基于磁弹效应的钢索应力测量仪表的研发与设计

曾 科 秦 勇

（柳州市自动化科学研究所，广西 柳州 545001）

0 引言

斜拉桥的斜拉索、系杆拱桥的吊杆和系杆、悬索桥的缆索体系、预应力结构的体外索和预应力筋等是工程结构的关键受力构件之一，对其施工阶段及运营阶段的张力大小监控具有重要的意义。传统的索力或应力测量方法，如振动频率法、压力传感器测定法和应变片测定法等[1]，都存在明显的缺陷，限制了它们在工程中的应用范围。近年来，国外提出了基于磁弹效应法测试钢索应力的新方法，工程界对于此方法的研究，正是想弥补传统的索力或应力测量方法的不足。虽然磁弹效应法也存在测量过程中一些固有的弱点，但是其测量系统往往具有极低的成本，同时又不容易损坏，有着很长的使用寿命。随着全球经济的进一步发展，必然有更多的大型建筑需要更低成本检测方案，因此从长远来看磁弹效应法是最具有潜力的一种钢索应力测量方式[2-3]。国际上对磁弹效应法测量钢结沟应力的主要研究集中在欧洲、日本和美国等一些研究机构里。国内也有些大学和研究机构进行磁弹效应法测量钢索应力的研究，但尚处于理论研究和实验室开发阶段，国内有企业（如柳州欧维姆机械股份有限公司）生产了适合磁弹效应法测量的磁通量传感器，但国内没有与之相配套的测量仪表，只能采用国外的仪表。因此，研发设计一套能运用于实际工程的钢索应力测量仪表成为必要，本文将介绍自主研发的测量仪表样机研发情况和实验测试结果。

1 测量理论[4-5]

利用磁致伸缩效应可以使磁能(实际上是电能)转换为机械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能(电能)。磁弹索力传感器正是利用这种磁弹效应来实现索力测量的。当钢索受到轴向应力时(拉力或压力)，其轴向发生形变，使得其磁化强度发生变化，而索力与磁导率的变化成正比，通过测量增加磁导率可计算出应力值。

直接测量磁通量或磁通量密度是比较困难的，可采用变通的方法，依据磁感应原理可简便的研究一个材料磁化的磁性质。利用两个线圈来进行，一个初级线圈，一个次级线圈，将被测材料作为线圈的铁心。在初级线圈的两端加一个脉冲激励能量，就会产生一个随时间而变化的变化磁场，其增加磁导率μ 一般由磁场强度变化ΔH 和磁通量密度变化ΔB 之间的关系来描述：

根据法拉第电磁感应定律，在次级线圈中就会产生一个感生电动势：

通过线圈的磁通量是沿着被测构件的方向。测试过程中，被测构件可能并未完全充满线圈，因此总的磁通量是由通过空气的磁通量和通过构件的磁通量两部分组成。感应电压为：

其中：Sμ0和Sμ分别为线圈中被空气和构件所占部分的表面积。μ0是空气的磁导率。如果将感应电压对时间进行积分，所得到的对时间进行平均的输出电压是：

如果线圈的匝数较多并且排列紧密，则其内的磁场几乎是均匀的，有铁心存在时也是如此。因此方程（4）可简化为：

其中：S0是线圈的总的截面面积，Sf是构件的截面面积，T 是RC电路的时间常数。在线圈中未放试件的情况下，随时间变化的输出电压的积分为：

由方程（5）和方程（6）可得：

由公式（7）可通过某时间段的积分电压Vout和V0计算出增加磁导率，进而计算出应力值。

2 实施方法分析

由上述理论分析可由两个积分电压计算出钢索应力值，但在实际工程应用中，影响积分电压测量的因素很多，在钢索应力一样的情况下各种不良影响因素均能引起积分电压Vout和V0有不同的测量结果，这些因素包括：传感器一次侧的励磁能量的大小；积分时间段的选择；由于现场连接传感器导线长度的差异而引起励磁电路参数的变化；钢索材料铁磁特性的不同；另外根据铁磁材料磁导率的特性，铁磁材料温度的变化会导致磁导率的变化，进而影响积分电压值。

首先，分析上述的各种因素，根据应用现场运用情况实施方法可分为：①通过算法可补偿的因素，传感器安装位置不同导致连接导线长度的差异和环境温度引起钢索温度的差异，导线长度的差异由初级线圈励磁电压和积分时间段的初级线圈电流通过特殊算法补偿积分电压，温度的差异可设定标定温度和实测温度通过温度补偿算法补偿积分电压；②通过参数设制可控制的因素，对需施工的钢索预先进行标定实验，避免钢索材料的影响，根据钢索达到磁饱和但又不能产生大量磁涡流的原则确定初级线圈励磁电压值，积分时间段的选择根据钢索将近达到磁饱和而又未饱和的原则确定积分时间段开始时的初级线圈电流值；③通过针对需施工的钢索预先进行标定的实验，确定没有钢索时的空载积分电压V0的值，确定标定时钢索温度和温度补偿系数的值，以及确定4 个增加磁导率与应力值关系的3 次线性方程的系数。

钢索应力测量仪表首先检测初级线圈电流曲线、次级线圈电压曲线和钢索温度三组物理变量，对初级线圈电流曲线和次级线圈电压曲线进行滤波等数字信号处理，再依据积分时间段计算次级线圈积分电压值，该值经过导线长度补偿和温度补偿计算后得到最终积分电压值，运用公式（7）算出增加磁导率，最后依据增加磁导率与应力值关系的3 次线性方程计算出钢索应力值。

3 硬件实现

依据钢索应力计算所需的物理量要求，仪表必须测得初级线圈电流、次级线圈电压、初级线圈励磁电压和钢索温度四个物理量数据以及数据的处理计算，硬件电路主要包括单片机系统、励磁控制电路和模拟量测量电路三个部分组成，如图1。

图1 硬件电路框图

3.1 单片机系统[6]

单片机系统最关键的是处理器的选择，依据测量要求，处理器必须有足够的存储器存储初级线圈电流曲线和次级线圈电压曲线的数据，以及能快速处理数字信号处理和计算能力，因此选择高性价比的处理器芯片LPC2378 芯片，它内嵌ARM7TDMI-S 处理器，32KB 的SRAM，高达72MHz 的工作频率。采用MAX485 芯片与处理器UART接口组成RS485 通讯链路与计算机通讯。

3.2 励磁控制电路

根据测量原理，必须给传感器初级线圈一高压脉冲激励，使得构件磁化，并进入磁饱和区。高压脉冲的获得是通过一高压大容量急充放电电解电容放电实现。处理器LPC2378 控制400V120mA 的高压模块给急充放电电容充电，处理器启动高压模块后，不断的通过励磁电压测量电路测量实际的电容电压值，并与励磁电压参数做比较，当实际的电容电压值达到目标电压后，处理器停止高压模块输出，充电停止，处理器发出控制信号，经过光耦隔离开通可控硅，给初级线圈施与励磁能量。

3.3 模拟量测量电路

依据力值的计算原理，需要采集4 路模拟量信号：第一路模拟量信号为给初级线圈放电的电容电压，在电容两端用分压电阻的方式采集电压信号，再经过运放电路处理电压信号；第二路模拟量信号为初级线圈施加励磁能量后的电流信号，通过高精度测流电阻（50mΩ）获取的电流值的电压信号，再经过运放电路处理电压信号；第三路模拟量信号为初级线圈施加励磁能量后次级线圈产生的感应电压，从次级线圈产生的电压信号经过过压保护和浪涌保护电路后，再经过运放电路处理电压信号；第四路模拟量为温度信号测量，温阻信号经过处理和过压浪涌保护后，再经过运放电路处理电压信号。运放后4 路模拟量信号，经过一独立双通道4 路16 位高精度A/D 转换器AD7654，把模拟量信号转换为数字信号，输入到处理器芯片。

4 实验测试结果

钢索应力测量仪表试制样机出来后，在柳州欧维姆机械股份有限公司试验室的拉索静载试验的台座上，分别对磁通量传感器CCT18B、CCT20J 测量单根钢绞线进行多次重复加载测试。测试实验在650T 试验台座上进行，标准传感器采用30T 应变片压力传感器，其不确定度为0.5%。试验最大荷载为180KN(0.69 倍公称破断索力)。

CCT18B 对单根光面钢绞线进行测量试验，分别在不同温度和传感器连接导线长度进行实验，励磁电容电压在50 米以下、100 米、150米的情况下分别设置为120V、130V、140V 电压，数据如表1：

表1

CCT20J 对环氧喷涂无粘结钢绞进行测量试验，分别在不同温度和传感器连接导线长度进行实验，励磁电容电压在50 米以下、100米、150 米的情况下分别设置为120V、130V、140V 电压，数据如表2：

表2

根据上面的实验测试数据，在3 米连接导线分别在20°C 和35°C室温的情况下对比仪表测量力值结果，以及在25°C 室温50 米、100米、150 米的情况下，仪表测量的力值与参照标准力值的误差都小于2%。

5 结语

根据实验结果表明，研制出的基于磁弹效应的钢索应力测量仪表的样机基本能避免实际工程应用中影响电压积分测量的各种因素，精度小于2%，基本达到工程应用要求。

［1］高建勋.斜拉桥索力测试方法及误差研究[J].公路与汽运，2004(4)：80-81.

［2］孙志远，杨学山，石文勇.基于磁弹效应的索力传感器研究[J].地震工程与工程振动，2008，2，28(2)：182-186.

［3］邓年春，龙跃，等.磁通量传感器及其在桥梁工程的应用[J].预应力技术，2008(2)：17-20.

［4］Ю.И.雷巴利琴科.磁弹性扭矩传感器[M].北京：计量出版社，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 产品化研发实践[M].北京：电子工业出版社，2008，7.