电磁干扰对电阻应变应力测试的影响研究

牛宇峰

（山西省特种设备监督检验研究院，太原 030012）

0 引言

电阻应变片法是一种在技术上非常成熟的表面应力逐点测量方法，应用范围涉及各种行业领域。它具有很多优点，比如：测量精度和灵敏度高，常温测量时精度可达到1%～2%；量程大，尺寸小，应变计栅长度最小为0.178 mm，可以实现梯度较大的应变测量。因此它在钢结构表面应力测试中被广泛应用。

传统的待测钢结构多为静态结构，如大型储罐、钢结构桥梁等，其电磁干扰问题并不突出。但在游乐设施领域，由于其主要受力部件多为动态结构，且动力系统和制动系统多采用电磁转换装置，电磁干扰问题变得越来越明显。在典型游乐设施——过山车的车体应力测试过程中发现，当车体快速经过电磁制动装置时，在车体电磁刹车附近的应力测试装置时会重复产生瞬间的高应力显示。之后经过仔细研究发现，这个高应力显示是由电磁干扰引发，并在接下来的试验中消除和再现了该显示。

1 基本原理

游乐设施主要受力部件出现电磁干扰导致的瞬时高应力显示，主要原因来自于电阻应变应力测试中产生的电信号和游乐设施电磁转换部件产生的强磁信号的相互关系，因此有必要分析下两者的具体原理。

1.1 电阻应变应力测试原理

电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量的转换组件。金属丝的电阻R与其本身长度L 成正比，与其横截面积A成反比，用公式表示为［1]：

一般在材料应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比：

在实际测试过程中，一般使用1/4 桥路-惠斯通桥路，其桥路中只有1 个臂接测量应变片，其余3 个在仪表电路里，SX-和SX+之间的电压即为测量电压Uss。电阻应力测试正是根据Uss电压变化来确定电阻变化，进而求得应力［2-4]。

1.2 电磁转换装置基本原理

在游乐设施领域的电磁转换装置主要有作为动力的电磁弹射装置和减速制动用的电磁减速装置。

基于直线同步电机的电磁弹射过山车，因为其提速快，刺激性强，所以深受很多游客的喜爱。与同步电机原理一致，它一般由固定在车体上的永磁体（转子）和固定在轨道上的线圈（定子）组成。车体上的永磁体N和S级交替相连，它们周围的磁场在一定区域内形成正弦曲线。在变频器的控制下，连续安装在轨道上的定子可以根据需要，产生各个方向上的磁场。在每2片定子之间有电磁感应传感器，它能通过实时感测转子的磁场方向，来控制定子的变频器，使定子和转子磁场相序始终相差90°，此时对车的推力最大。

在减速区域，车体利用电磁涡流减速，原理与电磁弹射原理相反。相比起其他接触式的减速方法，它具有的优点是持续减速平稳，冲击小，日常使用中无损耗，基本不需要维护。但是它不能使车速减到0，一般来讲最小的出口速度为0.5 ～1 m/s。所以在游乐行业中，车体在经历电磁减速后还会通过气动板式刹车，才能让车体真正的停下来。

2 电磁干扰对应力测试的影响及分析

2.1 影响情况

本文所述过山车不具备电磁弹射功能，只配备了涡流减速装置。与带有弹射功能的过山车相反，过山车车体上为低电阻金属导电片（同时也作为刹车片使用），永磁体安装在轨道上，如图1所示。测试车体结构如图2 所示，在制动区域，车体上的金属导电片会随车体高速经过安装在轨道上的永磁体。通过涡流效应减速，制动力可达20 kN/m，这种减速方法失效安全，而且制动力大，所以在游乐设施中被广泛采用。在通过永磁体后，金属导电片会在接下来的气动刹车装置中制动。

图1 固定式涡流减速制动器

图2 测试车体结构图

车体结构位置的应力测试结果如图3 所示。其中一个被测点距离车体电磁制动装置的金属导电片很接近。测试时，以3 个周期的测量为一组，这样便于对结果进行前后对比，及时发现偶发问题，消除干扰。经过数据处理后的应力测试结果显示，测试结果的周期性好，重复性强，表明仪器性能稳定，但是出现了3个数值较大的尖峰和3个数值较小的尖峰，图中最大的尖峰达到了348.02 MPa，远远高于设计值，计算应力值只有20 MPa左右。此处的金属材料为Q345B，抗拉强度为470 MPa，如果所受应力确为348 MPa，那么安全系数只有1.35，远低于标准要求的3.5。

图3 应力测试结果

2.2 原因分析

通过对高应力点出现的时间对比，发现所有点均来自于制动区域。在此过山车的轨道上有两个制动区域（制动区域1位于轨道中途，制动区域2 位于进站段）。每个制动区都有一套电磁减速装置和气动板式刹车，所以推断小的高应力点来自于制动区域1，大的高应力点来自于制动区域2。

通过对气动板式刹车胶皮磨损程度观察发现，两块胶皮的磨损情况不一致，所以现场分析这个高应力点可能来自于板式刹车的制动板和制动器的对准不精确，导致车体在进站的瞬间冲击到了制动器导致出现了高应力点。因此最初重新校准了气动板式刹车的位置，但是检测结果基本无变化。

之后考虑到可能是因为气动板式刹车，压力过大，导致两块气动板接触过于紧密，车体在进入刹车区时减速过快，引起了该点的瞬间应力过大。因此又将气动板式刹车的气压从0.5 MPa 降为0.3 MPa，发现气压对检测结果毫无影响，所以排除了气压因素。

图4 应力测试的导线分布

经过现场仔细观察、分析和试验，发现现场待测部位的电阻应变片接线有个突出的特点。如图4 所示，在红色区域，两根黄色的导线中间有个比较大的空间，经过后来的分析，这个空间就是导致问题的主因。

当车体上的金属导电片快速经过安装在轨道上的定子（永磁体）部分时，在导电片与永磁体接触的前端和末端会产生两个方向相反磁感应强度为B的感应磁场。根据法拉第电磁感应定律，在空间某个区域内产生的感应电动势与这个区域内磁通量的变化率成正比，磁通量变化越快，感应电动势越大。其通量为磁感应强度与该区域的矢量积［5]。根据此理论，图4中导线正好无意中围成了一个空间闭合区域，在此空间区域中，空间单位向量da与B⇀大致方向相反，所以得出结论，这意味着此时在连接应变片的导线内将会产生不为0 的感应电动势。即使金属表面未发生形变，应变片电阻未发生变化，在此感应电动势作用下，Uss≈e（t），从而影响检测结果。

根据以上分析，车速越快，磁通量变化越快，e（t）越大，电磁干扰越来明显［6-8]。现场情况与理论分析完全吻合，车体在区域1时车速较慢，所受干扰小；在区域2时车速快，所受干扰大。

为了验证结论，现场将空间区域缩小为0，则有e（t）=0，再次重试，如图5所示，结果发现高应力点消失。

图5 修订后的应力测试导线分布

图6 修订后的应力测试结果

图6所示为检测结果，在运行的3 个周期中，原先的制动区域1和制动区域2 内的2 组高应力点已经完全消失，取而代之的是最高28.21 MPa 的应力显示，这与设计值基本相符。

3 应力测试技术在游乐设施应用中的挑战

随着游乐设施行业的发展，各种电磁转换装置已经越来越多的应用，尤其是滑行车类。为了使车体减速平稳，提高乘坐体验，本文中所提到的涡流制动器已经广泛应用于各类滑行车，不仅是国外厂商，很多大的国内生产商也开始使用。在本文中通过导线的合理摆放消除了电磁干扰对试验结果的影响。但近来国外过山车制造厂商（如Mack、Intamin、B＆M等）生产的电磁弹射式过山车，使用大功率直线电机，工作电压690 V，最高瞬时电流1800 A，它能在3 s内将车体从0加速到100 km/h。因为能量更大，所以带来的电磁干扰要比涡流制动装置大得多。而且国内几家大的公司，近期也在积极探索与国际先进的直线电机（LSM）公司合作，开发电磁弹射式过山车。可以预期，在未来几年内将会有大量国产的弹射式过山车投入市场。这就对应力检测方法的抗干扰性能提出了更高的要求。

4 结束语

除了本文主要提到的重新布置导线的方法以外，传统的抗干扰方法主要有滤波、屏蔽、接地等3 大类。针对目前采用的电阻应变片电测法，可以在数据处理软件中，增加低通滤波器来降低突变磁场对测试结果的干扰；同时也可以对离干扰源较近位置的测点增加屏蔽层或采用双绞线来从源头上降低干扰。光纤光栅法和光弹性法是利用光学原理来进行应力测试，这种方法可以从原理上杜绝电磁干扰，这也是本行业未来的研究方向。