磁性应力监测中力磁耦合特征及关键影响因素分析.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 17 (2013) 177501 磁性应力监测中力磁耦合特征及关键影响因素分析* † 章鹏 刘琳 陈伟民 ( 重庆大学光电工程学院, 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044 ) ( 2013 年5 月2 日收到; 2013 年5 月22 日收到修改稿) 针对磁性应力监测研究中力磁耦合关系有多种变化趋势且一直没有合理理论解释这一问题, 从磁性材料的微 观磁畴运动出发, 根据磁致磁化过程, 详细分析了两种不同磁化状态下力致磁化的变化规律, 揭示出力磁耦合关系 的变化特征, 进而提出磁化状态是导致力磁耦合关系差异的本质因素; 对工程上实际缆索用镀锌钢丝在不同磁化状 态下进行了力磁耦合试验, 结果与理论一致: 力磁耦合关系随磁化状态的不同而不同, 本质上有效地解释了已有研 究中力磁耦合关系的矛盾多样性. 关键词: 应力监测, 磁化状态, 力磁耦合, 磁畴运动 PACS: 75.80.+q, 75.60.−d DOI: 10.7498/aps.62.177501 同的拉伸试验条件下, 磁导率随应力变化的形式也 1 引言 呈现出多样性, 其趋势似乎没有规律可循. 各企业 和研究机构虽然分别在激励磁场大小和传感器优 杆/索钢构件因具有质轻性柔、承力大等优点, 化、温度特性等方面开展了较深入的研究 11−15 , 已广泛应用于各种大型结构, 如斜拉桥、悬索桥、 但并没有从本质上统一这种矛盾的力磁耦合关系, 机场等. 作为承力或传力构件, 杆/索件的拉伸应力 这已成为磁性应力测量中一个共性问题, 严重制约 12 大小是评价整个结构安全状况的关键参数 . 而 了此技术的发展, 人们在实际应用中不得不对具体 目前针对在役杆/索钢构件的应力监测技术仍面临 的杆/索钢构件进行大量的实际标定以确定其力磁 挑战, 已有方法都存在各自的发展瓶颈, 只有磁性 耦合关系16−18 , 这虽然能够保证一定的测量精度, 应力监测方法因耐腐蚀、实际应力测量、无损监 但并没有根本性地突破这个瓶颈. 对此, 本文通过 测和长寿命等优势而备受关注, 被认为是一种极具 从微观上探讨铁磁材料力磁耦合的变化特征, 旨在 34 发展潜力的方法 . 杆/索钢构件是铁磁性材料, 找出影响杆/索钢构件力磁耦合关系的内在关键因 当其在一定磁化条件下受到外界应力作用时, 其磁 素, 以有效统一已有研究结果中力磁耦合关系的矛 导率、磁感应强度等磁性参数将发生相应变化, 通 盾多样性, 突破磁性应力监测技术的理论瓶颈, 为 过常规的电测技术将这些磁特性参数转换为电参 其实用化奠定基础. 5 数, 则可实现构件的应力测量 . 然而, 在杆/索钢构件磁性应力监测技术的现有 2 力磁耦合变化特征分析 研究报道中, 杆/索件应力引起的磁特性变化差异 极大, 出现了多种相互矛盾的力磁耦合关系: 既有 为探索力磁耦合关系种种相互矛盾结果的内 6 在原因, 将文献 [6—10] 的结果进行对比可得图1 磁导率随拉伸应力的增大而单调增大 , 也有随拉 78