CN104655332A - 一种非接触式应力检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式应力检测系统及方法，系统包括线圈、交流电源、巨磁阻元件和钢轨，其中，巨磁阻元件设置于线圈内，线圈连接交流电源，线圈上交流电源提供给线圈固定频率的交变电流，该交变电流会产生一个交变磁场，该磁场在钢轨上产生相应的电涡流，巨磁阻元件测量交变电流产生磁场与电涡流产生磁场相互作用的磁场强度大小，实现对钢轨应力的检测；本发明采用电磁感应方式测量钢轨应力，无接触方式，可解决接触式应力传感器由于铁轨震动影响应力传感器精度及寿命的问题。

Description

一种非接触式应力检测系统及方法

技术领域

本发明涉及钢轨应力检测技术领域，尤其涉及一种非接触式应力检测系统及方法。

背景技术

近年来，随着高铁作为国家战略，高铁的作用日益凸显。众所周知，高铁的最基础设施是钢轨，而钢轨主要由钢铁组成的。金属结构的各种微观的缺陷或者局部应力集中，都会导致钢件结构和设备失效甚至事故的发生。在各种铁制构件加工后，即使构件设计合理，在材料的内部也不可避免地存在残余应力。即使工作条件是在额定负荷下，也有可能因为载荷与内应力的叠加，导致构件应力重新分配与产生二次变形，而降低构件的刚性和构件尺寸的稳定性，从而引发事故。

同时，绝大多数铁路都铺设在野外或高架桥，设备工作环境恶劣，且没有专门的供电系统，所以检测装置的功耗问题不容忽视。

为解决上述问题，本发明提出一种抗震动、防水、低功耗、抗干扰、非接触式的应力检测方法来实现高可靠、低成本、安装便捷的应力检测，减少铁路胀轨，保证铁路系统正常的安全运营。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种非接触式应力检测系统及方法，本方法通过巨磁阻元件所测磁场强度大小进行钢轨应力检测，具有高效能、低成本、便捷安装等优势，有效的解决钢轨应力的检测问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非接触式应力检测系统，包括线圈、交流电源、巨磁阻元件和钢轨，其中，巨磁阻元件设置于线圈内，线圈连接交流电源，线圈上交流电源提供给线圈固定频率的交变电流，该交变电流会产生一个交变磁场，该磁场在钢轨上产生相应的电涡流，巨磁阻元件测量交变电流产生磁场与电涡流产生磁场相互作用的磁场强度大小，实现对钢轨应力的检测。

所述巨磁阻元件为GMR传感器，可测量动态磁场强度和静态磁场强度。

所述GMR传感器连接上位机，将检测的数据传输给上位机进行数据分析。

所述巨磁阻元件检测的磁场强度大小是由激励线圈产生的磁场强度与钢轨涡流效应产生的磁场强度的叠加。

所述线圈为激励线圈。

一种基于上述系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)连接、放置线圈、交流电源、巨磁阻元件和钢轨；

(2)在激励线圈上加以固定频率的交变电流，根据法拉第电磁感应定律与安培定则，在线圈内部会产生一个垂直于线圈缠绕方向的交变磁场；

(3)交变磁场将在钢轨上产生一个电涡流，电涡流会产生一个垂直于电涡流的磁场；

(4)线圈产生的交变磁场与涡流产生的磁场叠加共同作用于GMR传感器，使得GMR传感器产生弱电信号，将弱电信号上传到上位机进行处理，即可得到由钢轨受力不同引起的GMR传感器电信号的变化，即可得到钢轨应力大小。

本发明的工作原理：当钢轨受到外部机械力或其它作用时，由于压磁效应，其内部应力σ变化会引起钢轨磁导率μ变化的，而磁导率μ的变化将会引起激励线圈产生涡流的大小的改变，而电涡流的大小又会改变其产生的磁场的大小。

本发明的有益效果为：

(1)采用电磁感应方式测量钢轨应力，无接触方式，可解决接触式应力传感器由于铁轨震动影响应力传感器精度及寿命的问题；

(2)钢轨应力检测采用电磁感应方式具有抗震动、防水、非接触式、低功耗等特点，具有高效能、低成本、便捷安装等优势，有效的解决钢轨应力的检测问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1、电源线；2、激励线圈；3、GMR传感器；4、钢轨；5、电涡流。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种非接触式应力检测方法，通过巨磁阻元件所测磁场强度大小进行钢轨应力检测。

进一步地，所述巨磁阻元件为GMR传感器，既可以测量动态磁场强度，也可以测量静态磁场强度。GMR传感器测得数据之后，上传给上位机进行数据分析处理。

进一步地，磁场强度大小，是由激励线圈产生的磁场强度与钢轨涡流效应产生的磁场强度的叠加。

进一步地，激励线圈产生的磁场是由在激励线圈上所加固定频率的交变电流产生，所述磁场强度大小及方向根据法拉第电磁感应定律与安培定则确定。

进一步地，所述钢轨涡流效应由激励线圈产生的交变磁场产生，所述涡流效应产生的磁场强度大小及方向根据奥斯特实验确定。

综上，本方案采用电磁感应方式测量钢轨应力，无接触方式，可解决接触式应力传感器由于铁轨震动影响应力传感器精度及寿命的问题。

且，钢轨应力检测采用电磁感应方式具有抗震动、防水、非接触式、低功耗等特点，具有高效能、低成本、便捷安装等优势，有效的解决钢轨应力的检测问题。

具体包括：

第一步，在激励线圈2上加一固定频率的交变电流。

第二步，根据法拉第电磁感应定律与安培定则，在线圈内部会产生一个垂直于线圈缠绕方向的交变磁场。

第三步，该交变磁场将在钢轨4上产生一个电涡流5。

第四步，该电涡流5会产生一个垂直于涡流的磁场。

第五步，当钢轨受到外部机械力或其它作用时，由于压磁效应，其内部应力σ变化会引起磁导率μ变化的，而磁导率μ的变化将会引起激励线圈产生涡流的大小的改变，而电涡流的大小又会改变其产生的磁场的大小。

第六步，线圈产生的交变磁场与涡流产生的磁场叠加共同作用于GMR传感器3，会使得GMR传感器3的磁阻发生变化，进而产生一个变化的电信号。

第七步，GMR传感器3产生的信号上传到上位机进行处理，即可得到由钢轨受力不同引起的GMR传感器电信号的变化，即可得到钢轨应力大小。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种非接触式应力检测系统，其特征是：包括线圈、交流电源、巨磁阻元件和钢轨，其中，巨磁阻元件设置于线圈内，线圈连接交流电源，线圈上交流电源提供给线圈固定频率的交变电流，该交变电流产生一个交变磁场，所述交变磁场在钢轨上产生相应的电涡流，巨磁阻元件测量交变电流产生磁场与电涡流产生磁场相互作用的磁场强度大小，实现对钢轨应力的检测。

2.如权利要求1所述的一种非接触式应力检测系统，其特征是：所述巨磁阻元件为GMR传感器，测量动态磁场强度和静态磁场强度。

3.如权利要求1所述的一种非接触式应力检测系统，其特征是：所述GMR传感器连接上位机，将检测的数据传输给上位机进行数据分析。

4.如权利要求1所述的一种非接触式应力检测系统，其特征是：所述巨磁阻元件检测的磁场强度大小是由激励线圈产生的磁场强度与钢轨涡流效应产生的磁场强度的叠加。

5.如权利要求1所述的一种非接触式应力检测系统，其特征是：所述线圈为激励线圈。

6.一种基于如权利要求1-5中任一项所述的系统的检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)连接、放置线圈、交流电源、巨磁阻元件和钢轨；

(2)在激励线圈上加以固定频率的交变电流，根据法拉第电磁感应定律与安培定则，在线圈内部会产生一个垂直于线圈缠绕方向的交变磁场；

(3)交变磁场将在钢轨上产生一个电涡流，电涡流会产生一个垂直于电涡流的磁场；

(4)线圈产生的交变磁场与涡流产生的磁场叠加共同作用于GMR传感器，使得GMR传感器产生变化的电信号，将该电信号上传到上位机进行处理，即可得到由钢轨受力不同引起的GMR传感器电信号的变化，即可得到钢轨应力的大小。