[发明专利]磁弹磁电效应式应力监测装置

说明书

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V_ME；