，最后通過通訊接口轉(zhuǎn)換模塊將索力值回傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實現(xiàn)索力監(jiān)測。

1.2.3 傳感器張拉標(biāo)定測試

為研究設(shè)計磁通量傳感器的測試精度，張拉標(biāo)定測試采用與項目相同規(guī)格密閉高釩索（φ96mm）進(jìn)行，其理論最小破斷力≥9300kN，彈性模量（1.6±0.1）×105MPa。在張拉試驗臺座上安裝完成密閉高釩索、磁通量傳感器、錨具、千斤頂和標(biāo)準(zhǔn)傳感器等設(shè)備和材料。

張拉過程中不同張拉分級下，拉索張拉力值與相對磁導(dǎo)率變化的對應(yīng)標(biāo)定曲線如圖4所示，曲線中擬合程度R2=0.9986，擬合曲線趨勢可靠性較高，反測最大相對誤差為3%。所設(shè)計磁通量傳感器應(yīng)用在被測構(gòu)件為密閉高釩索測量過程中，相對磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力相關(guān)性好，測量精度達(dá)到工程應(yīng)用需求。

2? 工程項目應(yīng)用

磁通量傳感器應(yīng)用于福建某大跨度人行懸索橋工程中，大橋為自錨式懸橋結(jié)構(gòu)，主纜采用φ96mm密閉高釩索，橋梁總寬4.4m，單跨跨度83m，塔高25m?，F(xiàn)場安裝如圖5所示，傳感器穿心式套接在拉索自由段，大橋主纜安裝1臺CCT105磁通量傳感器實時監(jiān)測索力值。

截取部分時程曲線如圖5所示，基于磁通量傳感器技術(shù)很好地監(jiān)測到隨著溫度變化實際拉索索力變化情況，能夠為懸索橋主纜的健康狀態(tài)評估和科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

3? 結(jié)語

本文基于磁彈效應(yīng)的原理并結(jié)合密閉高釩索的材料特性，設(shè)計適配的磁通量傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過張拉標(biāo)定測試驗證數(shù)學(xué)模型的有效性，最終應(yīng)用到實際工程項目中，結(jié)果證明該監(jiān)測技術(shù)可有效地應(yīng)用于新型建筑結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索的全生命周期的長效監(jiān)測中，具備較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉偉，陳麗紅.大直徑高釩索研制[J].金屬制品，2015， 41（4）：9-12，16.

[2] 鄧年春，龍躍，孫利民，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2018（2）：17-20.

[3] 王曉琳，周庠天.磁通量傳感器在高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力監(jiān)測中的應(yīng)用[J].江西建材，2016（18）：212-213.

[4] 王社良，王威，蘇三慶，等.鐵磁材料相對磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力關(guān)系的磁力學(xué)模型[J].西安科技大學(xué)學(xué)報， 2005（3）：288-291，305.

[5] 修成竹. 基于逆磁致伸縮效應(yīng)的磁彈索力傳感器研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2019.

[6] 馬建.斜拉橋拉索索力測試方法研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2020.

[7] 李君.磁通量索力測量系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（2）：88-89.

[8] 李登峰，王剛，楊可標(biāo).磁彈式索力檢測系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（9）：67-69，76.