第37卷第2期结构工程师Vol. 37，No. 2 2021 年4 月Structural Engineers A pr. 2021减温减压装置技术要求
胡孝阳1段元锋魏巍1段元昌2
(丨.浙江大学建筑工程学院，杭州310058; 2.杭州健而控科技有限公司，杭州310000)波速测试仪
摘要作为国内新型建筑结构材料，高钒索以其索体结构紧凑、抗腐蚀性强、施工方便等优点，已在土 木工程领域得到了快速应用。在桥梁结构中，高钒索往往用作索承桥梁的主要承重构件，例如悬索桥主 缆，其受力状况和工作状态通常会直接影响索承桥在施工和使用阶段的安全性能。因此，精确监测高钒 索的工作索力，对桥梁结构安全状态的评估具有至关重要的意义。传统的索力测量方法，包括光纤光栅 法、振弦式应变法、振动频率法等，均存在各种程度的缺陷。本文基于磁弹效应和磁电原理，研发了电磁 弹传感器以实现对4)80 m m高钒索的索力监测。试验研究和工程应用表明，该电磁弹传感器具有较好 的稳定性和环境适用性，可以实现对高钒索的长期、无损、高精度应力监测，测量误差不大于2%。 关键词高机索，电磁弹传感器，索力监测
Development and Application of Elasto-Magneto-Electric (EME) Sensor for Force Monitoring of Galfan Cables
HU Xiaoyang1DU A N Yuanfeng1*WEI Wei1DUAN Yuanchang2
(1 .College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University, Hangzhou 310058, China ；
2.Monitoring and Control Hangzhou Co. Ltd. Hangzhou, Hangzhou 310030, China)
Abstract As a new type of structural material for buildings in China, the Galfan cable has been widely used in civil engineering because of its compact structure, high corrosion resistance, and convenience for construction.Mainly working as the main load-bearing component of the the bridge structure, such as the main cable in the suspension bridge, the stress condition and the working state of the Galfan cable directly affect the bridge safety performance during construction and service period. Therefore, the accurate cable force monitoring plays a significant role in the assessment of the safety status of bridge structures.The traditional force measurement methods, including FBG method, vibrating wire strain method , vil>ration frequency method, etc, have various defects for force measurement of Galfan cable. Based on the magnetoelastic effect and magnetoelectric principle, this paper developed an elasto-magneto-rehological (EME) sensor to realize the cable force monitoring of the 小80 mm Galfan cable. The experimental investigation and the engineering application show that the EME sensor has good stability and environmental applicab
ility, which can realize long-term, non-destructive and high-precision stress monitoring of Galfan cables with a measurement error of no more than 2%.
Keywords Galfan cables, elasto-magneto-electric sensors, cable force monitoring
收稿日期：2020-02-24
基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1709216,51522811,50908202)
联系作者：段兀锋，K-mail:****************
•结构分析•
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〇引言
随着科技水平的进步，桥梁结构逐步向大跨 缆索体系发展。其中钢缆索作为索承体系桥梁的 核心受力构件，其应力状态会直接对桥梁结构的 安全使用产生重大影响。作为国内外公路交通最 为重要的组成部分，桥梁的安全事故会对国家造 成极大的经济损失和严重的社会影响。因此，有 效实现对钢缆索索力监(检)测一直是桥梁健康监 测系统的重要任务之一。
传统的索力测量方法，一般是通过获取外加 应力引起的结构某种物理量的变化，间接计算应 力的大小，具有一•定的适用性，但均存在各种程度 的缺陷：
(1)
电阻应变片测定法1，其原理在于外加力
会导致应变片长度和电阻值发生改变，通过电阻 值的变化反算结构所受应力。其优势在于可以通 过电桥电路抑制温度漂移，产品种类较多，测量方 式简单，操作灵活。其缺点在于，电阻应变片在使 用的过程中需要使用黏结剂，黏结剂的性能会直
接影响测量精度，且难以确定应力绝对值。
(2) 振动频率法2 ，是通过加速度传感器测量母鸡接鸡蛋
拉索振动频率，再通过理论分析或实验曲线来换 算实际索力。该方法具有安装简单、可重复使用 等优点，但计算结果容易受到边界条件、弯曲刚 度、减振装置等影响，精度较低。
(3)
光纤光栅(FBG )测定法3，原理在于通过
测量光纤光栅波长的变化反算结构所受外力的变 化。由于依靠光作为敏感信息的载体，光纤光栅 传感器具有电绝缘性好、传输损耗小、安全可靠、 抗电磁干扰性强、耐腐蚀性、化学性能稳定、可实 现多点分布式测量等优点。但光纤传感器极易损 坏，且需与解调仪配合使用，故成本较高，且只能 测量应变，需要进一步计算确定索力，由于温度等
因素影响，难以获得绝对索力。(4) 振弦式应变法4，原理在于钢弦在不同的 拉力下会具有不同的自振频率，通过确定构件的 自振频率可反算被测构件应力大小。缺点在于永 久安装存在困难，难以实现绝对索力监测。
长期研究表明，钢拉索等铁磁材料在实际使 用过程中，当其材料特性或受力状态发生变化时， 材料内部的磁畴结构会发生改变，从而会表现不
同的磁特性。利用对磁特性的测量，可以实现对
钢索的无损索力测量。针对基于磁弹效应的研究 最早由捷克斯洛伐克（Czechoslovakia )的夸美纽 斯大学的Kvasnica 等学者开展，主要研究了铁磁 材料的磁特性与外应力、温度的关系:5]；之后日本 的Sumitro S 以明石海峡大桥为例，对比多种索力 监测方法，并指出基于磁弹效应的应力监测法的 独特优势6 ；近些年来，国内同济大学逯彦秋等7， 也进行了磁通量传感器的相关研究。然而，磁通
M 传感器采用副线圆作为检测元件，其绕线复杂， 感应电压较弱，限制其测量精度和1：程使用。浙江 大学的段元锋教授闭队8141提出使用一种新型磁电 层合材料（Terfenol -D /PMN -PT /Terfenol -D ，TD /
PMNTTTD )代替副线圈，研发出一种电磁弹传感 器（EME sensor )。研究表明，与传统磁通量传感
器相比，磁电磁弹效应式应力传感器体积更小、磁 电响应速度更快、测量精度更高。作为国内新型钢缆索材料，高钒索索体由多 层钢丝旋钮而成，钢丝表面镀锌铝合金镀层，具有 抗腐蚀性高、防火性能强、无须PE 覆盖从而施工 方便、耐久性好、美观性好等优点[|5〜，已在众多
空间结构中得到运用，例如，武汉市宏图大道站下 沉广场上盖预应力弦支单层网壳％。同时，作为 索承桥主要承重构件，如悬索桥主缆，近年来高钒 索同样在桥梁领域得以应用。目前为止，电磁弹 传感器仅在钢绞线、高强钢丝、平行钢丝拉索、钢 绞线吊杆—等材料中有了应用，还未实现针对
高钒索的索力监测，因此本文主要针对高钒索，研 发电磁弹传感器，通过试验研究传感器测量稳定 性和测量精度，并将其运用到实际工程中。
1电磁弹传感器工作原理
1.1磁弹效应
根据磁畴原理22，当铁磁材料(如钢索)受到 外荷载作用时，其内部会产生应变，同时材料内部
磁畴会发生位移和转动，从而导致材料磁特性(例 如导磁率)发生变化。因此通过量化铁磁材料的 磁特性值变化，即可评定被测构件的内力。由基 本理论公式：
3 人 Ms
,
H - H = - c r sin 6… cos ^〇 (1)
式中:A S 为磁致伸缩系数;<7为所受应力；久为应力
按摩锤
Structural Engineers Vol. 37, No. 2
• 80 •Structural Analysis
将关系式写入上位机实现索力监测
方向与磁化轴的夹角；&为单轴各向异性常数; 为饱和磁化强度;//为磁场强度;//是磁导率。 在式（1)中，当构件受力方向固定（如轴心受 拉），磁场强度达到饱和值时,0。为固定值乂可由经验公式[23]:
(4Ms2f
(2)
i = 0
式中,y ,.表本应力方向。
结合式（1 )、式(2)可以看出，应力tr 和磁特征 值//存在一定的比例关系。这样可以通过分析磁 特性预测应力值，作为电磁弹传感器的研究基础。1.2智能磁电传感元件
磁电层合材料是基于磁致伸缩材料和压电材 料的乘积效应进行工作[14]。其工作原理在于：磁 致伸缩材料在磁场中会产生应变，应变通过黏结 作用传递给压电材料，压电材料受力产生电场，最 后通过电路采集电信号，即可通过电信号反算磁 场信号，实现电磁转换。本次电磁弹传感器采用 智能磁电传感元件是由Terfenol -D /PMN-PT /
Terfenol-D 三种材料层合而成，具有电磁转换效率 高、磁电响应速度快、体积小等优点。1.3电磁弹传感器监测系统
电磁弹传感器在实际监测过程中，需配合相 应设备和软件组成测量系统，设备硬件主要包括 上位机电脑、电磁弹传感器、磁弹仪和多通道采集 箱，其中控制程序存储于上位机电脑中，磁弹仪主 要包括数据处理模块，多通道采集箱实现一台磁 弹仪对应多个传感器，可以大大减少实际工程中 磁弹仪的数量，降低成本。系统工作流程在于(图1)：首先将被测钢构件穿过电磁弹传感器；然后通 过软件控制电路在主线圈中产生脉冲电流信号， 智能磁电传感元件同步产生电压信号；之后采集 模块会收集电流电压信号，并进行数据处理，得到 磁特征值与索力的关系；最后程序将关系曲线输 入上位机软件中，即可实现索力监测。
2电磁弹传感器结构设计
电磁弹传感器的结构（图2)，传感器内部为
待测钢构件，之后从内到外依次是骨架、磁电传感 元件、主线圈和保护层，其余空隙为真空。具体参
电压信号
图1电磁弹传感器监测系统工作原理图 Fig . 1 Working principle of EME sensory system
数尺寸如表l 所示。
表1 Table
待测钢构件 脅架
智能磁电材料 主线圈-保护层 真空间隙
图2
电磁弹传感器横断面图
Fig .2 Cross-section of EME sensor
电磁弹传感器参数尺寸 Size of EME sensor
参数厚度(直径)/mm
长度/mm
被测钢构件801 000绝缘骨架5320主线圈10.4270保护层
5
320
3实验室标定
本次实验室标定采用直径为80 mm 的高钒索
(图3)，与后文中工程现场所用拉索相同。索力 理论破断力6 390 kN ，有效面积4 379 m m 2，弹性 模量（1.6±0.1)x l 〇5 N /m m 2，设计索力在 1 500 kN 左右。为了验证该传感器的可行性和稳定性，在
实验室中针对80 m m 的高钒索做了全面试验。试 验所用标定系统如图4所示：在拉索制作阶段就 预先将电磁弹传感器布置在拉索中间；之后将拉 索固定在加载架上，连接好电磁弹传感器整套测 量设备；最后驱动电路激励初级线圈，通过NI 数 据采集（D A Q )设备（U SB -621I )收集相关电压和 电流信号；最后利用温箱控制标定过程的温度，以 消除温度变化带来的影响。
试验过程包括：在四个不同的温度（2丈，
主线圈
词电传感元1(牛数据处理模
块
•结构分析•• 81 •
结构工程师第37卷第2期
图3高钒索索体截面
Fig.3 Cross-section of Galfan cable
图4传感器标定系统
Fig.4 calibration equipments for E M E sensor
•v=-0.16:^+410.99.V-263 898.19
探针测试
1 2jt +325. 15x-213 478.31 ^=-0.09^+255.68^-17
2 187.52 ,v=-〇.〇8^+255.53x-154 785.04
磁特征值
图5
高钒索温度标定曲线
Fig.5 Calibration curves of E M E sensors in different
temperature
18丈，35丈，50丈）下，该标定试验加载荷载范围 为800~1 800kN ，加载步长200kN ，每级荷载保持 10 min ，进行5次测量，并对结果取平均值。经过 数据处理后，确定最终磁特征参数。图5显示了 在四种不同温度下的标定曲线，可以发现磁特性 参数随着外荷载呈现单调增加的趋势，对结果进
行曲线拟合，可以得到四个不同温度下的二次标 定方程，这里用评价拟合好坏的指标/?2判断曲线 拟合程度：
1>,D 2
^2 = 1- —--------
(2)
亨润成型机炮筒公司
i =\
式中为实际测得的值；K 为拟合曲线计算出来 的值5为y ，的均值。
经计算，各曲线拟合系数达到圮=0.999。最 大相对误差小于2%。可以得出结论：针对高钒 索的电磁弹传感器所得到的磁特征值与索力值的 相关性明显；标定后测量值与张拉力吻合度良好， 传感器测量精度高，满足工程要求。
4工程应用
之后成功将该电磁弹传感器应用于福建省某
悬索桥，主跨70.5 m 。悬索桥主缆一段锚固在主 梁上，一
段与背索相连锚固在地锚上。主梁采用
扁平钢箱梁结构，桥塔采用梭形造型，高20.35 m ，
主缆背索均采用直径80 mm 的高钒索，与上文实 验室标定所用索相同。图6为电磁弹传感器现场 安装
的位置，其中图6(a )为整体示意图，可以看 出传感器在主缆靠近锚头的地方；图6(b )是传感 器的细部实物图，可以看出传感器外表面都会有 喷漆处理，目的是为了防止镑蚀等因素影响传感 器的使用寿命。
5结论
高钒索作为国内新型钢缆索材料，已经在土
木工程领域备受关注和推广，而传统的钢索的索
力监测方法也难以适应现代桥梁运行结构安全监 测需求。本文研发的针对高钒索的电磁弹传感器 和相应测量系统，能够实现采集信息的自动化和 对在役拉索的长效监测，为保障桥梁结构的安全 运营提供基础数据。本文从磁弹效应和磁电材料 的基本原理出发，研发电磁弹传感器，通过实验室 标定对电磁弹传感器的精度进行了验证，并最终 将传感器运用到实际工程项目中。可以得出如下 结论：
(1)实验室试验证明，
该电磁弹传感器所得
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(b)局部放大图
图6电磁弹传感器现场安装位置
Fig.6 On-site location of E M E sensors
到的磁特征值与索力值的相关性明显；测量值与 张拉力吻合度良好，传感器测M精度较大，最大测 量误差小于2%。
(2)该电磁弹传感器成功运用到实际工程, 说明该电磁弹传感器的可靠性，可用于索力长期 监测。未来阶段在得到实桥的长期数据后，将会 进一步对数据进行统计分析。
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