基于旁路结构的磁弹效应索力传感器研究*

邵 磊，冯志敏，胡海刚

（宁波大学海运学院，浙江宁波 315211）

基于旁路结构的磁弹效应索力传感器研究*

邵 磊，冯志敏*，胡海刚

（宁波大学海运学院，浙江宁波 315211）

针对磁弹效应索力传感器工程应用安装与维护技术难题，提出了一种旁路结构的磁弹性索力传感器。应用磁路定律和等效磁路法，对套筒式结构传感器进行磁路系统分析；基于等效磁路原理，设计旁路式结构索力传感器，给出器件结构参数尺寸；搭建相应的传感器试验检测系统，在WDW-300拉伸试验机上对两种传感器进行磁电复合材料诱导电压与拉力比较试验。对旁路结构索力传感器进行抗温性试验研究。结果表明，旁路结构索力传感器检测精度高，重复误差0.02%～0.5%，传感器性能稳定性和温度适应性好，适合于大跨度桥梁结构健康检测的工程应用。

传感器；索力测量；磁弹效应；等效磁路；磁电复合材料；旁路结构

近年来，钢缆索技术广泛应用于大跨度桥梁结构上，开展动态在线索力监测对保证桥梁正常安全运行显得尤为重要。钢缆索索力测定作为斜拉桥健康监测的重要手段在工程上得到广泛应用［1］。磁弹效应的电磁测量是将钢缆索本体作为传感器铁芯，在外部穿套线圈所形成的特殊传感器，利用钢缆索自身磁特性与其所受张力之间的内在联系，通过检测磁电复合材料输出诱导电压实现索力精确测量的一种方法［2-3］。相对于钢缆索锚头处安装压力传感器的索力监测法，以及通过加速度传感器获取钢索固有频率的计算振频测量法［4］比较，磁弹效应法具有寿命长、动态响应快和测量精度高［5-6］。

但是，由绕制在钢缆索外部的激励线圈与缆索本体组成的闭环套筒式结构，适合钢缆索更换或现场绕制线圈时使用，传感器安装和现场维护较为困难，直接影响传感器的测量精度，更难以在已建成桥梁的索力监测应用中实施，不利于养护维修和参数标定［7-8］。因此，解决磁弹效应闭环套筒结构索力传感器的安装维护难题，是该类传感器工程推广应用的一个关键技术。本文提出了旁路结构索力传感器的总体设计方案，通过励磁磁路等效分析和台架试验研究，为大跨度桥梁工程应用提供了一种新的索力检测器件。

1 检测原理

被磁化的铁磁材料在机械外力作用下，材料内部形成的磁弹性能量使磁化强度矢量获得重新取向，导致材料磁导率发生变化。钢缆索受力状态与缆索磁化特性的相互关系，即磁弹效应数学模型［9］：

式中，l为钢缆索的长度；H为磁场强度；B为感应磁场强度；σ为钢缆索应力。

由式（1）和式（2）可得磁电复合材料输出电压

式中，φ在一定磁场中，是铁磁性复合材料的材料常数。

由式（3）可知，磁电复合材料输出诱导电压与钢缆索应力成正比，由此通过输出电压就能精确检测钢缆索受力大小。

2 总体设计

2.1 磁路等效分析

套筒式磁弹效应索力传感器的结构如图1所示。图1中，受力钢缆索采用过盈配合穿过线圈骨架，把预先制备的磁电复合材料嵌入线圈骨架的轴向凹槽中，在线圈骨架外侧缠绕覆盖激励线圈，最后在线圈骨架外侧用套筒进行封装固定。

缠绕线圈是造成磁弹性索力传感器安装拆卸困难的关键所在，因此，必须改变线圈的穿套结构形式。从磁学角度分析，套筒式传感器结构可简化为图2所示的分支磁路结构。由磁路基尔霍夫第一定律可知：

式中，Φ为通过钢缆索的磁通量；Φ1为通过线圈骨架上部的磁通量；Φ2为通过线圈骨架下部的磁通量。

图2 套筒式磁路结构

图2中两个分支磁路并联后，再与绕有激励线圈的受力钢缆索铁芯进行磁路串联，可转换成图3所示的并联等效磁路，每个分支磁路由安培环路定理得［12］：

式中，F为磁动势；N为线圈匝数；I为激励电流；R0为钢缆索磁阻；R1、R2为两分支磁路磁阻。

由式（4）、式（5）得：

图3并联等效磁路

图1 套筒式传感器结构

套筒式结构的等效简化磁路如图4所示，两并联支路的总磁阻、钢缆索的磁阻形成了单一的串联回路。因此设计时若改变线圈骨架、套筒、钢缆索三者结构关系或者传感器结构与参数尺寸，必须保持磁力线形成原有的封闭环路，即使其磁路满足简化等效磁路关系。

图4 简化等效磁路

2.2 等效磁路转换

根据磁路等效原理，设想用一种无分支磁路结构替代原来两并联支路磁路结构，形成旁路式结构，如图5所示。

图5 旁路式传感器结构

图5中把钢缆索视为整个磁回路一部分而非铁芯，励磁线圈直接绕在旁路磁极上，并将磁极外端设计成一个专用夹具结构，用螺母与钢缆索紧固连接。由磁学分析知，图5旁路式传感器可简化为图6所示的无分支等效磁路。

图6 旁路结构等效磁路

由磁路欧姆定律得：

式中，Φ′为磁路的磁通量；F′为磁动势；R0为钢缆索的磁阻；R′为轭铁、磁极和气隙的总磁阻。

若式（6）与式（7）结果相等，则二者等效磁路效果完全一致。在旁路传感器结构中，由于钢缆索没有穿套线圈，传感器左磁极、轭铁、右磁极与钢缆索组成一个封闭磁回路，其等效磁路与图4相同。

2.3 复合材料诱导电压

由图5知，轭铁和磁极采用过盈配合安装，磁电复合材料嵌入磁极轴向凹槽中，并在磁极外侧缠绕覆盖激励线圈，用磁极夹具固定钢缆索。钢缆索在磁化过程中，因受外部拉力作用，其内部磁特性参数的磁导率发生变化，回路的磁通量随之变化，通过检测磁电复合材料的输出诱导电压获得索力。

磁电复合材料由磁致伸缩层、压电材料层、磁致伸缩层胶合而成，如图7所示。

图7 磁电复合材料结构

图7中，M是磁化方向，P是极化方向。当传感器的激励线圈通入电流I时，钢缆索轴向被磁化。同样，钢缆索受力状态发生变化时，其轴向的磁通量会发生相应变化，磁致伸缩层因感应轴向磁通量的变化在长度方向产生一定应变量［13，14］。由于压电层与磁致伸缩层采用高强度粘结，压电层会发生协调变形，进而通过机械-电耦合的电极化产生诱导电压，测量压电层输出诱导电压。

2.4 传感器件结构设计

为提高传感器的检测精度与分辨力，除钢缆索外，其他导磁材料均选用最大磁导率和饱和磁通密度高、剩磁小的工业纯铁，以保证磁路的漏磁达到最小值。

旁路励磁磁路结构尺寸如图8所示。图8中，D为钢缆索公称直径、D1为缆索夹具内孔直径、L1为轭铁高度、L2为轭铁宽度、L3为轭铁间中心孔距、L5为均匀磁场的磁化长度、L4为非均匀磁场的磁化长度。

考虑到磁极夹具存在加工误差，导致左、右磁极和钢缆索接口处产生部分气隙，形成间隙磁阻，可能会造成整个封闭磁回路的磁通量泄漏，大幅降低传感器的灵密度。若考虑气隙δ0，磁极夹具内孔直径应满足：D1=D-2δ0

由于激励线圈端部存在磁化过渡区，内磁场呈非均匀性，为使钢缆索磁化均匀，要求均匀磁场的磁化长度远大于非均匀磁场磁化长度，一般有L5≥2L4。在满足线圈骨架内置要求前提下，轭铁间中心孔距应满足：L3≥L5+2L4。

一般而言，工业纯铁的导磁性远大于钢缆索，为使钢缆索的磁化强度最大，且保证整个封闭磁回路的漏磁达到最小，则传感器结构尺寸设计的基本原则是磁回路中各个部件的横截面积大于钢缆索横截面积，由此，轭铁面积A1、磁极面积A2大于钢缆索横截面积。轭铁、磁极尺寸应满足：L1·L2≥πD2/4； D2≥D。传感器其他参数尺寸需要根据结构和装配要求综合确定。

图8 旁路式传感器结构尺寸

3 台架试验

3.1 系统试验方法

为验证旁路结构传感器的可行性，搭建了图9所示的旁路结构传感器试验检测系统。图中，220 V交流电通过可调变压器和直流整流模块变换为38 V电压，给功率放大器供电。信号发生器产生一定频率的脉冲信号，经功率放大器后驱动绝缘栅双极晶体管，从而产生可控的近似恒流源，并输入传感器的励磁线圈［15］。通过磁致伸缩效应，磁电传感单元检测到诱导电压。

图9 旁路结构传感器试验检测系统原理图

3.2 试验结果分析

通过检测套筒式传感器与旁路式传感器的精度、检测不同温度下旁路式传感器的精度，研究传感器的适用性。

①传感器检测精度比较试验。

试验条件：选择直径为12 mm的钢缆索作为研究对象，在WDW-300拉伸试验机上，钢缆索拉力范围为0～20 kN，室温20℃，重复5组参数试验。

试验结果：套筒式结构检测数据结果如图10所示。采用线性回归拟合方法，处理实测诱导电压与施加于钢缆索上拉力数据，五组试验的线性相关系数分别为0.999 20、0.999 65、0.999 44、0.997 73、0.9973 2，最大重复误差小于0.3%。

旁路式结构检测数据结果如图11所示。采用线性回归拟合方法处理，处理实测诱导电压与施加于钢缆索上拉力数据，五组试验的线性相关系数分别为0.998 33、0.999 63、0.999 77、0.998 34、0.998 82，最大重复误差小于0.3%。

图10 套筒结构诱导电压-拉力

图11 旁路结构诱导电压-拉力

试验结果可知，旁路式结构传感器与套筒式结构传感器的测量精度总体相等，从线性相关系数来看，传感器工作时间越长，旁路式结构的测量精度比较高。这是由于套筒式结构的钢缆索铁芯与激励线圈固连一体，受力过程中会造成一定的漏磁，影响测量精度。旁路式结构的钢缆索铁芯与激励线圈完全独立，对整个系统结构的漏磁影响较小。

台架试验表明，旁路式结构传感器的检测精度同样能满足实际工程要求，不仅能够有效克服套筒结构传感器的安装与维护困难，且传感器性能更稳定。有利于磁弹效应索力传感器在大跨度桥梁工程健康检测中的推广应用。

②旁路式传感器温度适应性试验

试验条件：选择直径为12 mm的钢缆索为研究对象，在WDW-300拉伸试验机上，钢缆索拉力为范围0～20 kN，试验环境温度-10℃、0℃、10℃、30℃、50℃、70℃。在同一温度条件下恒温工作30 min，重复5组参数试验。

试验结果：如图12～图17所示。在不同温度下，旁路式传感器的输出诱导电压测量精度较高，线性相关系数均达到了0.995以上，重复性误差0.02～0.5%。该传感器对温度适应性较强，适用于不同环境温度下的索力检测。

然而，由于基底电压不同，温度对索力传感器的性能产生较大影响，并随负载大小变化。图18为空载时温度对诱导电压影响曲线，呈非线性关系。在实际测量过程中，应采取有效的温度补偿措施。

图12 -10℃下旁路结构诱导电压-拉力

图13 0℃下旁路结构诱导电压-拉力

图14 10℃下旁路结构诱导电压-拉力

图15 30℃下旁路结构诱导电压-拉力

图16 50℃下旁路结构诱导电压-拉力

图17 70℃下旁路结构诱导电压-拉力

图18 空载时旁路结构的温度影响

4 结论

理论分析与试验对比可得出以下结论：

①基于等效磁路关系设计的旁路结构索力传感器，只有在保证轭铁、磁极、钢缆索系统形成封闭环路前提下，才能满足磁弹性精确测量的基本要求。

②旁路结构索力传感器的输出诱导电压与钢缆索张力呈线性关系，且重复检测误差在0.02%～0.5%，可有效解决套筒结构传感器工程安装与维护复杂困难，性能稳定性较好，适合于桥梁工程健康检测应用。

③在不同环境温度下，旁路结构索力传感器检测精度的温度适应性好。但动态环境温度对传感器性能影响较大，需通过温度补偿方法对系统作进一步评估与试验。

［1］ 孙江波，赵红华，赵作周.斜拉索索力测量方法的比较分析［J］.工业建筑，2011，4（S）：402-405.

［2］ 唐德东，黄尚廉，陈伟民.磁弹效应索力传感器的温度影响机理及补偿技术研究［J］.仪器仪表学报，2006，27（12）：1695-1699.

［3］ Wang M L，Chen Z.Magneto-Elastic Permeability Measurement for Stress Monitoring in Osteel Tendons and Cables［C］//Proc of the SPIE 7th Annual Symposium on Smart Structures and Materials，Health Monitoring of the Highway Transportation Infrastructure，2000，3995：492-500.

［4］ 陈再发，冯志敏.一种斜拉桥索力检测的基频混合识别方法［J］.微型机与应用，2011，30（10）：73-76.

［5］ 李晨，谭秋林，张文栋，等.基于氧化铝陶瓷的电容式高温压力传感器［J］.传感技术学报，2014，27（8）：1038-1042.

［6］ Zhiyuan S，Xueshan Y，Feng G，et al.Fabrication of Cable Tension Sensor Based on Magnetoelastic Effect［J］.Proceedings of 2009 International Conference on Electronic Computer Technology，China，2009：659-663.

［7］ Yang Bintang，Liu Qingwei，Zhang Ting，et al.Non-Contact Translation-Rotation Sensor Using Combined Effects of Magnetostriction and Piezoelectricity［C］//Sensors，2012，12：13829-13841.

［8］ Duan Yuangeng，Zhang Ru，Zhao Yang，et al.Steel Stress Monitoring Sensor Based on Elasto-Magnetic Effect and Using Magnetoelectric Laminated Composite［J］.American Institute of Physics，2012（4）：07E516-1-07E516-3.

［9］ Bozorth R M.Ferromagnetism［M］.Van Nostrand，Toronto，1951：63-95.

［10］Wang Y J，Cheung K F，Or S W，et al.PMN-PT Single Crystal and Terfenol-D Alloy Magneto-Electric Laminated Composites for Electro-Magnetic Device Applications［J］.Journal of the Ceramic Society of Japan，2008，116（1352）：540-544.

［11］张纳.超磁致伸缩/压电层状磁电复合材料的磁电效应研究［D］.天津：河北工业大学，2011：23-71.

［12］林其土，赵佑民.磁路设计原理［M］.北京：机械工业出版社，1987：60-81.

［13］海振银，高立波，李俊漾，等.柔性复合压电薄膜的制备及其电导率研究［J］.传感技术学报，2014，27（7）：861-865.

［14］王峥，常晓明.长线磁致伸缩位移传感器的磁极化强度模型［J］.传感技术学报，2010，23（8）：1075-1078.

［15］吴镇扬.数字信号处理［M］.北京：高等教育出版社，2004：99-167.

邵 磊（1989-），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为海洋工程故障诊断与机电控制，shaolei8905@163.com；

冯志敏（1960-），男，汉族，教授，主要从事机械设备状态监测与故障诊断研究，fengzhimin@nbu.edu.cn。

Studies on Magneto-Elastic Effect Cable Force Sensor Based on the Bypass Structure*

SHAO LEI，FENG Zhimin*，HU Haigang
（Maritime College，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

For the problems of installation and maintenance for magneto-elastic effect cable force sensor in engineering application，the magneto-elastic effect cable force sensor based on the bypass structure is put forward.Applying the law of magnetic circuit，the sleeve structure sensor is analyzed systematically.Based on the principle of equivalent magnetic circuit，bypass structure sensor is designed and the parameters of device structure size parameters are given.The corresponding experimental test system is set up.In the tensile test machine of WDW-300，the comparative experiment research between magneto-electric composites induced voltage and tension about the two kinds of sensor is carried out.Temperature resistance test of bypass structure sensor is conducted.The results show that：the measurement precision of cable tension sensor on the structure of bypass type is high；the repetition error is 0.02%～0.5%；the stability and temperature adaptability of the sensor are good.It is suitable for the practical application of large span bridge engineering structural health monitoring.

sensor；cable force measurement；magneto-elastic effect；equivalent magnetic circuit；magneto-electric laminated composite；bypass structure EEACC：3120；7230

TU502；TP212.6

A

1004-1699（2015）07-0997-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.010

项目来源：国家科学自然基金项目（61071198）；浙江省科技计划项目（2013C31045）；浙江省科技创新团队项目（2013TD212）

2015-03-02 修改日期：2015-04-14