基于磁弹效应的钢缆索应力测量方法研究

摘要

钢索具有自身重量轻、柔软性能好、抗拉强度高、负载传递距离长等优点，已广泛应用于桥梁、建筑、牵引机械备等工业领域中。作为这些结构中的重要承力构建，索力的大小是评价其健康状况的重要指标。传统的索力测量方法例如液压法、压力传感器等由于无法针对在役钢索实现索力测量和监测，已逐渐被新兴索力测量方法代替。基于磁弹效应的索力测量技术具有动态响应好、测量精度高、传感器结构简单、成本低、使用寿命长、易校准等优点，越来越广泛的运用于国内外桥梁钢索索力测量/监测领域。然而传统的磁弹索力传感器结构在运用于在役钢索索力测量时存在安装困难和不易统一标定的问题，而且传感器参数的选取还存在一定的盲目性。针对现有的传感器存在的不足，提出合理的传感器参数设计依据以及提出新型的传感器结构甚至评价标准具有重要的实用价值和意义。
　　本文在总结目前国内外磁弹索力测量技术尚存的不足之处的基础上，优化了磁弹传感器的磁化工作点以及激励信号的波形和频率的选取并在单旁路磁弹传感器设计上实现了优化工作，提出了柔性磁弹传感器和放置式磁弹索力传感器结构，设计了磁弹索力测量的激励系统、信号调理模块以及后处理方法，系统的针对各个传感器开展了索力测量试验，具体内容如下：
　　1.根据现有的磁弹索力测量技术现状以及磁弹传感器结构，分析其存在的不足之处，确立了本文的研究目的。
　　2.从铁磁性材料的基本特性入手，分析了铁磁体的磁致伸缩效应，根据热力学平衡条件，从能量的角度探究了钢索的磁弹效应机理，阐明基于磁弹效应的索力测量方法。
　　3.通过实验获得钢索在50MPa和100MPa应力下的初始磁化曲线，得出磁化工作点选取应该使钢索处于近饱和磁化区，根据钢索的铁磁特性提出应使用方波信号作为激励源。建立了二维轴对称套筒式磁弹索力传感器仿真模型，分析了钢索中磁感应强度分布，优化了套筒式磁弹传感器线圈参数设计并根据模型参数研制了套筒式磁弹索力传感器，通过验证试验了模型的正确性，结果表明钢索相对磁导率和索力成线性关系。
　　4.设计了磁弹索力测量系统，其中测量系统的激励模块采用MAX038芯片设计方波信号发生器，通过TDA2050音频芯片实现功率放大；信号调理模块主要涉及对感应信号的前置放大和滤波处理，放大电路基于AD620芯片设计并在输入引脚并联旁路电容实现了前置滤波处理；设计了完整的后处理软件实现了对信号的低通滤波、零线调整和积分处理。研制了三种可重构的磁弹索力传感器：单旁路磁弹传感器、柔性磁弹传感器和放置式磁弹传感器，解决了套筒式磁弹传感器安装困难的缺点。
　　5.对三种传感器性能开展了系统的索力测量试验。单旁路磁弹传感器由于本身感应信号幅值已满足采集卡的要求，因此其测量系统不包括前置放大电路。通过试验阐明了随机信号来源以及合理的滤波方式，使积分信号能在长时间采集过程中保持稳定。引入了新物理量（Bx实部）表征应力，通过研制的放置式传感器实现了索力测量，结果线性度较高。试验结果表明，柔性磁弹传感器不仅解决了传统磁弹传感器的安装问题，其绝对灵敏度也最高。

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第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2 钢索索力测量的研究进展和现状

1.3 磁弹法测量索力的研究进展和现状

1.4本文主要研究内容的结构安排

第二章磁弹法测量索力的理论基础

2.1引言

2.2钢索及其工况

2.3钢索力磁效应的电磁场理论基础

2.4磁弹索力测量法的数学模型

2.5本章小结

第三章套筒式磁弹索力传感器优化研究

3.1 引言

3.2 套筒式磁弹传感器工作点优化

3.3 套筒式磁弹索力传感器仿真

3.4 套筒式磁弹索力传感器试验研究

3.5 本章小结

第四章 可重构磁弹索力传感器及测量系统设计

4.1磁弹索力测量系统总体设计

4.2可重构磁弹传感器设计

4.3激励模块

4.4信号调理模块

4.5数据采集及处理

4.6本章小节

第五章钢索应力的磁弹法测试实验研究

5.1单旁路磁弹传感器的优化试验研究

5.2柔性磁弹传感器应力评价试验研究

5.3放置式磁弹传感器应力评价试验研究

5.5本章小节

第六章 结论与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

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