一種輕便型纜索應力檢測脈沖磁彈儀的研制

秦 勇

（柳州市智能制造科技服務中心，廣西 柳州 545001）

0 背景與需求

鋼纜索材料磁彈效應，當受到外力作用時，其內部產生機械應力或應變，相應的磁導率發生改變。通過測定磁導率變化來反映應力變化，依據此原理制成脈沖磁彈儀和磁通量傳感器構成的纜索應力檢測系統。脈沖磁彈儀檢測系統有以下優點：（1）屬于非接觸測量，不影響原來的纜索應力結構；（2）傳感器結構簡單、成本低廉、使用壽命長；（3）測量速度快、可以在線遠程監測。所以脈沖磁彈儀已大量應用在橋梁、鋼結構等建筑工程纜索應力監測上。

但是現有開發的纜索應力檢測脈沖磁彈儀體積較大，重量重，機箱結構不夠穩固和內部電路模塊分散易松散，外殼防塵防潮IP防護效果差等不足。不適合應用在當工程檢測人員需要攜帶磁彈儀經常出差、爬塔或者現場儀器柜放在戶外露天環境，儀器柜體積較小等工程應用環境。所以提出研發一款體積小，質量輕，外殼機體結構牢固，IP防護效果更好的輕便型纜索應力檢測脈沖磁彈儀，來滿足脈沖磁彈儀特定環境下使用要求。

1 輕便型脈沖磁彈儀的實現方法

1.1 脈沖磁彈儀的電路原理

脈沖磁彈儀的電路原理如圖1脈沖磁彈儀電路原理圖所示：以RAM7單片機為CPU運算控制存儲核心，通過控制高壓調制模塊和電容充放電電路給磁通量傳感器輸出脈沖測量電能；磁通量傳感器返回的測量信號經過多級濾波放大電路后，傳輸到高速16位AD采樣電路進行數模轉換，最后傳回CPU通過一定的算法處理得出被測纜索的應力值；CUP通過光電隔離控制開關箱輸出驅動電路輸出開關箱控制指令；上位機和云采集等遠程控制通過RS485和RS232隔離通信端口操控磁彈儀工作；通過面板觸摸屏實現本地人機交互界面操控磁彈儀；內置24 V開關電源輸出DC24 V，通過板載電壓轉換電路輸出±12 V、5 V、3.3 V、基準2.5 V，DC24 V電源也可以通過外接移動電源提供。儀器的軟件程序主要由磁通量積分力值算法、溫度線長補償算法、觸摸屏驅動、高壓調制充放電驅動、AD采樣驅動、RS485/232遠程通信驅動和開關箱輸出驅動等程序構成。

圖1 脈沖磁彈儀電路原理圖

1.2 設計思路

原來設計的磁彈儀經過多年的應用升級改造，硬件電路原理和軟件程序算法都很成熟了，所以新設計的輕便型磁彈儀要基本保持原來磁彈儀硬件電路原理和軟件程序算法不變，這樣既能保證研發的成功率又能在工程使用上兼容通用型磁彈儀。要使儀器小型輕量解決的途徑就只有重新優化各模塊電路的布局，壓縮各模塊電路的體積與重量，優化儀器外殼及安裝空間，讓其架構更加穩固，體積更小，IP防護等級更高。

1.2.1 儀器輸出脈沖電壓調整

根據鋼索應力脈沖磁彈測量原理：鋼索線徑越大磁通量傳感器內徑就越大，測量時需要的磁化電能就越大，需要儀器輸出脈沖電壓就越高，則相應配套的高壓模塊的充電電容體積質量就越大。原來通用型脈沖磁彈儀輸出脈沖電壓是100～420 V，適應磁通量傳感器型號是CCT8～CCT165，由于輸出脈沖電壓較高，所以要選擇大體積的充放電電容與升壓模塊，要是降低輸出脈沖電壓就能相應地減少電容模塊和升壓模塊的體積和質量。在目前橋梁纜索應力檢測工程應用中，磁通量傳感器使用量最多的是單索應力監測，單索應力監測一般使用CCT20及以下的磁通量傳感器，輸出脈沖電壓100～150V，俗稱小傳感器測量。多根單索組合成一束纜索，對于整束纜索應力檢測需要線徑比較大的磁通量傳感器，一般使用CCT85至CCT145線徑的磁通量傳感器，輸出脈沖電壓300～420 V，俗稱大傳感器測量。目前，工程應用上小傳感器測量的精度和穩定性都遠優與大傳感器測量，這也是小傳感器測量能大量推廣的原因之一。所以兼顧磁彈儀市場需求和輸出脈沖電壓與儀器體積總質量的平衡，輕便型磁彈儀設計的輸出脈沖電壓是100～150 V，適應的磁通量傳感器CCT25以內的小傳感器測量，這樣充放電電容模塊與升壓模塊就能做到比較小比較輕。再通過重新定制升壓模塊讓其適合布局焊接在PCB電路板上，將原來單個體積較大的充放電電容，根據容量分解為多個體積較小的電容并聯，讓其適合布局焊接在PCB電路板上。

1.2.2 儀器電路布局調整

在工程應用上，磁彈儀一般都是布局在現場數據采集柜內，工程人員一般是在安裝調試或者維保的時候才會使用儀器面板觸摸屏操控磁彈儀，其余大部分時間都是通過RS485/232通信遠程操控儀器，數據采集柜內也基本會有DC24V電源，所以將原來的通用型磁彈儀內置的24V開關電源模塊與面板顯示輸入模塊獨立分體出來，設計為獨立匹配的外接設備，當需要用的時候作為外接設備即插即用。通過分體設計就大大減小儀器體積和質量，不論磁彈儀是放在數據采集柜做在線測量還是工程人員隨身攜帶做移動測量都能靈活多變適應不同的工作環境，減少的兩個電路模塊還能降低主機儀器的故障發生率。

如圖2通用型磁彈儀的外殼內部安裝結構由顯示輸入模塊、24V電源模塊、高壓調制模塊、電容充放電模塊、中央處理核心電路板這5個獨立的模塊組成，每個模塊通過導線或者排線連接。如圖3輕便型磁彈儀的外殼內部安裝結構：通過將顯示輸入模塊和DC24V電源模塊外移作為獨立匹配設備，剩下的電路模塊重新設計優化布局，將所有的電路模塊都焊接在一塊PCB電路板上。這樣儀器外殼內只有一塊PCB電路板，電路板通過排線或者線束與面板端口連接。這樣調整后，儀器外殼內部電路空間占比就小很多，并且結構簡單穩固，數據傳輸牢靠。

圖2 通用型磁彈儀電路結構

圖3 輕便型磁彈儀電路結構

1.2.3 儀器外殼和接線端口調整

輕便型脈沖磁彈儀經過優化布局重新設計后的硬件電路只有一塊PCB電路板，選擇達到IP67防護的一體成型加厚鋁合金外殼，接線端口選擇IP66等級的熱塑航空接頭，電源開關及面板指示燈選用IP66等級的專用面板配件。外殼和接線端口這樣調整后，儀器的外殼強度及內部結構牢靠度和IP防護效果都得到較大的提升，很好地滿足輕便型脈沖磁彈儀體積小，重量輕，外殼機體與內部結構牢固的設計要求。

1.3 輕便型脈沖磁彈儀制作與效果

通過上文理論分析及設計思路論證，針對小傳感器測量，輕便型脈沖磁彈儀研制是可行的，那就可以進行實物制作了。經過定制和購買相關電子元器件及模塊材料，重新設計制作PCB電路板，經過硬件電路制作調試和軟件調試，成功制作出一套輕便型脈沖磁彈儀，目前儀器樣機已經制作調試成功。如圖4輕便型磁彈儀分解結構圖：儀器所有電路都布局在一塊PCB電路板上結構簡潔牢靠，一體成型鋁合金外殼穩固牢靠，整機外殼密封IP防護效果好。如圖5輕便型磁彈儀分體布局圖：從左到右依次為輕便型脈沖磁彈儀、配套的外接觸摸屏、通用DC24V電源適配器，這樣可根據不同的應用環境做不同的調整。輕便型脈沖磁彈儀與通用型脈沖磁彈儀對比如圖6輕便型磁彈儀與通用型磁彈儀的對比圖：對比原來的通用型磁彈儀，輕便型磁彈儀體積減小約70%，質量減小約75%，達到了體積小，質量輕的研制目的。由于輕便型脈沖磁彈儀基本保留了通用型磁彈儀的硬件電路原理和軟件原理，通過實驗驗證工程應用上針對小傳感器測量完全兼容原通用型磁彈儀，這樣兩種儀器可以互換使用。從體積、質量、結構強度、IP防護和兼容性等都達到了我們研制的輕便型脈沖磁彈儀的效果。

圖4 輕便型磁彈儀分解結構圖

圖5 輕便型磁彈儀分體布局圖

圖6 輕便型磁彈儀與通用型磁彈儀的對比

2 結語

本文介紹研制的輕便型脈沖磁彈儀具有體積小、質量輕、外殼結構穩固、IP防護效果好、應用場景可多變等優點。很好地解決了通用型磁彈儀體積大、質量重、外殼不夠穩固等不足。并且工程應用上針對小傳感器測量完全兼容原通用型磁彈儀，它更加適合攜帶移動測量、采集柜在線測量、控制柜狹小與戶外露天環境等場景應用，也給纜索應力檢測工程應用多一種脈沖磁彈儀來選擇。