磁通量传感器在铠装拖缆拉力检测中的研究

郭磊磊 郝浩奇 吴鹏程 李奇峰 陈小星 洪有财

（第七一五研究所，杭州，310023）

磁通量传感器应力检测法是一种比较前沿测量方法，由美国伊利偌州大学将该技术工程化，正式转化为产品投入使用，2004年引入国内，目前在桥梁应力测量方面很快推广，并在其适用范围内逐渐取代了振动频率法、压力传感器法及应变检测法。磁通量传感器应力检测法是利用铁磁性材料的磁弹性效应，通过测量磁导率的变化，检测铁磁性材料的张力[1]。该方式可以作为无损、非接触性测量方法，目前多用于桥梁斜拉索、吊杆等的内力检测及预应力筋的施工监工，并长期用于桥梁的安全监测[2]。而国内外关于该种传感器在铠装拖缆拖曳过程中的应用尚未发现。

铠装拖缆是海上拖曳过程中运用最多的一种拖缆。该拖缆（以下简称铠装）是由外层钢丝和内部电缆构成，外部钢丝承载载荷，内部电缆供电并传输信号，拖曳过程中通过收放来控制水下拖曳系统的深度。为确保拖曳系统的安全性，需对铠装的承载载荷进行不间断地监测。在保证精度的前提下，传统的拉力测量方法（如振动频率法、压力传感器检测法和应变片检测法等）很难将拉力传感器直接有效地固定在合适的位置进行检测。

磁通量传感器具有以下技术优势：结实耐用，适合长期监测；直接套在构件外使用，为非接触式测量，不破坏原保护层；构件为传感器的一部分，直接测量构件状态；测量量程为构件的整个弹性阶段，过载能力强；防潮耐水性好，可用于水下测量；可施工性强，工厂制作或现场绕制均可；测量精度高，受温度影响小。而铠装只需要穿过磁通量传感器中心孔，可以实现任何位置的非接触式测量。本文探讨磁通量传感器在铠装拖缆拉力检测中的测量方法及精度等问题。

1 测量原理

磁导率的大小随介质的性质而异，一般按其磁性能分为铁磁性物质和非铁磁性物质。前者如铁、钢、钴、镍等，它们的磁导率是真空磁导率的几千至上万倍，并且和磁场强度有关，不是一个常数。后者如空气、铜、铝和绝缘材料等，它们的磁导率和真空磁导率相差无几，一般都当作真空磁导率μ0。图1中的复合缆由铠装钢丝、绝缘护套、铜导线、绝缘填充物组成。铠装钢丝按铁的磁导率处理，其它都等同于真空磁导率[2]。在饱和磁化状态下，复合缆各组成部分磁导率均可作为常数处理。该复合缆有两种工作状态：铜导线通电和非通电。下面这两种状态的拉力检测原理进行分析。

图1 复合缆结构图

1.1 基本原理

铁磁性材料的主要特征之一就是外磁场作用下能被强烈磁化，磁导率很高，即在不强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度。当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应力或应变，相应地引起磁化强度发生改变，即产生磁弹效应。铠装的磁感应强度B（磁通量密度）和磁场强度H之间的关系如下：

由（2）和（3）式可得

式中，μ是介质的磁导率（和材料属性有关），ΔB是铠装受力前后铁磁性材料磁感应强度（即磁通量密度）的变化量，Sλ是铠装磁化磁滞伸缩常数，Δσ为铠装应力变化量，0θ是铠装磁场与易磁化轴的夹角（与传感器放置于铠装钢丝的位置有关），MS为磁饱和强度，Kμ为单轴磁各向异性常数。F为检测的拉力，F0为初始拉力（也是最小检测拉力），Sf为被测铠装拖缆钢丝的面积。由式（4）可知，检测的拉力F与磁导率Δμ成正比，因此通过测量磁导率的变化即能测出拉力值。

1.2 测量实现原理

测量共分为校准阶段和测试阶段，其程序框图见图 2、图 3。具体测量时一般采用两个线圈：初级线圈（激励线圈）和次级线圈（测量线圈），见图 4。磁通量传感器的结构见图 5。将被测的铠装电缆作为线圈的铁芯，在激励线圈上加脉冲电压（电压始终为正值），就会产生一个强度为H的脉冲磁场。此时被测材料产生对应的磁通量密度B，由两部分组成：（1）初级线圈（螺旋管）的磁力线，理想情况下垂直于拖缆截面；（2）铠装电缆内部导线通电时可看做载流长直导线，其磁力线理想情况下环绕于拖缆内部导线一周并平行于拖缆截面，如图6所示。

图2 校准阶段程序框图

图3 测量阶段程序框图

图4 CCTR传感器工作示意图

图5 磁通量传感器的结构简图

图6 载流长直导线和通电螺线管的磁力线

虽然总磁通量密度B是初级线圈（螺旋管）的磁通量密度B1和载流直导线磁通量密度B2的矢量和，但载流长直导线产生的磁力线平行于次级线圈截面（几乎不穿过次级线圈），与感应线圈产生的磁感面垂直，因此次级线圈所产生的感应电压几乎全部由经初级线圈磁化复合缆产生的磁感应强度引起的。载流长直导线的通电与否对磁通量的检测影响并不大，磁通量为总磁通量密度B与总面积S0点积，可得：

因此可认为通电与否对拉力检测不造成影响。

初始线圈产生的磁通量Φ为：

式中，N初为初始线圈匝数，i为激励电流信号，S0铠装电缆截面积，l为磁路长度，μ为钢丝的磁导率，μ空和Sμ空分别是空气的磁导率和空气的面积（其中铜、绝缘材料均视作空气），Sf是钢丝的实际截面积（Sμ空和Sf之和为S0）。反复的激励使铠装电缆达到磁化饱和状态。

根据法拉第电磁感应定律，次级线圈中产生的感应电动势为：

总的磁通量等于空气磁通量与铠装钢丝磁通量之和[3]。

式中，N初为初始线圈匝数，N为次级线圈匝数。

如果将感应电压对时间进行积分，所得到对时间进行平均的输出电压是：

式中，ΔH和ΔB分别是磁场强度和磁通量密度在时间间隔（T=t2-t1）中所发生地变化。T为 RC电路积分常数。

如果线圈匝数较多且排列紧密，则可以认为铠装钢丝和空气各自内部磁场几乎是均匀的[4]。其中空气磁导率相对钢丝磁导率极低，因此式（8）可以简化为：

磁通量传感器未加铠装电缆，输出电压随时间变化为[3]：

由式（11）可得

由式（1）、（2）、（12）可得：

两边积分可得：

式（13）中，除ΔVout和ΔF外，其它参数均由铠装本身的属性和初始设定值决定。由于相互感应，在测量线圈中产生脉冲磁场，进而在测量线圈中产生感应电压。通过输出电压ΔVout和ΔF进行标定时，取若干个点对两者拟合成曲线，从而实现拉力的测量。

2 试验验证

取欧维姆 CCT80J(直径 80 mm)磁通量传感器在重装拖缆上现场测试。试验分以下几步进行：（1）传感器与标准拉力机取点标定；（2）根据上次的取点，验证数据的重复性；（3）随机抽取数据，并于标准试验机数据对比，测量传感器的误差；（4）将传感器移动到不同的位置重新随机抽取数据，对测量误差再次测量。

2.1 传感器的标定

在标准拉力试验机上按照表1标准载荷取点，CCT80J传感器测试温度12℃，同时根据输出电压积分值求出不同载荷下的相对磁导率。并根据相对磁导率和标准载荷拟合成三次曲线，即标定后曲线：

式中F为测量力值，单位kN；x为相对磁导率的变化。

表1 传感器输入参数及输出参数值

图7 相对磁导率与力值拟合的三次曲线

2.2 传感器重复性测量

按照标准载荷进行试拉，再次根据输出电压积分值求出不同载荷下的相对磁导率，并根据相对磁导率和标准载荷拟合成三次曲线，然后与2.1节中CCT80J传感器标定曲线进行比对。经测量该磁通量传感器的满量程偏差在0.6%以内。从图8中可以看出两曲线具有很好的一致性。

表2 重复性测量传感器标准载荷下的误差

图8 重复性测量载荷曲线和原标定载荷曲线对比

2.3 铠装通电测量

分别按照随机标准载荷进行试拉，选中一根导线并用2 500 V摇表不断通电，得到数据与2.1节中CCT80J传感器标定曲线进行对比，经测量该磁通量传感器的满量程偏差在0.6%以内。

表3 随机抽取测量数据的误差

2.4 抽取数据误差测量

分别按照随机标准载荷进行试拉，然后与 2.1中原CCT80J传感器标定曲线进行对比，经测量该磁通量传感器的满量程偏差在0.6%以内。

表4 随机抽取测量数据的误差

2.5 移动传感器数据误差测量

将传感器由原位置分别移动至位置A和位置B然后进行误差测量，测量结果见表 5、表 6。数据显示最大满量程误差分别为-1.2%和1.0%，仍能满足测量要求。位置A的满量程误差整体为负，位置B的满量程误差整体为正，分析原因是由于 A、B位置及原位置截面积不同造成的。

表5 将传感器正方向移动1 m后测量结果

表6 将传感器反方向移动0.5 m后测量结果

图9 传感器所处不同位置A、B分别测量示意图

3 结论

基于磁弹效应的磁通量传感器在桥梁斜拉索预应力检测上已经得到了很好的研究与应用，但桥梁预应力检测中传感器与被测对象之间属于单点静态检测，不考虑两者位置的变化，且不考虑内部通电的影响，仅是一种静态的使用。本文通过试验数据比对发现，该磁通量传感器能够实现与被测铠装拖缆相互位置变化，且在被测铠装拖缆通电情况，仍能够达到很高的测量精度。该研究在海洋拖曳系统上尚属首次。经过试验表明该方法在海洋拖曳铠装拖缆的拉力检测切实可行，具有一定的推广意义，为以后铠装铠装拉力测量提供了一种新的方法及技术依据。但基于磁弹效应的磁通量传感器在不同规格铠装拖缆上的检测仍需要相关人员进行研究，以提供更充分的数据支撑。