专利名称：磁弹磁电效应式应力监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁弹磁电效应式应力监测装置，并且更具体地涉及用于铁磁材料构件的应力无损监测装置。
背景技术：
目前常用的应力监测仪器，包括压力传感器、电阻应变式测力传感器、振弦式应变传感器、光纤光栅应变传感器，以及基于振动频率法的压电式加速度传感器、基于磁弹效应的磁弹索力传感器。压力传感器是利用千斤顶张拉桥索时由精密压力表或液压传感器测定油缸的液压求得索力。但由于压力表本身的一些特性，如指针读数不稳定、负荷示值需转换、人为影响大等缺点，不可用于在役结构及动态索力监测。电阻应变式测力传感器是利用导线电阻随导线长度的变化而变化的原理进行应变测量的。振弦式应变传感器是利用张紧的金属弦的振动频率随其固定端产生相对位移所引起的张力变化而变化进行应变测量的。 光纤光栅应变传感器是利用通过光栅的波长随光纤的变形而变化进行应变测量的。这三种应变传感器都必须粘贴于构件表面，或通过支撑装置焊接于构件表面或者埋入变形体(构件)内，安装测量不方便、受外界影响因素较大。对于在役结构，新装的电阻应变片、振弦式应变传感器或光纤光栅应变传感器只能测量相对于安装时刻或应变置零时刻的应变(或应力)的相对变化值(即增量)，而不能测量出其实际绝对量。振动频率测量法是利用索力与其振动频率之间定量关系，通常利用加速度传感器获取索的振动频率换算得索力。因测量简单经济，可以实现在线采集，对在役钢缆索仍可监测，因而在实际工程中振动频率测索力应用广泛。但是，其缺点在于索的振动频率与索力之间的关系受索的抗弯刚度、斜度、垂度、边界条件以及减振阻尼装置的影响，索力换算存在误差；所换算到的索力是静态或平均索力，无法获得索周期振动时的索力变化；而且振动频率法不适于除拉索以外的其他构件的应力测量。基于磁弹效应的磁弹索力传感器是利用铁磁材料置于磁场中时在应力作用下其磁化特性会发生改变，通过对某种材质的构件进行标定推算得到同种材质的拉索的拉应力。由于该传感器可测得在役结构的实际索力、具有无损检测等优点，因而能克服上述其他方法的缺点，是有潜力的在役钢结构应力监测方法。目前该传感器主要有套筒式和旁路式传感器两种，套筒式传感器用于在役结构时需要现场绕制线圈，操作不便，工作量大、费时， 且线圈的质量难以控制，影响测试精度。旁路式的传感器则由于导磁轭铁而存在体积偏大、 重量偏重、成本偏高等缺点，且处在研究探索阶段还没有推广。而且目前所研究的磁弹索力传感器(不管是套筒式还是旁路式)采用次级线圈作为信号检测元件，需时较长(一次测量至少10秒)，不能实现真正的实时监测，无法监测到结构(在地震、强风等作用下)振动过程中的应力变化。并且对励磁线圈或励磁电流要求高以产生足够大的磁场，或通过在一定长度的绕组内增加次级线圈匝数，以使次级线圈产生足够敏感的信号，提高信号的信噪比，进行应力监测。另外，由于次级线圈通常缠绕在圆柱形骨架上，只能测得缠绕线圈内的磁场变化，测得的力是整个线圈内的平均受力情况，且使得当前的磁弹索力传感器只能测轴向拉压构件，主要是索力，这就限制了对非圆柱形构件及复杂受力情况下的应用。结构的应力监测要提高其采样频率实现实时在线动态监测，并能推广到各种受力形式、各种截面形状钢构件或其他铁磁材料构件的应力监测。可选地，用响应实时、轻巧、高灵敏度、低成本的磁电传感元件来代替需要信号积分的次级线圈作为信号检测元件。磁电传感元件是由智能磁电材料制作而成，可以对磁场及磁感应强度进行实时监测(响应时间在毫秒量级)，尺寸小，不需供电，磁电转换系数大，成本低。通过这种磁电传感元件不同布置方式的组合实现对不同受力形式、不同截面形状构件的应力监测。而且，由于其检测灵敏度高，可大大减小对励磁强度的要求，使得励磁元件简单、轻巧。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁弹磁电效应式应力监测装置，其能实现铁磁材料构件的应力的无损实时监测，且能适用于不同受力形式、不同截面形状的构件，克服背景技术中所述传感器存在的不足或者至少给公众一个有用的选择。为此，本发明采用以下技术方案
一种用于铁磁材料构件的应力无损监测的磁弹磁电效应式应力监测装置，它具有磁场发生元件，磁场发生元件用来在控制调理仪控制下可以根据需要在所述构件应力监测区域产生磁场，将铁磁材料构件磁化；其特征在于所述应力监测装置还包括
一个或多个磁电传感元件，可由包括但不限于磁电单相材料、磁电复合材料、磁电层合材料、霍尔元件等做成，无需外加电源供电，无需通过积分，直接产生表征所述磁场及磁感应强度的电信号Vme;
一个或多个支撑骨架，用来设置所述磁场发生元件和固定所述磁电传感元件位置； 控制调理仪，控制磁场发生元件产生磁场，并接收从磁电传感元件传来的电信号Vme，经信号调理后输出最终信号Vst，所述最终信号为与构件应力相对应的磁特征量，从而实现对铁磁材料构件在一种或多种受力组合下应力的实时监测。在采用本发明的上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案
所述磁场发生元件可以采用以下方式(a)励磁线圈，通过驱动电路在励磁线圈中产生励磁电流从而产生磁场；(b)通过永磁体产生磁场；(c)通过所述励磁线圈及永磁体两种方式组合产生所需的磁场；所述励磁线圈或永磁体的数量为一个或并联或串联连接的多个。所述一个或多个磁电传感元件被布置在被测铁磁材料构件的一个或多个监测截面对应的支撑骨架位置或构件表面位置上。在被测铁磁材料构件的同一监测截面相应的支撑骨架位置或构件表面位置上布置一个或多个磁电传感元件。磁电传感元件根据被测铁磁材料构件及邻近区域的磁场分布情况，布置在支撑骨架上相应磁场最敏感的位置ι也可布置在所测构件表面相应磁场最敏感的位置。磁电传感元件被布置在支撑骨架的内部或外面，布置在支撑骨架外部时，可以是骨架内表面、外表面、或构件表面。所述支撑骨架是一个整体的支撑骨架或由几块拼接组装构成。
所述控制调理仪包括控制电路及数据采集处理装置，实现对磁场发生元件的控制和对磁电传感元件所产生信号Vme的数据采集和处理，以获得与构件应力相对于的磁特征
量 Vst°所述励磁线圈的信号源选用交流信号或脉冲信号。所述磁场发生元件、磁电传感元件、支撑骨架、控制调理仪等各部件或其部分，或整个监测装置可以安装护套，也可以不安装护套。护套可以屏蔽外界磁场，减少对内部磁场及信号的干扰；也可以对整个监测装置起到保护作用，减少外界破坏，延长使用寿命。由于采用本发明的技术方案，本应力监测装置，用磁电传感元件来代替需要信号积分的次级线圈作为信号检测元件。磁电传感元件是由智能磁电材料制作而成，可以对磁场变化进行实时监测(响应时间在毫秒量级)；尺寸小，大大减少了结构重量和体积；磁电传感元件本身不需供电；大大降低了对励磁强度的要求，从而也减小了励磁线圈或其他形式磁场发生元件的重量和体积；成本低；监测功能更强大，通过对磁电传感元件不同布置方式和组合方式实现对不同受力形式、不同截面形状构件的应力监测；信号灵敏度高，实验数据稳定，重复性好，测量精度高；自动对数据进行采集和处理，并且便于仔细观察被测构件应力变化情况，实现测量的自动化和连续化；应用范围广；设备安装及标定操作简单、方便。
图1是传统的磁弹索力传感器的系统原理示意图2是本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的系统原理示意图； 图3-1是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构整体示意图磁场发生元件采用励磁线圈；
图3-2是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用励磁线圈；
图3-3是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构横向剖切示意图磁场发生元件采用励磁线圈；
图4-1是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用永磁体一单个永磁体；
图4-2是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用永磁体一多永磁体(示例一)；
图4-3是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用永磁体一多永磁体(示例二)；
图5-1是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用励磁线圈与永磁体组合方式(示例一)；
图5-2是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用励磁线圈与永磁体组合方式(示例二)；
图5-3是用于图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性结构纵向剖切示意图磁场发生元件采用励磁线圈与永磁体组合方式(示例三)；
图6-1是用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第一种示例性纵向布置的立体示意图单个监测截面，显示了构件的磁力线及磁电传感元件布置； 图6-2是图6-1所示结构的正立面示意图7-1是用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第二种示例性纵向布置的立体示意图多个监测截面，其针对的是变截面构件，显示了构件的磁力线及磁电传感元件布置，一个励磁线圈范围内布置多排磁电传感元件(E-MultiME)； 图7-2是图7-1所示结构的正立面示意图8是用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第三种示例性纵向布置正立面示意图，其针对的是变截面构件；显示了监测截面和磁电传感元件的布置一个励磁线圈范围内布置多排磁电传感元件(简称E-MultiME)；
图9是用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第四种示例性纵向布置立体示意图采用多套磁场发生元件与磁电传感元件监测构件的多个截面(简称 Multi-EME)；
以下附图所示实施方式可以监测不同受力形式的构件应力
图10-1是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第一种截面布置示例性示意图，其为纵向剖切图，以轴向受力构件为例示出了磁力线分布和磁电传感元件布置及骨架分割形式；
图10-2是图8-1所示结构的横向剖切图；图11-1是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第二种截面布置示例性示意图，以单向受弯构件为例示出了磁力线分布和磁电传感元件布置及骨架分割形式，其为构件在绕X轴弯矩Mx 作用下的立体示意图11-2是图11-1所示结构，在绕X轴弯矩Mx作用下的横向剖切图； 图11-3是图11-1所示结构，在绕y轴弯矩My作用下的横向剖切图； 图12-1是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第三种截面布置示例性示意图，以双向受弯构件为例示出了磁力线分布和磁电传感元件布置及骨架分割形式，其为绕X、y轴双向弯矩Mxy作用下的立体示意图； 图12-2是图12-1所示结构，在Mxy作用下的横向剖切图13-1是用于图7-1、7-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的一种应用结构型式的示意图；其显示了采用一个励磁线圈范围内布置多排磁电传感元件(E-MultiME)，每排布置一个或多个磁电传感元件，用于监测受扭构件在扭矩Mz作用下的应力分布；
图13-2是用于图9所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的一种应用结构型式的示意图；其显示了在多个截面处各布置一套磁场发生元件与磁电传感元件(Multi-EME)用于监测受扭构件在扭矩Mz作用下的应力分布；
以下附图所示实施方式可以测不同截面形状构件的应力分布 图14是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第四种截面布置示例性示意图，示出了一种形式的圆形截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式，以及护套的设置；
图15-1是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第五种截面布置示例性示意图，示出了一种形式的矩形截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式；图15-2是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第五种截面布置示例性示意图，示出了另一种形式的矩形截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式；
图15-3是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第五种截面布置示例性示意图，示出了再一种形式的矩形截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式；
图16-1是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第六种截面布置示例性示意图，示出了一种形式的T截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式。图16-2是用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第六种截面布置示例性示意图，示出了另一种形式的T截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式。图16-3是用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第六种截面布置示例性示意图，示出了再一种形式的T截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式。图17是用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第七种截面布置示例性示意图，示出了不规则截面形状构件的磁电传感元件的布置及骨架分割形式。图18-1是用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的关于磁电传感元件与支撑骨架相对位置的第一种布置示例性示意图，其示出了磁电传感元件布置于支撑骨架内部的一种形式；
图18-2是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的关于磁电传感元件与支撑骨架相对位置的第二布置示例性示意图，其示出了磁电传感元件布置于支撑骨架外部，且位于支撑骨架外侧表面的一种形式；
图18-3是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的关于磁电传感元件与支撑骨架相对位置的第三种布置示例性示意图，其示出了磁电传感元件布置于支撑骨架外部，且位于支撑骨架内侧表面的一种形式；
图18-4是用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的关于磁电传感元件与支撑骨架相对位置的第四布置示例性示意图，其示出了磁电传感元件布置于支撑骨架外部，且位于被测构件表面的一种形式；
图19-la是用于图13-1所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式 (E-MultiME)的一种磁电传感元件布置于支撑骨架外部的示例性示意图，示出了矩形截面构件应力监测的磁电传感元件的布置图；19-lb为被测矩形截面构件在受扭矩Mz作用下的应力分布示意图19-2a是用于图13-1所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式 (E-MultiME)的一种磁电传感元件布置于支撑骨架内部的示例性示意图，示出了矩形截面构件应力监测的磁电传感元件的布置图；图19-2b为被测矩形截面构件的应力分布示意图20-1是用于图13-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式 (Multi-EME)的一种磁电传感元件布置于支撑骨架外部的示例性示意图，示出了矩形截面构件应力监测的磁电传感元件及支撑骨架的布置图20-2是用于图13-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式 (Multi-EME)的一种磁电传感元件布置于支撑骨架外部的示例性示意图，示出了矩形截面构件应力监测的磁电传感元件及支撑骨架的布置图21-1是轴向受力构件的外力与磁特征量Vst的对应关系图，示出了本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的一个试验结果。图21-2是受弯构件的外力与磁特征量Vst关系图；示出了本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的一个试验结果。
具体实施例方式图1示出了现有技术中已知的一种常规磁弹索力传感器的工作系统原理。常规磁弹索力传感器系统通常包括励磁线圈、次级线圈、支撑骨架、驱动电路、积分器、数据采集与处理模块，以及控制装置((如计算机)。在被测构件的周围套一个支撑骨架，在其上缠绕一个励磁线圈和一个次级线圈，当励磁线圈充电时会产生磁场，将构件磁化至近饱和状态，之后在退磁过程中由于穿过次级线圈的磁通量改变，会在次级线圈中产生感应信号，对感应信号进行积分得到可采集的电信号，通过数据分析与处理获得一个与构件磁导率相关的特征量；由于构件的磁导率与其所受的应力状态相关，利用上述特征量并根据实验室事先标定数据或构件安装时的现场标定数据，便可以由这个特征量换算得到构件应力。这种或类似的常规磁弹索力传感器在本领域是公知的。例如参见由孙志远等在 2008年8月21日提交的名称为“电磁感应式索力检测装置”的中国专利CN 201242481Y ； 由汪风泉等在2008年8月5日提交的名称为“一种索力振动检测方法及其检测设备”的中国专利CN 101334325A;由愈竹青等在2007年2月27日提交的名称为“斜拉索索力远程在线监测方法及设备”的中国专利CN 101051226A ；由孙作玉等在2006年8月8日提交的名称为“钢索拉力检测装置”的中国专利CN 101013056A ；由祝向永在2001年5月23日提交的名称为“一种在后张拉锚索体系中应用的压磁式索力传感器”的中国专利CN 24276011Y。 所有这些参考文献以参考的方式结合于此。图2示出了本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的示例性实施例。本发明的应力监测装置包括磁场发生元件、磁电传感元件、支撑骨架，以及控制调理仪。在本发明中，替换图1所示常规磁弹索力传感器中的次级线圈，采用磁电传感元件进行信号传感。它的定位基本上可以确保1)能产生与外力成单调关系的强烈输出信号(即良好的机、磁、电耦合和线性度);2)对外力的变化敏感；3)易于安装且稳固。磁场发生元件用来在控制调理仪控制下根据需要在所述磁电传感元件应用区域产生磁场，将铁磁材料构件磁化，由于被测构件在外力作用下磁特性会发生变化，引起构件及邻近区域磁场/磁感应强度的变化。磁场发生元件根据需要可以有多种形式。磁电传感元件，用于监测该磁场/磁感应强度的变化， 无需积分器直接产生表征磁场/磁感应强度的电信号V-。此信号经过控制调理仪分析、处理，输出最终信号一磁特征量Vst，所述最终信号一磁特征量Vst与构件所处的应力状态相对应，从而实现铁磁材料构件应力及外力的无损监测。图3-1、3-2、3_3分别以整体示意图、纵向剖切示意图、横向剖切示意图示出了图2 所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的一种示例性结构。其磁场发生元件采用励磁线圈34。。在铁磁材料构件31外面安装支撑骨架33，其外面缠绕励磁线圈34，磁电传感元件32a 和32b安置在支撑骨架33中。如同现有技术中所能理解的磁电传感元件32可以是一个或多个，其布置位置可以在支撑固件33的内部或外部；可以根据便于生产和安装的目的把支撑骨架33做成整体一块，或可拼装的二块或多块；励磁线圈34可以是一个，也可以是通过串联或并联连接的多个，所述励磁线圈34的信号源可选用交流信号或脉冲信号。图4-1、4-2、4_3以纵向剖切示意图的形式分别示出了图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的另一种示例性结构。其磁场发生元件采用永磁体43，通过轭铁42与被测构件41形成磁场回路。如同现有技术中所能理解的所述永磁体43可以是一个(43，见图 4-1)，也可以是二个(43a，43b，见图4-2)、三个(43a，43b，43c，见图4_3)或者更多个。图5-1、5-2、5_3以纵向剖切示意图的形式分别示出了图2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的再一种示例性结构。其磁场发生元件采用永磁体43与励磁线圈44相组合的方式。如同现有技术中所能理解的所述励磁线圈44可以是一个(44，见图5-1)，也可以是串联或并联的二个(4 ，44b，见图5-2)、三个(4 ，44b，Mc，见图5_3)或者更多个； 所述励磁线圈44的信号源可选用交流信号或脉冲信号。尽管图中所述永磁体43为一个， 但也可如同图4-1、4-2、4-3所示的一个、二个或多个。图6-1，6-6分别以立体示意图和正立面示意图示出了用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第一种示例性纵向布置采用单个监测截面。根据受力方式和磁力线分布布置磁电传感元件，以轴向受力构件52为例，显示了磁力线M及磁电传感元件51的轴向布置。优选地，磁电传感元件51布置于磁场最敏感的位置。如对于轴向拉压构件，磁力线M分布如图所示，磁电传感元件51应布置在励磁线圈的中间位置， 因为此处磁力线最为密集，磁场变化最大；当然也可布置在其它位置，但不如中间效果好。图7-1、7-2是分别以立体示意图和正立面示意图示出了用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第二种示例性纵向布置采用多个监测截面。对于这种或类似的轴向受力构件52，磁电传感元件51可以布置在多个截面51 a，51b，更好的监测沿构件截面的受力状况，对于轴向不变的力，可以取平均值计算，提高测量精度和可靠性。以两个截面为例，图7-1、7-2显示了磁力线M及磁电传感元件51的布置，当然可以推广到更多监测截面。图8是以立面示意图示出了图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第三种示例性纵向布置，其针对的是变截面构件61 ；显示了监测截面 (62、63、64)和磁电传感元件(6fe、65b、66a、66b、67a、67b)的布置，此布置方式为一个励磁线圈68范围内布置多排磁电传感元件(简称E-MultiME)。对于变截面或受力沿截面变化的构件，可以通过监测多个截面实现对构件受力情况的判断，对于非轴向受力(弯矩、扭矩等) 尤其对于扭矩的测量更具优势。图9以立体示意图示出了用于图3-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第四种示例性纵向布置采用多套磁场发生元件与磁电传感元件监测构件的多个截面(简称Multi-ΕΜΕ)；如图所示，在被测构件61的不同截面上分别布置了一套磁场发生元件和磁电传感元件(69，70)。尽管图9以等截面构件61为例示意。此种布置方式同样适用于变截面构件。对于变截面或受力沿截面变化的构件，可以通过监测多个截面实现对构件受力情况的判断，对于非轴向受力(弯矩、扭矩等)尤其对于扭矩的测量更具优势。
对于不同受力形式构件的应力监测采用如下的具体实施方式
。磁电传感元件由于可以体积小、质量轻等优点，占据很小的位置，可以测局部磁场 /磁感应强度，从而可测得局部应力，经过适当的应力组合，可以测不同形式的外力。如轴向拉压(失稳前，与常规磁弹索力传感器相同基本效果)，可布置一个磁电传感元件，也可布置多个取平均值，减小不均勻的影响；失稳后(类似于压弯)，磁弹索力传感器不能判别，弹磁磁电效应式(EME)传感器则能判别出来。图10-1和图10-2分别以立面图和横向剖切图示出了图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第一种示例性截面布置，以被测构件71受到轴向力F的作用为例，示出了磁力线75分布和至少一个磁电传感元件72布置及支撑骨架 73的分割形式；尽管所示支撑骨架73做成可拼装的两块(73a，7北)，可根据实际制作和安装的需要做成一块或多块。传感元件72也可根据需要布置一个或多个。图11-1、11_2、11-3分别以立体示意图和横向剖切图示出了用于图3-1、3-2、3_3 所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第二种示例性截面布置，以单向受弯构件为例示出了磁力线分布和磁电传感元件(83a，83b, 83c)布置及骨架(8 ，84b, 84c) 分割形式。图11-1所示为构件在绕X轴弯矩Mx作用下的立体示意图；图11-2所示为构件在绕X轴弯矩Mx作用下的横向剖切图；图11-3所示为构件在绕y轴弯矩My作用下的横向剖切图。尽管图中显示了三个电传感元件(83a，8;3b，83C)，对于单向弯矩作用情况，至少需要2个或以上磁电传感元件在优化布置下获得理想的监测结果。图12-1和12-2以立体示意图和横向剖切图示出了用于图3_1、3_2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第三种示例性截面布置，显示了构件在绕 X、y轴双向弯矩Mxy作用下磁力线分布和磁电传感元件(102a，102b，102c，102d)布置及骨架(103a, 103b, 103c, 104d)分割形式。尽管图中显示了四个电传感元件(102a，102b, 102c, 102d)，对于双向弯矩作用情况，至少需要三个或以上磁电传感元件在优化布置下获得理想的监测结果。图13-1以立体示意图示出了用于图7-1、7_2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的一种示例性应用结构型式(E-MultiME)，其显示了采用一个励磁线圈113范围内布置多排磁电传感元件，图中以二排为例；每排布置多个应力传感元件112a，112c, 112e及 112b，112d，112f，用于监测受扭构件111在扭矩Mz作用下的应力分布；
图13-2以立体示意图示出了用于图9所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的一种示例性应用结构型式(Multi-EME);其显示了在多个截面处各布置一套磁场发生元件116，117 与磁电传感元件114a，114b，114c及11 ，115b，115c用于监测受扭构件111在扭矩Mz作用下的应力分布；
类似地，对于其它受力形式的构件，可以根据受力特征进行磁电传感元件的布置和支撑骨架分割。对于不同截面形状的构件的应力监测，采用以下具体实施方式
。常规的磁弹索力传感器只能测轴向拉压构件，主要是索力，因为次级线圈只能测得缠绕线圈内的磁场的变化，次级线圈通常缠绕在圆柱形支撑骨架上，而且所测得受力是整个线圈内的平均受力情况。这就限制了在非圆柱形构件中的应用，如很多结构构件的截面型式圆形截面、矩形截面、L型截面、T型截面。而磁弹磁电效应式应力监测装置，通过将磁电传感元件布置在多个位置，可以测得这些形状构件的应力分布和受力情况。对于对称截面构件，可以对称布置；对于非对称截面构件，可以分散局部布置。可以根据具体构件的截面形状，装配磁弹磁电效应式应力监测装置。在实际实施中，应根据构件的截面形式和应力分布情况，确定磁电传感元件位置和数量。通常，需在截面转折处及应力分布特征点处(如最大应力点)布置磁电传感元件。图14中示出了用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第四种截面示例性截面布置，示出了一种形式的圆形截面形状构件121的磁电传感元件的布置及骨架分割形式，图示以一个磁电传感元件122和一个整体式支撑骨架为例，当然也可以采用多个磁电传感元件和多块支撑骨架拼装而成。图15-1、图15-2、图15-2各示出了用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第五种示例性截面布置，以矩形截面形状构件131，141，151 为例，示出了三种形式的的磁电传感元件132，142，152的布置及骨架133，143，153的分割形式。图16-1、图16-2、图13-2各示出了用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第六种示例性截面布置，以T形截面形状构件161，171，181 为例，示出了三种形式的的磁电传感元件162，172，182的布置及骨架163，173，183的分割形式。图17示出了用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式的第七种示例性截面布置，以不规则截面形状构件191为例，示出了磁电传感元件 192的布置及骨架193分割形式。关于磁电传感元件与支撑骨架的相对安装位置，按以下方案具体实施。图18-1示出了用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的磁电传感元件与支撑骨架的相对安装位置的第一种实例性布置方式，磁电传感元件
202布置于支撑骨架203a，203b的内部；
图18-2示出了用于图3-1、3-2、3-3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的磁电传感元件与支撑骨架的相对安装位置的第二种实例性布置方式，磁电传感元件 212布置于支撑骨架213a，213b的外部，且为支撑骨架213a，213b的外侧表面。图18-3示出了用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的磁电传感元件与支撑骨架的相对安装位置的第四种实例性布置方式，磁电传感元件
215布置于支撑骨架214a，214b的外部，且为支撑骨架214a，214b的内侧表面。图18-4示出了用于图3-1、3-2、3_3所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的磁电传感元件与支撑骨架的相对安装位置的第四种实例性布置方式，磁电传感元件
218布置于支撑骨架217a，217b的外部，且为被测构件219的表面。图19-la示出了用于图13_1所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式(E-MultiME)的一种磁电传感元件相对于支撑骨架的相对位置示例，以矩形截面构件221为例，磁电传感元件222a, 222b，222c，222d，222e, 222f布置于支撑骨架223外部； 19-lb示出了被测矩形截面构件221在受扭矩Mz作用下的应力分布。图19_2a示出了用于图13_1所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式(E-MultiME)的另一种磁电传感元件相对于支撑骨架的相对位置示例，以矩形截面构件221为例，磁电传感元件224a, 224b，224c, 224d，224e, 224f布置于支撑骨架223外部； 19-2b示出了被测矩形截面构件221在受扭矩Mz作用下的应力分布。图20-1示出了用于图13-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式 (Multi-EME)的一种磁电传感元件相对于支撑骨架的相对位置示例，以矩形截面构件231 为例，磁电传感元件233a，233b, 233c，231a，231b，231c布置于支撑骨架234，235的外部。图20-2是用于图13-2所示的磁弹磁电效应式应力监测装置的应用结构型式 (Multi-EME)的另一种磁电传感元件相对于支撑骨架的相对位置示例，以矩形截面构件231 为例，磁电传感元件237a，237b，237c，236a，236b, 236c布置于支撑骨架234，235的内部。图21-1中，以轴向受力构件为例，示出了本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的一个试验结果，由于截面均勻受力，由两个磁电传感元件S1, S2，输出的电信号经控制调理仪处理后得到结果相同，其外力F与磁特征量Vst的对应关系为单调关系，可以为线性、分段线性，或非线性。在实际应用中可以根据标定曲线或表格内插获得监测结果。图21-2中，以拉弯构件为例，显示了所受外力与磁特征量Vst关系图；示出了本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的一个试验结果。图21-2中，以拉弯组合受力构件为例，示出了本发明的磁弹磁电效应式应力监测装置的另一个试验结果。由于截面受力不均勻，由两个磁电传感元件S1, S2，输出的电信号经控制调理仪处理后得到结果不同，根据事先标定数据和所获得相应两个磁电传感元件S1, S2 的磁特征量Vst,可以确定构件的受力状态，包括弯矩M和轴力N。此外，本发明装置的磁场发生元件、磁电传感元件、支撑骨架、控制调理仪等各部件或其部分，或整个监测装置可以安装护套，也可以不安装护套。图33示例性的示出了对励磁线圈34外侧所设置的护套35。通过安装护套，可以屏蔽外界磁场，减少对内部磁场及信号的干扰；也可以对整个监测装置起到保护作用，减少外界破坏，延长使用寿命。本发明与现有技术相比，其显著优点是本应力监测装置，用磁电传感元件来代替需要信号积分的次级线圈作为信号检测元件，从而实现对可以对构件应力的实时监测(响应时间在毫秒量级)；大大减少了监测装置的尺寸和重量；所述磁电传感元件不需供电且成本低，大大简化了监测装置的构造，并降低了成本；通过这种磁电传感元件不同布置方式和组合方式实现对不同受力形式、不同截面形状构件的应力监测，突变了传统磁弹索力传感器只能监测单向拉伸等截面构件应力监测的局限性；实验数据稳定，重复性好，测量精度高，设备操作简单方便，可实现监测装置的自动运行，用于在线监测或离线检测；使用寿命长，应用范围广，可用于任何铁磁材料构件的应力监测。
权利要求
1.一种磁弹磁电效应式应力监测装置，用于铁磁材料构件的无损应力监测，具有磁场发生元件，磁场发生元件用来在控制调理仪控制下根据需要在所述铁磁材料构件应力监测区域产生磁场，将铁磁材料构件磁化；其特征在于所述应力监测装置还包括一个或多个磁电传感元件，可由磁电单相材料、磁电复合材料、磁电层合材料、霍尔元件等做成，无需外加电源供电，无需通过积分，直接产生表征所述磁场及其磁感应强度的电信号Vme ；一个或多个支撑骨架，用来设置所述磁场发生元件和固定所述磁电传感元件位置；控制调理仪，控制磁场发生元件产生磁场，并接收从磁电传感元件传来的电信号Vme，经信号调理后输出最终信号Vst，所述最终信号为与构件应力相对应的磁特征量，从而实现对铁磁材料构件在一种或多种受力组合下应力的实时监测。
2.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于所述磁场发生元件可以采用以下方式(a)励磁线圈，通过驱动电路在励磁线圈中产生励磁电流从而产生磁场；(b)通过永磁体产生磁场；(c)通过所述励磁线圈及永磁体两种方式组合产生所需的磁场；所述励磁线圈或永磁体的数量为一个或并联或串联连接的多个。
3.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于磁电传感元件根据被测铁磁材料构件及邻近区域的磁场分布情况，布置在支撑骨架上相应磁场最敏感的位置，也可布置在所测构件表面相应磁场最敏感的位置。
4.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于所述一个或多个磁电传感元件被布置在被测铁磁材料构件的一个或多个监测截面对应的支撑骨架位置或构件表面位置上。
5.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于在被测铁磁材料构件的同一监测截面相应的支撑骨架位置或构件表面位置上布置一个或多个磁电传感元件。
6.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于磁电传感元件被布置在支撑骨架的内部或外部，布置在支撑骨架外部时，可以是布置在骨架内表面、外表面、或构件表面。
7.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于所述支撑骨架是一个整体的支撑骨架或由几块拼接组装构成。
8.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于所述控制调理仪包括控制电路及数据采集处理设备，实现对磁场发生元件的控制和对磁电传感元件所产生信号Vme的数据采集和处理，以获得与构件应力相对应的磁特征量Vst。
9.根据权利要求2的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于励磁线圈的信号源选用交流信号或脉冲信号。
10.根据权利要求1的磁弹磁电效应式应力监测装置，其特征在于所述磁场发生元件、 磁电传感元件、支撑骨架、控制调理仪等各部件或其部分，或整个监测装置可以安装护套， 也可以不安装护套；护套可以屏蔽外界磁场，减少对内部磁场及信号的干扰，也可以对整个监测装置起到保护作用，减少外界破坏，延长使用寿命。
全文摘要
一种磁弹磁电效应式应力监测装置，用于铁磁材料构件应力的无损监测，具有磁场发生元件、磁电传感元件、支撑骨架和控制调理仪部分。磁场发生元件在控制调理仪控制下可以根据需要产生磁场，将铁磁材料构件磁化，磁电传感元件，无需供电，直接产生表征磁场或磁感应强度的电信号VME，经控制调理仪分析处理，输出相应于外力变化的磁特征量Vst，利用该磁特征量Vst与构件应力的对应关系，实现对铁磁材料构件的无损应力监测。支撑骨架用来设置磁场发生元件和固定磁电传感元件位置。该应力监测装置可实现对铁磁材料构件应力的在线、实时、无损监测，也可用于离线无损检测。
文档编号G01L1/12GK102519633SQ20111038937
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者张茹, 柯少荣, 樊可清, 段元锋, 赵阳 申请人:浙江大学