王 瑛，張 璋，周 尚

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124)

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基于磁阻抗測量法的應(yīng)力傳感器

王 瑛，張 璋，周 尚

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124)

現(xiàn)階段檢測鋼軌應(yīng)力的主要方法有巴克豪森磁噪聲法、X光檢測法、磁聲發(fā)射法和超聲波法等。這些方法都有共同的不足，即探測設(shè)備復(fù)雜且需要較高功耗，不適合戶外作業(yè)。文中設(shè)計了一種將應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐纷杩棺兓膫鞲衅?。借助matlab仿真并通過多次的實驗與測試，得到了將阻抗變化轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)的方法，并結(jié)合低功耗嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和非線性標(biāo)定算法進行數(shù)據(jù)擬合，達到了應(yīng)力檢測的預(yù)期精度。整個系統(tǒng)無大功率元件，為低功耗、便攜式應(yīng)力傳感器奠定了一定基礎(chǔ)。

應(yīng)力;壓磁傳感器;磁阻抗

0 引言

鋼軌的無損應(yīng)力檢測一直受到工程界的重視。主要檢測方法有電阻應(yīng)變計測量法、超聲波法、X射線法。其中電阻應(yīng)變計只能測定鋼軌表面一點在某個方向的應(yīng)變，而超聲波和X 射線法的測量準確度會受到鋼軌微觀結(jié)構(gòu)以及測量裝置和鋼軌之間的耦合影響。為解決上述問題，本文提出了一種基于磁阻檢測的鋼軌應(yīng)力檢測系統(tǒng)，解決了檢測方向單一、易受鋼軌微觀結(jié)構(gòu)影響的問題。

AD5933是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器，片上集成頻率發(fā)生器與12位、1 MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號來激勵外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號由片上ADC進行采樣，再由片上DSP進行離散傅里葉變換處理，可以廣泛應(yīng)用在電化學(xué)分析、生物電極阻抗測量、阻抗譜分析、自動控制傳感器等眾多領(lǐng)域。在本文所述方法中，壓磁傳感器采集電磁信號，經(jīng)信號放大電路傳遞至AD5933，AD5933處理采集到的壓磁信號，計算出鋼軌磁阻，得到相應(yīng)的應(yīng)力值。

實際工程中，無損檢測為阻抗的測量提供了很大的方便，單片集成技術(shù)明顯減小了儀器的體積，使得儀器使用更加方便。簡單的I2C通訊方式，方便用戶操作，減小了用戶編程的困難。由于它給出的直接是變換后阻抗的實部和虛部數(shù)據(jù)，明顯簡化了用戶編程過程，節(jié)省了開發(fā)時間。

1 壓磁傳感器理論依據(jù)

壓磁傳感器以磁彈效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，即被磁化的鐵磁材料在應(yīng)力作用下形成磁彈性能，使磁化強度重新取向，從而導(dǎo)致應(yīng)力σ方向和磁導(dǎo)率μ發(fā)生變化[1]。

鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率變化與應(yīng)力σ之間的關(guān)系為[2-3]

(1)

式中：λm為磁致伸縮系數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；σ為應(yīng)力；Βm為磁感應(yīng)強度。

式(1)是應(yīng)力和磁導(dǎo)率的理論數(shù)學(xué)模型，它反映了當(dāng)路軌受到應(yīng)力作用時，由于壓磁效應(yīng)的影響，路軌磁導(dǎo)率的變化與應(yīng)力的大小成正比。也就是說當(dāng)外界磁場一定時，路軌受到的應(yīng)力越大，它的磁導(dǎo)率也就越大。

由于磁化電流I=Imcos(ωt+φ)，所以傳感器阻抗為復(fù)數(shù)阻抗，即由電阻和電抗構(gòu)成，而電抗又分為容抗和感抗。

設(shè)磁化電流為I=Imcos(ωt+φ)，磁化場H=Hmcos(ωt+φ)，磁感應(yīng)強度B比H落后一個相角δ，則磁通密度B為

Β=Βmcos(ωt+φ-δ)

用向量表示：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

復(fù)數(shù)電感L則為

(7)

式中：Ae為閉合電路磁芯的有效面積；le為有效磁路長度；C1為磁芯常數(shù)；N為繞組匝數(shù)。

將式(4)帶入式(6)中可得：

(8)

(9)

對于繞在磁芯上的電感線圈，對于正弦信號產(chǎn)生的阻抗為

(10)

將式(9)代入式(10)中得：

(11)

通過上述理論分析，由式(11)可以看出，壓磁傳感器的阻抗與其磁導(dǎo)率有關(guān)。在實際檢測中，構(gòu)成壓磁傳感器回路的有二個部分，包括壓磁傳感器自身和待測路軌,如圖1所示。

圖1 傳感器探測位置

當(dāng)壓磁傳感器和待測路軌組成回路時，磁導(dǎo)率就不單單是傳感器自身的了，即：

μ=f(μ傳感器，μ待測路軌)

(12)

只要路軌應(yīng)力發(fā)生改變，便會導(dǎo)致路軌磁導(dǎo)率發(fā)生變化，由式(12)可以得出路軌的磁導(dǎo)率將直接影響測試系統(tǒng)的磁導(dǎo)率，同時也影響著壓磁傳感器的阻抗。該方案的設(shè)計思路便是基于上述理論，通過檢測壓磁傳感器的阻抗變化，反映應(yīng)力變化。

2 壓磁傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本測試系統(tǒng)使用差動式壓磁傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該傳感器主要由2個“U”型磁芯構(gòu)成：C2，B1端為激勵端，A2，D2端為響應(yīng)端。由于磁彈效應(yīng)的作用，對于正磁致伸縮材料，由于在某一方向上應(yīng)力變化，會引起水平和垂直兩個方向上磁導(dǎo)率的變化，從而產(chǎn)生響應(yīng)電壓。即施加垂直應(yīng)力會使沿垂直方向應(yīng)力增大，水平方向應(yīng)力減小。同理，若施加水平應(yīng)力會使沿水平方向的應(yīng)力增大，垂直方向應(yīng)力減小。若使用單個“U”型磁芯作為壓磁傳感器進行測量，則會遺漏另一方向的壓力變化，造成測量不全面且電壓變化不明顯。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

在實際測量過程中，要特別注意壓磁傳感器的放置點，由于該系統(tǒng)主要檢測鋼軌的工作應(yīng)力，而此類型應(yīng)力主要集中在鋼軌頭部，所以壓磁傳感器應(yīng)靠近軌頭，如圖3所示。

圖3 鋼軌示意圖

差動式壓磁傳感器的線圈纏繞方式也需要特別注意，以激勵端為例，由于磁芯1的B1端和磁芯2的C2端線圈都通有f=1 kHz的正弦交流電，故會產(chǎn)生磁場，發(fā)生磁耦合現(xiàn)象。根據(jù)右手螺旋法則可以確定電流產(chǎn)生的磁通方向和彼此交鏈的情況，方向如圖4所示，等效電路如圖5所示[4]。

圖4 磁通方向示意圖

圖5 等效電路圖

磁芯1的電流產(chǎn)生的磁通設(shè)為Φ11，線圈自身產(chǎn)生的磁通鏈設(shè)為Ψ11，此磁通鏈稱為自感磁通鏈；Φ11中的一部分或全部穿過線圈2時會產(chǎn)生磁通鏈,設(shè)為Ψ21，稱為互感磁通鏈。同理，線圈2中的電流i2也會產(chǎn)生自感磁通鏈Ψ22和互感磁通鏈Ψ12，這就是彼此的耦合情況。差動式壓磁傳感器是將磁芯1的B2端和磁芯2的C1端串聯(lián)，將磁芯1的B1端和磁芯2的C2端作為激勵的輸入。此連接方式使兩個線圈產(chǎn)生的磁通鏈為Ψ11、Ψ22，同向即自感方向的磁場得到增強，使得響應(yīng)電壓更加明顯。若將磁芯1的B2端和磁芯2的C2端串聯(lián)，剩下的兩端作為激勵的輸入，這樣磁通鏈Ψ11、Ψ22，反向即自感方向的磁場得到減弱，使得響應(yīng)電壓過小而埋沒在噪聲當(dāng)中，導(dǎo)致無法測量。

響應(yīng)端接線方式也應(yīng)遵守上述原則，即使得自感方向的磁場得到增強，故將線圈1的A1和線圈2 的D1串聯(lián)，線圈1的A2和線圈2的D2作為響應(yīng)的輸出。

相關(guān)測量參數(shù)如表1、表2、表3所示。

表1 垂直方向磁芯測試參數(shù)

表2 水平方向磁芯測試參數(shù)

表3 差動形式的測試參數(shù)

傳感器響應(yīng)電壓數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同方式的響應(yīng)電壓

從實際測量結(jié)果可以看出，采用差動式壓磁傳感器后，響應(yīng)電壓最小為6．05 V，約是單端壓磁傳感器的3倍，所帶來的的優(yōu)點有兩方面：

(1)電壓幅值增大使響應(yīng)信號不易埋沒于噪聲信號中，方便AD5933采集處理。

(2)使用單端壓磁傳感器測量時，垂直方向電壓變化最大為50 mV，水平方向電壓變化最大為60 mV，而使用差動式壓磁傳感器后電壓變化最大為70 mV且同時兼顧水平方向和垂直方向。通過對比，可明顯看出后者的變化更加明顯，方便測量。

3 數(shù)據(jù)檢測

本系統(tǒng)的檢測對象是待測鋼軌的磁阻，通過壓磁傳感器，加載激勵信號至待測鋼軌并采集磁阻響應(yīng)信號，AD5933處理響應(yīng)信號并計算幅值及相對相位，經(jīng)RS232或zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位數(shù)據(jù)處理單元；通過上位機數(shù)據(jù)處理單元，繪出磁阻變化曲線，再由相關(guān)標(biāo)定確定應(yīng)力變化。該系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)框圖

AD5933作為磁阻檢測處理芯片，通過設(shè)置操作，可以準確計算出各掃描頻點的阻抗幅值和相對相位，其功能框圖如圖7所示。

圖7 AD5933功能框圖

在阻抗檢測方案中，Z(ω)為待測阻抗，通過AD5933片上DFT運算計算出幅度值和相對相位，再乘以一個稱為增益系數(shù)的比例系數(shù)，即可計算出接在VOUT和VIN引腳之間的任何未知阻抗。但傳統(tǒng)的檢測方案并不適用于本設(shè)計，因為在該檢測系統(tǒng)中Z(ω)并不是單一的待測阻抗，它實際包含了TPA6211a1音頻放大芯片、差動式壓磁傳感器和AD623差分放大器。其中差動式壓磁傳感器為待測阻抗，AD5933可以計算出Z(ω)的幅值和相對相位，待檢測的壓磁傳感器阻抗是Z(ω)的一部分，而壓磁傳感器阻抗的變化趨勢與Z(ω)相同，所以壓磁傳感器的阻抗變化與應(yīng)力之間的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為Z(ω)與應(yīng)力之間的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)處理方法進行標(biāo)定，即可得到與應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系。

阻抗幅值的變化是數(shù)據(jù)檢測的重點，它的變化趨勢與應(yīng)力變化最為密切，施加拉應(yīng)力的范圍為0.5×104～4×104N,幅值變化與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 仿真數(shù)據(jù)

通過表5可以看出，阻抗幅值隨應(yīng)力的增大而呈上升趨勢，最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力的幅值差為43.8，變化較顯著。通過matlab的數(shù)據(jù)擬合對阻抗幅值和應(yīng)力的變化關(guān)系進行進一步分析，擬合后的函數(shù)關(guān)系表達式為

f(x)=p1x4+p2x3+p3x2+p4x+p5

式中：p1= -3．628×10-6;p2=0．258 3;p3= -7 655;p4= 1．008×108;p5= -4．98×108。

4 結(jié)束語

該設(shè)計采用阻抗測量芯片AD5933進行應(yīng)力檢測，相比巴克豪森磁噪聲法、X光檢測法、磁聲發(fā)射法和超聲波法解決了設(shè)備復(fù)雜的問題，其穩(wěn)定度高，能在惡劣的環(huán)境中工作，而且本系統(tǒng)低功耗、無大功率用電元件。輔以zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，可與遠程服務(wù)站進行實時數(shù)據(jù)通信，適合在鐵軌旁進行現(xiàn)場工作，為相關(guān)應(yīng)力檢測領(lǐng)域提供了一個重要手段。

[1] 張永炬．壓磁效應(yīng)及其在傳感器中的應(yīng)用．臺州學(xué)院學(xué)報，2002(3)：11-12．

[2] 郭沛飛，賈振元，楊興，等．壓磁效應(yīng)及其在傳感器中的應(yīng)用．壓電與聲光，2001(2)：39-43．

[3] 劉海順．基于磁各向異性特性應(yīng)力測試的理論與方法研究：[學(xué)位論文].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008．

[4] 謝寶昌．變壓器等效電路獲取的教學(xué)方法．電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013，35(2)：60-62．

Rail Stress Sensor Based on Magnetic ImpedanceMeasurement Methods

WANG Ying,ZHANG Zhang,ZHOU Shang

(School of Telecommunications and Electronic Control,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

The recent main methods of testing the rail stress are magnetic barkhausen noise method,X-ray testing methods,magnetic acoustic emission method and ultrasonic method,etc．They both have the disadvantage that the testing equipment they required are of high complicity and power dissipation．This makes them not so perfect in outdoor operation．The stress resting system discussed in this dissertation,based on AD5933 and magnetoelastic effect,transitted the effect that stress exert on rail permeability to that on magnetic resistance,combined with data fitting techniques to get the relationship between stress and magnetic resistance．In addition,the whole system has no high-power components,which makes it has a possibility to be developed into a portable and low-power stress sensor．

stress;piezomagnetic sensor;magnetic resistance

2014-02-19 收修改稿日期：2014-10-06

TN212

A

1002-1841(2015)03-0003-04

王瑛(1961—)，副教授，碩士，主要研究領(lǐng)域為智能信息處理系統(tǒng)、虛擬儀器與測控技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)。E-mail：wtlwy@bjut．edu．cn張璋(1989—)，碩士，主要研究領(lǐng)域為嵌入式傳感器技術(shù)。E-mail：zz19890629@126．com