磁弹式索力检测系统设计与仿真

李登峰， 王 刚， 杨可标

(长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064)

磁弹式索力检测系统设计与仿真

李登峰， 王 刚， 杨可标

(长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064)

针对钢索应力测量，设计了一种磁弹式索力检测系统。推导了基于磁弹效应原理测量钢索应力的关系式。进行了磁通量传感器的设计和磁感应强度ANSYS仿真，给出了检测系统的硬件结构和实际测量波形。实验结果表明：索力检测系统，精度小于5 %，基本达到工程应用需求。

磁弹效应； 磁通量传感器； 磁感应强度； 索力

0 引 言

拉索是缆索支承型桥梁的核心构件之一，其服役状况关系到桥梁的安全运营与使用寿命。拉索的安全监测主要通过监测拉索的索力判断。目前，国内外索力传感器有电阻应变式、振弦式、光纤式3种，其共同点均为接触式索力传感器，传感器本身的动态响应较差，工作寿命有限[1]。磁弹式是近几年发展起来的缆索索力检测方法，其所用到的磁通量传感器是一种非接触式传感器，在桥梁的健康检测中极具潜力，基于磁通量传感器的索力检测系统具有极高的社会和经济价值。

1 磁弹式钢索内部应力测量原理

磁通量传感器基于磁弹效应原理测量索力，将铁磁材料置于磁场环境中，铁磁材料将被磁化，当其受到机械力的作用时，内部产生应变，导致磁导率μ发生变化[2]，磁导率μ为磁通量密度B与磁场强度H的比值。根据材料力学，铁磁性材料磁导率变化与应力关系的数学模型为

(1)

式中 Δμ为磁导率变化量；σ为构件内部产生的应力；λm为磁化饱和状态磁致伸系数；μ1为无外力作用下磁导率；Bm为磁化饱和状态的磁感应强度。由式(1)可得

(2)

当铁磁材料的λm和Bm比较稳定时，Δμ和σ成正比关系，具有很好的线性关系。因此，可通过测量增加磁导率计算应力值。

直接测量磁导率比较困难，可依据磁感应原理研究铁磁材料磁化的磁特性。磁通量传感器的结构简图如图1所示，由初级和次级两层线圈组成。如果在初级线圈的两端加交流激励信号，将产生一个随时间变化的交变磁场，根据法拉第电磁感应定律，在次级线圈中将产生感应电动势

(3)

图1 磁通量传感器结构和应力测量原理

通过线圈的磁通量沿着被测试件的方向。测试过程中，被测钢索可能并未完全充满线圈，故总的磁通量由通过空气的磁通量和通过钢索的磁通量组成。感应电压为

(4)

式中 μ0为空气的磁导率；Sμ0和Sμ分别为线圈中空气和钢索所占部分的表面积。如果将感应电压对时间进行积分，得到对时间进行平均的输出电压为

(5)

式中ΔG和ΔB分别为磁场强度和磁通量密度在时间间隔t2-t1中所发生的变化。如果线圈的匝数较多并且排列紧密，则其内的磁场几乎是均匀分布的，有铁心存在时亦如此[3],由此式(5)可简化为

(6)

式中 S0为线圈总的截面面积；Sf为钢索的截面面积；T为RC电路的时间常数。在线圈中未放钢索的情况下，随时间变化的输出电压的积分为

(7)

由式(6)、式(7)可得

(8)

由方程(8)可知，可通过某时间段的积分电压Vout和V0计算出增加磁导率，进而计算出应力值。

2 磁通量传感器设计与制作

2.1 传感器工作点

磁通量传感器工作点即激励磁场强度H，由测量原理分析可知，激励磁场强度对于提高传感器的灵敏度和信噪比至关重要，所以磁场强度的确定要考虑这两方面因素。其基本依据为铁磁材料的磁特性，图2为铁磁材料的磁化特性曲线和磁导率随磁场强度变化的曲线，μm为最大磁导率点，Hμm为对应的磁场强度。如果采用剩磁法，磁场强度的选择应该选在深度饱和区，以保证励磁磁场撤去后，材料的剩余磁场强度相对较大[4]；而采用磁弹效应法测索力，则需要测量磁导率的变化，所以磁场强度的选择应在最大磁导率μm对应的Hμm附近。因此，对需施工的钢索预先进行标定实验，根据钢索将近达到磁饱和而又未饱和的原则确定初级线圈励磁电压值。

图2 铁磁材料的磁化特性曲线

2.2 磁通量传感器设计与制作

磁通量传感器的设计需要确定3个参数：激励线圈的匝数、感应线圈的匝数、激励线圈的励磁电流。为了定量观察和分析钢索中磁感应强度的分布，确定这3个参数，可通过ANSYS有限元仿真软件实现对磁通量传感器的仿真。

根据对传感器原理及结构分析可知：传感器设计需要达到优化激励磁场工作点，以提高传感器灵敏度和信噪比[5]；扩大磁场分布的均匀范围以保证感应线圈内部磁化均匀的目的。激励线圈需密绕以及与感应线圈间用绝缘材料隔开以减少漏磁场及干扰，绝缘材料可采用青稞纸。由于激励线圈在钢索中产生的磁场由中间向两端逐渐减小，为了保证感应线圈内部缆索磁化均匀，且传感器尺寸适当，感应线圈宜较短，处在激励线圈的中间。

为了验证设计方法，对直径为10mm的钢索进行传感器设计。通过多次绕线试验，绕制不同长度、匝数、层数的线圈，发现若将激励线圈串联成两层后，感应电压波形呈锯齿状，影响测量，故激励线圈由一层线圈组成，最终确定的传感器参数如表1所示。

表1 磁通量索力传感器设计参数表

图3为设计的磁通量传感器仿真图，可知，在感应线圈的长度内，钢索的磁感应强度均匀。由图2曲线可知，磁通量传感器处于近饱和区的工作点为0.6～0.8 T，而从图4的钢索轴向的磁感应强度的具体数值可知，此时钢索刚好处于近饱和磁化区，达到励磁效果。

图3 钢索磁感应强度分布

图4 距离—磁感应强度曲线

3 测量系统硬件实现

依据计算钢索应力所需的物理量要求，仪表必须测得初级线圈电流、次级线圈电压和钢索温度3个物理量数据以及数据的处理计算，如图5所示，硬件电路包括单片机控制单元、励磁控制电路、感应电压积分电路。

图5 系统硬件实现方案

3.1 单片机系统

单片机系统最关键的是处理器的选择，依据测量要求，处理器必须具有足够高的A/D精度和采样速率，且能够快速处理数字信号，因此选择高性价比的处理器芯片STM32F103RCT6，具有12位分辨率,采样速率可达1 MHz[6]。采用MAX232芯片与处理器UART接口组成RS—232通信链路与PC通信。上位机采用LabVIEW软件编程进行数据采集。

3.2 励磁控制电路

根据直流脉冲法测量原理，必须给传感器初级线圈一直流脉冲激励使得构件磁化并进入近饱和区。通过PWM脉冲控制MOS管，调节占空比实现可控直流电源20～60 V。控制器STM32输出PWM脉冲，经过光耦TLP521隔离后控制MOS管VNB20N07的通断，从而给激励线圈通入直流脉冲，系统PWM脉冲频率为100 Hz。实验此种方法需要在励磁线圈两端接一个反向的二极管，用于吸收感应线圈磁场突变产生的能量。

3.3 模拟量测量电路

依据力值的计算原理，需要采集2路模拟量信号：1)初级线圈施加励磁能量后次级线圈产生的感应电压，从次级线圈产生的电压信号经过低通滤波和电压跟随电路后，再经过放大电路处理电压信号；2)温度信号测量。采集的2路模拟量信号经过STM32的12位高精度A/D转换器转换为数字信号，进而进行处理运算。感应电压的积分在程序端进行，采用滑动平均积分法算法。

实际测量波形如图6所示，励磁时间为100 μs。其中，通道1为励磁信号，通道2为感应信号。在直流脉冲激励下，感应线圈只在激励磁场突变的短暂时刻产生感应电压，其余时间电压为零。激励脉冲电压从高跳变为零时，感应线圈也会有一个反向感应电动势，二者大小相等，故只需采集正向感应电压即可，图6为一加锗二极管滤除反向电压后的波形。

图6 励磁电压和感应信号波形

4 拉力模拟实验

钢索应力检测系统制作完成后，在如图7自制的手动拉力实验机(可施加1 T的力)上，对直径为10 mm的测量单根钢索进行多次重复加载测试。标准传感器采用量程为10 T的S型压力传感器。温度为室温25 ℃。

图7 自制手动拉力实验机

在同一条件下重复进行5次，得到的测试数据。将5次测得的积分电压求平均值，并与加载外力的对应关系线性拟合，如图8所示，拟合方程为y=-1.036 2x+113.419 5，感应积分电压与钢索拉力近似成线性关系。随着钢索拉力的增加，积分电压呈减少趋势。

图8 积分电压与应力关系

5 结束语

磁弹式索力检测系统，通过理论分析仿真和实际测量实验可以得到以下结论：

1)该钢索应力检测系统精度小于5 %。

2)磁感应强度最佳工作点的选择通过ANSYS仿真论证，在实际中，由于测量装置存在漏电流等影响因素，宜采用有限实验数据回归法进行最佳磁场强度的最终确定。

3)实际测量中,由于温度不恒定，对磁通量传感器存在影响，可以在程序端进行温度补偿，实现应力测量。

[1] 高建勋.斜拉桥索力测试方法及误差研究[J].公路与汽运，2004(4):80- 81.

[2] 孙志远，杨学山.基于磁弹效应的索力传感器研究[J].地震工程与二程振动， 2008,28(2):182-186.

[3] 邓年春，龙 跃.磁通量传感器及其在桥梁工程的应用[J].预应力技术，2008 (2):17-20.

[4] 唐德东，黄尚廉.基于磁弹效应的斜拉桥索力传感器研究[J].传感器与微系统，2006,25(10):28-30.

[5] 刘小亮，陈伟民.套筒式磁弹索力传感器设计研究[J].传感技术学报，2010,23(10):1510-1514.

[6] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

Design and simulation of magnetic-elastic cable tension detecting system

LI Deng-feng, WANG Gang, YANG Ke-biao

(School of Electronic and Control Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

In view of steel cable tension measurement,a set of magnetic-elastic cable tension detecting system is designed.Based on principle of magnetic-elastic effect,the relation of cable stress measurement is deduced.Magnetic flux sensor is designed,whose magnetic induction intensity is simulated by ANSYS.And hardware structure of detection system and actual measurement waveform are given.Experimental data is given,and the results show that the precision of the cable force testing system is less than 5 %,achieve engineering application requirements.

magnetic-elastic effect; magnetic flux sensor; magnetic induction intensity； cable tension

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0067—03

2016—09—20

TP 212.1

A

1000—9787(2017)09—0067—03

李登峰(1964-)，男，硕士，副教授，主要从事智能测控和嵌入式系统的研究工作。