CN104006909A - 一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器，通过确定索力传感器中磁电传感单元随磁场变化而产生的诱导电压与钢缆索索力之间的线性关系式，然后采用具有磁致伸缩性能的磁电传感单元来代替磁通量传感器的检测线圈作为检测单元检测钢缆索轴向变形时索力传感器的诱导电压；优点是可以减少检测单元的漏磁以及检测单元与激励线圈之间的漏磁，从而使得传感器测量精度得到提高，另外具有磁致伸缩性能的磁电传感单元可以直接通过线圈骨架内部磁场的变化响应出诱导电压，不需要经过磁通量的变化感应出诱导电压后再通过检测单元的传输得到响应电压，响应时间较短，测试速度快；且索力传感器的制作工艺简单化，提高了传感器的信噪比。

Description

一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器

技术领域

本发明涉及一种钢缆索索力检测技术，尤其是涉及一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器。

背景技术

钢缆索是一种柔性的承力构件，其索力状态是衡量建筑是否处于正常运营状态的一个重要标志，实时监测钢缆索的索力对建筑健康监测具有重要工程意义。磁弹效应法是目前监测索力最具潜力的一种方法，该方法通过使用磁通量传感器来测定钢缆索中的磁通量变化,从而得到钢缆索的索力，其具体过程为：首先绕制如图1所示的磁通量传感器，该磁通量传感器包括线圈骨架，绕制在线圈骨架外侧面上的检测线圈、绕制在检测线圈外侧面上的激励线圈以及将检测线圈和激励线圈进行封装的外壳，然后将线圈骨架套在钢缆索上，接着给激励线圈加上激励电流，线圈骨架轴向产生磁场将钢缆索磁化，钢缆索作为检测线圈和激励线圈的铁芯，磁通量传感器实时检测钢缆索索力，当钢缆索受力轴向发生变形，线圈骨架轴向磁场相应发生变化，作为检测单元的检测线圈感应线圈骨架轴向磁场的变化并产生诱导电压输出到数据采集设备中，数据采集设备通过数据拟合，得到诱导电压和索力之间的线性关系，根据诱导电压和索力之间的线性关系计算得到索力。但是，现有磁弹效应法存在以下问题：一、磁通量传感器通过检测线圈感应线圈骨架内部磁通量的变化进而产生感应电动势，在测量过程中由于漏磁原因，以及激励线圈和检测线圈之间存在相互干扰，导致传感器的测量精度不高；二、测量过程中要先经过激励线圈磁化钢缆索，再由检测线圈感应出钢缆索变形时磁场磁通量的变化，进而计算测得索力，由于激励线圈在磁化钢缆索时需要一定的响应时间，检测线圈要获取被测特征信号的磁场信息也需要一定的时间，由此导致传感器的响应速度比较慢，测试速度慢；三、为了在线圈骨架内部达到尽可能大的且分布均匀的磁通量，要求检测线圈和线圈骨架之间以及检测线圈和激励线圈之间有很严格的尺寸匹配，由此导致传感器加工工艺比较复杂且测量过程中传感器的信噪比较低。

发明内容

发明所要解决的技术问题之一是提供一种测量精度高，测试速度快，传感器加工工艺简单，且测量过程中信噪比较高的索力检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种索力检测方法，包括以下步骤：

①制备索力传感器：

①-1制备具有磁致伸缩性能的磁电传感单元；

①-2取一与待测钢缆索尺寸匹配的线圈骨架，在线圈骨架上的外侧壁上开一凹槽；

①-3将磁电传感单元嵌入所述的凹槽内；

①-4将激励线圈绕在线圈骨架上，得到索力传感器；

②截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索样本，将钢缆索样本套在线圈骨架内作为激励线圈的铁芯，然后在线圈骨架套上套筒进行封装，钢缆索样本的两端位于线圈骨架外；

③确定索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系：

③-1给激励线圈加上正弦激励电流，线圈骨架的轴向产生磁场，钢缆索样本被磁化；

③-2将钢缆索样本两端装在拉力试验机上，在拉力试验机上依次对钢缆索样本施加0KN，2KN,4KN，6KN，8KN，10KN，12KN，14KN，16KN，18KN和20KN的拉力，并采用数字示波器采集并记录在对应拉力下索力传感器的诱导电压值，得到一组由拉力与诱导电压值组成的数据；

③-3重复步骤③-2至n次，n≥5，得到n组由拉力与诱导电压值组成的数据；

③-4对n组数据分别进行线性拟合，得到n个拉力与诱导电压的线性关系式：y＝k_ix+a_i，其中i＝1，2，3，…，n，y表示拉力，x表示诱导电压值，k_i表示线性相关系数，a_i表示常数；

③-5将n个线性关系式中的线性相关系数相加后取平均值，记为k，将n个线性关系式中的常数相加后取平均值记为a，得到索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系式y＝kx+a；y表示索力，x表示诱导电压值；

④将测试过的索力传感器套在待测钢缆索上对钢缆索索力进行实时监控，根据公式y＝kx+a和索力传感器实时监控得到的诱导电压值计算得到待测钢缆索的实时索力。

与现有技术相比，本发明的优点在于先确定索力传感器中磁电传感单元随磁场变化而产生的诱导电压与钢缆索索力之间的线性关系式，然后通过具有磁致伸缩性能的磁电传感单元来代替磁通量传感器的检测线圈作为检测单元，可以有效的减少检测单元本身的漏磁以及检测单元与激励线圈之间的漏磁，而且还可以消除检测单元和激励线圈的相互影响，从而使得传感器测量精度得到提高，另外具有磁致伸缩性能的磁电传感单元可以直接通过线圈骨架内部磁场的变化响应出诱导电压，不需要经过磁通量的变化感应出诱导电压后再通过检测单元的传输得到响应电压，响应时间较短，测试速度快；同时磁电传感单元最为检测单元与激励线圈之间不存在尺寸匹配问题，索力传感器的制作工艺简单化，提高了传感器的信噪比。

发明所要解决的技术问题之二是提供一种测量精度高，响应速度快，加工工艺简单，且测量过程中信噪比较高的索力传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种索力传感器，包括壳体，套设在钢缆索上的线圈骨架和激励线圈，所述的激励线圈由铜线在所述的线圈骨架的外侧壁上绕制而成，所述的线圈骨架的外侧壁上设置有矩形凹槽，所述的矩形凹槽位于所述的线圈骨架的轴向中部，所述的矩形凹槽内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元，所述的磁电传感单元为长方体结构，所述的磁电传感单元的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的磁电传感单元的上端面不超出所述的矩形凹槽，所述的磁电传感单元的长边与所述的线圈骨架的轴向平行，沿所述的线圈骨架的轴向所述的磁电传感单元的两端与所述的矩形凹槽的两端各具有一段距离且两者相等，该段距离不小于所述的磁电传感单元的长边长度的四分之一。

所述的磁电传感单元包括从上到下排列的第一磁致伸缩层、压电晶体层和第二磁致伸缩层，所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的上表面固定粘结有延伸到压电晶体层一侧的第一电极，所述的压电晶体层的下表面固定粘结有延伸到压电晶体层另一侧的第二电极，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的压电晶体层的电极方向垂直于所述的线圈骨架的轴向，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的外形大小相同，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的体积之和占所述的磁电传感单元的总体积的60％～80％。

所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的体积之和占所述的磁电传感单元的总体积的76％。

所述的第一电极和所述的第二电极从所述的矩形凹槽内伸出后分别紧贴所述的矩形凹槽两侧的线圈骨架的外侧壁延伸后伸出所述的壳体外，所述的激励线圈的铜线绕在所述的第一电极和所述的第二电极上，所述的磁电传感单元悬空设置在所述的矩形凹槽内且与所述的矩形凹槽的内侧面均不接触。

所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面通过环氧树脂粘结剂粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面也通过环氧树脂粘结剂粘结固定，所述的环氧树脂粘结剂的厚度为0.1mm～0.2mm，所述的压电晶体层的上表面和所述的第一电极通过导电银胶粘结，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二电极通过导电银胶粘结，所述的导电银胶的厚度为0.1mm～0.2mm。

所述的环氧树脂粘结剂由A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比均匀混合而成。

所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的材料为Terfenol-D磁致伸缩材料，所述的压电晶体层的材料为PMN-PT压电晶体。

所述的磁电传感单元的制备过程为：

①根据要求尺寸要求制备第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极；

②将压电晶体层、第一电极和第二电极使用丙酮清洗干净后风干；

③将导电银胶搅拌均匀后均匀涂抹在第一电极和第二电极上，导电银胶层厚度为0.1mm～0.2mm，然后先将第一电极片粘在压电晶体的上端面上并按压至两者完全粘合；再将第二电极粘在压电晶体的下端面并按压至两者完全粘合；

④将第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层使用丙酮清洗干净后风干，将A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比混合均匀得到环氧树脂粘结剂；

⑤将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在第一磁致伸缩层的下端面上，环氧树脂粘结剂厚度为0.1mm～0.2mm，将第一磁致伸缩层的下端面粘在压电晶体层的上端面上并按压至两者完全粘合；

⑥将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在第二磁致伸缩层的上端面上，环氧树脂粘结剂厚度为0.1mm～0.2mm，将第二磁致伸缩层的上端面粘在压电晶体层的下端面上并按压至两者完全粘合；

⑦将粘合好的第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极在室温下放置至完全固化，磁电传感单元制备完成。

所述的第一电极和所述的第二电极均为紫铜片。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过在线圈骨架的外侧壁上设置矩形凹槽，该矩形凹槽位于线圈骨架的轴向中部，在矩形凹槽内安装具有磁致伸缩性能的磁电传感单元，当给激励线圈加上激励电流后，将在线圈骨架内部产生磁场磁化钢缆索，当钢缆索受力发生形变时，线圈骨架内部的磁场将会发生变化，具有磁致伸缩性能的磁电传感单元将会随着磁场的变化而发生变形，进而磁电传感单元产生诱导电压，根据诱导电压即可计算出钢缆索的索力，其中沿线圈骨架的轴向磁电传感单元的两端与矩形凹槽的两端各具有一段距离且两者相等，该段距离不小于磁电传感单元的长边长度的四分之一保证磁电传感单元的变形不会受阻，本发明中索力传感器使用具有磁致伸缩性能的磁电传感单元来代替磁通量传感器的检测线圈作为检测单元，相对于现有的磁通量传感器可以有效的减少检测单元本身的漏磁以及检测单元与激励线圈之间的漏磁，而且还可以消除检测单元和激励线圈的相互影响，从而使得传感器测量精度得到提高，另外具有磁致伸缩性能的磁电传感单元可以直接通过线圈骨架内部磁场的变化响应出诱导电压，不需要经过磁通量的变化感应出诱导电压后再通过检测单元的传输得到响应电压，响应时间较短，响应速度快；同时磁电传感单元最为检测单元与激励线圈之间不存在尺寸匹配问题，传感器的制作工艺简单化，提高了传感器的信噪比；

当磁电传感单元包括从上到下排列的第一磁致伸缩层、压电晶体层和第二磁致伸缩层，第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层的外形大小相同，第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层的体积之和占磁电传感单元的总体积的60％～80％时，保证磁电传感单元具有优异的磁电转换性能；

当第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层的体积之和占磁电传感单元的总体积的76％时，保证磁电传感单元具有最优异磁电转换性能；

当第一电极和第二电极从矩形凹槽内伸出后分别紧贴矩形凹槽两侧的线圈骨架的外侧壁延伸后伸出壳体外，激励线圈的铜线绕在第一电极和第二电极上，磁电传感单元悬空设置在矩形凹槽内且与矩形凹槽的内侧面均不接触时，磁电传感单元悬空设置在矩形凹槽中，可以避免在磁电传感单元随着磁场的变化沿线圈骨架轴向发生变形时与矩形凹槽之间产生摩擦，提高磁电传感单元的检测精度；

当第一磁致伸缩层的下表面与压电晶体层的上表面通过环氧树脂粘结剂粘结固定，压电晶体层的下表面和第二磁致伸缩层的上表面也通过环氧树脂粘结剂粘结固定时，由于第一磁致伸缩层、第二磁致伸缩层和压电晶体层的膨胀系数相差较大，热应力对磁电传感单元影响很显著，这里采用环氧树脂粘结剂来降低三者之间结合的固化温度，提高磁电传感单元韧性，环氧树脂粘结剂的厚度为0.1mm～0.2mm可以使第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层与压电晶体层充分接触不留有空隙，一方面保证磁电传感单元的强度达到最大，另一方面使磁电传感单元达到合适的灵敏度，压电晶体层的上表面和第一电极通过导电银胶粘结，压电晶体层的下表面和第二电极通过导电银胶粘结时，由于压电晶体层压电效应得到的电压信号很微弱，采用电阻较小的银导电胶粘结，可以减小电阻，使其输出电压比较显著，进而使测量精度更高，导电银胶的厚度为0.1mm～0.2mm可以在电阻尽量小的基础上使磁电传感单元达到最佳导电效果而电阻又不是太大，而且可以使第一电极和第二电极与压电晶体层之间具有较强的粘结强度；

当环氧树脂粘结剂由A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比均匀混合而成时，使环氧树脂粘结剂具有最优的稀释度，保证第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层与压电晶体层之间的粘度达到最大；

当第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的材料为Terfenol-D磁致伸缩材料，压电晶体层的材料为PMN-PT压电晶体时，使磁电传感单元的磁电转换系数大，且会产生较大的电压，从而提高磁电传感单元对磁场变化的感应灵敏度高；

当第一电极和第二电极均为紫铜片时，一方面可以使第一电极和第二电极具有较高的强度，延长索力传感器的使用寿命，另一方面使第一电极和第二电极可传导电阻小，提高输出电压，使索力传感器测量更精确。

附图说明

图1为现有的磁通量传感器的结构示意图；

图2为本发明的索力传感器的剖视图；

图3为本发明的索力传感器的侧视图；

图4为图3中A部分的结构放大图；

图5为本发明的磁电传感单元的诱导电压与拉力的线性拟合图；

图6为本发明的磁电传感单元的诱导电压与拉力的线性图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种索力检测方法，包括以下步骤：

①制备索力传感器：

①-1制备具有磁致伸缩性能的磁电传感单元；

①-2取一与待测钢缆索尺寸匹配的线圈骨架，在线圈骨架上的外侧壁上开一凹槽；

①-3将磁电传感单元嵌入所述的凹槽内；

①-4将激励线圈绕在线圈骨架上，得到索力传感器；

②截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索样本，将钢缆索样本套在线圈骨架内作为激励线圈的铁芯，然后在线圈骨架套上套筒进行封装，钢缆索样本的两端位于线圈骨架外；

③确定索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系：

③-1给激励线圈加上正弦激励电流，线圈骨架的轴向产生磁场，钢缆索样本被磁化；

③-2将钢缆索样本两端装在拉力试验机上，在拉力试验机上依次对钢缆索样本施加0KN，2KN,4KN，6KN，8KN，10KN，12KN，14KN，16KN，18KN和20KN的拉力，并采用数字示波器采集并记录在对应拉力下索力传感器的诱导电压值，得到一组由拉力与诱导电压值组成的数据；

③-3重复步骤③-2至n次，n≥5，得到n组由拉力与诱导电压值组成的数据；

③-4对n组数据分别进行线性拟合，得到n个拉力与诱导电压的线性关系式：y＝k_ix+a_i，其中i＝1，2，3，…，n，y表示拉力，x表示诱导电压值，k_i表示线性相关系数，a_i表示常数；

③-5将n个线性关系式中的线性相关系数相加后取平均值，记为k，将n个线性关系式中的常数相加后取平均值记为a，得到索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系式y＝kx+a；y表示索力，x表示诱导电压值；

④将测试过的索力传感器套在待测钢缆索上对钢缆索索力进行实时监控，根据公式y＝kx+a和索力传感器实时监控得到的诱导电压值计算得到待测钢缆索的实时索力。

本发明的索力检测方法中的设计原理为：具有磁致伸缩性能的磁电传感单元会跟随磁场的变化产生形变，当其作为检测线圈使用时，会跟随钢缆索索力的变化产生相应的诱导电压，当索力与诱导电压的关系确定后，即可根据诱导电压得到索力。

本发明还提供了一种使用上述索力检测方法的索力传感器，包括壳体，套设在钢缆索上的线圈骨架和激励线圈，激励线圈由铜线在线圈骨架的外侧壁上绕制而成，线圈骨架的外侧壁上设置有矩形凹槽，矩形凹槽位于线圈骨架的轴向中部，矩形凹槽内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元，磁电传感单元为长方体结构，磁电传感单元的磁化方向与线圈骨架的轴向平行，磁电传感单元的上端面不超出矩形凹槽，磁电传感单元的长边与线圈骨架的轴向平行，沿线圈骨架的轴向磁电传感单元的两端与矩形凹槽的两端各具有一段距离且两者相等，该段距离不小于所述的磁电传感单元的长边长度的四分之一。

实施例一：如图1～4所示，一种索力传感器，包括壳体1、套设在钢缆索2上的线圈骨架3和激励线圈4，激励线圈4由铜线在线圈骨架3的外侧壁上绕制而成，线圈骨架3的外侧壁上设置有矩形凹槽31，矩形凹槽31位于线圈骨架3的轴向F中部，矩形凹槽31内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元5，磁电传感单元5为长方体结构，磁电传感单元5的磁化方向与线圈骨架3的轴向平行，磁电传感单元5的上端面不超出矩形凹槽31，磁电传感单元5的长边与线圈骨架3的轴向平行，沿线圈骨架3的轴向磁电传感单元5的两端51和52与矩形凹槽31的两端311和312各具有一段距离且两者相等，该段距离L2为磁电传感单元5的长边长度L1的四分之一。

本实施例中，磁电传感单元5包括从上到下排列的第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55，第一磁致伸缩53的下表面与压电晶体层54的上表面粘结固定，压电晶体层54的下表面和第二磁致伸缩层55的上表面粘结固定，压电晶体层54的上表面固定粘结有延伸到压电晶体层54一侧的第一电极56，压电晶体层54的下表面固定粘结有延伸到压电晶体层54另一侧的第二电极57，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的磁化方向M与线圈骨架3的轴向F平行，压电晶体层54的电极方向P垂直于线圈骨架3的轴向，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的外形大小相同，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55两者的体积之和占第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55三者的体积之和的60％。第一电极56和第二电极57均为紫铜片。

本实施例中，第一磁致伸缩层53的下表面与压电晶体层54的上表面通过环氧树脂粘结剂粘结固定，压电晶体层54的下表面和第二磁致伸缩层55的上表面也通过环氧树脂粘结剂粘结固定，环氧树脂粘结剂的厚度为0.1mm～0.2mm，压电晶体层54的上表面和第一电极56通过导电银胶粘结，压电晶体层54的下表面和第二电极57通过导电银胶粘结，导电银胶的厚度为0.1mm。

本实施例中，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的材料为湖南稀土金属材料研究院研制的Terfenol-D磁致伸缩材料(Tb_0.28Dy_0.72Fe₂)，压电晶体层54的材料为上海联能科技有限公司生产的PMN-PT压电晶体(Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃)-PbTiO₃)。环氧树脂粘结剂由A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比均匀混合而成。

本实施例中，磁电传感单元5是以第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55为基体制备的磁电复合材料累产品，磁电传感单元5可采用该技术领域中的常规技术制备。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别仅在于本实施例中第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的体积之和占第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55三者的体积之和的76％。

实施例三：如图1～4所示，一种索力传感器，包括壳体1，套设在钢缆索2上的线圈骨架3和激励线圈4，激励线圈4由铜线在线圈骨架3的外侧壁上绕制而成，线圈骨架3的外侧壁上设置有矩形凹槽31，矩形凹槽31位于线圈骨架3的轴向F中部，矩形凹槽31内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元5，磁电传感单元5为长方体结构，磁电传感单元5的磁化方向与线圈骨架3的轴向平行，磁电传感单元5的上端面不超出矩形凹槽31，磁电传感单元5的长边与线圈骨架3的轴向平行，沿线圈骨架3的轴向磁电传感单元5的两端51和52与矩形凹槽31的两端311和312各具有一段距离且两者相等，该段距离L2不小于磁电传感单元的长边长度L1的四分之一。

本实施例中，磁电传感单元5包括从上到下排列的第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55，第一磁致伸缩53的下表面与压电晶体层54的上表面粘结固定，压电晶体层54的下表面和第二磁致伸缩层55的上表面粘结固定，压电晶体层54的上表面固定粘结有延伸到压电晶体层54一侧的第一电极56，压电晶体层54的下表面固定粘结有延伸到压电晶体层54另一侧的第二电极57，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的磁化方向M与线圈骨架3的轴向F平行，压电晶体层54的电极方向P垂直于线圈骨架3的轴向，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的外形大小相同，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55两者的体积之和占第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55三者的体积之和的80％。第一电极56和第二电极57均为紫铜片。

本实施例中，第一磁致伸缩层53的下表面与压电晶体层54的上表面通过环氧树脂粘结剂粘结固定，压电晶体层54的下表面和第二磁致伸缩层55的上表面也通过环氧树脂粘结剂粘结固定，环氧树脂粘结剂的厚度为0.1mm～0.2mm，压电晶体层54的上表面和第一电极56通过导电银胶粘结，压电晶体层54的下表面和第二电极57通过导电银胶粘结，导电银胶的厚度为0.2mm。

本实施例中，第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的材料为湖南稀土金属材料研究院研制的Terfenol-D磁致伸缩材料(Tb_0.28Dy_0.72Fe₂)，压电晶体层54的材料为上海联能科技有限公司生产的PMN-PT压电晶体(Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃)-PbTiO₃)。环氧树脂粘结剂由A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比均匀混合而成。

本实施例中，磁电传感单元5是以第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55为基体制备的磁电复合材料累产品，磁电传感单元5可采用该技术领域中的常规技术制备。

实施例四：本实施例与实施例三基本相同，区别仅在于本实施例中第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的体积之和占第一磁致伸缩层53、压电晶体层54和第二磁致伸缩层55三者的体积之和的76％。

实施例五：本实施例在实施例一至实施例四的基础上，第一电极56和第二电极57从矩形凹槽31内伸出后分别紧贴矩形凹槽31两侧的线圈骨架3的外侧壁延伸后伸出壳体1外，激励线圈4的铜线绕在第一电极和第二电极上，磁电传感单元5悬空设置在矩形凹槽31内且与矩形凹槽31的内侧面均不接触。

实施例六：本实施例是在实施例一至实施例五的基础上，其相对于实施例一至实施例五其区别在于采用了不同的磁电传感单元的制备方法。磁电传感单元的制备过程为：

①根据要求尺寸要求制备第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极；本步骤中第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极可采用现有的切割工艺制备；

②将压电晶体层、第一电极和第二电极使用丙酮清洗干净后风干；

③将导电银胶搅拌均匀后均匀涂抹在第一电极和第二电极上，导电银胶层厚度为0.1mm～0.2mm，然后先将第一电极片粘在压电晶体的上端面上并按压至两者完全粘合；再将第二电极粘在压电晶体的下端面并按压至两者完全粘合；

④将第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层使用丙酮清洗干净后风干，将A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比混合均匀形成环氧树脂粘结剂；

⑤将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在第一磁致伸缩层的下端面上，环氧树脂粘结剂厚度为0.1mm～0.2mm，将第一磁致伸缩层的下端面粘在压电晶体层的上端面上并按压至两者完全粘合；

⑥将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在第二磁致伸缩层的上端面上，环氧树脂粘结剂厚度为0.1mm～0.2mm，将第二磁致伸缩层的上端面粘在压电晶体层的下端面上并按压至两者完全粘合；

⑦将粘合好的第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极在室温下放置至完全固化，磁电传感单元制备完成。

本实施例中磁电传感单元的制备方法相对于常规技术制备的磁电传感单元存在以下优点：

(1)磁电传感单元的磁电转换系数大，信噪比高；

(2)磁电传感单元层与层之间粘结强度大，耦合系数大，响应快；

(3)磁电传感单元的输出电压大，测量更加精确。

在实验室对本发明的索力传感器进行测试，本试验中选用直径为12mm的钢缆索作为被测研究对象。索力传感器中，激励线圈匝数N＝750，激励电流I＝1A，交流电流频率为100Hz,驱动磁场强度H_AC≤15kA/m。第一磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的材料为湖南稀土金属材料研究院研制的Terfenol-D磁致伸缩材料(Tb_0.28Dy_0.72Fe₂)，压电晶体层54的材料为上海联能科技有限公司生产的PMN-PT压电晶体(Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃)-PbTiO₃)。环氧树脂粘结剂由A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比均匀混合而成。磁致伸缩层53和第二磁致伸缩层55的尺寸为12mm(长度)×6mm(宽度)×0.8mm(高度)，压电晶体层54的尺寸为12mm(长度)×6mm(宽度)×1mm(高度)。线圈骨架和外壳(圆筒形)的各部分的尺寸见表1。

表1线圈骨架和外壳各部分尺寸

在拉力试验机上做拉力试验，加力范围为0-20kN，室温为20℃，数据采集设备为宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司生产的动态信号处理系统，具体测试的数据见表2。

表2磁电传感单元的诱导电压与拉力的记录表

从表2可以看出，该索力传感器的输出电压与拉力的线性关系很好，第一次拟合的相关系数r＝0.99661，线性表达式为y＝1.12182*x+217.24545，五次实验的线性相关系数分别为0.99661，0.99765，0.99786，0.9964，0.9972。其中，磁电传感单元的诱导电压与拉力的线性拟合图如图5所示，磁电传感单元的诱导电压与拉力的线性图如图6所示。通过上述实验可知，试验的重复性误差优于0.5％,该索力传感器具有很高的精度。

Claims (10)

1.一种索力检测方法，其特征在于包括以下步骤：

①制备索力传感器：

①-1制备具有磁致伸缩性能的磁电传感单元；

①-2取一与待测钢缆索尺寸匹配的线圈骨架，在线圈骨架上的外侧壁上开一凹槽；

①-3将磁电传感单元嵌入所述的凹槽内；

①-4将激励线圈绕在线圈骨架上，得到索力传感器；

②截取一段和待测钢缆索规格相同的钢缆索作为钢缆索样本，将钢缆索样本套在线圈骨架内作为激励线圈的铁芯，然后在线圈骨架套上套筒进行封装，钢缆索样本的两端位于线圈骨架外；

③确定索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系：

③-1给激励线圈加上正弦激励电流，线圈骨架的轴向产生磁场，钢缆索样本被磁化；

③-2将钢缆索样本两端装在拉力试验机上，在拉力试验机上依次对钢缆索样本施加0KN，2KN,4KN，6KN，8KN，10KN，12KN，14KN，16KN，18KN和20KN的拉力，并采用数字示波器采集并记录在对应拉力下索力传感器的诱导电压值，得到一组由拉力与诱导电压值组成的数据；

③-3重复步骤③-2至n次，n≥5，得到n组由拉力与诱导电压值组成的数据；

③-4对n组数据分别进行线性拟合，得到n个拉力与诱导电压的线性关系式：y＝k_ix+a_i，其中i＝1，2，3，…，n，y表示拉力，x表示诱导电压值，k_i表示线性相关系数，a_i表示常数；

③-5将n个线性关系式中的线性相关系数相加后取平均值，记为k，将n个线性关系式中的常数相加后取平均值记为a，得到索力传感器诱导电压与钢缆索索力之间的关系式y＝kx+a；y表示索力，x表示诱导电压值；

④将测试过的索力传感器套在待测钢缆索上对钢缆索索力进行实时监控，根据公式y＝kx+a和索力传感器实时监控得到的诱导电压值计算得到待测钢缆索的实时索力。

2.一种使用权利要求1的索力检测方法的索力传感器，包括壳体，套设在钢缆索上的线圈骨架和激励线圈，所述的激励线圈由铜线在所述的线圈骨架的外侧壁上绕制而成，其特征在于所述的线圈骨架的外侧壁上设置有矩形凹槽，所述的矩形凹槽位于所述的线圈骨架的轴向中部，所述的矩形凹槽内安装有具有磁致伸缩性能的磁电传感单元，所述的磁电传感单元为长方体结构，所述的磁电传感单元的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的磁电传感单元的上端面不超出所述的矩形凹槽，所述的磁电传感单元的长边与所述的线圈骨架的轴向平行，沿所述的线圈骨架的轴向所述的磁电传感单元的两端与所述的矩形凹槽的两端各具有一段距离且两者相等，该段距离不小于所述的磁电传感单元的长边长度的四分之一。

3.根据权利要求2所述的一种索力传感器，其特征在于所述的磁电传感单元包括从上到下排列的第一磁致伸缩层、压电晶体层和第二磁致伸缩层，所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面粘结固定，所述的压电晶体层的上表面固定粘结有延伸到压电晶体层一侧的第一电极，所述的压电晶体层的下表面固定粘结有延伸到压电晶体层另一侧的第二电极，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的磁化方向与所述的线圈骨架的轴向平行，所述的压电晶体层的电极方向垂直于所述的线圈骨架的轴向，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的外形大小相同，所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的体积之和占所述的磁电传感单元的总体积的60％～80％。

4.根据权利要求3所述的一种索力传感器，其特征在于所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的体积之和占所述的磁电传感单元的总体积的76％。

5.根据权利要求3所述的一种索力传感器，其特征在于所述的第一电极和所述的第二电极从所述的矩形凹槽内伸出后分别紧贴所述的矩形凹槽两侧的线圈骨架的外侧壁延伸后伸出所述的壳体外，所述的激励线圈的铜线绕在所述的第一电极和所述的第二电极上，所述的磁电传感单元悬空设置在所述的矩形凹槽内且与所述的矩形凹槽的内侧面均不接触。

6.根据权利要求3所述的一种索力传感器，其特征在于所述的第一磁致伸缩层的下表面与所述的压电晶体层的上表面通过环氧树脂粘结剂粘结固定，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二磁致伸缩层的上表面也通过环氧树脂粘结剂粘结固定，所述的环氧树脂粘结剂的厚度为0.1mm～0.2mm，所述的压电晶体层的上表面和所述的第一电极通过导电银胶粘结，所述的压电晶体层的下表面和所述的第二电极通过导电银胶粘结，所述的导电银胶的厚度为0.1mm～0.2mm。

7.根据权利要求6所述的一种索力传感器，其特征在于所述的环氧树脂粘结剂由A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比均匀混合而成。

8.根据权利要求7所述的一种索力传感器，其特征在于所述的第一磁致伸缩层和所述的第二磁致伸缩层的材料为Terfenol-D磁致伸缩材料，所述的压电晶体层的材料为PMN-PT压电晶体。

9.根据权利要求8所述的一种索力传感器，其特征在于所述的磁电传感单元的制备过程为：

①根据要求尺寸要求制备第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极；

②将压电晶体层、第一电极和第二电极使用丙酮清洗干净后风干；

③将导电银胶搅拌均匀后均匀涂抹在第一电极和第二电极上，导电银胶层厚度为0.1mm～0.2mm，然后先将第一电极片粘在压电晶体的上端面上并按压至两者完全粘合；再将第二电极粘在压电晶体的下端面并按压至两者完全粘合；

④将第一磁致伸缩层和第二磁致伸缩层使用丙酮清洗干净后风干，将A型环氧树脂胶和B型环氧树脂胶按1:1的质量比混合均匀形成环氧树脂粘结剂；

⑤将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在第一磁致伸缩层的下端面上，环氧树脂粘结剂厚度为0.1mm～0.2mm，将第一磁致伸缩层的下端面粘在压电晶体层的上端面上并按压至两者完全粘合；

⑥将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在第二磁致伸缩层的上端面上，环氧树脂粘结剂厚度为0.1mm～0.2mm，将第二磁致伸缩层的上端面粘在压电晶体层的下端面上并按压至两者完全粘合；

⑦将粘合好的第一磁致伸缩层、压电晶体层、第二磁致伸缩层、第一电极和第二电极在室温下放置至完全固化，磁电传感单元制备完成。

10.根据权利要求3所述的一种索力传感器，其特征在于所述的第一电极和所述的第二电极均为紫铜片。