一種基于自感式原理的單級(jí)線圈索力傳感器及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種索力監(jiān)測(cè)方法，特別涉及到一種 用自感式原理的單級(jí)線圈索力傳感器及其測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼纜索由于具有柔性大、強(qiáng)度高和頻率低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在大跨度和大型 建筑結(jié)構(gòu)與牽引機(jī)械等領(lǐng)域。索力的監(jiān)測(cè)是衡量鋼纜索是否處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的重要標(biāo) 志，但是也成為世界公認(rèn)的難題技術(shù)。因此對(duì)鋼纜索的索力監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
[0003]目前在鋼纜索的索力監(jiān)測(cè)技術(shù)中一般采用方法是：（1)油壓表讀數(shù)法；(2)壓力傳 感器法；（3)頻率測(cè)定法；（4)磁彈效應(yīng)法。
[0004] 其中磁彈效應(yīng)法是新興的研究方法，以磁彈效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量鐵磁材料 在外力作用下引起的磁導(dǎo)率的改變量，推算出外力的大小。相比于傳統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)方法磁 彈效應(yīng)法更適用于在建和建成結(jié)構(gòu)索力監(jiān)測(cè)，并且可以進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但其理論尚未 成熟需要更深入的研究。
[0005] 專(zhuān)利號(hào)201420343581. 4 -種數(shù)值磁通量索力傳感器，該發(fā)明設(shè)計(jì)利用兩級(jí)線圈 進(jìn)行索力測(cè)量，即激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈。由于采用兩級(jí)線圈進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其繞線復(fù)雜，傳感器 引線較多，體積較大。
[0006] 專(zhuān)利號(hào)201310718430. 2 -種磁通量傳感器的磁化鋼索方法，該發(fā)明對(duì)兩級(jí)線圈 進(jìn)行改進(jìn)，多個(gè)感應(yīng)線圈可以共用一個(gè)激勵(lì)線圈。雖然降低了一定成本，減少了激勵(lì)線圈的 數(shù)量，但是本質(zhì)還是利用兩級(jí)線圈進(jìn)行測(cè)量。
[0007] 專(zhuān)利號(hào)201410214291. 4 -種索力檢測(cè)方法及使用該方法的索力傳感器，該發(fā)明 利用具有磁致伸縮效應(yīng)的磁電傳感單元代替感應(yīng)線圈，將激勵(lì)線圈和磁電傳感單元組合進(jìn) 行索力測(cè)量。雖然測(cè)試響應(yīng)時(shí)間較短，速度快，但是由于引入了磁電傳感單元，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 增加成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有磁彈效應(yīng)傳感器線圈多，體積大，成本高，響應(yīng)速度慢，信噪比較低 等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于自感式原理的單級(jí)線圈索力傳感器及其測(cè)試方法。該方法 避免了感應(yīng)線圈的使用，將激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈一體化，使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[0009] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0010] 一種基于自感式原理的單級(jí)線圈索力傳感器，該單級(jí)線圈索力傳感器將傳統(tǒng)磁通 量索力傳感器中的激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈一體化，該單級(jí)線圈索力傳感器的測(cè)力系統(tǒng)包括激 勵(lì)電路、單級(jí)線圈索力傳感器、前置放大電路、帶通濾波器、有效值電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，上述 各模塊部件依次連接；將單級(jí)線圈索力傳感器7纏繞到與待測(cè)鋼纜索試件4尺寸相匹配線 圈骨架5上，線圈骨架5套入待測(cè)鋼纜索試件4中，通過(guò)泡沫劑6填充；將由線圈骨架5支 撐的單級(jí)線圈索力傳感器7置于加載系統(tǒng)中，加載系統(tǒng)包括加載裝置1、加載固定件2和試 件夾持頭3,其中試件夾持頭3和加載固定件2利用螺栓連接。
[0011] 當(dāng)待測(cè)鋼纜索試件4內(nèi)存在磁場(chǎng)時(shí)，待測(cè)鋼纜索試件4被磁化，磁化程度通過(guò)磁導(dǎo) 率表示；在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁導(dǎo)率是實(shí)數(shù)；在交變磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度落后于磁場(chǎng)的變化，即 磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)存在相位差，磁導(dǎo)率用復(fù)數(shù)表示，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率同時(shí)反映了二者的振幅與 相位關(guān)系。
[0012] 磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度用復(fù)數(shù)表示為：
[0013]
[0014]
[0015] 其中，//是磁場(chǎng)，Ji是磁感應(yīng)強(qiáng)度，Hm是磁場(chǎng)幅值，Bm是磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，w是交流 信號(hào)頻率，t是時(shí)間，δ是磁感應(yīng)強(qiáng)度落后于磁場(chǎng)的相位。
[0016] 復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率表示為：
[0017]
[0018] 其中，#是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率，μ。是真空磁導(dǎo)率，μ'是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)數(shù)部分，它代表 單位體積待測(cè)鋼纜索試件4中的磁能存儲(chǔ)，μ"是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的虛數(shù)部分，它代表單位體積 待測(cè)鋼纜索試件4在交變磁場(chǎng)中每磁化一周的磁能損耗。
[0019] 根據(jù)自感線圈在交流信號(hào)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及歐姆定律得到：
[0020]
[0021] i
[0022] 其中，L是線圈自感量，:r是電阻，LpL2是環(huán)形線圈常數(shù)Li=Ν%μ。/!、L2 = N2S2μ。/1，N是線圈匝數(shù)，Si是線圈截面面積，S2是線圈和鋼纜索之間截面面積，1是線圈長(zhǎng) 度。
[0023] 復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部之比稱為品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)反映鐵磁材料在交變磁化 時(shí)能量的儲(chǔ)存和損耗的性能，通常希望材料的品質(zhì)因數(shù)越高越好。因此復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部 和虛部應(yīng)滿足：
[0024] μ，> > μ " (6)
[0025] 由公式（4)、（5)、（6)可知，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的幅值變化量為
Φ磁導(dǎo)率變化量和自感量變化量成線性關(guān)系，由于 磁導(dǎo)率不易測(cè)量，自感量利用LR電路進(jìn)行測(cè)量，其微分方程為：
[0026]
[0027]其中，i(t)是電流，R是外接電阻，1^是交流彳目號(hào)Us=Asin(wt)，A是交流彳目號(hào)幅 值。
[0028] 由于R>>wL，并且結(jié)果中指數(shù)項(xiàng)消減很快，最終得到結(jié)果為：
[0029]
[0030] 其中，隊(duì)是線圈兩端電壓，Θ是線圈兩端電壓和激勵(lì)交流信號(hào)之間的相位差，
[0031] 由公式（8)可知，單級(jí)線圈索力傳感器兩端電壓的幅值變化量和自感量變化量成 線性關(guān)系。
[0032]由焦耳效應(yīng)可知，在鋼纜索的彈性范圍內(nèi)索力和磁導(dǎo)率變化量成線性關(guān)系。由公 式（4)、（5)、（6)可知，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率變化量和自感量變化量成線性關(guān)系。將鋼纜索試件磁導(dǎo) 率變化量作為中間量，建立起索力值和自感量變化量之間的線性關(guān)系，通過(guò)自感量變化量 既可得到索力值。由公式（8)可知，單級(jí)線圈索力傳感器兩端電壓的幅值變化量和自感量 變化量成線性關(guān)系，自感變化會(huì)引起線圈兩端電壓也相應(yīng)變化。線圈兩端電壓信號(hào)需要通 過(guò)放大、濾波、有效值和數(shù)模轉(zhuǎn)換等電路進(jìn)行分析與處理。最終通過(guò)讀取信號(hào)分析與處理后 的電壓值來(lái)推斷鋼纜索樣品兩端加載的索力值。
[0033] 一種用基于自感式原理的單級(jí)線圈索力傳感器的測(cè)力方法總結(jié)如下：
[0034] (1)單級(jí)線圈索力傳感器兩端信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、有效值和數(shù)模轉(zhuǎn)換等電路進(jìn)行 分析處理，得到的直流電壓信號(hào)變化量Δ47和單級(jí)線圈索力傳感器兩端的電壓幅值變化量 AU」成線性關(guān)系；
[0035] (2)由公式
可知，單級(jí)線圈索力傳感器兩端 電壓幅值變化量IAU」和自感量變化量IALI成線性關(guān)系；
[0036] (3)根據(jù)自感線圈在交流信號(hào)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及歐姆定律得到：由公式 (4)
(6)μ'>μ"可知，自感量變化量|AL|和待測(cè)試件 磁導(dǎo)率變化量IΑμ|成線性關(guān)系；
[0037] (4)由焦耳效應(yīng)可知，在鋼纜索的彈性范圍內(nèi)磁導(dǎo)率變化量| △μ|和索力F成線 性關(guān)系；
[0038] (5)建3
之間的線性關(guān)系，最終通過(guò)利用 直流電壓信號(hào)變化量At/測(cè)量索力F。
[0039] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出