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【6h】

基于磁弹效应的钢缆索索力在线监测关键技术探索

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1绪论

1.1课题背景

1.2国内外索力监测技术研究概述

1.2.1油压表读数法

1.2.2压力传感器法

1.2.3振动法(频率法)

1.2.4磁弹效应法

1.3现有方法的优点及存在的问题

1.4课题研究意义及主要研究内容

1.4.1课题研究意义

1.4.2主要研究内容

1.5本章小结

2磁弹效应测试索力的原理及其模型建立

2.1引言

2.2磁弹效应测试索力的原理

2.2.1铁磁材料的磁滞回线与磁特性参数简介

2.2.2磁弹效应测试索力的基本原理

2.3磁弹效应模型建立及数值分析

2.3.1磁畴及影响磁畴结构的能量

2.3.2磁弹效应模型建立

2.3.3模型的方程组及其数值分析

2.4本章小结

3励磁电路与磁路设计

3.1引言

3.2励磁电路设计

3.2.1励磁源的选择

3.2.2交流励磁电路的设计与分析

3.2.3脉冲恒流励磁电路的设计与分析

3.3励磁磁路设计

3.3.1励磁磁路设计的总要求

3.3.2励磁磁路的设计准则

3.3.3磁路计算基本方程组

3.3.4套筒式磁路设计

3.3.5旁路励磁磁路设计

3.4本章小结

4磁弹效应的温度影响机理及其补偿技术

4.1引言

4.2磁弹效应的温度影响机理

4.2.1顺磁性朗之万理论

4.2.2铁磁性分子场理论(Weiss)

4.2.3布洛赫的自旋波理论

4.3温度误差的补偿技术

4.3.1温度误差曲线补偿法

4.3.2差动式温度补偿技术

4.4温度误差补偿实验研究

4.4.1实验条件

4.4.2温度补偿实验及数据处理

4.4.3实验结果

4.5本章小结

5钢缆索索力测试实验研究

5.1引言

5.2传感器的设计制造

5.2.1套筒式结构传感器的设计制造

5.2.2旁路励磁传感器的设计制造

5.2.3差动式结构传感器的设计制造

5.3实验平台的搭建

5.3.1实验方案设计

5.3.2实验装置及设备

5.4拉力实验研究

5.4.1拉力实验

5.4.2数据处理

5.4.3实验结果

5.5索力监测

5.6本章小结

6总结和展望

6.1全文总结

6.2论文的创新性

6.3进一步的工作

致谢

参考文献

附录

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摘要

钢缆索由于具有柔性大、强度高和频率低等突出优点,现已广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构与牵引机械等领域。在线监测缆索应力,动态掌握应力的变化规律,是保证钢缆索结构安全运行的重要手段。作为钢缆索结构健康状态评估的重要指标----索力的在线监测是公认的世界级难题,传统的压力传感器和振动法都有其固有的缺点,难以满足缆索应力的在线检测要求。基于磁弹效应的索力测试技术由于具有测量精度高、动态响应好、使用寿命长,能全天候检测等突出优点,已成为国外研究的热点,目前已经有用于现场的实际例子,但没有很好的解决现场安装和温度补偿等关键难题,且受知识产权和技术保密的限制。但是,该方法的理论体系并未成熟,许多关键技术还未解决,在没有任何技术资料可参考的情况下,探索磁弹效应法监测索力过程中的理论模型、磁路结构设计及磁场强度的选取、温度补偿等关键技术具有重要的科学意义和应用价值。 本文在综述国内外索力测试的各种方法的基础上,提出了基于磁弹效应的差动式单旁路励磁磁路结构的索力传感器,进行了励磁电路与磁路设计,搭建了试验平台,系统地做了拉力和温度实验。具体的研究内容如下: ①通过分析钢缆索索力测试方法的研究现状,指出了目前索力测试方法存在的问题,提出了本论文的研究工作要点。 ②对磁弹效应法监测索力的原理进行了研究,从磁畴结构的能量入手,利用能量守恒定律和热力学平衡条件对磁弹效应的模型进行了建立,并进行数值分析。 ③设计了两种励磁电路和四种不同结构的励磁磁路,针对磁路结构在实际应用中存在安装和维护特别困难等突出缺点,提出了旁路励磁的磁路结构,在钢缆索磁化特性曲线未知的情况下,提出了励磁磁路的最优磁场强度选取原理和磁路设计方法。 ④全面系统地探索了温度对磁弹效应的影响机理,在温度补偿曲线法很难达到在线监测要求的情况下,提出了差动式温度自动补偿原理,并设计了温度自动补偿结构,在空载、温度范围为-30℃~+80℃和不同恒载、温度范围为室温(14.5℃)~+80℃的条件下分别做了温度影响实验。实验表明:温度误差的自动补偿方法是可行的,补偿后的温度影响影响波动量小于2.5%。 ⑤设计制造了套筒式、旁路励磁结构和差动式的索力传感器,搭建了实验平台,设计了正弦交流励磁和脉冲恒流励磁两套实验方案,在0kN~20kN的拉力试验机上对直径为 12mm 的钢缆索用四种不同结构的索力传感器做了大量的拉力实验。实验结果对比表明:差动式结构的索力传感器综合性能最好,不仅解决温度补偿和现场安装的关键难题,且重复性误差小于1.5%。最后,总结了全文研究工作和创新之处,指出了论文的不足及近期有待深入研究的问题。

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