基于逆磁致伸縮測量索力的綜述

夏益

（重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074）

1 背景及意義

鋼纜索具有承力多、質(zhì)量小、尺寸緊湊、柔性好等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于橋梁、鐵塔等各種民用基礎(chǔ)設(shè)施及工程機(jī)械等大型設(shè)備中[1]。因此斜拉索的張力必須精確地測量。但是由于鋼纜索在這些設(shè)施和設(shè)備中都是承力的關(guān)鍵,因此一旦由于過載，腐蝕，風(fēng)化或是本身的失效，衰退而產(chǎn)生斷裂,將可能造成難以估量的后果，所以研究（逆）磁致伸縮測量鋼纜索的索力與在測量過程中的影響因素具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)意義。

2 鋼纜索索力測量研究狀況

2.1 方法綜述

2.1.1 壓力表法

壓力表法是用千斤頂張拉斜拉索時(shí)，通過精密的壓力表進(jìn)行測丁油缸的液壓從中求的索力。這種方法簡單易行，讀數(shù)簡單，是測量索力最有效的方法，但是由于壓力表自身的一些特性或是人為讀數(shù)的偏差比較大，張拉用千斤頂比較笨重，測一根索力費(fèi)時(shí)較長，因此在現(xiàn)實(shí)生活中很少用于測量鋼纜索的索力。

2.1.2 壓力傳感器法

壓力傳感器法是在橋索固定錨頭與橋體混泥土之間加上墊板與承壓環(huán)，橋索所有的壓力就都會(huì)受在承壓環(huán)上，承壓環(huán)產(chǎn)生形變，根據(jù)形變算出鋼纜索的索力。它還可用于光纖應(yīng)變傳感器，它雖能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，且結(jié)構(gòu)好，靈敏度高，可對(duì)于已安裝好的錨索就不能使用，使用范圍太過狹小

2.1.3 振動(dòng)頻率法

振動(dòng)頻率法是利用斜拉索索力與頻率的關(guān)系來測定索力，其簡單、快速、經(jīng)濟(jì)性。在測量過程中由于要受橋面的坡度與一些外界條件的制約例如阻尼墊、溫度、環(huán)境振動(dòng)、拾振器安裝位置的影響造成所測試結(jié)果不一致，而且測試過程中的信號(hào)不好處理，模型構(gòu)造復(fù)雜。所以，在現(xiàn)實(shí)中，運(yùn)用較少。

2.1.4 逆磁致伸縮效應(yīng)法

逆磁致伸縮效應(yīng)法來測量鋼纜索索力基于逆磁致伸縮效應(yīng)的現(xiàn)象可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能完成了索力測量原理推導(dǎo)，通過輸出感應(yīng)電壓積分可求得索力，由磁彈效應(yīng)原理得出鋼索受到的拉力(在彈性應(yīng)變條件下)與其磁導(dǎo)率成正比求出鋼纜索的索力[2]。

2.2 逆磁致伸縮測量索力

2.2.1 逆磁致伸縮含義

所謂磁致伸縮是鐵磁物質(zhì)(磁性材料）由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化。磁化強(qiáng)度變化引起的磁性材料的張力變化。磁化強(qiáng)度(磁化力或剩磁)與外加應(yīng)力之間的關(guān)系稱為逆磁致伸縮或壓磁性

2.2.2 逆磁致伸縮測量索力的原理

當(dāng)向超磁致伸縮材料施加壓力時(shí)，它的磁特性（磁導(dǎo)率）發(fā)生變化，因而磁結(jié)構(gòu)中的磁場分布就要發(fā)生變化，根據(jù)此變化即可確認(rèn)出施加壓力的大小。如果測定的應(yīng)力是靜態(tài)力，則可通過在磁結(jié)構(gòu)的某空氣間隙處安裝霍爾元件檢測該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。如果測定的應(yīng)力是動(dòng)態(tài)力，則可在磁結(jié)構(gòu)的某處繞上感應(yīng)線圈取得檢測信號(hào)，得知施加的壓力。

2.2.3 逆磁致伸縮測量索力的應(yīng)用

由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，這種材料可將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能，相反也可以將機(jī)械能。轉(zhuǎn)換成電磁能，它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。利用（逆）磁致伸縮測量索力制成逆磁致伸縮索力傳感器，可以隨時(shí)隨地精確的監(jiān)測鋼纜索索力的大小。

3 國內(nèi)外逆磁致伸縮效應(yīng)法測量索力的發(fā)展動(dòng)向

3.1 國外

目前這種方法的國外研究主要集中在捷克斯洛伐克、日本和美國的部分研究機(jī)構(gòu)里，主要代表人物有美國University of Illinois at Chicago(芝加哥伊利諾斯州大學(xué)) 的Ming L.Wang，捷克斯洛伐克的Dynamag公司，日本的S. Hansen, L. Rissing,and H. H. Gatzen相關(guān)研究人員。從他們研究上看，主要研究的還是以套筒式磁路結(jié)構(gòu)為主磁致伸縮的索力傳感器[3]。

3.2 國內(nèi)

國內(nèi)對(duì)逆磁致伸縮索力傳感器及測量方法的研究、應(yīng)用相關(guān)單位主要集中在浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國地震局工程力學(xué)研究所、柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司以及重慶大學(xué)，重慶交通大學(xué)。都是在他們自己前期研究的基礎(chǔ)上,對(duì)套筒式索力傳感器進(jìn)行了初步工程應(yīng)用與測試研究，對(duì)逆磁致伸縮傳感模型與鋼纜索索力傳感物理方程的建立以及傳感器模型及原理研究等方面也只是取得了一些初步的研究成果[4]。

4 結(jié)語

逆磁致伸縮效應(yīng)法克服了壓力表法、壓力傳感器法、振動(dòng)頻率法所帶來的一系列缺點(diǎn)，還可以測試鋼索的腐蝕狀況，是鋼索健康監(jiān)測最具潛力的最新方法。這也為后續(xù)研究測量索力傳感器的測量方法有了很好的總結(jié)。

[1] 戒躁，鐘繼衛(wèi)，王波.大跨橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成及其進(jìn)展[J] .湖北：橋梁建設(shè)，2009年增刊2.

[2] 孫志遠(yuǎn).基于磁彈效應(yīng)的索力傳感器的研究[J] .黑龍江：地震工程與工程振動(dòng)，2008（28）1.

[3] M L Wang.Long term health monitoring of post-tensioning box girder bridges[J] .smart structures and Systems.2008.

[4] 唐德東.基于磁彈效應(yīng)的斜拉橋索力傳感器研究[J].重慶：傳感器與微系統(tǒng)，2006（10）.