（仪器科学与技术专业论文）基于磁弹效应法的索力检测技术研究与仪器设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 删f 煳必 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 力，玖牛j 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：址新签名：像丛日 i l 期：! 呈：兰：! 兰： 摘要 摘要 钢缆索是一种重要的承力构件，已广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构等领域。 对钢缆索的受力状况进行检测，判断和分析钢缆索的结构健康状况，在工程界是一个难 题。传统的索力检测方法有其固有的缺点，难以满足缆索应力的在役检测要求。基于磁 弹效应原理对钢缆索应力进行检测是一种长寿命、高精度和低成本的检测方法，最具发 展潜力。根据磁弹效应原理研究并开发实用的索力检测系统具有重要应用价值。 论文首先在国内外基于磁弹效应的索力检测研究基础上，详细论述了磁路结构和励 磁方式，最终采用套筒式磁通量传感器，搭建相应的励磁电路。在分析了感应电压信号 特点后，设计了合理的检测电路，对信号进行调理以满足d 转换要求。 然后，基于p x a 2 7 0 嵌入式处理器设计索力检测系统，在p x a 2 7 0 开发平台上设计 励磁控制电路和信号检测电路。同时在w i n d o w sc e 环境下利用p l a t f o r n lb u i l d e r 和 e m b e d d e dv i s u a lc h 开发相应的索力检测软件，完成励磁控制、a d 转换、数据预处理、 感应电压积分、磁导率计算、索力计算、数据保存、数据传输等功能。检测结果通过以 太网传输到p c 机，由p c 机完成进一步的数据处理和图形显示。 最后，论文对索力检测系统软硬件进行了调试和实验验证，并对实验数据进行了分 析。实验表明，本系统能够实现通过测量磁导率的变化来准确测量缆索的应力，具有重 要的实用价值。 关键字：磁弹效应，磁导率，索力，p x a 2 7 0 ，w i n d o w sc e i i i 东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t s t e e lc a b l ea r ei m p o r t a n ts t r a i n e dc o m p o n e n t s w i t c hh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt os o m e r e a l m ss u c ha sb r i d g e sw i t hl a r g es p a n ，h u g eb u i l d i n gs t r u c t u r e sa n dp u l l i n gm e c h a n i s me t c t h es t r e s si n s p e c t i o no fs t e e lc a b l e s ，a n dt h ei u d g m e n ta n da n a l y s i so fh e a l t hs t a t u so fs t e e l c a b l e si sad i f e c u l t yp r o b l e mi ne n g i n e e r i n ga r e a t h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d so f c a b l es t r e s sa r eh a r dt om e e tt h ed e m a n do fc a b l eo n l i n em o n i t o r i n gd u et ot h e i ro w t i s h o r t c o m i n g s t h ed e t e c t i o nm e a t h o db a s e do nt h em a g n e t o e l a s t i ce f f e c ti sal o n gl i f e 1 1 i g l l p r e c i s i o na n dl o wc o s tm e t h o d a l s oh a st h em o s tp o t e n t i a ld e v e l o p m e n t t h e r e f o r e i th a s i m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u et or e s e a r c ha n dd e v e l o pap r a c t i c a ls y s t e mo fc a b l ef o r c e m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nm a g n e t o e l a s t i ce f f e c t a tf i r s t ，t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h em e t h o d so fc a b l et e n s i o nd e t e c t i o nb a s e do n m a g n e t o e l a s t i ce f f e c ta p p l i e da th o m ea n da b r o a d ，a n di n v e s t i g a t e dt h em a g n e t i cc i r c u i t s t r u c t u r ea n de x c i t a t i o nm o d ei nd e t a i l t h es l e e v e t y p es t r u c t u r eo fm a g n e t i cf l u xs e n s o rw a s a d o p t e d ，a n dt h ee x c i t a t i o nc i r c u i tw a sd e s i g n e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f i n d u c e dv o l t a g es i g n a l ，a na p p r o p r i a t es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e di no r d e rt o m e e tt h e 加c o n v e r s i o nr e q u i r e m e n t s n e x t ，t h ec a b l ef o r c em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do np 凇7 0p r o c e s s o rw a sd e s i g n e d t h ee x c i t a t i o nc i r c u i ta n ds i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i tw e r ed e s i g n e do nt h ep x a 2 7 0d e v e l o p m e n t p l a t f o r m m e a n w h i l et h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e db yu s eo fp l a t f o l n lb u i l d e r a n de m b e d d e dv i s u a lc + + i nt h ew i n d o w sc ee n v i r o n m e n tt oc o n t r 0 1e x c i t a t i o nc i r c u i ta n d a dc o n v e r s i o n ，s m o o t ha n di n t e g r a t et h ec o n v e g e dd a t aa c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o nm e t h o d a n ds a v et h er e s u l t y m e a s u r e m e n td a t aa l s oc a nb et r a n s m i t t e dv i ae t h e m e tt oap cf o r f u r t h e rd a t ap r o c e s s i n ga n dg r a p h i cd i s p l a y f i n a l l y , i tw a sc a r r i e do u tt od e b u ga n dv e r i f yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc a b l ef o r c e m e a s u r e m e n ts y s t e mb ye x p e r i m e n t ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ea n a l y z e d e x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h es y s t e mc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h ec a b l es t r e s sb yd e t e c t i n gt h ec h a n g eo f p e r m e a b i l i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t yp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a st h et h ep r a c t i c a b i l i t yo f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m a g n e t o - e l a s t i ce f f e c t ；p e r m e a b i l i t y ；c a b l et e n s i o n ；p x a 2 7 0 ；w i n d o w sc e i v 目录 摘要i i i 第一章绪论1 1 1 课题的意义和目的1 1 2 国内外索力监测技术研究动态1 1 2 1 张拉千斤顶测量法2 1 2 2 压力传感器测量法2 1 2 3 频率振动测量法2 1 2 4 磁弹效应法3 1 3 课题研究意义及主要研究内容。4 1 3 1 课题意义4 1 3 2 主要研究内容4 第二章基于磁弹效应的索力测量原理5 2 1 引言5 2 2 磁弹效应索力检测原理6 2 2 1 索力与磁导率关系6 2 2 2 磁导率的测量7 2 3 本章小结8 第三章励磁磁路及励磁方案设计一9 3 1 弓i 言9 3 2 励磁磁路研究一9 3 2 1 励磁磁路设计要求及磁路方案选择9 3 2 2 套筒式磁路结构设计1 0 3 3 励磁方式选择1 4 3 3 1 交流励磁1 4 3 3 2 直流励磁1 4 3 3 3 直流脉冲励磁电路的设计与分析1 5 3 4 本章小结1 9 第四章索力检测系统硬件设计2 0 4 1 引言2 0 4 2 系统硬件总体方案设计2 0 4 3 系统主要电路模块实现2 l 4 3 1 励磁电路模块2 1 4 3 2 感应电压信号处理电路模块2 3 4 4 本章小结2 7 第五章索力检测系统软件设计2 8 5 1 引言。2 8 5 2 建立系统软件开发环境2 8 5 2 1 在p c 机上安装和定制p l a t f o r mb u i l d e r 。2 8 5 2 2 建立e m b e d d e dv i s u a lc 抖开发环境2 9 v 东南大学硕士学位论文 5 2 3 利用a c t i v e s y n c 建立目标平台和p c 机的通信连接2 9 5 3 系统软件设计3 0 5 3 1 人机交互模块3 0 5 3 2 励磁电压设置模块31 5 3 3a d 驱动程序模块3 3 5 3 4 数据传输模块3 7 5 3 5 数据拟合模块4 2 5 4 本章小结4 8 第六章系统实验及数据处理i 4 9 6 1 引言。4 9 6 2 拉力试验4 9 6 2 1 自由状态下试验分析5 0 6 2 2 拉力试验分析5 0 6 3 本章小结5 3 第七章总结和展望5 4 7 1 全文总结5 4 7 2 今后需要进一步开展的工作5 4 致谢5 5 参考文献5 6 v i 第一章绪论 1 1 课题的意义和目的 第一章绪论 现代社会中，缆索技术广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构与牵引机械等领域 里。其中典型的应用有悬索桥的主缆、吊索，斜拉桥的斜缆索、拱吊桥的吊索，大型升 降船闸、索道、电梯、缆车、卷扬机、大型装卸码头、矿场运矿轨道车以及体育场馆、 歌剧院、展厅的悬索和缆索等。这些应用领域都是和人们的生产、生活紧密相联，安全 问题不容忽视。一旦出现断裂和坍塌事故，其造成的损失和影响是灾难性的。钢缆索作 为上述大型结构的核心构件，是主要的受力和传力构件。由于长期处于交变应力、腐蚀 和风致振动的环境中，容易造成局部疲劳与损伤，不仅导致其使用寿命缩短，且直接影 响结构的内力分布和结构线型，危及整个结构安全。 目前由于缺乏必要的监测和相应的养护，世界各地出现了大量钢缆索断裂或损坏事 故，给国民经济和人民生命财产造成了巨大损失。委内瑞拉的m a r a c i b o 桥，是世界上 著名的预应力混凝土斜拉桥，由于一根缆索腐蚀而突然断裂，开始了该桥的换索工程， 花费达5 , 0 0 0 万美元。美国p a s c o k e n n e w i c k 桥建于1 9 7 8 年，建成后仅5 年就更换了全 部缆索。在我国，近年来也对很多斜拉桥进行了换索或缆索加固。广州的海印桥管道压 浆工艺未能保证缆索顶部的饱满，造成缆索锈断。为了防止事故的进一步发生，被迫进 行全桥换索工程，耗资2 0 0 0 万元，工期半年。2 0 0 1 年1 1 月7 日，宜宾南门大桥倒塌， 事故调查发现缆索已经严重生锈。2 0 0 2 年，广州某斜拉桥使用6 年后其中一根缆索突然 坠落。2 0 0 5 年1 月2 6 日，重庆乌江二桥钢缆索断裂。2 0 0 2 年1 0 月2 4 日，沈阳某高层 住宅楼电梯钢丝绳断裂死亡3 人，重伤1 人。2 0 0 4 年1 2 月8 日，西安某展厅封顶仪式 因升降机钢丝绳断裂死亡6 人，伤1 6 人。2 0 0 5 年7 月2 3 日，阿根廷南部安第斯山区的 一个滑雪场运送滑雪者的索道钢缆发生崩断，致使乘坐索道登山的1 1 名滑雪者跌落受 伤。2 0 0 6 年1 1 月2 6 日，云南昆明某机关办公楼电梯钢丝绳断裂死亡4 人。2 0 0 7 年5 月3 0 日，四川内江市某公司电梯钢丝绳断裂死亡3 人。2 0 0 7 年4 月8 日浙江省舟山市 轮胎起重机钢丝绳断裂，致使吊臂下1 人重伤，经送医院抢救无效死亡。2 0 0 8 年1 1 月 2 日，香港一栋住宅大楼电梯8 条缆索中有7 条断裂，从1 4 楼掉到地面。2 0 0 8 年1 1 月 2 0 日，重庆武隆大桥缆索断裂事故致1 1 死1 2 人受伤。 上述教训告诉我们，为保障大型基础设施结构的运营安全和人们的生命财产安全， 对钢缆索在线动态监测是非常重要的，也是不容忽视的问题。索力的变化是衡量钢缆索 结构是否处于正常营运状态的重要标志。 目前，国内外对监测钢缆索的缺陷参数( 如断丝等) 相对比较成熟l 1 , 2 3 j ，但对钢缆 索运行状态的最直接、最重要的监测指标一索力的有效检测还是一个难题。所以，索 力检测的研究对于掌握钢缆索在运营状态下的应力情况，及时发现缆索索力的变化并作 相应处理，对保证设施和人身安全具有十分重要的意义。 1 2 国内外索力监测技术研究动态 钢缆索是一种内部高次超静定结构，通过调整缆索的索力可以使钢缆索的线形和内 力达到理想状态。但是，如果实际索力偏离了设计索力，这种偏离不仅会使钢缆索之间 产生偏载( 偏载是导致钢缆索断裂的主要原因之一) ，也会使索塔和主梁产生弯矩。索力 的变化是衡量钢缆索结构是否处于正常营运状态的重要标志。通过对钢缆索索力的在线 东南大学硕士学位论文 监测，不仅获得钢缆索索力的动态变化趋势，为总体上评价钢缆索的技术状况提供依据， 而且也能在一定程度上发现缆索的锚固系统、防护系统是否完好，钢索是否发生锈蚀等， 为钢缆索的及时维护提供客观依据。 现阶段国内外的索力测量的方法主要有以下几种：( 1 ) 张拉千斤顶测量法；( 2 ) 压力 传感器测量法；( 3 ) 频率振动测量法；( 4 ) 磁弹效应法【4 ，5 ，6 ，7 1 。 1 2 1 张拉千斤顶测量法 张拉千斤顶测量法的原理是用千斤顶张拉钢缆索时，根据油泵上油压表的读数来推 算张拉千斤顶的张拉力，并认为千斤顶的张拉力就等于缆索索力。用该方法测定缆索索 力时，需事先对张拉缆索的液压系统进行标定，建立油压表读数与千斤顶张拉力之间的 对应关系。 这种方法简单易行，是施工中控制索力最实用的方法。它最适合钢缆索结构在施工 过程中对索力的测量和调整。用此法测定的精度可达1 2 ，但由于压力表本身的一些 特性，有指针易偏位，高压时指针抖动激烈，读数人为误差大，负荷示值需转换等缺点， 而且，该方法不能用于成建后的动态索力监测，j 。 1 2 2 压力传感器测量法 压力传感器法通常是使用电阻应变传感器0 1 、振弦式应变传感器【l l 1 2 j 和光纤光栅应 变传感器【13 1 ，把索力引起的应变转换成电、频率和光信号，通过相应的电路和数据处理 实现索力的测量。这种测量方法精度高，一般适用于在建结构和在线检测。但是由于粘 合剂问题【l4 1 ，限制了压力传感器的精度、线性度及使用范围，并且其动态响应差，使用 有效寿命短，价格昂贵，实际工程中使用较少。 1 2 3 频率振动测量法 频率振动测量法是现在比较常用的方法，所以下面详细介绍此方法。 一、基本原理 利用索的力学参数，可建立索的结构模型，对模型进行模态分析，可得到索力与频 率的关系，图1 1 表示钢缆索及其坐标系，现假定： ( 1 ) 垂跨比6 = d 1 很小( 6 1 ) ； ( 2 ) 缆索只在x o y 平面内振动，其在x 方向的运动很小，可忽略不计，另设在y 方向的挠度为u ( x ，t ) ； ( 3 ) 当垂跨比6 = d 1 小于1 6 时，用抛物线代替悬链线具有足够的精度，于是缆 索的形状可用抛物线来表示 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。 图1 1 斜缆索及其特性 2 上述方程，对于不同的边界条件，模型得到不同的解，其对应的索力计算公式的精 度也不刚2 0 1 。假定缆索的边界条件为两端铰接，则上述方程的解；o t 2 1 1 ： 丁：4 p l 广2 f 2 一n 2 j r 2 一e i ( 1 2 ) n z 、一 其中，为缆索自振频率的阶数，n = l 、2 、3 ；矗为缆索的第n 阶自振频率，l 为缆索的计算索长。如果忽略缆索弯曲刚度的影响，式( 1 2 ) 变为： r ：4 p 下l 2 f 2( 1 3 ) 利用精密拾振器，拾取缆索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱 分析，再根据频谱图来确定缆索的第n 阶自振频率f n ，利用( 1 3 ) 式确定索力。 二、拾取缆索振动信号的方式 目前，频率测振法常用的拾取缆索振动信号的方式有两种。一种是用加速度传感器。 在钢缆索某一位置装上加速度传感器，在环境( 风，交通，地脉动等) 激励下，传感器 将拾取缆索的环境随机激励响应信号，通过数据采集系统进行数据采集，运用参数识别 理论、最优估计理论获取钢缆索模态参数【2 2 , 2 3 】，利用式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) ，即可计算出索力 大小。另一种方式是用p v d f 压电薄膜 2 4 , 2 5 j 。把p v d f 压电薄膜粘贴在缆索的表面，可 以获取缆索的振动信号，将信号进行f f t 变换得到缆索的各阶模态频率，利用式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) ，即可计算出张力大小。 频率法测定索力，可以实现索力的在线动态监测，是成建钢缆索结构索力健康监测 的有效方法之一。但这种方法数据处理复杂，得出的结果与拾振器的安装位置，钢索是 否起振，被测钢索的跨度、垂度、斜度及边界条件等多种因素有关，如果条件不利，可 能没有第n 阶自振频率出现，这样模型的建立和求解很复杂，不能实现全天候监测。 1 2 4 磁弹效应法 磁弹效应法是近十年才发展起来的用于测定钢缆索索力、监测缆索锈蚀的非破坏性 方法 2 6 , 2 7 】，测量依据是缆索磁化后的磁导率与材料的受力、温度和磁场强度有关。当钢 索的应力发生变化时，磁滞曲线将随之变化，磁导率i j 将变化。所以利用放在索中的小 型精密电磁传感器，测定磁导率的变化，就可以推算出缆索的应力变化【2 也2 9 ，30 1 。 这种方法最早的研究主要集中在捷克斯洛伐克、日本和美国等一些研究机构里。主 要代表人物有日本r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tk e i s o k u 的s u n a r y os u m i t r o ；捷克d i v f a c o fm a t h a n dp h y s i c sd e p t o fc i v i la n dm a t e r i a l se n g o fc o m e n i u su n i v e r s i t y 的 a n d r e jj a r o s e v i c ；美国u n i v e r s i t yo fi l l i n o i sa tc l l i c a g o 的m i n gl w a n g 。捷克斯洛 伐克的d y n a m a g 公司( n e wt e c h n o l o g yf o rc i v i le n g i n e e r i n g ) 已开始将这种方法应用于 各种钢结构应力和斜拉桥的索力监测，包括中国的江阴长江大桥和南京长江二桥的索力 检测。国内的浙江大学于2 0 0 4 年开始这方面的研究，主要是和美国的m i n gl w a n g 合 作。由于保密，相关的技术资料很少，目前开发出来的磁弹性传感器主要集中在套筒式 磁路结构【3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 ，它将被测的钢缆索作为测量线圈和励磁线圈的铁芯。其优点是磁路 东南大学硕十学位论文 结构简单，测量精度较高。但是安装和维护困难，一旦装上，将无拆卸，对于已施工完 成的钢缆索结构，只能采用现场绕制的方法1 3 5 , 3 6 j ，不但增加作业难度，而且测量精度不 如预先绕制的好。为解决套筒式安装的确点，m i n gl w a n g 等人提出了u 型磁路结构， 但其实验结果，测量精度和可靠性没有详细资料。重庆大学的唐德东等设计了单旁路的 磁路结构，从实验数据上看，离实际应用还有一段距离t 3 7 1 。 最新的研究表明，温度的变化同样引起相对磁导率的变化。为弥补温度误差一般的 方法是在实验室里绘制窄温度范围内磁导率一温度曲纠3 8 ，3 9 4 ，工作量比较大。或者在 误差允许范围内，直接用温度修正公式修正，但同样需要确定磁导率一温度的拟合关系 式。 1 3 课题研究意义及主要研究内容 1 3 1 课题意义 索力检测是工程界亟待解决的问题。监测钢缆索索力的变化，就可以掌握结构本身 的安全状态，可为及时的维护缆索，延长索的使用寿命提供依据，可保证各种大型结构 的营运安全，具有极大的经济价值和社会价值。通过长期监测索力的变化情况，积累大 量的数据也可以为科学决策和钢缆索结构设计提供依据，进一步提高钢缆索的使用安全 性，具有极大的理论价值。 从上面四种常用的索力测试方法的介绍中可以看出，适应动态在线检测要求的只有 振动( 频率) 法和磁弹效应法。频率法进行在线动态检测必须在钢缆索起振的情况下进 行，且测试结果直接受测头的安装位置影响，振动频率的自动识别相当困难，因此由于 本身的固有原因很难满足健康监测对钢缆索索力检测的要求。磁弹效应法的特点刚好弥 补了振动法的缺点，所以探索磁弹效应法的测试原理、磁路结构、温度补偿等关键技术， 有望解决现役钢缆索索力检测这一难题。 1 3 2 主要研究内容 本课题利用磁弹效应原理，研究在役缆索拉力的检测技术，同时研制索力检测仪器。 主要研究工作如下： ( 1 ) 研究磁弹效应法的原理，对不同的磁路结构进行论证，选择合适磁路结构的磁 通量传感器。 ( 2 ) 根据磁弹效应法的励磁原理设计基于p x a 2 7 0 的励磁电路和感应电压检测电路。 ( 3 ) 基于p x a 2 7 0 和w i n d o w sc e 的系统软件设计，主要包括构建合适的w i n d o w sc e 平台，励磁电路控制模块、a d 采样模块、实验数据处理模块、上位机数据传输模块。 ( 4 ) 利用研制的索力检测仪样机进行相关实验研究。通过实验，进步摸索磁弹效 应法检测索力的规律和效果；同时，检验原理样机的各项功能，并对其软硬件进行相应 改进完善。 4 第二章基于磁弹效应的索力测量原理 2 1 引言 第二章基于磁弹效应的索力测量原理 当铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化，这种现象就是磁致伸缩效 应。其逆效应在1 8 6 2 年被发现，被磁化的铁磁材料在机械力的作用下，材料内部必然 形成磁弹性能量使磁化强度矢量重新取向，导致材料磁导率发生变化，这种现象也被称 作压磁效应【4 1 1 。 铁磁材料被磁化后，一般来说，铁磁体磁感应强度b 不是磁场强度h 的单值函数 而依赖于其所经历的磁状态的历史。如图2 1 描述了铁磁体内的磁通密度b 与铁磁体所 处磁场的磁场强度h 之间的关系i 4 2 j 。 当磁体未被磁化时，磁通密度b 和磁场强度h 都为0 。随着外界磁场强度h 的增 加，磁体内部的磁通密度b 开始沿o m 陆线非线性增加，直至m 点，磁通密度不再增 加，铁磁体处于磁饱和状态，即磁通密度为b m 联，磁场强度为h m 默。若磁场强度h 开 始降低，磁通密度b 也随之降低。但是，磁通密度b 并非是沿原上升曲线o m 下降的， 而是沿着一条更高的曲线m e n 下降。当外界磁场强度h 降至0 时，磁通密度b 并未降 至0 ，而是剩余磁场强度b r ，这种现象称为剩磁。而当磁场强度降为某个负值h 。时， 此时b 才降至o ，h 。称为矫顽力。为使b 减至零，需加一反向磁场。反向磁场继续增大 到h m 双时，b 将沿反方向磁化到趋于饱和b m 默。反向磁场减小并再反向时，按相似的 规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的n f m 曲线。随着磁场强度从0 上升至h m 积， 再由h m a x 变至- h m 毅，再由一h m 觚升至h m 戤，这就形成了一条b h 关系的闭合曲线，称为 磁滞回线。 。b m 一 夕乡t ri ： l !il i 左 z - j “ u 夕一“ l i 图2 1 铁磁材料的典型b - h 曲线 在磁滞回线上某点的磁通密度与磁场强度的比b h ，称为幅度磁导率；某点的磁通 密度变化与磁场强度的变化之比z b a h ，称为微分磁导率。可以看出，幅度磁导率与 微分磁导率都是相对于某个特定工作点而言的，脱离了这个工作点，上面所述磁导率的 概念是没有意义的。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 磁弹效应索力检测原理 2 2 1 索力与磁导率关系 根据磁弹效应原理将铁磁材料置于某特定磁场中时，铁磁材料将被磁化，同时铁磁 体的磁特性( 磁导率) 将随其受力状态和温度的变化而变化。在温度等其他条件恒定的 情况下，当钢缆索的索力发生变化时，磁滞曲线将随之变化【4 3 1 ，如图2 2 所示。微分磁 导率a b a h 必将发生改变，只要测出微分磁导率的变化量么u ，就可推算出索力。 b 。 b ( f 1 ) b ( f 2 ) 荔嘱 | ? l j 一 尊ho h 少 卜2 竺么三 图2 2 温度恒定的情况f ，铁磁材料的b h 曲线与外力的关系 根据j o u l e 效应【4 2 】 g = 孚= 等m o o 。s 吼 ( 2 ) 其中，为轴向应变，入s 为轴向变形常数，m s 为饱和磁化强度，k u 为单轴磁各 向异性常数，仇为磁场与易磁化轴间的角度，埘为磁化强度变化。 根据材料力学水1 有： ：! ：土 ( 2 2 ) = = l z zj ee a 、 其中，f 为索力，e 为材料的弹性模量，a 为索的横截面积。 根据铁磁材料的磁化理论h 5 】有： m = k h = ( p p o ) 日 ( 2 3 ) 其中，m 为磁化强度，k 为磁化率，u 为磁导率，uo 为真空磁导率，h 为磁场强 度， 6 第二章基于磁弹效应的索力测量原理 假定h 不变，有： a m = h 将( 2 4 ) 式、( 2 2 ) 式代入( 2 1 ) 式，有： f ：以警卸胍n 2 0 0 c 。s o o 2 吒 。 此式表明：只要测出钢缆索的磁导率变化，就可换算出钢缆索受力的大小。 2 2 2 磁导率的测量 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 设铁磁材料的横截面积为s f ，置于外部场强度为h ( t ) 的磁场中，该磁场穿过横截面 积为s o 的感应线圈，线圈的匝数为n 匝，铁磁材料的感应磁场强度为b ( t ) ，如图2 3 所示。 铁磁材料 感应线圈 图2 3 铁磁材料的磁导率测量 根据法拉第电磁感应定律可知，感应线圈中的感应电压为： 啪) - _ 掣一n s i 掣+ ( s o s i ) j l l o 掣】 ( 2 6 ) 经过时间a t l ，则通过感应线圈的磁通量变化为： 办= 【s ，( a s ) + ( s o s r ) ( 日) 】 ( 2 7 ) 当感应线圈中没有铁磁材料( 铁芯) ，其他条件均不变，经过时间t 2 ，则通过感应 线圈的磁通量变化为： 晚= 城( a i - i ) ( 2 8 ) 用式( 2 8 ) 去除式( 2 7 ) 得： 盟：土兰竺+ 1 一兰 如。s oa hs o 那么微分磁导率l a 为： = 筹铂叶要罐州，2 面2 【1 + 莓旨叫) j 相对微分磁导率l ar 为： 7 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 东南大学硕士学位论文 “，= l + = 生( _ 塑一1 )( 2 1 1 ) s f ? 厶如 以上式中识= i 圪( t ) d t ，也= i 圪：( t ) d t 。 a t 2 可以通过脉冲波形激励来控制积分时间，也可以通过附加电路来实现积分时间的控 制。注意当感应线圈有铁磁材料时积分时间是a t l ；当没有铁磁材料时，积分时间是 t 2 。t 1 和a t 2 一般情况下应该保证感应电压完全反应出磁通量的变化。因为，有无铁磁 材料将会改变感应线圈的电感，进而改变了电路时间常数。磁通量的变化表现为感应电 压的积分，要反映磁通量的变化，必须对感应电压完全积分，计算的结果才是正确的。 还应注意的是，本文所提到的相对磁导率( 或微分磁导率) 是对特定的磁性材料，在特 定工作点( 励磁电流) 及一定温度下来说的。条件变化了相对磁导率也会变化。通过式 ( 2 1 1 ) 求得相对微分磁导率l ar ，然后带入式( 2 5 ) 就可测出钢缆索索力的大小。但这只 是理论的计算方法，在实际中要根据不同的励磁方式做不同的处理，具体的方法将在后 面有关章节论述。 2 3 本章小结 本章根据j o u l e 效应和铁磁材料的磁化定律推导了基于磁弹效应测试钢缆索索力的 基本原理，表明在励磁磁场强度和环境温度恒定的情况下，钢缆索的磁导率变化与外力 的变化。同时，对相对磁导率的检测方法进行了介绍，推导了数学计算公式。 8 第三章励磁磁路及励磁方案设计 3 1 引言 第三章励磁磁路及励磁方案设计 在上一章，根据j o u l e 效应和铁磁材料的磁化定律推导出了基于磁弹效应检测钢缆 索索力的基本原理。该原理表明在励磁磁场强度和环境温度恒定的情况下，钢缆索的微 分磁导率随与外力的变化而变化。利用这一原理，将待测钢缆索置于特定的磁场环境中， 钢缆索将被磁化，磁化后的钢缆索微分磁导率也将会发生变化，由此可以检测索力的变 化。要实现索力的检测，前提要提供特定的磁场环境，即提供足够大的磁动势，这需要 相应的励磁磁路来实现。选择何种磁路结构和励磁方式将直接决定提供的磁场强度是否 满足检测要求。本章将对如何确定这个合适的磁场进行论述。 3 2 励磁磁路研究 磁路就是磁路通过的由铁磁材料包括气隙在内所构成的路径。利用磁弹效应原理检 测索力，需要将待测的缆索置于特定的磁场环境中，必须设计出能满足检测要求的磁路 结构 4 6 , 4 7 】。 3 2 1 励磁磁路设计要求及磁路方案选择 在设计磁路时，对待测对象的磁化强度的大小要求是，一方面要保证磁通量传感器 能够获取被测特征信号的磁场信息；另一方面保证感应电压信号有足够的信噪比。此外， 磁路结构若保证待测构件内部磁通的分布越均匀，外力对待测构件磁化特性参数的改变 效果越明显。因此，磁弹效应检测索力的磁路设计目标就是使被测钢缆索在磁化过程中， 其内部具有尽可能大的、均匀的磁通分布。衡量励磁磁路设计的优劣标准是当励磁强度 一定时，能否使钢缆索具有最大磁通量密度和沿应变方向上均匀的磁通分布。因此，在 进行磁路结构设计时应遵循两个基本条件： ( 1 ) 所设计的磁路应有尽可能小的磁阻； ( 2 ) 磁路能使磁通尽可能地导入被测构件中。 根据磁路设计要求，目前的磁路结构是套筒式和单旁路两种，其中最常用的是套筒 式磁路结构。下面分别介绍这两种结构。 一、套筒式磁路结构 套筒式磁路结构如图3 1 所示，由缆索、轭铁、磁极、初级线圈( 励磁) 和次级线 圈( 感应) 组成，轭铁、磁极和缆索构成磁回路。励磁线圈对缆索加外磁场，次级线圈 获取检测结果。由于此结构为套筒式，磁路是对称的，不考虑漏磁，磁力线全部通过缆 索，并且可以保证缆索被均匀磁化。 从图3 1 可以看出套筒式磁路结构的最大特点是将被测的缆索作为励磁线圈和测量 线圈的铁芯，磁路结构对称。套筒式结构缆索被磁化均匀，信号的提取比较容易，磁路 结构设计相对比较简单。但是该结构最大问题是传感器只能在钢缆索建设过程时安装传 感器，或者采用现场绕线机进行现场绕制励磁线圈和测量线圈，这不但对技术人员要求 高，而且传感器的测量精度将降低。传感器安装完毕后，将无法拆卸，维护也特别困难。 9 圈( 感应) 组成，轭铁、磁极和缆索构成磁回路。注意两个线圈并不在缆索上，而是分 别绕在两个磁极上。励磁线圈对磁极加外磁场，缆索作为磁路的一部分，由次级线圈获 取检测结果。 磁极 次级线圈 轭铁 初级线圈 缆索 图3 2 单旁路磁通量传感器不恿图 单旁路磁路结构的特点是待测缆索只作为磁路中的一部分，来传导磁通和感应磁通 的变化。由于励磁线圈和测量线圈都不是在缆索上，而是在两边的磁极上，励磁源在经 过缆索后，到达测量线圈时，衰减较多。而且这个结构为非对称结构，会造成缆索磁化 不均匀，靠近磁极的部分磁化较好，而远离磁极的部分磁化不理想，若缆索体积较大， 磁化不均匀现象会更严重。但它很好地解决了套筒式传感器的安装和维护问题。 综上所述，套筒式磁路结构更有利于保证检测的效果。因此，在利用磁弹效应检测 索力时，我们采用了套筒式的磁路结构。 3 2 2 套简式磁路结构设计 套筒式磁路结构设计首先是根据待测缆索的特点确定套筒式磁路结构的几何尺寸， 然后估算检测所需的磁场强度，即磁路的磁动势。 一、磁路结构设计 设计的套筒式磁路结构如图3 3 所示，钢缆索作为励磁线圈和测量线圈的铁芯，轭 铁和磁极均选用最大磁导率和饱和磁通密度都很高，剩磁很小的电工纯铁，可以保证磁 路的漏磁场最小，提高测量的精度与分辨力。轭铁的形状设计成圆柱外壳，这样即能形 成磁回路，减少漏磁外，还能减少外界磁场对磁路结构的干扰。下面详细介绍如何确定 结构尺寸。 1 0 第三章励磁磁路及励磁方案设计 i ji 8 ；7”鬻 隧滋孙嗡嘲 、叁”翟一掣溺一 r a i 1 2 九节陵 施“翻盎gm # 女 1 r 匿鎏辫嗡嘲 期 j r 1 h t 图3 3 套筒式磁路结构尺寸示意图 轭铁 磁极 缆索 次级线圈 初级线圈 1 ) 轭铁的长度l 在磁路设计中，应使钢缆索磁化段中部的均匀磁场域的轴向长度不小于一个股间 距，同时为了减小极间漏磁场的影响，考虑到线圈骨架的要求，轭铁的长度间距l 大于 三个股间距。 2 ) 轭铁的厚度和磁极的高度h 确定轭铁的厚度和磁极的高度主要是为了保证提供给钢缆索的磁通量能完全的通 过磁极和轭铁，而不会出现饱和现象。由于磁极和轭铁都是由最大磁导率和饱和磁通密 度都很高的电工纯铁做成，所以只要尺寸不是太小完全可以保证不会出现磁通量的饱 和。这里我们取轭铁的厚度为3 m m ，磁极的高度h 为1 0 m m 。 3 1 磁极的内径d o 为了减少磁回路中的漏磁量，磁极的内径与索的外径应紧密接触，尽量减少气隙。 同时为便于安装，还应留有一定的空间。 论文中使用的钢缆索是由7 根4 5 # 镀锌钢丝绕制而成，直径为1 5 2 4 m m 。根据上面 的方法确定各部分的尺寸后，再考虑到加工条件等其他制约因素，最后确定的各部分尺 寸见表3 1 。 表3 1 套筒式磁路结构各部分尺寸 轭铁磁极 参数名称 长度l外径d 2内径d l外径d l内径d o厚度h 设计值( m m ) 1 3 0 3 22 62 61 91 0 二、磁场强度的选择 磁路中的磁场强度是由励磁线圈的匝数n 和通过的电流i