一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于结构健康监测技术领域，涉及到一种索力监测方法，特别涉及到一种 用自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 钢缆索由于具有柔性大、强度高和频率低等优点，现已广泛应用在大跨度和大型 建筑结构与牵引机械等领域。索力的监测是衡量钢缆索是否处于正常运营状态的重要标 志，但是也成为世界公认的难题技术。因此对钢缆索的索力监测显得尤为重要。
[0003]目前在钢缆索的索力监测技术中一般采用方法是：（1)油压表读数法；(2)压力传 感器法；（3)频率测定法；（4)磁弹效应法。
[0004] 其中磁弹效应法是新兴的研究方法，以磁弹效应原理为基础，通过测量铁磁材料 在外力作用下引起的磁导率的改变量，推算出外力的大小。相比于传统的索力监测方法磁 弹效应法更适用于在建和建成结构索力监测，并且可以进行在线动态监测，但其理论尚未 成熟需要更深入的研究。
[0005] 专利号201420343581. 4 -种数值磁通量索力传感器，该发明设计利用两级线圈 进行索力测量，即激励线圈和感应线圈。由于采用两级线圈进行监测，其绕线复杂，传感器 引线较多，体积较大。
[0006] 专利号201310718430. 2 -种磁通量传感器的磁化钢索方法，该发明对两级线圈 进行改进，多个感应线圈可以共用一个激励线圈。虽然降低了一定成本，减少了激励线圈的 数量，但是本质还是利用两级线圈进行测量。
[0007] 专利号201410214291. 4 -种索力检测方法及使用该方法的索力传感器，该发明 利用具有磁致伸缩效应的磁电传感单元代替感应线圈，将激励线圈和磁电传感单元组合进 行索力测量。虽然测试响应时间较短，速度快，但是由于引入了磁电传感单元，使结构复杂， 增加成本。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有磁弹效应传感器线圈多，体积大，成本高，响应速度慢，信噪比较低 等问题，本发明提供了一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法。该方法 避免了感应线圈的使用，将激励线圈和感应线圈一体化，使得测量结果更加准确。
[0009] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0010] 一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器，该单级线圈索力传感器将传统磁通 量索力传感器中的激励线圈和感应线圈一体化，该单级线圈索力传感器的测力系统包括激 励电路、单级线圈索力传感器、前置放大电路、带通滤波器、有效值电路和数模转换器，上述 各模块部件依次连接；将单级线圈索力传感器7缠绕到与待测钢缆索试件4尺寸相匹配线 圈骨架5上，线圈骨架5套入待测钢缆索试件4中，通过泡沫剂6填充；将由线圈骨架5支 撑的单级线圈索力传感器7置于加载系统中，加载系统包括加载装置1、加载固定件2和试 件夹持头3,其中试件夹持头3和加载固定件2利用螺栓连接。
[0011] 当待测钢缆索试件4内存在磁场时，待测钢缆索试件4被磁化，磁化程度通过磁导 率表示；在稳恒磁场中，磁导率是实数；在交变磁场中，磁感应强度落后于磁场的变化，即 磁感应强度与磁场存在相位差，磁导率用复数表示，复数磁导率同时反映了二者的振幅与 相位关系。
[0012] 磁场和磁感应强度用复数表示为：
[0013]
[0014]
[0015] 其中，//是磁场，Ji是磁感应强度，Hm是磁场幅值，Bm是磁感应强度幅值，w是交流 信号频率，t是时间，δ是磁感应强度落后于磁场的相位。
[0016] 复数磁导率表示为：
[0017]
[0018] 其中，#是复数磁导率，μ。是真空磁导率，μ'是复数磁导率的实数部分，它代表 单位体积待测钢缆索试件4中的磁能存储，μ"是复数磁导率的虚数部分，它代表单位体积 待测钢缆索试件4在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗。
[0019] 根据自感线圈在交流信号作用下产生感应电动势以及欧姆定律得到：
[0020]
[0021] i
[0022] 其中，L是线圈自感量，:r是电阻，LpL2是环形线圈常数Li=Ν%μ。/!、L2 = N2S2μ。/1，N是线圈匝数，Si是线圈截面面积，S2是线圈和钢缆索之间截面面积，1是线圈长 度。
[0023] 复数磁导率的实部和虚部之比称为品质因数。品质因数反映铁磁材料在交变磁化 时能量的储存和损耗的性能，通常希望材料的品质因数越高越好。因此复数磁导率的实部 和虚部应满足：
[0024] μ，> > μ " (6)
[0025] 由公式（4)、（5)、（6)可知，复数磁导率的幅值变化量为
Φ磁导率变化量和自感量变化量成线性关系，由于 磁导率不易测量，自感量利用LR电路进行测量，其微分方程为：
[0026]
[0027]其中，i(t)是电流，R是外接电阻，1^是交流彳目号Us=Asin(wt)，A是交流彳目号幅 值。
[0028] 由于R>>wL，并且结果中指数项消减很快，最终得到结果为：
[0029]
[0030] 其中，队是线圈两端电压，Θ是线圈两端电压和激励交流信号之间的相位差，
[0031] 由公式（8)可知，单级线圈索力传感器两端电压的幅值变化量和自感量变化量成 线性关系。
[0032]由焦耳效应可知，在钢缆索的弹性范围内索力和磁导率变化量成线性关系。由公 式（4)、（5)、（6)可知，复数磁导率变化量和自感量变化量成线性关系。将钢缆索试件磁导 率变化量作为中间量，建立起索力值和自感量变化量之间的线性关系，通过自感量变化量 既可得到索力值。由公式（8)可知，单级线圈索力传感器两端电压的幅值变化量和自感量 变化量成线性关系，自感变化会引起线圈两端电压也相应变化。线圈两端电压信号需要通 过放大、滤波、有效值和数模转换等电路进行分析与处理。最终通过读取信号分析与处理后 的电压值来推断钢缆索样品两端加载的索力值。
[0033] 一种用基于自感式原理的单级线圈索力传感器的测力方法总结如下：
[0034] (1)单级线圈索力传感器两端信号经过放大、滤波、有效值和数模转换等电路进行 分析处理，得到的直流电压信号变化量Δ47和单级线圈索力传感器两端的电压幅值变化量 AU」成线性关系；
[0035] (2)由公式
可知，单级线圈索力传感器两端 电压幅值变化量IAU」和自感量变化量IALI成线性关系；
[0036] (3)根据自感线圈在交流信号作用下产生感应电动势以及欧姆定律得到：由公式 (4)
(6)μ'>μ"可知，自感量变化量|AL|和待测试件 磁导率变化量IΑμ|成线性关系；
[0037] (4)由焦耳效应可知，在钢缆索的弹性范围内磁导率变化量| △μ|和索力F成线 性关系；
[0038] (5)建3
之间的线性关系，最终通过利用 直流电压信号变化量At/测量索力F。
[0039] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出