基于逆磁致伸缩测量索力的综述

夏益

（重庆交通大学 信息科学与工程学院，重庆 400074）

1 背景及意义

钢缆索具有承力多、质量小、尺寸紧凑、柔性好等优点,已广泛应用于桥梁、铁塔等各种民用基础设施及工程机械等大型设备中[1]。因此斜拉索的张力必须精确地测量。但是由于钢缆索在这些设施和设备中都是承力的关键,因此一旦由于过载，腐蚀，风化或是本身的失效，衰退而产生断裂,将可能造成难以估量的后果，所以研究（逆）磁致伸缩测量钢缆索的索力与在测量过程中的影响因素具有重要的工程意义和经济意义。

2 钢缆索索力测量研究状况

2.1 方法综述

2.1.1 压力表法

压力表法是用千斤顶张拉斜拉索时，通过精密的压力表进行测丁油缸的液压从中求的索力。这种方法简单易行，读数简单，是测量索力最有效的方法，但是由于压力表自身的一些特性或是人为读数的偏差比较大，张拉用千斤顶比较笨重，测一根索力费时较长，因此在现实生活中很少用于测量钢缆索的索力。

2.1.2 压力传感器法

压力传感器法是在桥索固定锚头与桥体混泥土之间加上垫板与承压环，桥索所有的压力就都会受在承压环上，承压环产生形变，根据形变算出钢缆索的索力。它还可用于光纤应变传感器，它虽能适应恶劣的环境，且结构好，灵敏度高，可对于已安装好的锚索就不能使用，使用范围太过狭小

2.1.3 振动频率法

振动频率法是利用斜拉索索力与频率的关系来测定索力，其简单、快速、经济性。在测量过程中由于要受桥面的坡度与一些外界条件的制约例如阻尼垫、温度、环境振动、拾振器安装位置的影响造成所测试结果不一致，而且测试过程中的信号不好处理，模型构造复杂。所以，在现实中，运用较少。

2.1.4 逆磁致伸缩效应法

逆磁致伸缩效应法来测量钢缆索索力基于逆磁致伸缩效应的现象可以使机械能转化为电能完成了索力测量原理推导，通过输出感应电压积分可求得索力，由磁弹效应原理得出钢索受到的拉力(在弹性应变条件下)与其磁导率成正比求出钢缆索的索力[2]。

2.2 逆磁致伸缩测量索力

2.2.1 逆磁致伸缩含义

所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。磁化强度变化引起的磁性材料的张力变化。磁化强度(磁化力或剩磁)与外加应力之间的关系称为逆磁致伸缩或压磁性

2.2.2 逆磁致伸缩测量索力的原理

当向超磁致伸缩材料施加压力时，它的磁特性（磁导率）发生变化，因而磁结构中的磁场分布就要发生变化，根据此变化即可确认出施加压力的大小。如果测定的应力是静态力，则可通过在磁结构的某空气间隙处安装霍尔元件检测该处的磁感应强度。如果测定的应力是动态力，则可在磁结构的某处绕上感应线圈取得检测信号，得知施加的压力。

2.2.3 逆磁致伸缩测量索力的应用

由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能转换成机械能或声能，相反也可以将机械能。转换成电磁能，它是重要的能量与信息转换功能材料。利用（逆）磁致伸缩测量索力制成逆磁致伸缩索力传感器，可以随时随地精确的监测钢缆索索力的大小。

3 国内外逆磁致伸缩效应法测量索力的发展动向

3.1 国外

目前这种方法的国外研究主要集中在捷克斯洛伐克、日本和美国的部分研究机构里，主要代表人物有美国University of Illinois at Chicago(芝加哥伊利诺斯州大学) 的Ming L.Wang，捷克斯洛伐克的Dynamag公司，日本的S. Hansen, L. Rissing,and H. H. Gatzen相关研究人员。从他们研究上看，主要研究的还是以套筒式磁路结构为主磁致伸缩的索力传感器[3]。

3.2 国内

国内对逆磁致伸缩索力传感器及测量方法的研究、应用相关单位主要集中在浙江大学、哈尔滨工业大学、同济大学、中国地震局工程力学研究所、柳州欧维姆机械股份有限公司以及重庆大学，重庆交通大学。都是在他们自己前期研究的基础上,对套筒式索力传感器进行了初步工程应用与测试研究，对逆磁致伸缩传感模型与钢缆索索力传感物理方程的建立以及传感器模型及原理研究等方面也只是取得了一些初步的研究成果[4]。

4 结语

逆磁致伸缩效应法克服了压力表法、压力传感器法、振动频率法所带来的一系列缺点，还可以测试钢索的腐蚀状况，是钢索健康监测最具潜力的最新方法。这也为后续研究测量索力传感器的测量方法有了很好的总结。

[1] 戒躁，钟继卫，王波.大跨桥梁健康监测系统设计构成及其进展[J] .湖北：桥梁建设，2009年增刊2.

[2] 孙志远.基于磁弹效应的索力传感器的研究[J] .黑龙江：地震工程与工程振动，2008（28）1.

[3] M L Wang.Long term health monitoring of post-tensioning box girder bridges[J] .smart structures and Systems.2008.

[4] 唐德东.基于磁弹效应的斜拉桥索力传感器研究[J].重庆：传感器与微系统，2006（10）.