高钒索索力监测电磁弹传感器的研发与应用

胡孝阳 段元锋，* 魏 巍 段元昌

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.杭州健而控科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

随着科技水平的进步，桥梁结构逐步向大跨缆索体系发展。其中钢缆索作为索承体系桥梁的核心受力构件，其应力状态会直接对桥梁结构的安全使用产生重大影响。作为国内外公路交通最为重要的组成部分，桥梁的安全事故会对国家造成极大的经济损失和严重的社会影响。因此，有效实现对钢缆索索力监（检）测一直是桥梁健康监测系统的重要任务之一。

传统的索力测量方法，一般是通过获取外加应力引起的结构某种物理量的变化，间接计算应力的大小，具有一定的适用性，但均存在各种程度的缺陷：

（1）电阻应变片测定法［1］，其原理在于外加力会导致应变片长度和电阻值发生改变，通过电阻值的变化反算结构所受应力。其优势在于可以通过电桥电路抑制温度漂移，产品种类较多，测量方式简单，操作灵活。其缺点在于，电阻应变片在使用的过程中需要使用黏结剂，黏结剂的性能会直接影响测量精度，且难以确定应力绝对值。

（2）振动频率法［2］，是通过加速度传感器测量拉索振动频率，再通过理论分析或实验曲线来换算实际索力。该方法具有安装简单、可重复使用等优点，但计算结果容易受到边界条件、弯曲刚度、减振装置等影响，精度较低。

（3）光纤光栅（FBG）测定法［3］，原理在于通过测量光纤光栅波长的变化反算结构所受外力的变化。由于依靠光作为敏感信息的载体，光纤光栅传感器具有电绝缘性好、传输损耗小、安全可靠、抗电磁干扰性强、耐腐蚀性、化学性能稳定、可实现多点分布式测量等优点。但光纤传感器极易损坏，且需与解调仪配合使用，故成本较高，且只能测量应变，需要进一步计算确定索力，由于温度等因素影响，难以获得绝对索力。

（4）振弦式应变法［4］，原理在于钢弦在不同的拉力下会具有不同的自振频率，通过确定构件的自振频率可反算被测构件应力大小。缺点在于永久安装存在困难，难以实现绝对索力监测。

长期研究表明，钢拉索等铁磁材料在实际使用过程中，当其材料特性或受力状态发生变化时，材料内部的磁畴结构会发生改变，从而会表现不同的磁特性。利用对磁特性的测量，可以实现对钢索的无损索力测量。针对基于磁弹效应的研究最早由捷克斯洛伐克（Czechoslovakia）的夸美纽斯大学的Kvasnica等学者开展，主要研究了铁磁材料的磁特性与外应力、温度的关系［5］；之后日本的Sumitro S以明石海峡大桥为例，对比多种索力监测方法，并指出基于磁弹效应的应力监测法的独特优势［6］；近些年来，国内同济大学逯彦秋等［7］，也进行了磁通量传感器的相关研究。然而，磁通量传感器采用副线圈作为检测元件，其绕线复杂，感应电压较弱，限制其测量精度和工程使用。浙江大学的段元锋教授团队［8-14］提出使用一种新型磁电层 合 材 料（Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D，TD/PMNT/TD）代替副线圈，研发出一种电磁弹传感器（EME sensor）。研究表明，与传统磁通量传感器相比，磁电磁弹效应式应力传感器体积更小、磁电响应速度更快、测量精度更高。

作为国内新型钢缆索材料，高钒索索体由多层钢丝旋钮而成，钢丝表面镀锌铝合金镀层，具有抗腐蚀性高、防火性能强、无须PE覆盖从而施工方便、耐久性好、美观性好等优点［15-16］，已在众多空间结构中得到运用，例如，武汉市宏图大道站下沉广场上盖预应力弦支单层网壳［17］。同时，作为索承桥主要承重构件，如悬索桥主缆，近年来高钒索同样在桥梁领域得以应用。目前为止，电磁弹传感器仅在钢绞线、高强钢丝、平行钢丝拉索、钢绞线吊杆［18-21］等材料中有了应用，还未实现针对高钒索的索力监测，因此本文主要针对高钒索，研发电磁弹传感器，通过试验研究传感器测量稳定性和测量精度，并将其运用到实际工程中。

1 电磁弹传感器工作原理

1.1 磁弹效应

根据磁畴原理［22］，当铁磁材料（如钢索）受到外荷载作用时，其内部会产生应变，同时材料内部磁畴会发生位移和转动，从而导致材料磁特性（例如导磁率）发生变化。因此通过量化铁磁材料的磁特性值变化，即可评定被测构件的内力。由基本理论公式：

式中：λs为磁致伸缩系数；σ为所受应力；θ0为应力方向与磁化轴的夹角；Ku为单轴各向异性常数；Ms为饱和磁化强度；H为磁场强度；μ是磁导率。

在式（1）中，当构件受力方向固定（如轴心受拉），磁场强度达到饱和值时，θ0为固定值，λs可由经验公式［23］：

式中，γi表示应力方向。

结合式（1）、式（2）可以看出，应力σ和磁特征值μ存在一定的比例关系。这样可以通过分析磁特性预测应力值，作为电磁弹传感器的研究基础。

1.2 智能磁电传感元件

磁电层合材料是基于磁致伸缩材料和压电材料的乘积效应进行工作［14］。其工作原理在于：磁致伸缩材料在磁场中会产生应变，应变通过黏结作用传递给压电材料，压电材料受力产生电场，最后通过电路采集电信号，即可通过电信号反算磁场信号，实现电磁转换。本次电磁弹传感器采用智能磁电传感元件是由Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D三种材料层合而成，具有电磁转换效率高、磁电响应速度快、体积小等优点。

1.3 电磁弹传感器监测系统

电磁弹传感器在实际监测过程中，需配合相应设备和软件组成测量系统，设备硬件主要包括上位机电脑、电磁弹传感器、磁弹仪和多通道采集箱，其中控制程序存储于上位机电脑中，磁弹仪主要包括数据处理模块，多通道采集箱实现一台磁弹仪对应多个传感器，可以大大减少实际工程中磁弹仪的数量，降低成本。系统工作流程在于（图1）：首先将被测钢构件穿过电磁弹传感器；然后通过软件控制电路在主线圈中产生脉冲电流信号，智能磁电传感元件同步产生电压信号；之后采集模块会收集电流电压信号，并进行数据处理，得到磁特征值与索力的关系；最后程序将关系曲线输入上位机软件中，即可实现索力监测。

图1 电磁弹传感器监测系统工作原理图Fig.1 Working principle of EME sensory system

2 电磁弹传感器结构设计

电磁弹传感器的结构（图2），传感器内部为待测钢构件，之后从内到外依次是骨架、磁电传感元件、主线圈和保护层，其余空隙为真空。具体参数尺寸如表1所示。

图2 电磁弹传感器横断面图Fig.2 Cross-section of EME sensor

表1 电磁弹传感器参数尺寸Table 1 Size of EME sensor

3 实验室标定

本次实验室标定采用直径为80 mm的高钒索（图3），与后文中工程现场所用拉索相同。索力理论破断力6 390 kN，有效面积4 379 mm2，弹性模量（1.6±0.1）×105N/mm2，设计索力在1 500 kN左右。为了验证该传感器的可行性和稳定性，在实验室中针对80 mm的高钒索做了全面试验。试验所用标定系统如图4所示：在拉索制作阶段就预先将电磁弹传感器布置在拉索中间；之后将拉索固定在加载架上，连接好电磁弹传感器整套测量设备；最后驱动电路激励初级线圈，通过NI数据采集（DAQ）设备（USB-6211）收集相关电压和电流信号；最后利用温箱控制标定过程的温度，以消除温度变化带来的影响。

图3 高钒索索体截面Fig.3 Cross-section of Galfan cable

图4 传感器标定系统Fig.4 calibration equipments for EME sensor

试验过程包括：在四个不同的温度（2℃，18℃，35℃，50℃）下，该标定试验加载荷载范围为800～1 800 kN，加载步长200 kN，每级荷载保持10 min，进行5次测量，并对结果取平均值。经过数据处理后，确定最终磁特征参数。图5显示了在四种不同温度下的标定曲线，可以发现磁特性参数随着外荷载呈现单调增加的趋势，对结果进行曲线拟合，可以得到四个不同温度下的二次标定方程，这里用评价拟合好坏的指标R2判断曲线拟合程度：

图5 高钒索温度标定曲线Fig.5 Calibration curves of EME sensors in different temperature

式中：yi为实际测得的值；Yi为拟合曲线计算出来的值；-y为yi的均值。

经计算，各曲线拟合系数达到R2=0.999。最大相对误差小于2%。可以得出结论：针对高钒索的电磁弹传感器所得到的磁特征值与索力值的相关性明显；标定后测量值与张拉力吻合度良好，传感器测量精度高，满足工程要求。

4 工程应用

之后成功将该电磁弹传感器应用于福建省某悬索桥，主跨70.5 m。悬索桥主缆一段锚固在主梁上，一段与背索相连锚固在地锚上。主梁采用扁平钢箱梁结构，桥塔采用梭形造型，高20.35 m，主缆背索均采用直径80 mm的高钒索，与上文实验室标定所用索相同。图6为电磁弹传感器现场安装的位置，其中图6（a）为整体示意图，可以看出传感器在主缆靠近锚头的地方；图6（b）是传感器的细部实物图，可以看出传感器外表面都会有喷漆处理，目的是为了防止锈蚀等因素影响传感器的使用寿命。

图6 电磁弹传感器现场安装位置Fig.6 On-site location of EME sensors

5 结 论

高钒索作为国内新型钢缆索材料，已经在土木工程领域备受关注和推广，而传统的钢索的索力监测方法也难以适应现代桥梁运行结构安全监测需求。本文研发的针对高钒索的电磁弹传感器和相应测量系统，能够实现采集信息的自动化和对在役拉索的长效监测，为保障桥梁结构的安全运营提供基础数据。本文从磁弹效应和磁电材料的基本原理出发，研发电磁弹传感器，通过实验室标定对电磁弹传感器的精度进行了验证，并最终将传感器运用到实际工程项目中。可以得出如下结论：

（1）实验室试验证明，该电磁弹传感器所得到的磁特征值与索力值的相关性明显；测量值与张拉力吻合度良好，传感器测量精度较大，最大测量误差小于2%。

（2）该电磁弹传感器成功运用到实际工程，说明该电磁弹传感器的可靠性，可用于索力长期监测。未来阶段在得到实桥的长期数据后，将会进一步对数据进行统计分析。