高釩索索力監測電磁彈傳感器的研發與應用

胡孝陽 段元鋒，* 魏 巍 段元昌

（1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058；2.杭州健而控科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

隨著科技水平的進步，橋梁結構逐步向大跨纜索體系發展。其中鋼纜索作為索承體系橋梁的核心受力構件，其應力狀態會直接對橋梁結構的安全使用產生重大影響。作為國內外公路交通最為重要的組成部分，橋梁的安全事故會對國家造成極大的經濟損失和嚴重的社會影響。因此，有效實現對鋼纜索索力監（檢）測一直是橋梁健康監測系統的重要任務之一。

傳統的索力測量方法，一般是通過獲取外加應力引起的結構某種物理量的變化，間接計算應力的大小，具有一定的適用性，但均存在各種程度的缺陷：

（1）電阻應變片測定法［1］，其原理在于外加力會導致應變片長度和電阻值發生改變，通過電阻值的變化反算結構所受應力。其優勢在于可以通過電橋電路抑制溫度漂移，產品種類較多，測量方式簡單，操作靈活。其缺點在于，電阻應變片在使用的過程中需要使用黏結劑，黏結劑的性能會直接影響測量精度，且難以確定應力絕對值。

（2）振動頻率法［2］，是通過加速度傳感器測量拉索振動頻率，再通過理論分析或實驗曲線來換算實際索力。該方法具有安裝簡單、可重復使用等優點，但計算結果容易受到邊界條件、彎曲剛度、減振裝置等影響，精度較低。

（3）光纖光柵（FBG）測定法［3］，原理在于通過測量光纖光柵波長的變化反算結構所受外力的變化。由于依靠光作為敏感信息的載體，光纖光柵傳感器具有電絕緣性好、傳輸損耗小、安全可靠、抗電磁干擾性強、耐腐蝕性、化學性能穩定、可實現多點分布式測量等優點。但光纖傳感器極易損壞，且需與解調儀配合使用，故成本較高，且只能測量應變，需要進一步計算確定索力，由于溫度等因素影響，難以獲得絕對索力。

（4）振弦式應變法［4］，原理在于鋼弦在不同的拉力下會具有不同的自振頻率，通過確定構件的自振頻率可反算被測構件應力大小。缺點在于永久安裝存在困難，難以實現絕對索力監測。

長期研究表明，鋼拉索等鐵磁材料在實際使用過程中，當其材料特性或受力狀態發生變化時，材料內部的磁疇結構會發生改變，從而會表現不同的磁特性。利用對磁特性的測量，可以實現對鋼索的無損索力測量。針對基于磁彈效應的研究最早由捷克斯洛伐克（Czechoslovakia）的夸美紐斯大學的Kvasnica等學者開展，主要研究了鐵磁材料的磁特性與外應力、溫度的關系［5］；之后日本的Sumitro S以明石海峽大橋為例，對比多種索力監測方法，并指出基于磁彈效應的應力監測法的獨特優勢［6］；近些年來，國內同濟大學逯彥秋等［7］，也進行了磁通量傳感器的相關研究。然而，磁通量傳感器采用副線圈作為檢測元件，其繞線復雜，感應電壓較弱，限制其測量精度和工程使用。浙江大學的段元鋒教授團隊［8-14］提出使用一種新型磁電層 合 材 料（Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D，TD/PMNT/TD）代替副線圈，研發出一種電磁彈傳感器（EME sensor）。研究表明，與傳統磁通量傳感器相比，磁電磁彈效應式應力傳感器體積更小、磁電響應速度更快、測量精度更高。

作為國內新型鋼纜索材料，高釩索索體由多層鋼絲旋鈕而成，鋼絲表面鍍鋅鋁合金鍍層，具有抗腐蝕性高、防火性能強、無須PE覆蓋從而施工方便、耐久性好、美觀性好等優點［15-16］，已在眾多空間結構中得到運用，例如，武漢市宏圖大道站下沉廣場上蓋預應力弦支單層網殼［17］。同時，作為索承橋主要承重構件，如懸索橋主纜，近年來高釩索同樣在橋梁領域得以應用。目前為止，電磁彈傳感器僅在鋼絞線、高強鋼絲、平行鋼絲拉索、鋼絞線吊桿［18-21］等材料中有了應用，還未實現針對高釩索的索力監測，因此本文主要針對高釩索，研發電磁彈傳感器，通過試驗研究傳感器測量穩定性和測量精度，并將其運用到實際工程中。

1 電磁彈傳感器工作原理

1.1 磁彈效應

根據磁疇原理［22］，當鐵磁材料（如鋼索）受到外荷載作用時，其內部會產生應變，同時材料內部磁疇會發生位移和轉動，從而導致材料磁特性（例如導磁率）發生變化。因此通過量化鐵磁材料的磁特性值變化，即可評定被測構件的內力。由基本理論公式：

式中：λs為磁致伸縮系數；σ為所受應力；θ0為應力方向與磁化軸的夾角；Ku為單軸各向異性常數；Ms為飽和磁化強度；H為磁場強度；μ是磁導率。

在式（1）中，當構件受力方向固定（如軸心受拉），磁場強度達到飽和值時，θ0為固定值，λs可由經驗公式［23］：

式中，γi表示應力方向。

結合式（1）、式（2）可以看出，應力σ和磁特征值μ存在一定的比例關系。這樣可以通過分析磁特性預測應力值，作為電磁彈傳感器的研究基礎。

1.2 智能磁電傳感元件

磁電層合材料是基于磁致伸縮材料和壓電材料的乘積效應進行工作［14］。其工作原理在于：磁致伸縮材料在磁場中會產生應變，應變通過黏結作用傳遞給壓電材料，壓電材料受力產生電場，最后通過電路采集電信號，即可通過電信號反算磁場信號，實現電磁轉換。本次電磁彈傳感器采用智能磁電傳感元件是由Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D三種材料層合而成，具有電磁轉換效率高、磁電響應速度快、體積小等優點。

1.3 電磁彈傳感器監測系統

電磁彈傳感器在實際監測過程中，需配合相應設備和軟件組成測量系統，設備硬件主要包括上位機電腦、電磁彈傳感器、磁彈儀和多通道采集箱，其中控制程序存儲于上位機電腦中，磁彈儀主要包括數據處理模塊，多通道采集箱實現一臺磁彈儀對應多個傳感器，可以大大減少實際工程中磁彈儀的數量，降低成本。系統工作流程在于（圖1）：首先將被測鋼構件穿過電磁彈傳感器；然后通過軟件控制電路在主線圈中產生脈沖電流信號，智能磁電傳感元件同步產生電壓信號；之后采集模塊會收集電流電壓信號，并進行數據處理，得到磁特征值與索力的關系；最后程序將關系曲線輸入上位機軟件中，即可實現索力監測。

圖1 電磁彈傳感器監測系統工作原理圖Fig.1 Working principle of EME sensory system

2 電磁彈傳感器結構設計

電磁彈傳感器的結構（圖2），傳感器內部為待測鋼構件，之后從內到外依次是骨架、磁電傳感元件、主線圈和保護層，其余空隙為真空。具體參數尺寸如表1所示。

圖2 電磁彈傳感器橫斷面圖Fig.2 Cross-section of EME sensor

表1 電磁彈傳感器參數尺寸Table 1 Size of EME sensor

3 實驗室標定

本次實驗室標定采用直徑為80 mm的高釩索（圖3），與后文中工程現場所用拉索相同。索力理論破斷力6 390 kN，有效面積4 379 mm2，彈性模量（1.6±0.1）×105N/mm2，設計索力在1 500 kN左右。為了驗證該傳感器的可行性和穩定性，在實驗室中針對80 mm的高釩索做了全面試驗。試驗所用標定系統如圖4所示：在拉索制作階段就預先將電磁彈傳感器布置在拉索中間；之后將拉索固定在加載架上，連接好電磁彈傳感器整套測量設備；最后驅動電路激勵初級線圈，通過NI數據采集（DAQ）設備（USB-6211）收集相關電壓和電流信號；最后利用溫箱控制標定過程的溫度，以消除溫度變化帶來的影響。

圖3 高釩索索體截面Fig.3 Cross-section of Galfan cable

圖4 傳感器標定系統Fig.4 calibration equipments for EME sensor

試驗過程包括：在四個不同的溫度（2℃，18℃，35℃，50℃）下，該標定試驗加載荷載范圍為800～1 800 kN，加載步長200 kN，每級荷載保持10 min，進行5次測量，并對結果取平均值。經過數據處理后，確定最終磁特征參數。圖5顯示了在四種不同溫度下的標定曲線，可以發現磁特性參數隨著外荷載呈現單調增加的趨勢，對結果進行曲線擬合，可以得到四個不同溫度下的二次標定方程，這里用評價擬合好壞的指標R2判斷曲線擬合程度：

圖5 高釩索溫度標定曲線Fig.5 Calibration curves of EME sensors in different temperature

式中：yi為實際測得的值；Yi為擬合曲線計算出來的值；-y為yi的均值。

經計算，各曲線擬合系數達到R2=0.999。最大相對誤差小于2%。可以得出結論：針對高釩索的電磁彈傳感器所得到的磁特征值與索力值的相關性明顯；標定后測量值與張拉力吻合度良好，傳感器測量精度高，滿足工程要求。

4 工程應用

之后成功將該電磁彈傳感器應用于福建省某懸索橋，主跨70.5 m。懸索橋主纜一段錨固在主梁上，一段與背索相連錨固在地錨上。主梁采用扁平鋼箱梁結構，橋塔采用梭形造型，高20.35 m，主纜背索均采用直徑80 mm的高釩索，與上文實驗室標定所用索相同。圖6為電磁彈傳感器現場安裝的位置，其中圖6（a）為整體示意圖，可以看出傳感器在主纜靠近錨頭的地方；圖6（b）是傳感器的細部實物圖，可以看出傳感器外表面都會有噴漆處理，目的是為了防止銹蝕等因素影響傳感器的使用壽命。

圖6 電磁彈傳感器現場安裝位置Fig.6 On-site location of EME sensors

5 結 論

高釩索作為國內新型鋼纜索材料，已經在土木工程領域備受關注和推廣，而傳統的鋼索的索力監測方法也難以適應現代橋梁運行結構安全監測需求。本文研發的針對高釩索的電磁彈傳感器和相應測量系統，能夠實現采集信息的自動化和對在役拉索的長效監測，為保障橋梁結構的安全運營提供基礎數據。本文從磁彈效應和磁電材料的基本原理出發，研發電磁彈傳感器，通過實驗室標定對電磁彈傳感器的精度進行了驗證，并最終將傳感器運用到實際工程項目中。可以得出如下結論：

（1）實驗室試驗證明，該電磁彈傳感器所得到的磁特征值與索力值的相關性明顯；測量值與張拉力吻合度良好，傳感器測量精度較大，最大測量誤差小于2%。

（2）該電磁彈傳感器成功運用到實際工程，說明該電磁彈傳感器的可靠性，可用于索力長期監測。未來階段在得到實橋的長期數據后，將會進一步對數據進行統計分析。