磁通量索力传感器的研究进展.pdf
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1、广西科学,2 0 2 3年,3 0卷,第3期 G u a n g x i S c i e n c e s,2 0 2 3,V o l.3 0 N o.3收稿日期:2 0 2 3 0 3 0 2 修回日期:2 0 2 3 0 5 0 6*中央引导地方发展项目(桂科Z Y 2 2 0 9 6 0),广西科学院高端装备制造创新团队启动经费项目(C Q D 2 4 1 2)和南宁市重大科技项目揭榜挂帅(重大技术攻关类2 0 2 2 1 2 4 1)资助。【第一作者简介】王晓琳(1 9 8 6-),男,正高级工程师,主要从事智能检测技术、结构健康检测、桥梁检测机器人等研究。【*通信作者】陈伟民(1 9
2、5 5-),男,教授,主要从事传感器技术、信号处理、智能结构健康状态监测等研究,E m a i l:wm c h e nc q u.e d u.c n。【引用本文】王晓琳,朱茂华,章鹏,等.磁通量索力传感器的研究进展J.广西科学,2 0 2 3,3 0(3):4 3 4 4 4 4.WAN G X L,Z HU M H,Z HAN G P,e t a l.R e s e a r c h P r o g r e s s i n E l a s t o M a g n e t i c F o r c e S e n s o r J.G u a n g x i S c i e n c e s,2 0
3、 2 3,3 0(3):4 3 4 4 4 4.特邀专稿磁通量索力传感器的研究进展*王晓琳1,2,朱茂华2,章 鹏1,周 羁2,陈伟民1*(1.重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 4 0 0 0 3 0;2.广西科学院,广西南宁 5 3 0 0 0 7)摘要:磁通量索力传感器(E l a s t o M a g n e t i c f o r c e s e n s o r,EM s e n s o r)作为一种非接触式测量的传感器,与其他索力传感器相比,具有长期稳定性与可靠性好、耐久性高、使用寿命长的突出优势,在预应力拉索的索力监测上应用广泛。本文对磁通量索力传感器的工作原理、发
4、展脉络及研究热点进行阐述,对该技术工程应用的状况与面临的难题进行总结,并对传感器的技术发展趋势进行讨论与展望,以期为相关领域的研究人员在磁通量索力传感器应用及技术上的研究提供参考。关键词:磁弹效应;索力传感器;励磁线圈;力磁耦合;静载实验中图分类号:T P 2 1 2.1 3,TH 8 2 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5 9 1 6 4(2 0 2 3)0 3 0 4 3 4 1 1D O I:1 0.1 3 6 5 6/j.c n k i.g x k x.2 0 2 3 0 7 1 0.0 0 2 缆索承重桥梁是复杂地貌中公共交通的主要部分之一,具有跨径大、自重轻、节省材料的优
5、点,常用在河道宽、水深、桥墩施工难度大的地方。缆索承重桥梁对交通建设以及经济发展具有重大意义,一旦发生桥梁事故将会对经济以及社会造成恶劣的影响。拉索是缆索承重桥梁结构承力的关键部分,拉索在服役期间会受到桥址环境和车辆荷载的影响:在经济发达的主城区,受道路交通长期拥挤及超载的影响,桥梁拉索易发生金属疲劳;而在南方沿海地区,由于长期处于高温、高湿的环境,拉索内部容易发生锈蚀断丝等病害,进而影响桥梁安全。因此,对拉索关键参数如索力、锈蚀度、断丝率等的检测和监测具有非常重要的意义。拉索索力状态是衡量桥梁是否处于正常运营状态的一个重要标志。国内外的研究机构对拉索索力测量方法进行了大量研究,如振动频率法1
6、、应变元件法2、磁弹效应法3,4等。磁弹效应法利用拉索内钢丝的铁磁性及其被磁化后,拉索磁导率受应力的变化而变化的这一规律,来实现拉索的索力测量。基于磁弹效应法的磁通量索力传感器(E l a s t o M a g n e t i c f o r c e s e n s o r,EM s e n s o r)因其具有高可靠性、长使用寿命、高测量精度和在线测量等优点,因而受到业界434王晓琳,朱茂华,章鹏,等.磁通量索力传感器的研究进展重视,并在工程上被广泛应用5 7。但该方法在理论及技术上仍存在突破空间,还需要对励磁结构的设计优化、励磁方式和工作参数的选择、温度补偿策略、长导线影响、传感器服役期
7、的校准及快速安装方法、力磁温多场耦合效应等关键技术和机理进行深入研究,以提高传感器的测量精度、经济性、耐用性和适用性。因此,本文从磁通量索力传感器的工作原理出发,对近年来磁通量索力传感器的技术和应用进展进行综述,以期为新一代高精度的磁通量索力传感器技术的研究开发提供参考。1 磁通量索力传感器的基本原理1.1 拉索的磁特性与磁滞回线 拉索的整体结构如图1所示,包含锚头与索身两大部分。锚头主要由锚杯、锚圈和连接筒组成。而索身则由高强钢丝或钢绞线(铁磁材料)、聚酯纤维带、内层防腐材料和空气间隙、外层聚乙烯(P o l y e t h y-l e n e,P E)防护套组成。而索身中的高强钢丝或钢绞线
8、是拉索承力的部分,属于铁磁材料,决定了拉索的磁特性。图1 拉索索体结构及索体横截面示意图8,9 F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f c a b l e s t r u c t u r e a n d c a b l e c r o s s s e c t i o n8,9 铁磁材料的磁性来源于材料内部的磁畴结构,即为了抵消外磁场的影响、降低退磁能,而形成小且具有一定取向的磁化区域1 0。当磁场存在时,铁磁材料内部的磁畴会在磁场的作用下发生转动或位移,以抵消外磁场、降低退磁能,同时显示外磁性。铁磁材料的磁性具有非线性与饱和性的特点。此外,还存在
9、磁滞现象,即铁磁材料被磁化之后,磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H,如图2所示。由图2可知,铁磁材料的初始磁化曲线和磁滞回线存在几个特殊点,即材料典型的磁特性参数,如饱和磁感应强度Bs、矫顽场Hc、剩余磁感应强度Br、初始磁导率i n和最大磁导率m a x。图2 铁磁材料的磁特性曲线 F i g.2 M a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l s 当铁磁材料受到张拉力时,铁磁材料内部的磁畴会拉伸和旋转,进而引起铁磁材料磁特性参数的变化。K
10、v a s n i c a等1 1研究铁磁材料在不同应力荷载下的磁特性曲线,发现其磁特性曲线的变化与应力荷载存在显著相关性(图3),为拉索索力监测奠定了实验基础。H y s t e r e s i s l o o p s f o r t h e l o w c a r b o n s t e e l w i r e u n d e r t e n-s i o n l o a d f r o m 0 t o 1 4 0 0 MP a i n s t e p s o f 2 0 0 MP a a t r o o m t e m p e r a t u r e.图3 应力对铁磁材料磁滞回线的影响1
11、1 F i g.3 I n f l u e n c e o f t e n s i l e t o h y s t e r e s i s c u r v e o f f e r r o-m a g n e t i c m a t e r i a l s1 1534广西科学,2 0 2 3年,3 0卷,第3期 G u a n g x i S c i e n c e s,2 0 2 3,V o l.3 0 N o.3 在理论方面,J i l e s等1 2为了从微观物理机理上描述磁滞模型,提出J i l e A t h e r t o n(J A)模型,将磁化矢量M分为可逆部分Mr e v与不可
12、逆部分Mi r r,建立铁磁材料的磁特性与内部磁畴的结构、分布及磁畴间相互作用强度的关联。在这基础上,S a b l i k等1 3提出J A S模型,定性解释了应力作用下磁滞回线斜率和形状的变化规律。1.2 磁通量索力传感器的工作原理 在铁磁材料所受应力与其磁特性参数相关性研究的基础上,科技工作者对获取铁磁材料磁特性参数的传感技术进一步展开了研究。磁通量索力传感器是其中一种获取拉索的磁导率传感器。根据图2,可由磁感应强度B随磁场强度H的相对变化率,得出铁磁材料的磁导率r的量化表达式为 r=10BH。(1)因此,如果给拉索施加变化磁场H,并同步测量其磁感应强度的变化量B,则可由式(1)求出磁导
13、率r,再根据传感器的标定关系式求出拉索的拉力。为实现上述功能,设计磁通量索力传感器的基本结构如图4所示1 4,其主要由给拉索施加磁场H的励磁线圈、获取拉索磁感应强度B的感应线圈、温度传感器及传感器的支撑与防护结构组成。其中,励磁线圈和感应线圈为螺线管结构,与拉索同轴,传感器整体呈套筒式结构套在拉索上。图4 磁通量索力传感器结构示意图1 4F i g.4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f EM s e n s o r1 4 励磁线圈通入激励电流后,产生激励磁场,对被测拉索进行磁化。当激励电流变化时,被测拉索内的磁通量亦改变,根据法拉第感应定律,此时感应线圈两
14、端产生的感应电压Vi n d(t)大小6为 Vi n d(t)=-NAfdBtdt+(A0-Af)0dH(t)dt,(2)式中,N为感应线圈的匝数,0为真空磁导率,A0和Af分别为感应线圈与拉索的横截面。若对上式在t1,t2 时 间范围内的 感应电压Vi n d进 行 积 分,则 可 得 感 应 线 圈 输 出 的 积 分 电 压Vo u t为 Vo u t=t2t1Vi n d(t)dt=-NAfB+(A0Af-1)0H,(3)显然,感应电压的幅值Vi n d与拉索的磁感应强度变化量B呈线性关系。如果线圈中未放置被测拉索,则式(3)所示的感应线圈输出的积分电压V0可简化为如下:V0(t)=N
15、A00H,(4)将两式相除,可得:Vo u tV0=10AfA0BH+(1-AfA0),(5)因此,相对磁导率r可用感应线圈的输出幅值V、感应线圈横截面A0与拉索横截面Af来表示:r=1+A0Af(1-Vo u tV0)。(6)若F与i n分别是有应力与无应力时测量得到的相对磁导率,并定义有应力与无应力下的相对磁导率之差为增量磁导率,即 =F-i n,(7)显然增量磁导率与拉索索力F(即构件的应力)存在直接关联。具体而言,两者之间存在以下多项式函数关系1 5:F=C33+C22+C1+C0+(),(8)其中,()为高次项误差。因此,若忽略高次项误差(),并通过静载标定试验确定系数C0、C1、C
16、2、C3后,即可利用式(8)实现对拉索索力F的测量。由于线性项系数C1占主要贡献,则在一定条件下,式(8)还可进一步简化为以下线性关系:FC1+C0。(9)2 拉索磁化理论 拉索的磁化特性与理论是研究磁通量索力传感器的重要理论基础。要测量拉索的磁导率,首先对其进行磁化,而其磁化的程度主要由铁磁材料的磁性与所处的磁场环境共同决定。在1.1节中已经对铁磁材料的非线性、磁滞效应和磁饱和特性等研究进展进行了综述,本节主要探讨在磁通量索力传感器工作634王晓琳,朱茂华,章鹏,等.磁通量索力传感器的研究进展时,拉索所处区 域磁场的来 源及 其 对 拉 索 磁 化 的影响。磁化磁场为外源性磁场与内源性磁场的
17、叠加。外源性磁场主要来源于磁通量索力传感器的励磁线圈工作时产生的磁场。磁通量索力传感器内部的励磁线圈为螺线管结构。理想螺线管在通电后,其内部分布高均匀的磁场。但理想螺线管线圈难以实现,因此实际的励磁线圈是有限长度的螺线管结构,其内部磁场具有不均匀性,轴向磁场强度在螺线管中间处最高,往两边逐渐降低,如图5所示。图5 磁通量索力传感器内部磁场分布示意图1 6 F i g.5 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e i n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o f E
18、M s e n s o r1 6 从图5还可以看出,拉索被磁化后会产生退磁场Hd,一般采用退磁因子这一参数来描述退磁场与磁场强度的关系1 0:Hd=H。(1 0)被测拉索的退磁因子与其自身的材质、几何形状相关。昝会萍等1 7将拉索近似看作理想圆柱形结构,研究了圆柱形磁介质在均匀磁场中的退磁场和退磁因子,给出了有限圆柱体内任意一点的退磁场与退磁因子的表达式,并指出圆柱体轴线上两端的轴向退磁因子较大,中间的轴向退磁因子较小。退磁场的存在使拉索所处的磁场不均匀性变得更加复杂,因此,根据退磁场的分布规律来优化感应线圈的位置与长度,可优化传感器的灵敏度与可重复性1 8。此外,地磁场与传感器周围铁磁性结构
19、件的磁场亦会对拉索所处区域的磁场有贡献,但地磁场强度(0.0 4 5 T e s l a)对拉索磁化效果相较于励磁线圈(约1 T e s l a)而言较小。因此在对传统结构磁通量索力传感器的研究上一般忽略地磁场的影响。内源性磁场主要来源于铁磁材料本身的磁滞效应。如1.1节所述,磁滞效应主要来源于磁畴在转动与旋转过程中不可逆过程的贡献。磁场与应力的施加与撤去的过程,都有可能产生磁滞。磁通量索力传感器的理想工作状态为测得的磁特性参数与受到的应力数值具有单一的确定关系。但磁滞效应的存在使得拉索在相同的磁场下磁特性参数亦可能不同,即拉索的磁化历史将影响拉索的力磁耦合关系,导致力磁耦合关系出现与磁化历史
20、相关的多样性和非线性1 9。为了消除磁滞带来的滞回误差,需要对拉索磁化历史进行稳定控制,以提高磁通量索力传感器的准确性。磁场强度变化引起的磁滞效应一般通过对拉索反复磁化,使其剩余饱和磁场强度达到最大值,从而减少这部分磁滞效应的影响2 0。对于应力加载与卸载引起的磁滞效应这一方面,刘琳1 9对应力相关的滞回误差效应及相应的抑制方法开展了研究,通过控制激励磁场的施加方式,降低滞回误差的影响。3 磁通量索力传感器的结构3.1 套筒式传感器结构 用于桥梁拉索监测的磁通量索力传感器最基本的结构是套筒式磁通量索力传感器,最早由J a r o s-e v i c2 1、K v a s n i c a等1 1
21、在2 0世纪9 0年代末提出。2 0 0 0年W a n g等3推动了这一结构的传感器的应用与技术发展。套筒式磁通量索力传感器的基本结构如图6所示,该传感器安装在拉索索体上,通过多层螺线管励磁线圈与测量线圈对拉索进行激励与磁信号测量。这类传感器与拉索同轴,因此该类型传感器的偏心效应影响小。同时,该类型的传感器适配性好,可以根据拉索的直径制造不同的尺寸,能用于直径在1 2-2 5 0 mm的拉索上。此外,其不仅适用于新建拉索,对于已服役的拉索还可通过现场绕制的方图6 套筒式磁通量索力传感器6F i g.6 S l e e v e t y p e EM s e n s o r6734广西科学,2
22、0 2 3年,3 0卷,第3期 G u a n g x i S c i e n c e s,2 0 2 3,V o l.3 0 N o.3式安装。但随着拉索直径的增大,励磁线圈的直径及所需励磁电流迅速增大,实现理想螺线管线圈结构的经济代价急剧增加,拉索的磁化效果与测量精度急剧下降。因此,要想保证传感器的准确性,需要对励磁部分等进行优化设计,形成均匀、稳定的磁场,以获得较好的磁弹效应,同时优化传感器的体积、用料,使其经济合理。张茹2 0研究对比了不同线圈的长度与直径的比值(长径比)下的励磁线圈内部磁场分布,发现当单层励磁线圈的长径比大于5时,励磁线圈可近似理想的螺线管线圈,内部磁场具有高均匀度;
23、而对于多层励磁线圈,在相同的匝数下,励磁线圈层数越多,长径比越小,均匀磁场的范围也越小,这些结果为励磁线圈的设计提供了理论参考。在励磁线圈为有限螺线管线圈构型的框架内,科技工作者对励磁线圈的几何构型与绕制方案开展了研究,以优化绕线长度与匝数,并通过有限元仿真建模进行验证。例如,广西科学院对磁通量索力传感器的励磁线圈开展了有限元建模仿真研究1 4,分析了励磁线圈在不同几何参数和线圈参数下的励磁能力,设计了可对圆钢吊杆的索力进行测量的磁通量索力传感器,并开展实验验证设计传感器的有效性。李登峰等2 2、秦志勇等2 3等亦对传感器的励磁线圈的设计及仿真开展了研究。3.2 非套筒式传感器结构 由于大跨度
24、缆索承重桥梁一般具有上百根拉索,如果拉索全部安装磁通量索力传感器,则经济花费较大;而且对于在役的拉索而言,套筒式磁通量索力传感器还存在现场安装、拆卸与重安装的难题。因此,非套筒式磁通量索力传感器应运而生。J a r o s e v i c2 1在1 9 9 6年 提 出U型 结 构 的 磁 通 量 索 力 传 感 器。2 0 0 1年,W a n g等2 4提出C型结构的磁通量索力传感器(图7)。轭铁与被测构件形成磁回路,励磁线圈与感应线圈被绕制在旁路的轭铁处,其传感器的固定主要靠轭铁与拉索之间的固定件连接,因而具有拆装方便、便携性好的优点。但由于其结构与图4所示的套筒式结构不同,其磁路有很大
25、差异,导致磁特性参数的测量结果与套筒式传感器的测量结果存在较大偏差。唐德东2 5在2 0 0 6年最早开展了单旁路非套筒式结构传感器的研究,其设计的单旁路励磁结构类似于C型线圈,区别在于励磁线圈与测量线圈分别位图7 C型磁通量索力传感器2 4F i g.7 C s h a p e EM s e n s o r2 4于磁回路的两个磁靴上,以降低线圈之间的互感。除此之外,该团队还研究了双旁路的励磁结构,利用两个旁路的励磁线圈对拉索进行磁激励,以减少励磁所需的电流大小。旁路励磁式磁通量索力传感器结构如图8所示。小直径拉索的拉力实验结果表明,单旁路励磁结构的磁通量索力传感器测量的重复性误差小于0.1
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