基于磁彈效應的鋼索應力測量儀表的研發與設計

曾 科 秦 勇

（柳州市自動化科學研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預應力結構的體外索和預應力筋等是工程結構的關鍵受力構件之一，對其施工階段及運營階段的張力大小監控具有重要的意義。傳統的索力或應力測量方法，如振動頻率法、壓力傳感器測定法和應變片測定法等[1]，都存在明顯的缺陷，限制了它們在工程中的應用范圍。近年來，國外提出了基于磁彈效應法測試鋼索應力的新方法，工程界對于此方法的研究，正是想彌補傳統的索力或應力測量方法的不足。雖然磁彈效應法也存在測量過程中一些固有的弱點，但是其測量系統往往具有極低的成本，同時又不容易損壞，有著很長的使用壽命。隨著全球經濟的進一步發展，必然有更多的大型建筑需要更低成本檢測方案，因此從長遠來看磁彈效應法是最具有潛力的一種鋼索應力測量方式[2-3]。國際上對磁彈效應法測量鋼結溝應力的主要研究集中在歐洲、日本和美國等一些研究機構里。國內也有些大學和研究機構進行磁彈效應法測量鋼索應力的研究，但尚處于理論研究和實驗室開發階段，國內有企業（如柳州歐維姆機械股份有限公司）生產了適合磁彈效應法測量的磁通量傳感器，但國內沒有與之相配套的測量儀表，只能采用國外的儀表。因此，研發設計一套能運用于實際工程的鋼索應力測量儀表成為必要，本文將介紹自主研發的測量儀表樣機研發情況和實驗測試結果。

1 測量理論[4-5]

利用磁致伸縮效應可以使磁能(實際上是電能)轉換為機械能，而利用磁致伸縮的逆效應可以使機械能轉變為磁能(電能)。磁彈索力傳感器正是利用這種磁彈效應來實現索力測量的。當鋼索受到軸向應力時(拉力或壓力)，其軸向發生形變，使得其磁化強度發生變化，而索力與磁導率的變化成正比，通過測量增加磁導率可計算出應力值。

直接測量磁通量或磁通量密度是比較困難的，可采用變通的方法，依據磁感應原理可簡便的研究一個材料磁化的磁性質。利用兩個線圈來進行，一個初級線圈，一個次級線圈，將被測材料作為線圈的鐵心。在初級線圈的兩端加一個脈沖激勵能量，就會產生一個隨時間而變化的變化磁場，其增加磁導率μ 一般由磁場強度變化ΔH 和磁通量密度變化ΔB 之間的關系來描述：

根據法拉第電磁感應定律，在次級線圈中就會產生一個感生電動勢：

通過線圈的磁通量是沿著被測構件的方向。測試過程中，被測構件可能并未完全充滿線圈，因此總的磁通量是由通過空氣的磁通量和通過構件的磁通量兩部分組成。感應電壓為：

其中：Sμ0和Sμ分別為線圈中被空氣和構件所占部分的表面積。μ0是空氣的磁導率。如果將感應電壓對時間進行積分，所得到的對時間進行平均的輸出電壓是：

如果線圈的匝數較多并且排列緊密，則其內的磁場幾乎是均勻的，有鐵心存在時也是如此。因此方程（4）可簡化為：

其中：S0是線圈的總的截面面積，Sf是構件的截面面積，T 是RC電路的時間常數。在線圈中未放試件的情況下，隨時間變化的輸出電壓的積分為：

由方程（5）和方程（6）可得：

由公式（7）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 實施方法分析

由上述理論分析可由兩個積分電壓計算出鋼索應力值，但在實際工程應用中，影響積分電壓測量的因素很多，在鋼索應力一樣的情況下各種不良影響因素均能引起積分電壓Vout和V0有不同的測量結果，這些因素包括：傳感器一次側的勵磁能量的大小；積分時間段的選擇；由于現場連接傳感器導線長度的差異而引起勵磁電路參數的變化；鋼索材料鐵磁特性的不同；另外根據鐵磁材料磁導率的特性，鐵磁材料溫度的變化會導致磁導率的變化，進而影響積分電壓值。

首先，分析上述的各種因素，根據應用現場運用情況實施方法可分為：①通過算法可補償的因素，傳感器安裝位置不同導致連接導線長度的差異和環境溫度引起鋼索溫度的差異，導線長度的差異由初級線圈勵磁電壓和積分時間段的初級線圈電流通過特殊算法補償積分電壓，溫度的差異可設定標定溫度和實測溫度通過溫度補償算法補償積分電壓；②通過參數設制可控制的因素，對需施工的鋼索預先進行標定實驗，避免鋼索材料的影響，根據鋼索達到磁飽和但又不能產生大量磁渦流的原則確定初級線圈勵磁電壓值，積分時間段的選擇根據鋼索將近達到磁飽和而又未飽和的原則確定積分時間段開始時的初級線圈電流值；③通過針對需施工的鋼索預先進行標定的實驗，確定沒有鋼索時的空載積分電壓V0的值，確定標定時鋼索溫度和溫度補償系數的值，以及確定4 個增加磁導率與應力值關系的3 次線性方程的系數。

鋼索應力測量儀表首先檢測初級線圈電流曲線、次級線圈電壓曲線和鋼索溫度三組物理變量，對初級線圈電流曲線和次級線圈電壓曲線進行濾波等數字信號處理，再依據積分時間段計算次級線圈積分電壓值，該值經過導線長度補償和溫度補償計算后得到最終積分電壓值，運用公式（7）算出增加磁導率，最后依據增加磁導率與應力值關系的3 次線性方程計算出鋼索應力值。

3 硬件實現

依據鋼索應力計算所需的物理量要求，儀表必須測得初級線圈電流、次級線圈電壓、初級線圈勵磁電壓和鋼索溫度四個物理量數據以及數據的處理計算，硬件電路主要包括單片機系統、勵磁控制電路和模擬量測量電路三個部分組成，如圖1。

圖1 硬件電路框圖

3.1 單片機系統[6]

單片機系統最關鍵的是處理器的選擇，依據測量要求，處理器必須有足夠的存儲器存儲初級線圈電流曲線和次級線圈電壓曲線的數據，以及能快速處理數字信號處理和計算能力，因此選擇高性價比的處理器芯片LPC2378 芯片，它內嵌ARM7TDMI-S 處理器，32KB 的SRAM，高達72MHz 的工作頻率。采用MAX485 芯片與處理器UART接口組成RS485 通訊鏈路與計算機通訊。

3.2 勵磁控制電路

根據測量原理，必須給傳感器初級線圈一高壓脈沖激勵，使得構件磁化，并進入磁飽和區。高壓脈沖的獲得是通過一高壓大容量急充放電電解電容放電實現。處理器LPC2378 控制400V120mA 的高壓模塊給急充放電電容充電，處理器啟動高壓模塊后，不斷的通過勵磁電壓測量電路測量實際的電容電壓值，并與勵磁電壓參數做比較，當實際的電容電壓值達到目標電壓后，處理器停止高壓模塊輸出，充電停止，處理器發出控制信號，經過光耦隔離開通可控硅，給初級線圈施與勵磁能量。

3.3 模擬量測量電路

依據力值的計算原理，需要采集4 路模擬量信號：第一路模擬量信號為給初級線圈放電的電容電壓，在電容兩端用分壓電阻的方式采集電壓信號，再經過運放電路處理電壓信號；第二路模擬量信號為初級線圈施加勵磁能量后的電流信號，通過高精度測流電阻（50mΩ）獲取的電流值的電壓信號，再經過運放電路處理電壓信號；第三路模擬量信號為初級線圈施加勵磁能量后次級線圈產生的感應電壓，從次級線圈產生的電壓信號經過過壓保護和浪涌保護電路后，再經過運放電路處理電壓信號；第四路模擬量為溫度信號測量，溫阻信號經過處理和過壓浪涌保護后，再經過運放電路處理電壓信號。運放后4 路模擬量信號，經過一獨立雙通道4 路16 位高精度A/D 轉換器AD7654，把模擬量信號轉換為數字信號，輸入到處理器芯片。

4 實驗測試結果

鋼索應力測量儀表試制樣機出來后，在柳州歐維姆機械股份有限公司試驗室的拉索靜載試驗的臺座上，分別對磁通量傳感器CCT18B、CCT20J 測量單根鋼絞線進行多次重復加載測試。測試實驗在650T 試驗臺座上進行，標準傳感器采用30T 應變片壓力傳感器，其不確定度為0.5%。試驗最大荷載為180KN(0.69 倍公稱破斷索力)。

CCT18B 對單根光面鋼絞線進行測量試驗，分別在不同溫度和傳感器連接導線長度進行實驗，勵磁電容電壓在50 米以下、100 米、150米的情況下分別設置為120V、130V、140V 電壓，數據如表1：

表1

CCT20J 對環氧噴涂無粘結鋼絞進行測量試驗，分別在不同溫度和傳感器連接導線長度進行實驗，勵磁電容電壓在50 米以下、100米、150 米的情況下分別設置為120V、130V、140V 電壓，數據如表2：

表2

根據上面的實驗測試數據，在3 米連接導線分別在20°C 和35°C室溫的情況下對比儀表測量力值結果，以及在25°C 室溫50 米、100米、150 米的情況下，儀表測量的力值與參照標準力值的誤差都小于2%。

5 結語

根據實驗結果表明，研制出的基于磁彈效應的鋼索應力測量儀表的樣機基本能避免實際工程應用中影響電壓積分測量的各種因素，精度小于2%，基本達到工程應用要求。

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

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［6］曹垣亮.基于ARM9/7 產品化研發實踐[M].北京：電子工業出版社，2008，7.