基于磁弹效应的索力传感器研究

　　引言

　　现代工程施工过程中几乎都大量使用钢绳和钢索,许多工程设施,如斜拉桥和悬索桥,直接使用缆索的张力来承担载荷,准确测量缆索的张力关系到工程 的安全和施工控制的顺利进行。同时,桥梁在建成后的索力状态是衡量大桥是否处于正常运营状态的一个重要标志。索力监测的目的不仅仅是为拉索安全性评估提供 依据,更重要的是为主梁和索塔内力的准确分析提供依据,因此需对斜拉索的索力进行精确测量。目前国内外索力测定常用3种方法,压力表测定、压力传感器测定 及频率测定。前两种方法一般仅适用于正在张拉的斜拉索的索力测定,很难对已张拉的斜拉索的索力进行复测,因此,当需要对已施工完毕的斜拉索进行索力的在线 监测时,几乎都用到频率法。当前,这几乎是唯一的选择。前几年,国外提出了基于磁弹效应法测试索力的新方法,此方法为对索力的直接测量,动态响应快、价格 低廉,且测量结果不受风、振动及钢缆索表面的防腐层等环境因素的影响[1. 2. 3]。与传统频率法相比,此种测试方法更加简便、直观。这种方法在国外已经有相关的报道及应用于实际工程的实例,而国内还很少见到相关的资料和报道。但是 该方法的理论体系并未成熟,其励磁磁路设计、磁路结构、参数、励磁磁场的选择及其影响因素等关键技术均需要深入研究。

　　1　索力传感器原理

　　通过磁致伸缩效应我们知道,使消磁状态的铁磁体磁化,一般情况下其尺寸、形状会发生变化。利用磁致伸缩效应可以使磁能(实际上是电能)转换为机 械能,而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能(电能)。磁弹索力传感器正是利用这种磁弹效应来实现索力测量的。当钢索受到轴向应力时(拉力或压 力),其轴向发生形变,使得其磁化强度发生变化。根据Joule效应[6]有:

式中,ε为轴向应变;λs为轴向形变常数;MS为饱和磁化强度;Ku为单轴磁各向异性常数;ΔM为磁化强度变化;θ0为磁场与易磁化轴间的角度。

　　根据材料力学的虎克定律:

　　由此,我们知道索力与磁导率的变化成正比。

　　材料的磁化过程一般由磁场强度H和磁通量密度B之间的关系来描述。对于任何材料来说,与磁导率的关系可用如下结构方程来描述:

　　图1表示一个典型的铁磁材料的磁化曲线。显然,导磁率μ不是一个常量,而是依赖于磁场强度H,这使得磁化曲线是非线性的。μ并不是磁化曲线的斜率,而是仅仅代表B和H的比值BH。

　　依据磁感应原理可简便的研究一个材料磁化的磁性质。利用两个线圈来进行,一个初级线圈,一个次级线圈,其中被测材料作为线圈的铁芯。如果在初级 线圈上加一个电流,它就会产生一个强度为H的磁场,此时在被测材料中产生的磁通量密度为B。如果我们能够确定线圈中B和H的比值BH,则该种条件下的磁导 率就可以求出来。要直接测量磁通量或磁通量密度是困难的,一种较简便的方法是测量线圈两端的感应电压。在初级线圈的两端加一个脉冲激励信号,就会产生一个 随时间而变化的磁场,并且根据法拉第电磁感应定律,在次级线圈中就会产生一个感生电动势: