一种轻便型缆索应力检测脉冲磁弹仪的研制

秦 勇

（柳州市智能制造科技服务中心，广西 柳州 545001）

0 背景与需求

钢缆索材料磁弹效应，当受到外力作用时，其内部产生机械应力或应变，相应的磁导率发生改变。通过测定磁导率变化来反映应力变化，依据此原理制成脉冲磁弹仪和磁通量传感器构成的缆索应力检测系统。脉冲磁弹仪检测系统有以下优点：（1）属于非接触测量，不影响原来的缆索应力结构；（2）传感器结构简单、成本低廉、使用寿命长；（3）测量速度快、可以在线远程监测。所以脉冲磁弹仪已大量应用在桥梁、钢结构等建筑工程缆索应力监测上。

但是现有开发的缆索应力检测脉冲磁弹仪体积较大，重量重，机箱结构不够稳固和内部电路模块分散易松散，外壳防尘防潮IP防护效果差等不足。不适合应用在当工程检测人员需要携带磁弹仪经常出差、爬塔或者现场仪器柜放在户外露天环境，仪器柜体积较小等工程应用环境。所以提出研发一款体积小，质量轻，外壳机体结构牢固，IP防护效果更好的轻便型缆索应力检测脉冲磁弹仪，来满足脉冲磁弹仪特定环境下使用要求。

1 轻便型脉冲磁弹仪的实现方法

1.1 脉冲磁弹仪的电路原理

脉冲磁弹仪的电路原理如图1脉冲磁弹仪电路原理图所示：以RAM7单片机为CPU运算控制存储核心，通过控制高压调制模块和电容充放电电路给磁通量传感器输出脉冲测量电能；磁通量传感器返回的测量信号经过多级滤波放大电路后，传输到高速16位AD采样电路进行数模转换，最后传回CPU通过一定的算法处理得出被测缆索的应力值；CUP通过光电隔离控制开关箱输出驱动电路输出开关箱控制指令；上位机和云采集等远程控制通过RS485和RS232隔离通信端口操控磁弹仪工作；通过面板触摸屏实现本地人机交互界面操控磁弹仪；内置24 V开关电源输出DC24 V，通过板载电压转换电路输出±12 V、5 V、3.3 V、基准2.5 V，DC24 V电源也可以通过外接移动电源提供。仪器的软件程序主要由磁通量积分力值算法、温度线长补偿算法、触摸屏驱动、高压调制充放电驱动、AD采样驱动、RS485/232远程通信驱动和开关箱输出驱动等程序构成。

图1 脉冲磁弹仪电路原理图

1.2 设计思路

原来设计的磁弹仪经过多年的应用升级改造，硬件电路原理和软件程序算法都很成熟了，所以新设计的轻便型磁弹仪要基本保持原来磁弹仪硬件电路原理和软件程序算法不变，这样既能保证研发的成功率又能在工程使用上兼容通用型磁弹仪。要使仪器小型轻量解决的途径就只有重新优化各模块电路的布局，压缩各模块电路的体积与重量，优化仪器外壳及安装空间，让其架构更加稳固，体积更小，IP防护等级更高。

1.2.1 仪器输出脉冲电压调整

根据钢索应力脉冲磁弹测量原理：钢索线径越大磁通量传感器内径就越大，测量时需要的磁化电能就越大，需要仪器输出脉冲电压就越高，则相应配套的高压模块的充电电容体积质量就越大。原来通用型脉冲磁弹仪输出脉冲电压是100～420 V，适应磁通量传感器型号是CCT8～CCT165，由于输出脉冲电压较高，所以要选择大体积的充放电电容与升压模块，要是降低输出脉冲电压就能相应地减少电容模块和升压模块的体积和质量。在目前桥梁缆索应力检测工程应用中，磁通量传感器使用量最多的是单索应力监测，单索应力监测一般使用CCT20及以下的磁通量传感器，输出脉冲电压100～150V，俗称小传感器测量。多根单索组合成一束缆索，对于整束缆索应力检测需要线径比较大的磁通量传感器，一般使用CCT85至CCT145线径的磁通量传感器，输出脉冲电压300～420 V，俗称大传感器测量。目前，工程应用上小传感器测量的精度和稳定性都远优与大传感器测量，这也是小传感器测量能大量推广的原因之一。所以兼顾磁弹仪市场需求和输出脉冲电压与仪器体积总质量的平衡，轻便型磁弹仪设计的输出脉冲电压是100～150 V，适应的磁通量传感器CCT25以内的小传感器测量，这样充放电电容模块与升压模块就能做到比较小比较轻。再通过重新定制升压模块让其适合布局焊接在PCB电路板上，将原来单个体积较大的充放电电容，根据容量分解为多个体积较小的电容并联，让其适合布局焊接在PCB电路板上。

1.2.2 仪器电路布局调整

在工程应用上，磁弹仪一般都是布局在现场数据采集柜内，工程人员一般是在安装调试或者维保的时候才会使用仪器面板触摸屏操控磁弹仪，其余大部分时间都是通过RS485/232通信远程操控仪器，数据采集柜内也基本会有DC24V电源，所以将原来的通用型磁弹仪内置的24V开关电源模块与面板显示输入模块独立分体出来，设计为独立匹配的外接设备，当需要用的时候作为外接设备即插即用。通过分体设计就大大减小仪器体积和质量，不论磁弹仪是放在数据采集柜做在线测量还是工程人员随身携带做移动测量都能灵活多变适应不同的工作环境，减少的两个电路模块还能降低主机仪器的故障发生率。

如图2通用型磁弹仪的外壳内部安装结构由显示输入模块、24V电源模块、高压调制模块、电容充放电模块、中央处理核心电路板这5个独立的模块组成，每个模块通过导线或者排线连接。如图3轻便型磁弹仪的外壳内部安装结构：通过将显示输入模块和DC24V电源模块外移作为独立匹配设备，剩下的电路模块重新设计优化布局，将所有的电路模块都焊接在一块PCB电路板上。这样仪器外壳内只有一块PCB电路板，电路板通过排线或者线束与面板端口连接。这样调整后，仪器外壳内部电路空间占比就小很多，并且结构简单稳固，数据传输牢靠。

图2 通用型磁弹仪电路结构

图3 轻便型磁弹仪电路结构

1.2.3 仪器外壳和接线端口调整

轻便型脉冲磁弹仪经过优化布局重新设计后的硬件电路只有一块PCB电路板，选择达到IP67防护的一体成型加厚铝合金外壳，接线端口选择IP66等级的热塑航空接头，电源开关及面板指示灯选用IP66等级的专用面板配件。外壳和接线端口这样调整后，仪器的外壳强度及内部结构牢靠度和IP防护效果都得到较大的提升，很好地满足轻便型脉冲磁弹仪体积小，重量轻，外壳机体与内部结构牢固的设计要求。

1.3 轻便型脉冲磁弹仪制作与效果

通过上文理论分析及设计思路论证，针对小传感器测量，轻便型脉冲磁弹仪研制是可行的，那就可以进行实物制作了。经过定制和购买相关电子元器件及模块材料，重新设计制作PCB电路板，经过硬件电路制作调试和软件调试，成功制作出一套轻便型脉冲磁弹仪，目前仪器样机已经制作调试成功。如图4轻便型磁弹仪分解结构图：仪器所有电路都布局在一块PCB电路板上结构简洁牢靠，一体成型铝合金外壳稳固牢靠，整机外壳密封IP防护效果好。如图5轻便型磁弹仪分体布局图：从左到右依次为轻便型脉冲磁弹仪、配套的外接触摸屏、通用DC24V电源适配器，这样可根据不同的应用环境做不同的调整。轻便型脉冲磁弹仪与通用型脉冲磁弹仪对比如图6轻便型磁弹仪与通用型磁弹仪的对比图：对比原来的通用型磁弹仪，轻便型磁弹仪体积减小约70%，质量减小约75%，达到了体积小，质量轻的研制目的。由于轻便型脉冲磁弹仪基本保留了通用型磁弹仪的硬件电路原理和软件原理，通过实验验证工程应用上针对小传感器测量完全兼容原通用型磁弹仪，这样两种仪器可以互换使用。从体积、质量、结构强度、IP防护和兼容性等都达到了我们研制的轻便型脉冲磁弹仪的效果。

图4 轻便型磁弹仪分解结构图

图5 轻便型磁弹仪分体布局图

图6 轻便型磁弹仪与通用型磁弹仪的对比

2 结语

本文介绍研制的轻便型脉冲磁弹仪具有体积小、质量轻、外壳结构稳固、IP防护效果好、应用场景可多变等优点。很好地解决了通用型磁弹仪体积大、质量重、外壳不够稳固等不足。并且工程应用上针对小传感器测量完全兼容原通用型磁弹仪，它更加适合携带移动测量、采集柜在线测量、控制柜狭小与户外露天环境等场景应用，也给缆索应力检测工程应用多一种脉冲磁弹仪来选择。