（仪器科学与技术专业论文）基于磁弹效应检测钢缆索索力方法及系统的初步研究(1).pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导_ f 进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加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 获得重麽太堂或其他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 明并表示谢意。 r ，7 ，、p1 学位论文作者签名：。= 1 蚪下签字日期：棚年莎月s 日 。 。 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆大学有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( ) 。 学位论文作者签名：了听 签字日期：沙d 舛6 月多日 导师签名： 签字日期：厶舞月岁日 重庆大学坝i + 学位硷文 中文摘要 摘要 钢缆索是。种重要的承力构件。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，是工程界至今仍未能很好解决但又亟待解决的问题。 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，从长远看，通过磁弹效应测量缆索应力是。种最具潜力的方式。该方 法的国内外研究水平尚未成熟，目前面临的主要问题是测量信号提取与处理困 难，缺乏足够的实验数据，测量系统缺乏灵活性以及信号处理方法不完善。 本论文从系统硬件构成与信号处理方法两个方面展开了研究，主要完成了 以下研究工作： 基于磁弹效应，定性分析钢缆索索力测量原理。 结合实际测量需要，进行了磁路设计。 进行了交流励磁电路与脉冲励磁电路的设计与分析，搭建了可以灵活 调整的励磁电路。 在硬件平台基础上，提出了多种数据处理方法，设计了相应的滤波器。 完成了磁弹性测量的温度与拉力试验，并在全面分析实验结果糕础上， 提出了改进方案。 通过大量的实验数据表明，本系统能够实现通过测量磁特性的变化来准确 测量缆索的应力，达到了设计要求。 关键词：磁弹效应，磁测量，钢缆索，索力，磁导率 型王! ! ：! ! 主兰垡笙义英文摘要 = 二二二_ = 二：一 a bs t r a c t t h es t e e lc a b l ei sa ni m p o r t a n ts t r a i n e dc o m p o n e n t t h es t r e s si n s p e c t i o no fs t e e l c a b l e ，a n dt h ej 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 lc a b l ei sa nu n r e s o l v e db u t d e s i d e r a t e dp r o b l e mi ne n g i n e e r i n gf i e l d t h ei n s p e c t i o nb a s e do nt h em a g n e t o e l a s t i c i sal o n gl i f e ，h i g hp r e c i s i o na n dl o wc o s tm e t h o d i nt h el o n gt e r m ，i ti sap o t e n t i a l m e t h o d t h i sm e t h o di ss t i l li nr e s e a r c hb e c a u s es i g n a lp i c k - u pa n dp r o c e s s i o ni s d i f f i c u l t i na d d i t i o n ，t h el a c ko fe x p e r i m e n td a t aa n df l e x i b i l i t yi n s p e c t i o ns y s t e mi s a n o t h e rr e a s o n t h i sp a p e ro u t s p r e a d sr e s e a r c hw o r kf r o ms y s t e mh a r d w a r ec o m p o s i n ga n ds i g n a l p r o c e s s i o n ，a n dr e f e r st os t u d yw o r ka sf o l l o w ： i b a s e do nt h em a g n e t o e l a s t i ce f f e c t ，t h ep h i l o s o p h yo fm e a s u r e m e n tw i r e r o p ec a b l et e n s i o ni sa n a l y z e d i i a c c o r d i n gt oa c t u a ld e m a n d ，m a g n e t i cc i r c u i ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i i i n o to n l ya ce x c i t i n gc i r c u i ta n di m p u l s ee x c i t i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d a n da n a l y z e d ，b u ta l s of l e x i b l ee x c i t i n gc i r c u i ti sb u i l t i v b a s e do nh a r d w a r ep l a t f o r m ，m a n yd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d si sb r o u g h t f o r w a r d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf i l t e ri sd e s i g n e d v t e m p e r a t u r ea n ds t r e s se x p e r i m e n to fm a g n e t o e l a s t i ca r ec o m p l e t e d ，a n d b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t ，i m p r o v e m e n tp r o j e c ti sb r o u g h tf o r w a r d t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n td a t aa n a l y s i s ，t h i ss y s t e mi sa b l et or e a l i z ec a b l e t e n s i o ni n s p e c t i o no fs t e e lc a b l e ，r e a c ht h ee x p e c t e dd e m a n d k e yw o r d s ：m a g n e t o e l a s t i c ，m a g n e t i s mm e a s u r e m e n t ，s t e e l c a b l e ，c a b l et e n s i o n ， m a g n e t i cp e r m e a b i l i t y 重庆大学硕士学位论文绪论 1 1 钢缆索索力检测的重要性 1 绪论 钢缆索被广泛用于电梯、起重机和各种建筑中，是工程中最常用的承重结构 之一。在斜拉桥、悬索桥等大型基础设施中，钢缆索的更是承担着这些建筑的大 部分重量，对建筑安全的影响很大。如果钢缆索的结构健康出现问题，轻则影响 设备或建筑的正常使用，重则对人民的生命财产构成极大威胁。 随着世界的经济发展和社会发展，各种各样的大型建筑越来越多。在这样的 情况下，对钢缆索结构健康的监测也显得越来越重要。以我国为例，仅仅在斜拉 桥一个领域内，由于缺乏足够的监测和相应的养护，近年来已有八座桥梁进行了 拉索更换或者加固。 图1 1 拉索坠落 f i 9 1 1c a b l ef a i l i n g 广州某斜拉桥使用6 年后其中一根拉索突然坠落，经检查是由于拉索内上部 水泥浆体长时间不凝结而产生电化学腐蚀致使拉索内钢丝严重腐蚀所致。如图1 1 所示。 国外的情况同样不容乐观。德国汉堡的k o h l b r a n de s t r u a r y 桥，由于斜拉索 腐蚀严重，加之由于车辆行驶而溅起的掺杂着盐分的污水使斜拉索膨胀，建成的 第三年就更换了全部的斜拉索，耗资达6 ，0 0 0 万美元，是原来造价的四倍a 里垦查堂堡主堂篁堡奎 丝笙 上面仅仅举了少数的几个例了，仉已足够让我们了解到钢缆索结构健康检测 的重要性。 对钢缆索而吉，其结构健康的个重要指标就是铜缆索索力。钢缆索内部应 力比较复杂，当缆索受到的应力过大或过于集中的时候，极其容易发生锈蚀直至 断裂，进而可能引起安全事故。因此，工程界迫切希望能够方便准确的测出钢缆 索索力。但是，目前的工程应用中，还没有一种较为合适的方法，能够既方便又 准确的测量钢缆索所受应力。如能开发出一种方便而又有较高准确性的方法来检 测钢缆索内部的应力，可通过对钢缆所受应力的长期监测及时发现潜在安全隐患 并立即排除，从而保障大型基础设施的安全，将具有很大的工程实用意义和巨大 的潜在经济效益。 1 2 缆索索力测量的国内外研究简介 钢缆索索力测量是工程界的一个难题。目前，常用于钢缆索索力测量的方法有 压应力法和振动法。另外，磁弹法作为一种新型的方法，也有初步的实际应用。 1 2 1 压应力法测量索力 利用压应力法测量拉索索力时，将圆环形弹性材料和应变传感材料组成穿心 式压应力传感器安装在拉索锚具和索i l 垫板之间( 图1 2 所示) ，拉索在张力t 的 作用下使弹性材料受到锚具和索孔垫板之间的压力作用，弹性材料在压力作用下 发生形变，通过附着在弹性材料上的应变传感材料将弹性材料的变形转换成可以 测量的电信号或者光信号，再通过二次仪表测量索力。 图1 2 应变计测量原理示意图 f i g1 2t h et h e o r yo fp r e s s u r em e a s u r i n g 弹性材料可以分别与不同的敏感元件组成压应力传感器，压力传感器的特性 重庆大学硕士学位论文 绪论 主要由敏感元件的特性决定。下而结合电阻应变计介绍利用压应力法监测斜拉索 索力。该测试系统的敏感元件是会槭应变片。 以余属材料为转换元件的应变计，其转抉原理是基于金属电阻丝的电阻一应 变效应f 1 , 2 , 3 】，目口金属导体的电阻值随变形而发生改变的一种物理现象。没有。根圆 截面的金属丝( 图1 3 ) ， 图1 3 金属应变效应 f i g1 3w i r es t r a i no f f e c t 其原始电阻值为： r ：口三 ( 1 1 ) a 式中，r 为金属丝的电阻值，l 为金属丝长度， p 为金属丝的电阻率。a 为金属 丝的横截面积。 当金属丝受轴向力t 作用被拉伸时a l ，由于应变效应，其电阻值也将发生变 化。如果设其电阻值变化为a r ，占为金属材料轴向应变，女为金属丝的灵敏系数。 则有： 一a r ：k s ( 1 2 ) 尺 利用应变计测量应变，还必须配合专门的测量电路。一般是惠斯顿电桥电路， 图1 4 所示。 i 一一一一一一一一一一一u o 一一一一一一一一一一一一_ i 图2 3 测量电路 f i g2 3m e a s u r i n gc i r c u i t r y 此时，电桥的供电电压为，输出电压为u 它有4 个电阻，称为桥臂，其 中任何一个臂都可以是应变计电阻。假定有蜀= r ：= b = r 。，此时输出电压u ，。等 墨塑望苎墅堂垡堡苎 堑堡 于零。当r 。( 应变计) 的电阻增量a r ，= r 时可得其输出电压为： e l = 京胬( 等) = 警( 等) = 导如 。， 在通过应变与拉力t 得公式( 1 4 ) 计算拉索的拉力。 t = a e s = a e 亭生 ( 1 4 ) 席“0 式中，e 为金属丝的弹性模量，其它参数同上。 因此，可以将应变计、测量电路和弹性材料组成压力传感器，通过测量电路 输出电压u 。的变化来测量拉索得索力变化。 在压应力法测量中，也可用钢弦式应变计代替金属应变片来进行测量。但其 基本原理是一致的。 1 2 2 利用拉索振动测量索力 1 8 世纪初英国科学家泰勒( t a y l o r ) 获得弦振动频率厂的计算公式。即对于 线密度为p 长度为1 的不可伸长的弦，在轴向张力r 的作用下，在平面内做简谐振 动时( 图1 5 ) ，弦的固有振动频率一。和张力，有如下关系： 1 厅 z 。2 寺1 云 a 5 弦 图1 5 弦振动示意图 f i 9 1 5v i b r a n c yo f s t r i n g 态 因此，只要测得拉索的振动固有频率，就可以通过公式( 1 5 ) 计算拉索索力。 频率法测索力是目前测量斜拉桥索力的应用最广泛的一种方法| 4 叫。根据测定 拉索振动时不同的激励方法，频率法又可以分为人工激励法和随机激励法。采用 人工激励法测量拉索振动频率时，要用人工激振的方法( 跳车法和偏心机) ，使拉 索作单一的基频振动；用随机振动法测量拉索振动频率，是利用风、桥面振动等 随机激振源对拉索的激励。然后，通过传感器获取拉索在人工激励和随机激励下 的振动信号，通过频谱分析仪对振动信号的频谱进行分析，得出拉索的基频或者 通过拉索前几阶振动频率，计算得到基频。 重庆大学硕士学位论文绪论 根据获取拉索振动信号的传感器的不同，频率法又可以分为两类：接触式测 量和非接触式测量。 接触式测量。将传感器直接安装在拉索上拾耳义拉索振动信号。如图i 6 所 示，传感器将拉索振动信号转换成电信号，通过频谱分析仪记录和分析拉索振动 信号的频谱，从中得到拉索振动的基频。 图1 6 索力的接触式测量 f i g1 , 6c o n t a c tm e a s u r e m e n t o fc a b l et e n s i o n 非接触式测量法。测量时，不用将传感器安装在拉索上，而是通过激光传 感器或者声发射传感器获得拉索的振动信号，分析振动信号的频谱，得到拉索的 基频。如图1 7 所示。 图1 7 拉索的非接触式测量 f 遮1 7n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n to f c a b l et e n s i o n 1 9 9 6 年美国已经开发出拉索索力的非接触式激光振动器测量系统，这套测量 系统具有良好的频率响应特性，经过试验室标定，其截止频率下限在0 1 h z 。该系 统已经在美国的路易斯安娜、维吉尼亚、阿拉巴马等洲的斜拉桥拉索安全监测中 得到了应用。 里量型苎燮兰篁堡兰 笪堡 1 2 3 压应力法和频率法的局限性 压应力法和频率法都有较 的研究历史，但是a 到今天，这两种索力检测方 法都仍然存在荇较大的局限性。 用电阻应变式传感器测量拉索索力，它的测量原理和索力的计算公式相对简 单，测量系统的构成也不复杂。但是，因为应变片的电阻应变特性易受环境影 响，如温度变化会引起电阻材料特性曲线的零漂移。这将导致索力测量结果也存 在较大的漂移。 从图1 2 中可以看出，采用压应力法测量索力，必须将传感器安装在拉索锚具 与索孑l 垫板之间，所以一般用它来测量拉索施工阶段的索力。如果要长期监测索 力变化，必须在斜拉桥的建设期问就预先安装压力传感器。由于弹性材料在索力 长期作用下容易疲劳损坏而失效，所以这种监测方法的寿命也不长，一般在半年 到一年之间。另外，压力传感器的价格相当高，特别是大吨位的传感器就更贵， 这将增加索力监测系统的成本。 频率法测量是目前应用最广的索力测量方法。但频率法的首要问题在于缆索 的基频很难从现场的噪声中提取出来，往往需要有经验的工程师在现场进行多次 测试，然后结合经验，用人工的方法初筛选出较好的频率信号，再进行分析。这 样的方法不仅耗费人力物力，同时也很可能为测量结果引入人为误差，破坏了检 测的严谨性。另外，采用频率法测量索力时，无论是用附着在缆索上的加速度传 感器或者别的方法，成本都是较高的。 1 2 4 磁弹性法测量钢索索力的国内外研究简介d - 1 5 l 磁弹法是一种新型的钢结构应力检测方法。工程界对磁弹法的研究，正是想 弥补前两种方法的不足。磁弹法检测钢缆索力的基本原理是：铁磁材料在受到应 力的条件下磁特性会发生改变，我们称这一特性为磁弹效应。我们可以通过对磁 特性的测量，根据磁特性与应力之间的依赖关系，来计算铁磁材料所受的应力。 虽然磁弹性法也存在测量过程很繁琐等一些固有弱点，但是其测量装置往往 具有极低的成本，同时又不容易损坏，有着很长的使用寿命。随着全球经济的进 一步发展，必然有更多的大型建筑需要更低成本的检测方案，因此从长远来看， 磁弹性法是最具有潜力的种索力检测方式。 近年来，国际上对磁弹法测量钢结构应力的主要研究集中在斯洛伐克、日本、 和美国等一些研究机构里。主要人员有日本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 vf 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 d m a t e r i a se n go 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 f i l l i n o i sa t c h i c a g o 的m i n g l w a n g 。国内的浙江大学也在2 0 0 3 年与美国的m i n g l w a n g 等人合作，开始了磁弹性传感器的相关研究工作。 里鉴查堂婴主堂焦堡苎 些堡 从结构上来晚，目前丌发出来的磁弹性传感器主要有套筒式传感器和u 型传 感器两种。( 事实上，在磁弹法测量索力的过程巾，传感元件是被测元件本身，严 格意义上不能叫做传感器，但为了叙述方便，仍将测量铁磁材料的附加元件成为 传感器，下同) 。 a n d r e jj a r o s e v i c 等人开发了一种套筒式的磁弹性传感器。该磁弹传感器内 部由两个同轴的线圈构成，一个线圈为主线圈，其作用是励磁，一个线圈为感应 线圈，其作用是读出感应信号。传感器外部用铁壳尽量密封，以减少漏磁。整个 线圈在使用的时候需要套到被测的钢缆或者钢棒上。这种传感器的优点是结构简 单，测量结果精确，缺点是无法在已施工完成的建筑中使用。 在此基础上，为了监测已施工完成的建筑中的铁磁材料应力情况，又开发了 现场绕制的磁弹性传感器。此类传感器和上述的套筒式传感器在原理上是一样的， 不过为了能在已施工完成的建筑中使用，这种传感器的线圈是现场绕制的。由于 现场绕制的线圈稳定性和可靠性不如预先绕制的线圈，这种方式的传感器在精度 上要比预先绕制线圈的传感器要差。 图1 8 在线绕制的传感器 f i g1 8o ns i t em es e n s o r 为了解决磁弹传感器的安装问题，m i n gl w a n g 等人开发了u 型的磁弹传 感器，该传感器可以检测2 0 m m 以下的钢缆索或钢筋的应力情况。该类传感器的 突出优点是安装方便，由于该传感器有u 型的开口，因此没有需要套入被测对象 的麻烦，只需要找到合适位置并固定。但是，这类传感器也有其缺点：磁路设计 比较复杂，有漏磁和外界磁场干扰问题，测量精度也不如套筒式传感器a 此外，斯洛伐克还开发出了用于锚头位置的多钢缆磁弹性传感器。如图： 堕竖堡! 兰些堡壅 塑堡 图1 9 多索磁弹性传感器 f i 9 1 9m u l t im es e n s o r 1 3 本论文的研究工作 相对于应变计和弦振法而言，磁弹法的研究远未达到成熟，磁弹法在励磁源 设计、磁路设计、放大电路、信号采集处理以及磁弹性理论模型上的研究工作都 还有很多值得研究的问题。另外，已经有实验室研究表明，利用铁磁体的磁特性， 不仅能监测铁磁材料中的应力情况，也可以用来检测铁磁材料内部的腐蚀、断裂 情况i i ”。而对腐蚀和断裂的检测，正是在磁弹性应力检测基础上的进一步深入和 细化。所以，可以说对磁弹性检测钢缆索的应力研究足有很大潜在价值的。 基于上述原因，本论文选择了磁弹性法测量索力作为研究对象。 1 3 1 目前国内外磁弹效应法研究存在的不足 如1 2 节所述，随着对磁弹性研究的进一步深入，国际上对磁弹性检测方法目 前在磁导率和磁致伸缩率的材料如钢缆索、钢筋等钢结构的内部应力检测方面正 在进行研究，并取得了一定的成果。但是，目前所在实际中应用中的磁弹性测量 系统，仍然有不少缺点： 1 实际工程中使用的钢材料磁导率和磁致伸缩率都较低，从传感特性上来说， 普通钢材料的传感灵敏度和准确度都比采用坡莫合金等材料的传感特性要差。而 在实际工程应用中，噪声情况非常复杂，可能会在不同的环境下有着不同的强度 和频率，采用模拟信号处理的方法，不利于对噪声灵活的滤除，从而实现对有用 信号的最佳提取。 2 由于每种磁弹传感器的特性都与铁磁材料的磁特性密切相关，而不同材料 之间的磁特性又可能存在很大的差别，采用模拟信号处理方法，通用性较差。 3 模拟化的测量方法，不利于实现对大量数据的综合分析，对于一个仍然处 于研究阶段的测量技术而言，这很不利于进步的探索研究。 1 3 2 本论文的研究内容 本论文针对磁弹性传感技术目前国际国内的研究情况，在以下问题上丌展了研 重庆大学硕士学位论文 绪论 究与讨论： 1 ) 磁弹性原理的定性理论分析 从目前能够查阅到的资料来看对磁弹性原理的纯理论分析对实际指导意义 不大，作为一个与工程密切相关的项目， 并将之简化，使之适用于工程实际。 2 ) 磁路设计( 传感器) 与制作 磁路设计直接关系到测量结果的好坏 计的优劣，并总结了一定的经验。 3 ) 励磁电路设计 本论文只探讨较为简单的磁弹性原理 本论文着重在实际应用中检验磁路设 励磁电路是产生感应信号的基础。必须有稳定、精确的励磁电路，才能从物 理上保证感应信号的有效性。因此，本论文设计的励磁电路首要要求是稳定与精 确。 磁弹性传感器的磁特性比较复杂，影响磁特性的因素很多，至今仍然没有很 好的理论模型，因此从理论上定量分析励磁方案的励磁信号形式，工作点等等问 题都是比较困难的。作为实验室内的工程基础性研究，在参考资料较少的情况下， 为了熟悉磁弹性特性，减少研究风险，本论文选取了两种最常用的方案，交流激 励法和脉冲激励法进行了试验研究，并从试验结果中分析了两种励磁方案的特点； 同时，考虑到采用不同的励磁方案，可以对磁特性进行多角度的分析，有可能在 某种条件下，采用一种励磁方案最好；而在另外的条件下，应该选取其它的励磁 方案。因此在搭建励磁电路平台的时候，注重了灵活性，考虑了在进一步的试验 研究中采用其它种类励磁方案的需要。在需要的时候，只需改动一小部分电路就 能实现。 4 ) 数字信号采集系统分析与设计 如前1 3 1 节所述，目前国际国内对磁弹性的研究，主要是采用模拟信号处理 方法进行数据处理的，存在着一些缺陷。本论文针对这个问题进行了着重研究， 并利用现代数字信号采集与处理方法，结合试验数据，提出了可行的数字信号处 理方案。试验结果表明，本论文方案在精度、信号处理速度以及信号处理方案的 灵活性上，取得了较好的结果。 5 试验数据初步分析与磁弹特性曲线拟合 本论文在最后通过对一根钢缆绳的试验数据，绘出了磁导率( 积分电压) 一拉力以 及磁导率( 积分电压) 一温度特性曲线。对数据进行了初步的分析，对今后的研 究工作提出了建议。 在国内外相关资料较少的情况下，本研究从传感器到后端数字信号处理整个 测量系统都作了一些基础性的研究，搭建了作为一个实验室内对磁弹性进行研究 重庆大学硕士学位论文绪论 的平台，具备了快速对不同铁磁材料进行磁弹性研究的能力。尤其在信号处理力 面，积累了一些经验。 i 4 小结： 本章首先提出了钢缆索索力检测的意义，论述了其重要性。然后介绍了国内 外索力检测的研究概况，在对比中选择了磁弹性索力检测作为研究方向，并简要 叙述了本论文结合国内外研究情况下开展的研究内容。 堡鉴查兰堕主兰生笙奎一 燮塑竺苎查堕里兰望堡查窭堡生 2 磁弹性基本原理与总体方案设计 2 1 磁弹性测量应力的基本原理1 7 - 2 u 2 1 。1 准静态磁滞回线与磁特性参数简介 在了解磁弹性之前，有必要先了解一下铁磁体的基本磁特性。 b ，一 “7 。冢 | 厂州 办 ， s l o p e ； o r d l n 棚yp e r 图2 ，ib h 磁滞回线 f i 9 2 1b hc u r v e m 8 图2 1 是一个描述铁磁体在磁化过程中的磁滞回曲线图，该图描述了铁磁体 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。从图上可以看出， 在坐标原点处，磁通密度b 和磁场强度h 都为o ，此时磁体未被磁化：随着外界 磁场强度h 的增加，磁体内部的磁通密度b 开始非线性增加，直至某个点，磁通 密度基本不再增加，此时铁磁体处于磁饱和状态，磁通密度达到b 。，记此时的 磁场强度为h 。；此后，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下降的，而是沿着一条更高的曲线下降。当外界 磁场强度h 降至0 时，磁通密度b 并未降至0 ，而是有一定的值b r 。这种现象称 为剩磁。 而当磁场强度降为某个负值h c 时，此时b 才降至0 ，h c 称为矫顽力。随着 磁场强度从0 上升至h 。，再由h 。a x 变至一h 。，再由，h 。a x 升至h 。，这就形 成了如上图的一条b h 关系的闭合曲线，称为磁滞回线。需要着重说明的是，在 图2 1 中，磁场强度h 是缓慢变化的。因此上图也被称为准静态条件下的磁滞回 线。铁磁体在不同的激励磁场强度和频率下，磁滞回线是不同的。 在图2 1 中涉及了几个工程中磁弹性测量的基本概念。与磁弹性测量关系最 密切的参数是幅度磁导率b h ，以及微分磁导率z x b a h 。应该注意到，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，磁导率 的概念是没有意义的。 里堡丛羔望婪堂堂墼 堂堂些堇查堕望量璺堡垄壅丝盐 2 1 ，2 磁弹效应简介 在物理上，把铁磁体在磁场中发生形状的改变称为磁致伸缩效应。磁致伸缩 效应是18 4 2 年由焦耳发现的。1 8 6 2 年，磁致伸缩效应的逆效应被发现。即铁磁体 在受到应力产生形变时，其磁特性也随之发生改变。这个现象被称为磁弹效应， 也被称为逆磁致伸缩效应，在某些文献中，也被称为压磁效应。 铁磁体的磁特性与很多参数相关。如应力，温度，铁磁体磁化过程等等。实 际情况下的铁磁体，其磁特性是非常复杂的，目前还没有从理论上可以精确分析 铁磁材料各种特性关系之问的方法，但无论是从简化的理论上还是实际工程中， 都已得出了缆索的磁特性与所受应力，温度等参数相关的结论【2 2 1 。在其他条件确 定的情况下，铁磁体的磁特性随所受应力变化而变化。因此，我们可由磁特性与 应力的相关性间接测出应力。下图是其他条件相同，只有应力不同条件下的某种 铁磁材料的磁滞回线。 口i ij o b ( ) l 凸， 一一( ；。= 。9 一j b ( 巳) 7 ：澎歹一l t 、 汐 噫 h 【一 6 乃 h q 一 0 j ， 之唑生气z ，、 嗉。o ；t 蔓。一。一：j 一“ 图2 2 不同索力下的磁滞回线 f j 9 2 2b hc u r v eu n d e rd i f f e r e n tf o r c e s 需要着重说明的是，铁磁材料的磁特性是非常复杂的，通常与温度，自身材 料，磁化历史，内部应力，励磁频率等等因素相关。上图只是绘制了其他条件不 变，只有应力变化的磁滞回线。 如上图所示，由于磁滞回线在不同应力条件下有很大改变，我们可以选择多 种测量对象如：幅度磁导率，微分磁导率等等参数来间接测量应力。 2 1 3 通过幅度磁导率测量应力 重痰八学硕士学位论文 磁弹性基本原理与总体方案设计 图2 3 幅度磁导率与温度及应力的关系 f i 9 2 3s t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed e p e n do na m p l i t u d ep e r m e a b i l i t y 铁磁材料的幅度磁导率与温度以及材料所受应力密切相关。这种相关性是比 较显著而且稳定的。图2 3 中分别显示了一根直径1 5 5 m m 的钢绳在试验中得到的 应力及温度与幅度磁导率之间的关系。从图中我们可以看出，在相同的励磁电流 条件下，随着应力的增加，测得的幅度磁导率呈下降趋势；同时，幅度磁导率剐 开始随着励磁电流增加而增加，约在励磁电流为o 4 5 a 的时候达到最大值，之后 随着励磁电流增大而下降。而幅度磁导率与温度的关系则是幅度磁导率随着温度 的上升而下降。 利用图2 3 展示的原理，我们可以通过对幅度磁导率的测量，通过查表方式来 得出相应的应力。同时，为了消除温度影响，得到正确的索力值，也需要使用查 表的方式，对测量结果进行补偿。 通过幅度磁导率对钢缆索进行应力测量，是一种可行的方案，并已经在实际 中使用。采用幅度磁导率测量的方法，显得不够直观和方便。因此，在实际运用 中往往较少。 2 1 4 通过微分磁导率测应力 由于通过幅度磁导率测量应力的方案不够直观方便，研究人员又研究了通过 微分磁导率测量钢结构应力的方法。微分磁导率测量的最大优点是，在很大的范 围内，微分磁导率与应力的关系，以及微分磁导率与温度的关系，都是线性的。 如图2 4 所示。 重庆大学硕士学位论文 磁弹性基本原理与总体方案设计 陲翌。 l 0l ma o 。m m 1 抬o g 陌1 0 s s ， i i 篓! ：黧! i ? ：l s ；：虿；麓”i 0o1 0 3 d4 0玎 t e m p e r a t u r e ，d e g 图2 3 微分磁导率与温度及应力的关系 f i 9 2 3s t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed e p e n do ni n c r e m e n t a lp e r m e a b i l i t y 从图中可以看出，该铁磁材料的微分磁导率随着应力的增大而线性增大，随着 温度的升高而线性减小。我们可以利用这个优良的特性，来测量或估算铁磁材料 所受的应力。通过微分磁导率来测量应力，是目前应用最广的方法。 2 1 5 通过其它方法测量应力 除了可以通过幅度磁导率和微分磁导率来测量应力之外，还有其它一些参数 来测量钢结构应力。比如绘制整条磁滞回线，或者通过不同频率的信号进行频谱 分析等等方法来测量钢结构应力。但是，这些方法目前还不成熟，这里就不再进 行讨论。 2 2 磁导率测量的实用方法 上- d 、节叙述的幅度磁导率与微分磁导率两种测量应力的方法，最后都涉及到一 个问题：如何方便准确的测出幅度磁导率与微分磁导率? 怎么把它们转换为容易 测量的电压或者电流信号? 下面将分别介绍在实际中常用到的磁特性测量方法， 以及幅度磁导率和微分磁导率的测量原理。 2 2 1 磁滞回线定标的示波器方法 测量动态磁滞回线的方法很多，经常使用的有示波器法、铁磁仪法和采样法等。 这里介绍示波器法。此方法就是利用一般阴极射线示波器直接显示交流回线，由于 简单可靠，在工业测量中有着广泛的应用。虽然不同的测量方法有着不同的结构， 但测量原理都是相同的，具体如图所示 8 7 5 5 4 3 2 兰主山矗瑾-i釜u：山譬一 邳 ：昌 ” 始 垃11簿、型z山也耋zm瑟窆一 ! 重塞查竺坠! 兰垡笙茎 燮堂堡茎查堕翌兰璺笪查茎堡盐 图2 4 示波器法测磁滞回线 f i 薛4m e a s u r i n gb hc u r v eb yo s c i l l o s c o p e 该图所示的测量系统主要用于磁滞回线的定标，在标定了磁滞回线以后，微 分磁导率，幅度磁导率等参数也可以通过磁滞回线计算得出。 图2 4 中，n l 和n 2 分别为样品的磁化线圈和测量线圈的匝数；r 1 为串入样品初级线 圈回路的小电阻；u 2 为样品测量线圈上的感应电压；u r l 为小电阻r l 上因磁化电流通 过而产生的电压。由于感应线圈是紧密绕制在磁环上的，因此可以不考虑气隙影 响，此时，电压u 2 与磁感应强度b 的关系为： u ，：j ，s 丝 讲 ( 2 1 ) 式2 1 中，s 为标准磁环的面积。 在图2 4 中，电压降u n 与磁场强度h 的关系可用下式表示： u 。= i r = i h r 1 ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式中，i 是流过电阻r 的电流，l 是磁路的等效磁路长度，h 是磁场强度，n l 是 初级线圈的匝数。由于l ，r ，n l 都为常数，因此，u r l 正比于磁场强度h 。 线路里r 、c 和运放构成了r c 积分器，当r 、c 取值适当，即r c 1 2 兀f 时，可 以在积分器输出端得到一个电压值： 1 u ，= 一l _ e 2 d t = b n 2 s r c r c 。 ( 2 3 ) 因为电路为反相积分器，所以为了反映正相的b ，在积分器前加了反相器a 由式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 可以看出，电压u ，1 和u y 分别正比于h 和b 。这样就会在示波器屏幕上显示出 b = f ( h ) 回线f 2 甜。 i 燮兰! ! 主堂堡堡苎 燮塑壁蔓查堕堡兰：璺壁塑窭堡生 图2 5 示波器显示的磁滞回线 f i 2 25b 1 4c u r v eo no s c i l l o s c o p e 2 2 2 实用微分磁导率测量原理与方法 上文介绍的采用示波器进行磁滞回线定标的磁测量系统，如要用于实际应用中 的铁磁材料磁特性检测，仍然存在一些问题。例如，该方法并未考虑气隙对测量 的影响，而在实际的测量中线斟是不可能紧密的直接绕制在被测材料上的，气 隙必然存在。另外，221 介绍的测量方法，需要对平均磁路长度进行分析和计算， 也给该方法的实用化带来了问题。因此，该方法需要改进和优化后，才能更好的 进行检测。下面介绍的方法解决了气隙问题，绕开了平均磁路长度问题，非常 适合用来检铁磁材料的测微分磁导率：田2 4 1 设横截面积为a f 的铁磁材料处于个外部场强为h ( t ) 的磁场中。该磁场穿过a 。 区域及一个n 罔的感应线幽( 感应线圈在图中宋标出) 。根据法拉第定律，线圈内 的感应电压由穿过线圈的全部磁场随时问变化决定： 图2 6 微分磁导率测量原理 f i g2 6p r i n c i p l eo f i n c r e m e n t a lp e r m e a b i l i t y m e a s u r e m e n t r f l 法拉第感应定律知，感应线圈中的感应电压为 b ( t ) 星堕丛! 翌垡羔堂堂2 l 壁塑丝苎查堕望量璺堡查窒堡盐 ：= ! ! 一一t q ur r j e p l u i t ( 归掣 o t = 一m 了r i b ( t ) + f a o - a ) 。了d h ( t ) 】 2 4 式中n 为感应线圈的匝数。 将u i n t 加到一个r c 积分器输入端，假定磁场是均匀的，则积分器的输出为： 衄= h ：阮 _ d t 不加铁心时候的输出为： 1 砜2 亩n a 。埘 u 。t 肌可得： 川 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) u 铂鲁筹+ ( z 一 亿劝 在此，将被测材料的磁导率相关系数定义为： 一_ 1 + 鱼a ff l 监u o 一1 1 ( 2 1 。) 其中u m 是被测材料的电压输出，u 。是不加铁芯时的电压输出。 在上述公式中，u o 。和u o 分别和a b 以及h 成正比，在积分时问很短时， 磁导率相关系数与微分磁导率成j 下比。 上小节已经说明，实践表明，种特定的磁性材料，在特定工作点及一定温 度下的磁导率相关系数一( 或微分磁导率) 的值主要与该材料所受的应力线性相 关，并且这种相关性很显著而且稳定。因此我们可以通过对p 叫( 或微分磁导率) 值的测量来间接测量出该磁性材料所受的应力大小。同时，由于u 。在r c 以及工 作点确定的情况下，是个常数。因此，钢结构所受拉力就简化为u 。的线性函数。 下图是某种铁磁材料测得的拉力一积分电压曲线。 菜传感器的拉力标定曲线： a 一由 ，飞 b 厂川ll m i 昭 呲 规 重庆大学硕 学位论文 磁弹性基本原理与总体方案设计 e p o i y n o m a f i t , o fd 3 l a le t u p p e r9 5 p t e d i c i o r l 1 m i 一 一 l o w e r9 5 p r e d 站t or jl i m l 一一一一 一v 、+一 并 穸j 。 一4 1 。5- 1 。0- 0 ，50 00 。51 01 ，52 0 ( u o u t ( f ) 一u o u t ( o ) - 1 ，3 2 5 ) ，v 图2 7 应力一积分电压关系 f i g2 7f o r c ed e p e n do nu o u t 在实际应用中，由于感应信号含有很多未知噪声，通常会在感应线圈后加上 放大器与滤波器，以提高信号质量：同时在积分电压输出后加一个信号调理器， 将信号幅度范围调节到数模转换器能接受的范围内，然后通过d a q ( 数据采集设 备) 读入到计算机中。 2 3 总体方案设计 从图2 4 中我们可以看到，一个磁弹性测量系统至少应该具备以下部分：励 磁电路，磁弹传感器，信号采集和处理系统。 与一般的测量系统相比，磁弹性测量系统的设计有着较为特殊的性质a 由于 磁弹性传感的真正元件是被测量对象本身，所以磁弹性传感方法有着“智能”的 特性。这个特性使我们无法制成可以标定的传感器一一因为在同样的激励条件下， 当被测材料不同时，其测量结果是完全不同的，这就要求我们设计的测量系统应 该有很大的灵活性，应该可以很方便的根据具体情况需要来灵活配置或改变系统。 同时，测量结果、被测对象特性、激励信号、传感器线圈匝数等等元素之问有着 多元的、密切的联系，在设计磁弹性测量系统的时候，应该尽可能多考虑几个因 素，有良好的“系统”概念，才能设计出合理有效的测量系统。 根据灵活性与系统性的设计要求，设计出的磁弹性测量系统框图如下图所示： 耋 柏 如 o z 1 1 j 王莹 碴庆犬学颐十学位论文 磁弹性基本原理与总体方案设计 匣再 e 品 图2 8 测量系统图 f i g2 8d i a g r a mo f m e a s u r e m e n ts y s t e m 该系统分为三大部分：励磁系统，传感器和数字信号采集处理部分。该系统 可以通过常用的交流励磁方式和脉冲励磁方式对线圈进行励磁，同时，该系统采 用了灵活的数字信号采集与处理系统，可以灵活完成一些原有的模拟信号处理系 统无法完成的功能。具体各部分的构成与功能将在后续的章节中介绍。 2 4 小结 本章首先介绍了磁弹性测量的基本原理，然后给出了实际测量中使用的系统 原理图，最后，结合实际，做出了本论文的磁弹性检测系统总体方案设计。 垩鉴奎堂堡主堂堡堡苎 堡壁鲎堡生兰塑生堡堕 3 传感器设计与初步试验 磁弹传感器设计是整个磁弹性捡测系统的基础。针对不同的被测材料，需要 设计不同的传感器。只有传感器线圈绕组与传感器尺寸确定之后，磁激励和感应 电压才具备相应的物理含义。同时，磁弹传感器的设计与安装调试又是整个系统 设计中最耗费时问的部分，一旦发现设计的传感器不符合要求，则需要花大量时 间和精力重新设计整个系统。因此，整个研究必须从磁弹传感器开始。 鉴于目前既没有足够的磁弹传感器设计经验可供参考，更缺乏磁弹传感器的 测量数据，因此在设计磁弹传感器的过程中，采用了由简入深的方法，通过不断 试验，利用较简单的办法对磁弹性传感器以至整个测量系统方案进行评估，以期 在出现问题的时候能够及时发现并解决。 3 1 无外壳的线圈式磁弹传感器的设计与试验 由于在研究初期，所有的关于磁弹性测试方法的认识都来自于有限的几篇文章， 尚未对磁弹性传感器有任何经验，对感应电压有多大，存在什么干扰等等问题都 没有认识，为了尽快能够对磁弹性测试方法有一个初步了解，特设计了一个很简 单的传感器，并用该传感器做了采用直流方法做了一些初步试验口5 。2 6 1 o 传感器的结构非常简单。为一个中空的塑料轴上绕制的两层线圈，该塑料轴外 径l l m m ，内径8 m m 。其中，线圈内层为o | 8 t u r n 径的漆包线，共2 8 0 圈；外层为 o 5 m m 径的漆包线，共7 0 圈。因为试验目的是先观察感应线圈的信号并取得初步 认识，在线圈绕组数量的确定上，只是简单根据线轴物力尺寸进行绕制，并未进 行理论计算；为了节约时间，该传感器并没有加上外壳。 该试验