磁通量傳感器在密閉高釩索索力監測中的應用

黃漢斌 尹超能 王雄彪 覃華橋 王波 林春蘭

摘? 要：密閉高釩索當前已經成為國內新型建筑結構的常用索，是預應力結構中主要受力構件，在其他工程領域也逐步推廣及應用。為解決常規索力監測技術在新型建筑結構預應力索監測的應用局限性，本文針對密閉高釩索材料特性，設計適配的磁通量傳感器及數據采集系統，可在密閉高釩索全生命周期中實時、準確掌握其索力變化，實現對拉索索力的長效監測目標。

關鍵詞：磁通量傳感器? 預應力? 密閉高釩索? 索力監測

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0024-04

Application of magnetic flux sensor in cable force monitoring of closed high vanadium cable

HUANG Hanbin1? YIN Chaoneng1? WANG xiongbiao1? QIN Huaqiao1? WANG Bo1? LIN Chunlan2

（1.Liuzhou OVM Structure Monitoring Technology Co.， Ltd.， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China;2.Guangxi University of science and technology， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China）

Abstract： At present， the Sealed high vanadium cable has become the common cable in new building structures in China， and it is the main stress component in the prestressed structures， which is also gradually popularized and applied in other engineering fields. In order to solve the limitations of conventional cable force monitoring technology in the application of prestressed cable monitoring of new building structure，this paper designs an appropriate magnetic flux sensor and data acquisition system according to the material characteristics of closed high vanadium cable， which can grasp the cable force changes in real time and accurately in the whole life cycle of closed high vanadium cable， and realize the long-term monitoring goal of cable force.

Key Words： Magnetic flux sensor; Prestress; Sealed high vanadium cable; Cable force monitoring

隨著建筑預應力索結構的發展和材料的進步，高釩索（GALFAN）作為一種新型預應力索結構逐步普遍應用于大跨度空間建筑結構中。高釩索是95%鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層的拉索，外層鋼絲為Z型互相咬合達到密封效果的高釩索稱為密閉高釩索，具有外形美觀、抗腐蝕性強等優點[1]。

密閉高釩索作為建筑結構的核心受力構件，其索力并不是一個恒定的值，而是受建筑結構內外部的多種因素的影響而變化的值，建筑結構損傷也會通過索力表現出來。磁通量傳感器在索力測量中具有抗干擾能力強、測量精度高、使用壽命長等優點，該技術在鋼絞線、平行鋼絲拉索等常規索結構中應用成熟[2-3]，但在密閉高釩索索力監測工程應用較少。因此，本文主要結合密閉高釩索結構特點，設計適配的磁通量傳感器并試驗驗證測量精度，結合工程項目實現應用。

1? 磁通量傳感器測量機制

1.1 磁通量傳感器測量原理

磁通量傳感器是基于磁彈效應原理制成：當鐵磁性材料（拉索）承受外界荷載作用時，其內部產生機械應變/應力，相應的引起其內部的磁化強度（磁導率）發生改變，即產生磁彈效應[4]，通過測量鐵磁性材料制成的構件的磁導率變化，建立磁導率變化與應力之間的關系，最終測定鐵磁性材料的受力，磁導率變化與應力的數學模型為[5]：

（1）

式中：表示磁化飽和狀態鐵磁性材料磁致伸縮系數;表示無外力作用下鐵磁性材料的磁導率;表示磁化飽和狀態的磁感應強度。

傳感器基本結構見圖1，在初級線圈施加一個脈沖激勵信號，即在被測構件中產生一個隨時間而變化的磁場[6]，同時在次級線圈中將會產生對應的感應電壓：

（2）

將感應電壓對其在時間間隔內進行積分換算后，可得被測構件的相對磁導率為：

（3）

式中：表示被測構件磁導率;表示空氣的磁導率;表示初級線圈截面積;表示被測構件截面積;表示時間間隔內的平均輸出電壓;表示被測構件未放入初級線圈時的平均輸出電壓。

根據公式（3）利用實驗室張拉標定臺座，被測構件進行分級張拉實驗，建立相對磁導率變化與被測構件應力關系[7-8]。

1.2 磁通量傳感器及數據采集系統設計

1.2.1 傳感器結構設計

磁通量傳感器基本結構如圖1、圖2所示，傳感器套接在被測構件外部，由內向外分別是內軸體、次級線圈、絕緣層、初級線圈和外套筒。以實際工程應用密閉高釩索（φ96mm）為例，設計與其適配傳感器型號為CCT105，尺寸為（內徑×外徑×高度）φ105mm×φ195mm×326mm。

1.2.2 傳感器數據采集系統設計

傳感器數據采集系統如圖3所示，遠程監控中心采集軟件控制磁彈儀給數據集線柜發送通道選址指令，在選定通道傳感器的初級線圈接入一個脈沖激勵信號，傳感器次級線圈同步輸出感應電壓信號到磁彈儀中，隨后磁彈儀結合張拉標定參數內部計算得到實測索力值，最后通過通訊接口轉換模塊將索力值回傳至遠程監控中心，實現索力監測。

1.2.3 傳感器張拉標定測試

為研究設計磁通量傳感器的測試精度，張拉標定測試采用與項目相同規格密閉高釩索（φ96mm）進行，其理論最小破斷力≥9300kN，彈性模量（1.6±0.1）×105MPa。在張拉試驗臺座上安裝完成密閉高釩索、磁通量傳感器、錨具、千斤頂和標準傳感器等設備和材料。

張拉過程中不同張拉分級下，拉索張拉力值與相對磁導率變化的對應標定曲線如圖4所示，曲線中擬合程度R2=0.9986，擬合曲線趨勢可靠性較高，反測最大相對誤差為3%。所設計磁通量傳感器應用在被測構件為密閉高釩索測量過程中，相對磁導率變化與應力相關性好，測量精度達到工程應用需求。

2? 工程項目應用

磁通量傳感器應用于福建某大跨度人行懸索橋工程中，大橋為自錨式懸橋結構，主纜采用φ96mm密閉高釩索，橋梁總寬4.4m，單跨跨度83m，塔高25m。現場安裝如圖5所示，傳感器穿心式套接在拉索自由段，大橋主纜安裝1臺CCT105磁通量傳感器實時監測索力值。

截取部分時程曲線如圖5所示，基于磁通量傳感器技術很好地監測到隨著溫度變化實際拉索索力變化情況，能夠為懸索橋主纜的健康狀態評估和科學養護提供理論依據。

3? 結語

本文基于磁彈效應的原理并結合密閉高釩索的材料特性，設計適配的磁通量傳感器及數據采集系統，通過張拉標定測試驗證數學模型的有效性，最終應用到實際工程項目中，結果證明該監測技術可有效地應用于新型建筑結構預應力索的全生命周期的長效監測中，具備較好的應用前景。

參考文獻

[1] 劉偉，陳麗紅.大直徑高釩索研制[J].金屬制品，2015， 41（4）：9-12，16.

[2] 鄧年春，龍躍，孫利民，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程中的應用[J].預應力技術，2018（2）：17-20.

[3] 王曉琳，周庠天.磁通量傳感器在高邊坡預應力錨索索力監測中的應用[J].江西建材，2016（18）：212-213.

[4] 王社良，王威，蘇三慶，等.鐵磁材料相對磁導率變化與應力關系的磁力學模型[J].西安科技大學學報， 2005（3）：288-291，305.

[5] 修成竹. 基于逆磁致伸縮效應的磁彈索力傳感器研究[D].大連：大連理工大學，2019.

[6] 馬建.斜拉橋拉索索力測試方法研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2020.

[7] 李君.磁通量索力測量系統設計及其應用分析[J].科學技術創新，2021（2）：88-89.

[8] 李登峰，王剛，楊可標.磁彈式索力檢測系統設計與仿真[J].傳感器與微系統，2017，36（9）：67-69，76.