CN203037385U - 一种旁路励磁的吊杆拉力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旁路励磁的吊杆拉力传感器，它包括：吊杆（5）、两个磁极（1）、轭铁（2）、两个激励线圈（3）、检测线圈（4）；两个激励线圈（3）分别缠绕于两个磁极（1）之上，检测线圈（4）缠绕于轭铁（2）之上，吊杆（5）和轭铁（2）位置平行，两个磁极（1）分别连接吊杆（5）和轭铁（2）的两端。本实用新型的有益技术效果是：提供了一种安装方便、适用面广的吊杆拉力传感器，以及基于传感器的吊杆材料磁导率计算方法。

Description

一种旁路励磁的吊杆拉力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量吊杆所受拉力大小的技术，尤其涉及一种旁路励磁的吊杆拉力传感器。

背景技术

在杆状与柱状结构的张力测量方法中，基于逆磁致伸缩效应的电磁测量方法是将吊杆材料本身作为传感器的铁芯、在外部穿套线圈并利用吊杆自身磁特性与其所受拉力之间的内在关系、通过检测感应线圈电压从而实现吊杆拉力测量的一种方法。目前国内外对基于逆磁致伸缩的拉力传感器的研究还主要以套筒式磁路结构为主。该结构以被测吊杆作为励磁线圈和感应测量线圈的铁芯，这给它实际推广应用中带来很多不便，主要是作为信号拾取元件的线圈必须套在信号敏感元件的“铁芯（即吊杆）”外边，安装使用上述套筒式传感器很不方便：要么将线圈在吊杆生产过程中直接穿进去，要么在已经制作好的吊杆上直接进行线圈的现场绕制，十分麻烦。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种旁路励磁的吊杆拉力传感器，既可针对在建结构，又可针对已建结构，实现吊杆拉力的测量。

一种旁路励磁的吊杆拉力传感器，包括：吊杆（5）、两个磁极（1）、轭铁（2）、两个激励线圈（3）、检测线圈（4）；两个激励线圈（3）分别缠绕于两个磁极（1）之上，检测线圈（4）缠绕于轭铁（2）之上，吊杆（5）和轭铁（2）位置平行，两个磁极（1）分别连接吊杆（5）和轭铁（2）的两端；磁极（1）包括上夹具（1-1）和下夹具（1-2），上夹具（1-1）的一端为圆柱体，上夹具（1-1）的另一端为半圆型缺口，下夹具（1-2）上也有一个半圆型缺口与上夹具（1-1）的半圆型缺口相匹配，上夹具（1-1）、下夹具（1-2）合在一起时，两个半圆型缺口组成的圆孔的圆心轴，与上夹具（1-1）上的圆柱体的圆心轴垂直；上夹具（1-1）、下夹具（1-2）间通过螺栓固定；轭铁（2）为长方体，轭铁（2）的安装面上有位置对称的两个直径相同的通孔，两个通孔分别与两个上夹具（1-1）的圆柱体端相匹配且为过盈配合。

两个激励线圈（3）分别缠绕在两个上夹具（1-1）的圆柱体的裸露段上，检测线圈（4）缠绕在轭铁（2）上，且缠绕区域与两个圆形通孔都不相交。

轭铁沿被测吊杆纵向长度L₆应满足： L₆≥L_mm+2L_ms；

其中，L_mm为股间距，即轭铁上检测线圈缠绕区域的纵向长度；

L_ms为磁化过渡长度，磁极与被测吊杆接触部位的长度，也即上夹具和下夹具合在一起时组成的圆孔的轴向长度；

上夹具和下夹具合在一起时组成的圆孔的直径D₁应满足：

D₁=D₀-2δ；

其中，D₀为被测吊杆直径；

δ为拉力测量精度所要求的空气隙间距。

本实用新型还提出了通过一种基于旁路励磁的吊杆拉力传感器从而求得吊杆材料磁导率的方法， 1）设置旁路励磁的吊杆拉力传感器，2）采集传感器的输出信号并计算吊杆材料磁导率，3）将计算得出的材料磁导率提供给后续计算程序。

步骤2）中，根据下式计算材料磁导率u^σ(t)：

式中：k₁，k₂分别为与构成轭铁和磁极的合金材料磁导率及轭铁、磁极尺寸有关的常数；

N_激励，N_感应1分别为激励线圈的匝数和检测线圈的匝数；

I为激励电流；

为检测线圈的感应电压V_感应1对时间从t₀到t积分。

本实用新型的有益技术效果：提供了一种安装方便、适用面广的吊杆拉力传感器，以及基于传感器的吊杆材料磁导率计算方法。

附图说明

图1，吊杆受力情况简化等效模型图；

图2，本实用新型的旁路励磁吊杆拉力传感器示意图

图3，图2所示传感器的等效磁路图；

图4，磁极侧视图；

图5，磁极俯视图；

图6，轭铁俯视图；

图7，轭铁侧视图；

图8，磁极、轭铁组合结构示意图；

图9，磁极、轭铁组合结构侧视图；

图中，磁极1、上夹具1-1、下夹具1-2、轭铁2、激励线圈3、检测线圈4、吊杆5。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

铁磁物质处于磁场中被磁化时，由于磁化状态的改变会导致材料尺寸或体积发生变化，该现象称为磁致伸缩效应，反过来，在外加磁场中，铁磁材料在外力作用下也会导致其磁化状态发生变化，该现象为逆磁致伸缩效应。

铁磁材料，在磁场与外力共同作用下，发生磁致伸缩和逆磁致伸缩效应的过程中主要涉及电磁能和机械能之间的相互转化。假设吊杆5的内部为均匀钢丝组合，且其长度远大于其截面直径，并且只考虑一维磁场和一维外力情况下，则可将吊杆5受力情况简化为如图1所示等效模型；若吊杆5处于磁场H(t)中，同时沿轴向受到外力作用，则吊杆5的磁致伸缩和逆磁致伸缩效应可分别用下述方程表示：

$\mathrm{\ϵ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\σ}\left(t\right)}{E_y}+\mathrm{qH}\left(t\right)---\left(1\right)$

B(t)=q¹σ(t)+u^σ(t)H(t)         （2）

其中：ε(t)为吊杆5的轴向应变，σ(t)为吊杆5轴向所受外力（即拉力），E_y为吊杆5的轴向弹性模量，B(t)为穿过吊杆5轴向的磁感应强度，u^σ(t)为某一个外力σ(t)作用下吊杆5的磁导率；

则该吊杆5的磁致伸缩应变系数q和压磁系数q¹可用式（3）和（4）表示如下，

$q=\frac{\mathrm{d\ϵ}\left(t\right)}{\mathrm{dH}\left(t\right)}{|}_{\mathrm{\σ}}---\left(3\right)$

$q^1=\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{d\σ}\left(t\right)}{|}_H---\left(4\right)$

若q=q¹，则有，

$q=\frac{\mathrm{d\ϵ}}{\mathrm{dH}}{|}_{\mathrm{\σ}}=\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{d\σ}\left(t\right)}{|}_H=\frac{2{\mathrm{\μ}}_0{M}_s{\mathrm{\λ}}_s}{3K_u}---\left(5\right)$

λ_s为饱和磁致伸缩系数；M_s为饱和磁极化强度；K_u为单轴磁各项异性常数；μ₀为真空磁导率。

（1）式表明，吊杆5内部应变ε(t)除了受外力σ(t)影响外，还有一部分是因为外磁场强度对吊杆进行磁化所引起的。（2）式表明，磁感应强度B(t)除了受外磁场强度H(t)影响外，还有一部分是因为外力σ(t)所引起。

把（1）式代入（2）式，对时间求导并整理有：

$\frac{\mathrm{dB}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=q\frac{\mathrm{d\σ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+H\left(t\right)\frac{{\mathrm{du}}^{\mathrm{\σ}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+u^{\mathrm{\σ}}\left(t\right)\frac{\mathrm{dH}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

（6）式由三部分组成，显然第一部分描述的是由外力引起的磁感应强度变化，第二部分描述在外力为某个常数时，吊杆5内部自身磁状态参量u^σ(t)变化所引起的磁感应强度变化，第三部分描述由激励磁场H(t)变化所引起的磁感应强度变化。

要感知吊杆5所受外力，必须通过合适的方式测量出穿过吊杆5轴向的磁感应强度B(t)的变化，本实用新型采用如图8所示的组合线圈方式来测量吊杆5轴向的磁感应强度B(t)的变化：磁极1（参见图4、图5、图9）包括：上夹具1-1、下夹具1-2，上夹具1-1的一端为圆柱体，上夹具1-1的另一端为半圆型缺口，下夹具1-2上也有一个半圆型缺口与上夹具1-1的半圆型缺口相匹配，上夹具1-1、下夹具1-2合在一起时，两个半圆型缺口组成的圆孔的圆心轴，与上夹具1-1上的圆柱体的圆心轴垂直；上夹具1-1、下夹具1-2间通过螺栓固定；轭铁2（参见图6、图7）为长方体，轭铁2的安装面上有位置对称的两个直径相同的通孔，两个通孔分别与两个上夹具1-1的圆柱体端相匹配且为过盈配合；两个激励线圈3分别缠绕在两个磁极1上夹具1-1的圆柱体的裸露段上，检测线圈4缠绕在轭铁2上，且缠绕区域与两个圆形通孔都不相交。

上述结构的参数要求如下：轭铁2沿被测吊杆5纵向长度L₆应满足：

L₆≥L_mm+2L_ms

其中，L_mm为股间距，即轭铁2上检测线圈4缠绕区域的纵向长度；

L_ms为磁化过渡长度，磁极1与被测吊杆接触部位的长度，也即上夹具1-1和下夹具1-2合在一起时组成的圆孔的轴向长度；

上夹具1-1和下夹具1-2合在一起时组成的圆孔的直径D₁应满足：

D₁=D₀-2δ；

其中，D₀为被测吊杆5直径；

δ为拉力测量精度所要求的空气隙间距。

本实用新型的传感器等效模型如图2所示，图中缠绕在吊杆5上的检测线圈4在实际测量中是不存在的，只是在理论推导时方便计算而加设的。具体分析如下：

吊杆5作为磁路的一部分，传导磁场和感应磁通量的变化。左右两边分别用匝数和截面积都相等的1号激励线圈3和2号激励线圈3，二者电流大小相等，方向相反，在磁势上可形成串联结构，有利于提取通过吊杆5的磁通量变化。匝数为N_激励的1号和2号激励线圈3，分别产生的磁场经过轭铁2和磁极1作用在吊杆5上，如图2中的箭头所示。匝数为N_感应1的检测线圈4绕在旁路由导磁材料所组成的轭铁2上，同时，为进一步验证通过吊杆5的磁通量变化，以吊杆5为芯，绕上匝数为N_感应2的检测线圈4。

图2的旁路励磁吊杆拉力传感器其等效磁路如图3所示。下面就依据传感器的磁路进行必要的分析与计算,从而求得磁导率u^σ(t)。图2简化后的等效磁路模型如图3所示。根据磁路的欧姆定律

其中N_激励为激励线圈3匝数,I为激励电流。Φ_i和G_i分别为磁路中各个分段的磁通和磁导。G₁为吊杆5的磁导，G₂为激励线圈3的铁芯磁导（即磁极磁导）,G₃为气隙磁导,G₄为轭铁2磁导,下面分别计算它们的磁导：

1）吊杆5的磁导G₁：设吊杆5在磁路中的有效长度为L₆，吊杆5直径为D₀，吊杆5在无外力的情况下的磁导率μ_索，则

2）磁极磁导G₂：它由二部分组成，一部分为与吊杆5连接的磁靴部分，一部分为激励线圈3的铁芯部分。设磁极1的磁靴部分磁导率为μ₂₁,则磁靴磁导G₂₁为

$G_{21}=\∫\frac{{\mathrm{\μ}}_{21}}{L}\mathrm{ds}---\left(9\right)$

式中：L₂为磁极1纵向高度减去圆柱体高度部分的长度；

设磁极1铁芯部分磁导率为μ₂₂，则磁导G₂₂计算如下：

$G_{22}=\frac{{\mathrm{\π\μ}}_{22}{D}_2^2}{4L_1}---\left(10\right)$

故磁极1磁导G₂可按下式计算：

$G_2=\frac{G_{21}{G}_{22}}{G_{21}+G_{22}}---\left(11\right)$

3）气隙的磁导：气隙磁导由两部分组成，一部分为磁极1和吊杆5之间气隙的磁导G₃₁，另一部分为磁极1与轭铁2之间气隙的磁导G₃₂ ,设磁极1与吊杆5之间的气隙厚度为δ₁，与轭铁2之间气隙厚度为δ₂，则

$G_3=0.077{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\δ}}_1+\frac{{\mathrm{\π\μ}}_0{L}_3(D_1+2{\mathrm{\δ}}_1)}{2{\mathrm{\δ}}_1}+\frac{{\mathrm{\π\μ}}_0{L}_4(D_2+2{\mathrm{\δ}}_2)}{2{\mathrm{\δ}}_2}---\left(12\right)$

μ₀为真空磁导率；

L₃为磁化过渡长度，磁极1与被测吊杆5接触部位的长度，也即上夹具1-1和下夹具1-2合在一起时组成的圆孔的轴向长度。

轭铁2的磁导：   $G_4=\frac{{\mathrm{\μ}}_{4}S}{L}=\frac{{\mathrm{\μ}}_4{L}_8{L}_9}{L_6}---\left(13\right)$

L₈为轭铁宽度；L₉为轭铁厚度；

可假定穿过整个磁回路的各部分磁通相等，均为Φ，即

Φ₁=Φ₂=Φ₃=Φ₄=Φ

则式（7）变为：

根据电磁感应定律

式（15）对时间积分有

其中Φ₀为初始时刻激励电流的磁场穿过轭铁2上检测线圈4的磁通量，这里可设为0，Φ为t时刻穿过吊杆5上检测线圈4的磁通，把式（8）、（11）、（12）、（13）代入式（14），并结合式（16）最后有：

式中：k₁，k₂分别为与构成轭铁2和磁极1的合金材料磁导率及轭铁2、磁极1尺寸有关的常数；

N_激励，N_感应1分别为激励线圈3的匝数和检测线圈4的匝数；

I为激励电流；

为检测线圈4的感应电压V_感应1对时间从t₀到t积分。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种旁路励磁的吊杆拉力传感器，其特征在于，包括：吊杆（5）、两个磁极（1）、轭铁（2）、两个激励线圈（3）、检测线圈（4）；两个激励线圈（3）分别缠绕于两个磁极（1）之上，检测线圈（4）缠绕于轭铁（2）之上，吊杆（5）和轭铁（2）位置平行，两个磁极（1）分别连接吊杆（5）和轭铁（2）的两端；磁极（1）包括上夹具（1-1）和下夹具（1-2），上夹具（1-1）的一端为圆柱体，上夹具（1-1）的另一端为半圆型缺口，下夹具（1-2）上也有一个半圆型缺口与上夹具（1-1）的半圆型缺口相匹配，上夹具（1-1）、下夹具（1-2）合在一起时，两个半圆型缺口组成的圆孔的圆心轴，与上夹具（1-1）上的圆柱体的圆心轴垂直；上夹具（1-1）、下夹具（1-2）间通过螺栓固定；轭铁（2）为长方体，轭铁（2）的安装面上有位置对称的两个直径相同的通孔，两个通孔分别与两个上夹具（1-1）的圆柱体端相匹配且为过盈配合。

2.根据权利要求1所述的旁路励磁的吊杆拉力传感器，其特征在于，所述的两个激励线圈（3）分别缠绕在两个上夹具（1-1）的圆柱体的裸露段上，检测线圈（4）缠绕在轭铁（2）上，且缠绕区域与两个圆形通孔都不相交。

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