曾 科 秦 勇

（柳州市自動化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的體外索和預(yù)應(yīng)力筋等是工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件之一，對其施工階段及運營階段的張力大小監(jiān)控具有重要的意義。傳統(tǒng)的索力或應(yīng)力測量方法，如振動頻率法、壓力傳感器測定法和應(yīng)變片測定法等[1]，都存在明顯的缺陷，限制了它們在工程中的應(yīng)用范圍。近年來，國外提出了基于磁彈效應(yīng)法測試鋼索應(yīng)力的新方法，工程界對于此方法的研究，正是想彌補傳統(tǒng)的索力或應(yīng)力測量方法的不足。雖然磁彈效應(yīng)法也存在測量過程中一些固有的弱點，但是其測量系統(tǒng)往往具有極低的成本，同時又不容易損壞，有著很長的使用壽命。隨著全球經(jīng)濟的進一步發(fā)展，必然有更多的大型建筑需要更低成本檢測方案，因此從長遠來看磁彈效應(yīng)法是最具有潛力的一種鋼索應(yīng)力測量方式[2-3]。國際上對磁彈效應(yīng)法測量鋼結(jié)溝應(yīng)力的主要研究集中在歐洲、日本和美國等一些研究機構(gòu)里。國內(nèi)也有些大學(xué)和研究機構(gòu)進行磁彈效應(yīng)法測量鋼索應(yīng)力的研究，但尚處于理論研究和實驗室開發(fā)階段，國內(nèi)有企業(yè)（如柳州歐維姆機械股份有限公司）生產(chǎn)了適合磁彈效應(yīng)法測量的磁通量傳感器，但國內(nèi)沒有與之相配套的測量儀表，只能采用國外的儀表。因此，研發(fā)設(shè)計一套能運用于實際工程的鋼索應(yīng)力測量儀表成為必要，本文將介紹自主研發(fā)的測量儀表樣機研發(fā)情況和實驗測試結(jié)果。

1 測量理論[4-5]

利用磁致伸縮效應(yīng)可以使磁能(實際上是電能)轉(zhuǎn)換為機械能，而利用磁致伸縮的逆效應(yīng)可以使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?電能)。磁彈索力傳感器正是利用這種磁彈效應(yīng)來實現(xiàn)索力測量的。當鋼索受到軸向應(yīng)力時(拉力或壓力)，其軸向發(fā)生形變，使得其磁化強度發(fā)生變化，而索力與磁導(dǎo)率的變化成正比，通過測量增加磁導(dǎo)率可計算出應(yīng)力值。

直接測量磁通量或磁通量密度是比較困難的，可采用變通的方法，依據(jù)磁感應(yīng)原理可簡便的研究一個材料磁化的磁性質(zhì)。利用兩個線圈來進行，一個初級線圈，一個次級線圈，將被測材料作為線圈的鐵心。在初級線圈的兩端加一個脈沖激勵能量，就會產(chǎn)生一個隨時間而變化的變化磁場，其增加磁導(dǎo)率μ 一般由磁場強度變化ΔH 和磁通量密度變化ΔB 之間的關(guān)系來描述：

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在次級線圈中就會產(chǎn)生一個感生電動勢：

通過線圈的磁通量是沿著被測構(gòu)件的方向。測試過程中，被測構(gòu)件可能并未完全充滿線圈，因此總的磁通量是由通過空氣的磁通量和通過構(gòu)件的磁通量兩部分組成。感應(yīng)電壓為：

其中：Sμ0和Sμ分別為線圈中被空氣和構(gòu)件所占部分的表面積。μ0是空氣的磁導(dǎo)率。如果將感應(yīng)電壓對時間進行積分，所得到的對時間進行平均的輸出電壓是：

如果線圈的匝數(shù)較多并且排列緊密，則其內(nèi)的磁場幾乎是均勻的，有鐵心存在時也是如此。因此方程（4）可簡化為：

其中：S0是線圈的總的截面面積，Sf是構(gòu)件的截面面積，T 是RC電路的時間常數(shù)。在線圈中未放試件的情況下，隨時間變化的輸出電壓的積分為：

由方程（5）和方程（6）可得：

由公式（7）可通過某時間段的積分電壓Vout和V0計算出增加磁導(dǎo)率，進而計算出應(yīng)力值。

2 實施方法分析

由上述理論分析可由兩個積分電壓計算出鋼索應(yīng)力值，但在實際工程應(yīng)用中，影響積分電壓測量的因素很多，在鋼索應(yīng)力一樣的情況下各種不良影響因素均能引起積分電壓Vout和V0有不同的測量結(jié)果，這些因素包括：傳感器一次側(cè)的勵磁能量的大?。环e分時間段的選擇；由于現(xiàn)場連接傳感器導(dǎo)線長度的差異而引起勵磁電路參數(shù)的變化；鋼索材料鐵磁特性的不同；另外根據(jù)鐵磁材料磁導(dǎo)率的特性，鐵磁材料溫度的變化會導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化，進而影響積分電壓值。

首先，分析上述的各種因素，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場運用情況實施方法可分為：①通過算法可補償?shù)囊蛩?，傳感器安裝位置不同導(dǎo)致連接導(dǎo)線長度的差異和環(huán)境溫度引起鋼索溫度的差異，導(dǎo)線長度的差異由初級線圈勵磁電壓和積分時間段的初級線圈電流通過特殊算法補償積分電壓，溫度的差異可設(shè)定標定溫度和實測溫度通過溫度補償算法補償積分電壓；②通過參數(shù)設(shè)制可控制的因素，對需施工的鋼索預(yù)先進行標定實驗，避免鋼索材料的影響，根據(jù)鋼索達到磁飽和但又不能產(chǎn)生大量磁渦流的原則確定初級線圈勵磁電壓值，積分時間段的選擇根據(jù)鋼索將近達到磁飽和而又未飽和的原則確定積分時間段開始時的初級線圈電流值；③通過針對需施工的鋼索預(yù)先進行標定的實驗，確定沒有鋼索時的空載積分電壓V0的值，確定標定時鋼索溫度和溫度補償系數(shù)的值，以及確定4 個增加磁導(dǎo)率與應(yīng)力值關(guān)系的3 次線性方程的系數(shù)。

鋼索應(yīng)力測量儀表首先檢測初級線圈電流曲線、次級線圈電壓曲線和鋼索溫度三組物理變量，對初級線圈電流曲線和次級線圈電壓曲線進行濾波等數(shù)字信號處理，再依據(jù)積分時間段計算次級線圈積分電壓值，該值經(jīng)過導(dǎo)線長度補償和溫度補償計算后得到最終積分電壓值，運用公式（7）算出增加磁導(dǎo)率，最后依據(jù)增加磁導(dǎo)率與應(yīng)力值關(guān)系的3 次線性方程計算出鋼索應(yīng)力值。

3 硬件實現(xiàn)

依據(jù)鋼索應(yīng)力計算所需的物理量要求，儀表必須測得初級線圈電流、次級線圈電壓、初級線圈勵磁電壓和鋼索溫度四個物理量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的處理計算，硬件電路主要包括單片機系統(tǒng)、勵磁控制電路和模擬量測量電路三個部分組成，如圖1。

圖1 硬件電路框圖

3.1 單片機系統(tǒng)[6]

單片機系統(tǒng)最關(guān)鍵的是處理器的選擇，依據(jù)測量要求，處理器必須有足夠的存儲器存儲初級線圈電流曲線和次級線圈電壓曲線的數(shù)據(jù)，以及能快速處理數(shù)字信號處理和計算能力，因此選擇高性價比的處理器芯片LPC2378 芯片，它內(nèi)嵌ARM7TDMI-S 處理器，32KB 的SRAM，高達72MHz 的工作頻率。采用MAX485 芯片與處理器UART接口組成RS485 通訊鏈路與計算機通訊。

3.2 勵磁控制電路

根據(jù)測量原理，必須給傳感器初級線圈一高壓脈沖激勵，使得構(gòu)件磁化，并進入磁飽和區(qū)。高壓脈沖的獲得是通過一高壓大容量急充放電電解電容放電實現(xiàn)。處理器LPC2378 控制400V120mA 的高壓模塊給急充放電電容充電，處理器啟動高壓模塊后，不斷的通過勵磁電壓測量電路測量實際的電容電壓值，并與勵磁電壓參數(shù)做比較，當實際的電容電壓值達到目標電壓后，處理器停止高壓模塊輸出，充電停止，處理器發(fā)出控制信號，經(jīng)過光耦隔離開通可控硅，給初級線圈施與勵磁能量。

3.3 模擬量測量電路

依據(jù)力值的計算原理，需要采集4 路模擬量信號：第一路模擬量信號為給初級線圈放電的電容電壓，在電容兩端用分壓電阻的方式采集電壓信號，再經(jīng)過運放電路處理電壓信號；第二路模擬量信號為初級線圈施加勵磁能量后的電流信號，通過高精度測流電阻（50mΩ）獲取的電流值的電壓信號，再經(jīng)過運放電路處理電壓信號；第三路模擬量信號為初級線圈施加勵磁能量后次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從次級線圈產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過過壓保護和浪涌保護電路后，再經(jīng)過運放電路處理電壓信號；第四路模擬量為溫度信號測量，溫阻信號經(jīng)過處理和過壓浪涌保護后，再經(jīng)過運放電路處理電壓信號。運放后4 路模擬量信號，經(jīng)過一獨立雙通道4 路16 位高精度A/D 轉(zhuǎn)換器AD7654，把模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到處理器芯片。

4 實驗測試結(jié)果

鋼索應(yīng)力測量儀表試制樣機出來后，在柳州歐維姆機械股份有限公司試驗室的拉索靜載試驗的臺座上，分別對磁通量傳感器CCT18B、CCT20J 測量單根鋼絞線進行多次重復(fù)加載測試。測試實驗在650T 試驗臺座上進行，標準傳感器采用30T 應(yīng)變片壓力傳感器，其不確定度為0.5%。試驗最大荷載為180KN(0.69 倍公稱破斷索力)。

CCT18B 對單根光面鋼絞線進行測量試驗，分別在不同溫度和傳感器連接導(dǎo)線長度進行實驗，勵磁電容電壓在50 米以下、100 米、150米的情況下分別設(shè)置為120V、130V、140V 電壓，數(shù)據(jù)如表1：

表1

CCT20J 對環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞進行測量試驗，分別在不同溫度和傳感器連接導(dǎo)線長度進行實驗，勵磁電容電壓在50 米以下、100米、150 米的情況下分別設(shè)置為120V、130V、140V 電壓，數(shù)據(jù)如表2：

表2

根據(jù)上面的實驗測試數(shù)據(jù)，在3 米連接導(dǎo)線分別在20°C 和35°C室溫的情況下對比儀表測量力值結(jié)果，以及在25°C 室溫50 米、100米、150 米的情況下，儀表測量的力值與參照標準力值的誤差都小于2%。

5 結(jié)語

根據(jù)實驗結(jié)果表明，研制出的基于磁彈效應(yīng)的鋼索應(yīng)力測量儀表的樣機基本能避免實際工程應(yīng)用中影響電壓積分測量的各種因素，精度小于2%，基本達到工程應(yīng)用要求。

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