闭合磁路的磁弹索力传感器优化及实验研究*

宋 凯,柳 权,刘国勇,刘付鹏,徐 帆

(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,南昌 330063;2.江西飞尚科技有限公司,南昌 330063)



闭合磁路的磁弹索力传感器优化及实验研究*

宋 凯1*,柳 权1,刘国勇2,刘付鹏2,徐 帆2

(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,南昌 330063;2.江西飞尚科技有限公司,南昌 330063)

针对目前已经工程应用的磁弹索力传感器的磁路结构、工作点及激励信号等设计的不足,从铁磁性材料的磁特性出发,结合基于磁弹效应的索力测量原理,设计并制作了单“U”型磁轭的闭合磁路磁弹索力传感器,确定了激励信号的幅值、频率及传感器工作点。实验结果表明,在激励峰峰值为6 V时,缆索处于近饱和磁化阶段,此时传感器灵敏度最高,为32.470 mV/kN,其测量结果的线性相关系数为0.970 4。

传感器;应力测量;磁弹效应;闭合磁路

钢缆索具有较强的抗拉强度、抗疲劳强度及抗冲击韧性,并且其重量轻、柔性好,在桥梁建设、起重机、缆车等各大工程设备及领域都有着广泛的应用。由于其长期工作于风振、腐蚀、大载荷及交变载荷环境中,容易产生疲劳累积、应力过大、集中或松弛甚至损伤所致的应力损失,从而对缆索结构的运营状况产生不利影响,所以必须对缆索的应力大小进行实时测量和监测,确保缆索结构体系的正常受力状态。传统的钢缆索应力测量法主要有[1-2]:频率测定、液压表测定及压力传感器测定3种方法,对于已建成或已经投入运营的桥梁等工程设备的钢缆索,几乎只有频率测定能够满足其在线测量及监测的需求。由于必须使用人工敲击或其他方式使缆索产生振动,且基频的识别较为困难,使得频率测定法受到了极大的限制。

基于磁弹效应(Magneto-Elasto Effect)的应力测量法作为索力测量的新方法,具有结构简单、成本低、寿命长、动态响应快和易校准等优点,在国内外的应用日益广泛。Ming L WANG等人[3-5]提出双线圈结构测量缆索增量磁导率(Increment Permeability)的原理,研制了套筒式磁弹传感器,将其运用到桥梁缆索的应力测量,并提出使用增量相对磁导率作为缆索应力的评价标准,然而应用套筒式传感器对已建缆索的应力测试还有颇多困难。唐德东[6-8]等人开展了基于磁弹法的大量研究工作,构建了磁弹效应法的理论模型,完善了该方法的理论体系,设计并提出了单旁路励磁结构传感器的磁路结构设计和差动式温度自动补偿技术,但传感器的工作点仍遵循Ming L WANG模型,选取在磁导率最大值附近。段元锋等人[9-10]研制了具有超磁致伸缩材料驱动的压电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)构成的复合层叠式传感器代替了传统的感应线圈,并运用到了铁轨和缆索的应力测量,使得传感器精度和信噪比更高,同时尺寸更小。

本文研制了磁弹索力传感器系统及闭合磁路的磁弹传感器[8,11],以直径为9 mm的镀锌钢缆索为实验对象,开展了应力测试实验,研究了不同激励强度下的测量信号特征,提出了传感器的最佳磁化工作点。

1 磁弹传感器测量原理

当铁磁性材料被外磁场磁化时,若其应力状态发生改变(拉力、压力或扭转),则其磁特性参数也相应发生改变(如磁导率)。通过测量并获得其磁特性参数和应力的关系,即可实现缆索的应力测量。

根据Joule效应、材料力学及铁磁学可以推导,当缆索在磁场强度为H的外磁场中被磁化时,其索力的大小与磁特性之间的函数关系为[12]:

(1)

式中,E为弹性模量;A为钢缆索的横截面积;λs为饱和磁致伸缩系数;Ms为饱和磁化强度;Ku为单轴各向异性常数;θ0为外磁场与易磁化轴的夹角。

由式(1)可以看出,索力F的变化只和外磁场强度H和增量磁导率Δμ有关。当选定外磁场强度(即确定传感器工作点)后,F只和Δμ有关,并且呈线性关系。

图1 铁磁性材料的磁滞回线

如图1所示的铁磁性材料的磁滞回线,增量磁导率Δμ定义为[3-4]:

Δμ=ΔB/ΔH

(2)

为了测量Δμ,一种可能的方法是设计嵌套式双线圈结构,根据法拉第电磁感应定律,若检测线圈中的磁场为均匀磁场,则其增量相对磁导率在某一温度下可以由下式表示[13]:

(3)

其中S0和Sf分别为感应线圈和缆索的横截面积;Vout和V0分别为线圈中有缆索和在空气中的积分电压。

由式(3)可以看出,相对磁导率和Vout成线性关系。综上所述,索力F与积分电压Vout成线性关系,所以可通过标定积分电压Vout与缆索应力的关系,实现缆索的应力测量及监测。

2 闭合磁路的磁弹索力测量系统

磁弹索力测量系统包括依次连接的激励模块、传感器、后处理模块3个部分,如图2所示。

图2 闭合磁路的磁弹索力测量系统示意图

图3 闭合磁路传感器

2.1 传感器设计

目前国内外应用较广的磁弹索力传感器大多为开放磁路式的即套筒式磁弹索力传感器,它由两个嵌套于缆索外的线圈构成,缆索是其主要的磁路部分。虽然它结构简单,灵敏度高,但其在线安装困难的缺点却成了其发展和推广应用的最大阻碍。为了克服传统磁弹索力传感器的缺点,可以将缆索设计成磁路中的一部分,激励和检测线圈分别绕制于由高磁导率材料(如工业纯铁)制成的“U”形磁轭的两个磁极上。在线测量时,只需将磁轭安装至缆索表面即可。

如图3所示的传感器,其设计参数可以由磁路分析获得。为了避免探头工作时,其磁轭部分处于较高磁化状态(低磁导率),其磁轭和磁极的横截面积应不小于缆索的横截面积:

(4)

(5)

线圈的参数可通过分析磁路结构各部分的磁导获得。根据磁路的欧姆定律,由激励线圈产生的磁动势Fm为:

(6)

其中H0为传感器的磁化工作点。根据缆索的初始磁化曲线可以确定H0处缆索的磁导率μ的值。

如图4为传感器的等效磁路图,根据磁路的基尔霍夫定律可以求得:

①设缆索的磁导为G1,则

(7)

②气隙的磁导为G2,主要是指磁极和缆索之间空隙,其值可以由下式导出[15]:

G2=0.077μ0(D0-D1)

(8)

③磁极和磁轭的磁导分别为G3、G4,磁导率为μ1,则:

(9)

(10)

图4 等效磁路示意图

2.2 激励参数及工作点

目前已经实现工程应用的套筒式磁弹索力传感器,采用的多为高频、低占空比的脉冲直流型激励源,频率多在500 Hz左右。考虑到脉冲直流激励在电压为0 V时,由于缆索为铁磁性材料,其磁场并不为0,而是具有一定的剩磁Br,若此时缆索的应力状态发生变化,则很有可能出现磁化混乱的现象[14],对测量带来不利影响。同时,由于较高的频率会在缆索中产生涡流效应,缆索内耗增加,测量灵敏度降低。此外,工程上磁化工作点H0一般选取在最大磁化率区(具有最大磁导率Pm),此时磁导率对外磁场强度变化最剧烈。基于磁弹效应的索力测量法实质上是测量缆索的增量磁导率Δμ,其磁化工作点H0应该选取在Δμ对应力较为敏感的区域,然而该磁化区域并不在最大磁化率区之内。

如图5所示为钢索在50 MPa和100 MPa应力下的磁化曲线。由图5可以看出,当激励磁场强度为2 000 A/m～4 000 A/m时,磁感应强度的变化量ΔB最大,即由应力所致的增量磁导率Δμ变化最大,可以认为此时传感器的检测灵敏度最大。综上分析,应该采取具有正负双向激励的信号作为激励源,其幅值应该使缆索处于近饱和磁化区。

图5 不同应力状态下的磁化曲线

实验系统激励信号峰峰值Vp-p为6 V、频率f为2.5 Hz的方波信号。设计参数如表1所示。

表1 传感器的线圈和激励参数

2.3 信号采集及处理

保证数据的可控性，数亿量级的数据需要实时处理，对于现在的计算机硬件来说是一个极大的挑战，如何搭建一个高性能，高并发的实时数据分析系统，并在突发情况，自然灾害发生的情况下保证数据不会丢失，是智慧城市发展的第二个需要面临的问题。

信号采集模块使用的是遥测采集系统,感应线圈拾取的感应信号经过信号调理电路后通过该系统实时显示并储存在工控机中,最终通过软件对信号进行低通滤波、零线调整和积分处理,如图6所示。

图6 测量系统实物图

图7 并联电容

3 应力测量及结果分析

实验测试用的缆索为φ9 mm的镀锌钢缆索,采用电子万能拉伸试验机进行张拉实验,应力测试范围为0～20 kN,采样间隔为2 kN,测量系统采样时拉伸机低速保载,每次采样时间为30 s。实验环境温度为25 ℃,测量前对缆索进行预应力拉伸实验,以消除由应力所致的剩磁对测量结果的影响。

由拉伸机产生的噪声对积分信号的影响是巨大的。与模拟积分电路的输出不同,对感应信号进行数字积分处理时,考虑到即使是很小的杂波也会对积分信号的幅值产生较大影响,虽然低通滤波处理滤除了一部分高频杂波,但实际采集过程中由于拉伸机产生的噪声却难以滤除。实验中在检测线圈两端并联了电容,使高频杂波在采集卡之前形成回路,以达到滤波的目的。

图8(a)、(b)为并联电容前后的积分信号波形图,可以看出,无并联电容时,积分电压波形的包络线呈现无规律变化,而并联电容后,积分信号能够在长时间采集过程中保持稳定。从图8(c)可以看出,虽然并联电容将减小积分电压的幅值,但其测量结果的线性度有显著的提高。

图8 电容对积分信号的影响

在图8(b)所示的积分信号,其最小值总是在零点附近波动,为了获得某一载荷下的积分电压,应使用每个周期的最大值和最小值之差并作算术平均来表征,测量结果如图8(c)所示。从图中可以看出,传感器在较低载荷下的灵敏度有所降低,初步分析有以下两点:由于磁极内径D1小于缆索公称直径D0,当传感器安装于缆索表面时,在较低载荷下缆索与磁极存在一定的压力;试验的缆索其绳芯为纤维材料,该材料为非铁磁性且对外围钢丝具有支撑、缓冲和润滑作用,而磁弹传感器只能反映缆索中铁磁性材料部分,即钢丝部分的拉(应)力水平,且由于缆索结构的复杂性,逐渐增大的外力必将导致其钢丝接触行为发生改变,使得其钢丝受力并不完全呈现线性增加趋势。

为了验证传感器的磁化工作点H0在缆索的不同磁化区对测量灵敏度的影响,实验还选取了Vp-p分别为4 V、8 V、10 V的激励信号进行索力测试,测试之前使用高斯计测量传感器未安装缆索时,感应线圈磁极处的磁场强度以获取缆索的磁化程度,结果如表2所示。根据缆索的磁化曲线可知,缆索在上述激励电压下分别工作于初始磁化区,近饱和磁化区和饱和磁化区。在如图9所示的测量结果,其灵敏度依次为26.884、28.359和28.874,可见当激励电压为6 V时测量灵敏度最大,此时缆索处于近饱和磁化区。

表2 感应线圈磁极的磁场强度

图9 不同激励信号幅值对测量信号的影响

4 结论

根据磁弹效应的索力测试原理结合铁磁性材料特有的磁特性,设计并制作了闭合磁路的磁弹索力传感器,使用遥测采集及数字信号处理系统实现对信号的提取及处理,并开展了应力测试实验,提出将传感器的磁化工作点H0选取在近饱和磁化区,实现了传感器灵敏度的优化。本文未开展温度对测量结果的影响分析,进一步的研究工作所以可在某一温度下进行应力标定后通过温度补偿来获得实际应力值,也可以在不同温度下分别进行标定从而实现缆索的应力评价。

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The Optimization and Experimental Study of Closed-Loop Magneto-Elasto Cable Tension Sensor*

SONGKai1*,LIUQuan1,LIUGuoyong2,LIUfupeng2,XUFan2

(1.Key Laboratory of Nondestructive Test(Ministry of Education),NCHU,Nanchang 330063,China;2.Jiangxi Fasion Technology Co.,ltd,Nanchang 330063,China)

Presently,the design of magneto-elasto cable tension sensor’s parameters such as sensor structure,working point and drive signal is not perfect.In order to make the sensitivity higher,the magnetic properties of ferromagnetic materials and the principle of cable force measurement based on magneto-elasto effect was discussed.A“U”shaped of single bypass closed-loop Magneto-Elasto Cable Tension Sensor was designed,then confirmed the amplitude and frequency of the drive signal,and the working point has also been determined.The results shows that while theVp-pof the drive is 6 V,the sensitivity reached maximum,32.470 mV/kN.Moreover,this have been proved that it runs a high degree of linearity to stress,the linearly dependent coefficient is 0.970 4.

sensor;stress measurement;magneto-elasto effect;closed-loop magnetic circuit

宋 凯(1975-)男,副教授,博士,主要研究方向为电磁无损检测新技术,电磁场数值计算,songkai@nchu.edu.cn;

柳 权(1989-)男,硕士研究生,主要研究方向为电磁无损检测新技术,liu-quan@hotmail.com。

项目来源:国家自然科学基金项目(51265041);江西省教育厅科技项目(GJJ12406);无损检测技术教育部重点实验室基金项目(ZD201029003);南昌航空大学研究生创新专项基金(YC2013-009)

2014-09-15 修改日期:2014-11-23

C:3120W;7210X

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.007

TP212.1

A

1004-1699(2015)02-0188-05