基于磁阻抗测量法的应力传感器

王 瑛，张 璋，周 尚

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124)



基于磁阻抗测量法的应力传感器

王 瑛，张 璋，周 尚

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124)

现阶段检测钢轨应力的主要方法有巴克豪森磁噪声法、X光检测法、磁声发射法和超声波法等。这些方法都有共同的不足，即探测设备复杂且需要较高功耗，不适合户外作业。文中设计了一种将应力转变为电路阻抗变化的传感器。借助matlab仿真并通过多次的实验与测试，得到了将阻抗变化转换为数据的方法，并结合低功耗嵌入式系统的数据处理和非线性标定算法进行数据拟合，达到了应力检测的预期精度。整个系统无大功率元件，为低功耗、便携式应力传感器奠定了一定基础。

应力;压磁传感器;磁阻抗

0 引言

钢轨的无损应力检测一直受到工程界的重视。主要检测方法有电阻应变计测量法、超声波法、X射线法。其中电阻应变计只能测定钢轨表面一点在某个方向的应变，而超声波和X 射线法的测量准确度会受到钢轨微观结构以及测量装置和钢轨之间的耦合影响。为解决上述问题，本文提出了一种基于磁阻检测的钢轨应力检测系统，解决了检测方向单一、易受钢轨微观结构影响的问题。

AD5933是一款高精度的阻抗转换器，片上集成频率发生器与12位、1 MSPS的模数转换器(ADC)。用频率发生器产生的信号来激励外部复阻抗，外部阻抗的响应信号由片上ADC进行采样，再由片上DSP进行离散傅里叶变换处理，可以广泛应用在电化学分析、生物电极阻抗测量、阻抗谱分析、自动控制传感器等众多领域。在本文所述方法中，压磁传感器采集电磁信号，经信号放大电路传递至AD5933，AD5933处理采集到的压磁信号，计算出钢轨磁阻，得到相应的应力值。

实际工程中，无损检测为阻抗的测量提供了很大的方便，单片集成技术明显减小了仪器的体积，使得仪器使用更加方便。简单的I2C通讯方式，方便用户操作，减小了用户编程的困难。由于它给出的直接是变换后阻抗的实部和虚部数据，明显简化了用户编程过程，节省了开发时间。

1 压磁传感器理论依据

压磁传感器以磁弹效应为理论基础，即被磁化的铁磁材料在应力作用下形成磁弹性能，使磁化强度重新取向，从而导致应力σ方向和磁导率μ发生变化[1]。

铁磁材料的相对磁导率变化与应力σ之间的关系为[2-3]

(1)

式中：λm为磁致伸缩系数；μ为磁导率；σ为应力；Βm为磁感应强度。

式(1)是应力和磁导率的理论数学模型，它反映了当路轨受到应力作用时，由于压磁效应的影响，路轨磁导率的变化与应力的大小成正比。也就是说当外界磁场一定时，路轨受到的应力越大，它的磁导率也就越大。

由于磁化电流I=Imcos(ωt+φ)，所以传感器阻抗为复数阻抗，即由电阻和电抗构成，而电抗又分为容抗和感抗。

设磁化电流为I=Imcos(ωt+φ)，磁化场H=Hmcos(ωt+φ)，磁感应强度B比H落后一个相角δ，则磁通密度B为

Β=Βmcos(ωt+φ-δ)

用向量表示：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

复数电感L则为

(7)

式中：Ae为闭合电路磁芯的有效面积；le为有效磁路长度；C1为磁芯常数；N为绕组匝数。

将式(4)带入式(6)中可得：

(8)

(9)

对于绕在磁芯上的电感线圈，对于正弦信号产生的阻抗为

(10)

将式(9)代入式(10)中得：

(11)

通过上述理论分析，由式(11)可以看出，压磁传感器的阻抗与其磁导率有关。在实际检测中，构成压磁传感器回路的有二个部分，包括压磁传感器自身和待测路轨,如图1所示。

图1 传感器探测位置

当压磁传感器和待测路轨组成回路时，磁导率就不单单是传感器自身的了，即：

μ=f(μ传感器，μ待测路轨)

(12)

只要路轨应力发生改变，便会导致路轨磁导率发生变化，由式(12)可以得出路轨的磁导率将直接影响测试系统的磁导率，同时也影响着压磁传感器的阻抗。该方案的设计思路便是基于上述理论，通过检测压磁传感器的阻抗变化，反映应力变化。

2 压磁传感器结构设计

本测试系统使用差动式压磁传感器，结构如图2所示。该传感器主要由2个“U”型磁芯构成：C2，B1端为激励端，A2，D2端为响应端。由于磁弹效应的作用，对于正磁致伸缩材料，由于在某一方向上应力变化，会引起水平和垂直两个方向上磁导率的变化，从而产生响应电压。即施加垂直应力会使沿垂直方向应力增大，水平方向应力减小。同理，若施加水平应力会使沿水平方向的应力增大，垂直方向应力减小。若使用单个“U”型磁芯作为压磁传感器进行测量，则会遗漏另一方向的压力变化，造成测量不全面且电压变化不明显。

图2 传感器结构示意图

在实际测量过程中，要特别注意压磁传感器的放置点，由于该系统主要检测钢轨的工作应力，而此类型应力主要集中在钢轨头部，所以压磁传感器应靠近轨头，如图3所示。

图3 钢轨示意图

差动式压磁传感器的线圈缠绕方式也需要特别注意，以激励端为例，由于磁芯1的B1端和磁芯2的C2端线圈都通有f=1 kHz的正弦交流电，故会产生磁场，发生磁耦合现象。根据右手螺旋法则可以确定电流产生的磁通方向和彼此交链的情况，方向如图4所示，等效电路如图5所示[4]。

图4 磁通方向示意图

图5 等效电路图

磁芯1的电流产生的磁通设为Φ11，线圈自身产生的磁通链设为Ψ11，此磁通链称为自感磁通链；Φ11中的一部分或全部穿过线圈2时会产生磁通链,设为Ψ21，称为互感磁通链。同理，线圈2中的电流i2也会产生自感磁通链Ψ22和互感磁通链Ψ12，这就是彼此的耦合情况。差动式压磁传感器是将磁芯1的B2端和磁芯2的C1端串联，将磁芯1的B1端和磁芯2的C2端作为激励的输入。此连接方式使两个线圈产生的磁通链为Ψ11、Ψ22，同向即自感方向的磁场得到增强，使得响应电压更加明显。若将磁芯1的B2端和磁芯2的C2端串联，剩下的两端作为激励的输入，这样磁通链Ψ11、Ψ22，反向即自感方向的磁场得到减弱，使得响应电压过小而埋没在噪声当中，导致无法测量。

响应端接线方式也应遵守上述原则，即使得自感方向的磁场得到增强，故将线圈1的A1和线圈2 的D1串联，线圈1的A2和线圈2的D2作为响应的输出。

相关测量参数如表1、表2、表3所示。

表1 垂直方向磁芯测试参数

表2 水平方向磁芯测试参数

表3 差动形式的测试参数

传感器响应电压数据如表4所示。

表4 不同方式的响应电压

从实际测量结果可以看出，采用差动式压磁传感器后，响应电压最小为6．05 V，约是单端压磁传感器的3倍，所带来的的优点有两方面：

(1)电压幅值增大使响应信号不易埋没于噪声信号中，方便AD5933采集处理。

(2)使用单端压磁传感器测量时，垂直方向电压变化最大为50 mV，水平方向电压变化最大为60 mV，而使用差动式压磁传感器后电压变化最大为70 mV且同时兼顾水平方向和垂直方向。通过对比，可明显看出后者的变化更加明显，方便测量。

3 数据检测

本系统的检测对象是待测钢轨的磁阻，通过压磁传感器，加载激励信号至待测钢轨并采集磁阻响应信号，AD5933处理响应信号并计算幅值及相对相位，经RS232或zigbee无线网络传输至上位数据处理单元；通过上位机数据处理单元，绘出磁阻变化曲线，再由相关标定确定应力变化。该系统框图如图6所示。

图6 系统框图

AD5933作为磁阻检测处理芯片，通过设置操作，可以准确计算出各扫描频点的阻抗幅值和相对相位，其功能框图如图7所示。

图7 AD5933功能框图

在阻抗检测方案中，Z(ω)为待测阻抗，通过AD5933片上DFT运算计算出幅度值和相对相位，再乘以一个称为增益系数的比例系数，即可计算出接在VOUT和VIN引脚之间的任何未知阻抗。但传统的检测方案并不适用于本设计，因为在该检测系统中Z(ω)并不是单一的待测阻抗，它实际包含了TPA6211a1音频放大芯片、差动式压磁传感器和AD623差分放大器。其中差动式压磁传感器为待测阻抗，AD5933可以计算出Z(ω)的幅值和相对相位，待检测的压磁传感器阻抗是Z(ω)的一部分，而压磁传感器阻抗的变化趋势与Z(ω)相同，所以压磁传感器的阻抗变化与应力之间的关系可以转换为Z(ω)与应力之间的关系，通过数据拟合，神经网络等数据处理方法进行标定，即可得到与应力的函数关系。

阻抗幅值的变化是数据检测的重点，它的变化趋势与应力变化最为密切，施加拉应力的范围为0.5×104～4×104N,幅值变化与应力的对应关系如表5所示。

表5 仿真数据

通过表5可以看出，阻抗幅值随应力的增大而呈上升趋势，最大拉应力和最小拉应力的幅值差为43.8，变化较显著。通过matlab的数据拟合对阻抗幅值和应力的变化关系进行进一步分析，拟合后的函数关系表达式为

f(x)=p1x4+p2x3+p3x2+p4x+p5

式中：p1= -3．628×10-6;p2=0．258 3;p3= -7 655;p4= 1．008×108;p5= -4．98×108。

4 结束语

该设计采用阻抗测量芯片AD5933进行应力检测，相比巴克豪森磁噪声法、X光检测法、磁声发射法和超声波法解决了设备复杂的问题，其稳定度高，能在恶劣的环境中工作，而且本系统低功耗、无大功率用电元件。辅以zigbee无线网络，可与远程服务站进行实时数据通信，适合在铁轨旁进行现场工作，为相关应力检测领域提供了一个重要手段。

[1] 张永炬．压磁效应及其在传感器中的应用．台州学院学报，2002(3)：11-12．

[2] 郭沛飞，贾振元，杨兴，等．压磁效应及其在传感器中的应用．压电与声光，2001(2)：39-43．

[3] 刘海顺．基于磁各向异性特性应力测试的理论与方法研究：[学位论文].徐州：中国矿业大学，2008．

[4] 谢宝昌．变压器等效电路获取的教学方法．电气电子教学学报，2013，35(2)：60-62．

Rail Stress Sensor Based on Magnetic ImpedanceMeasurement Methods

WANG Ying,ZHANG Zhang,ZHOU Shang

(School of Telecommunications and Electronic Control,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

The recent main methods of testing the rail stress are magnetic barkhausen noise method,X-ray testing methods,magnetic acoustic emission method and ultrasonic method,etc．They both have the disadvantage that the testing equipment they required are of high complicity and power dissipation．This makes them not so perfect in outdoor operation．The stress resting system discussed in this dissertation,based on AD5933 and magnetoelastic effect,transitted the effect that stress exert on rail permeability to that on magnetic resistance,combined with data fitting techniques to get the relationship between stress and magnetic resistance．In addition,the whole system has no high-power components,which makes it has a possibility to be developed into a portable and low-power stress sensor．

stress;piezomagnetic sensor;magnetic resistance

2014-02-19 收修改稿日期：2014-10-06

TN212

A

1002-1841(2015)03-0003-04

王瑛(1961—)，副教授，硕士，主要研究领域为智能信息处理系统、虚拟仪器与测控技术等应用技术。E-mail：wtlwy@bjut．edu．cn张璋(1989—)，硕士，主要研究领域为嵌入式传感器技术。E-mail：zz19890629@126．com