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应力磁弹测量的脉冲法 摘要：一种建立在磁弹原理基础上的便宜的技术可以用来测量多股钢丝绳中的单轴向应力。这种测量的独特性在于它可以同时测量多股钢丝绳中的应力总值。本文证明通过在B-H关系曲线中适当地选择最佳工作点，直到材料的最大应力值，都可以获得导磁率与应力之间的线性关系。同时，通过采用脉冲技术，该测量装置可由电池供电、体积小、便于携带。该装置可用来监测民用建筑中钢索和钢筋（cable and tendon）中的应力。 关键字：磁弹，应力测量，传感器。 1.0 引言 毫无疑问，利用不同类型的应变传感器测量建筑物中的某些关键部位是估计其中材料应力水平的一种方法。这种监测方法曾经被多次采用（Bartolli, et al. 1996; Shahawy, 1996）.世界对基础设施的需要正在迅速增长，为满足这一迅速增长的需要，大批新的桥梁已经被交付使用或正处于各种不同的设计建造阶段。其中一些桥梁跨度相当大，利用钢索固定，钢索悬挂或各种形式的预拉伸和后拉伸系统（pre-tensioning and post-tensioning system）。具有预应力的混凝土结构的服役质量（Service properties）依赖于其中的应力的真实值。同样钢索固定和钢索悬挂桥梁的表现也依赖于其中钢索中的应力。尽管通过固定在建筑物中的测压元件和应变仪，在建筑物的建筑阶段就对这些力进行了测量，但对建筑物在今后的服役期间所发生的情况却只能大概估计和进行实验室仿真。 建筑物服役期间的应力测量历来相当困难，并且只能在建筑物在开始建筑时就安装了测量仪器的情况下才能进行。大多数现存建筑都不具备这一条件。有时建筑完工后才发现需要对带病建筑进行诊断或法庭调查。通常通过有选择地对建筑物中的受损部位进行应变测量来测量其中的应力水平。这一方法的首要问题是它完全忽视了建筑构件中的永久性固定负荷，既静负荷。然而，在大跨度建筑物中，静载荷构件是最重要的实际承载构件。在很大程度上来说，测量构件中的总体应力水平实际上是不可能的。研究表明，铁磁材料的磁性质与该材料的应力史（stress history）具有极大的关系（Bozorth, 1951）。利用这一原理，可以设计对岩石锚杆（rock bolts）中的预应力和后拉伸作用（post-tensioning operations）进行测量的传感器（Kwun and Teller, 1994）。作者所发表的磁弹测力法提供了一种对钢索（cables and strands）中的力、应力和腐蚀进行测量的新颖方法。即使钢索已被封闭在灌浆的外罩或管道中，仍可以采用这一方法。相对来说，这一技术较便宜，是最具商业可行性的桥梁无损检测工具之一。 2.0 原理 铁磁材料的磁性质可以用磁畴原理来描述。该原理假定铁磁材料是由称为铁磁畴的局部区域组成的，其中每一个磁畴都处于磁饱和状态，但是却按照材料的局部磁化状态排列。相邻的磁畴由被成为磁畴壁的高度局部磁化的过渡区域分开。即使材料处于退磁状态，所有的磁畴也都处于磁饱和状态，但其中每一个磁畴的磁化矢量的方向却是随机的，这使得材料的总体磁化水平为零。施加一个磁场或一个机械应力可以改变磁畴的布局结构，这一现象主要是由磁畴壁的移动造成的（Sablik and Jones, 1993）。 对于不同的材料来说，其磁性质可能随着所施加的应力增加，也可能随着所施加的应力减少，变化的幅度也与材料本身有关。这一现象可由磁畴的内势能来解释，如下式所示（Bozorth 1951）： Eδ= (1) 其中Eδ是磁应变能，λs是材料从非磁化状态磁化到磁饱和状态时的总的（bulk）磁弹应变，σ是所施加的应力，θ是应力方向与磁化矢量方向的夹角。从方程1可以看出，为了使磁应变能最小，当施加单轴向应力时，磁化矢量必须转动，这使得某些方向上的磁化变得较容易或较困难。因此，通过适当地找出磁化与应力之间的关系，有可能对铁磁材料中的应力进行检测。 材料的磁化过程一般由磁场强度H（Amp-turns/m）和磁通量密度B（Webers/m2）之间的关系来描述。对于任何材料来说，该关系都可由如下的通用结构方程来描述： (2) 其中，是导磁率张量。然而，如果材料的宏观结构是均质，即各向同性的，该关系可以简化为它的标量形式，其中μ是一个标量。图1表示一个典型的铁磁材料的磁化曲线。很明显，导磁率μ不是一个常量，而是依赖于磁场强度H。这使得磁化曲线是非线性的。这一关系的最大特征是它的磁滞现象，这是可逆过程与不可逆过程共同作用的结果（Sablik and Jiles, 199