一种磁弹信号特征参数对索力的定量表征能力综合评价方法

1.本发明涉及磁弹索力检测方法中的表征参数评价，属于无损检测技术领域，应用于高端装备制造产业中的轨道交通中桥梁索力的检测，具体为提供了一种磁弹信号特征参数对索力的定量表征能力综合评价方法，用于指导磁弹索力表征参数的优化选取。


背景技术：

2.索力是评估斜拉桥索健康状态的关键指标之一，脉冲磁弹法是检测索力的重要手段。根据磁弹效应，在外加脉冲磁场作用下，钢索的磁化响应和钢索承受的拉力相关。通过测量钢索的磁化响应（表面磁场、主磁通）及磁化过程相关的励磁参数（脉冲电压、线圈中的脉冲电流），可以间接表征索力。从磁弹信号中提取的特征参数不仅受索力影响，还受温度影响。特征参数的选取，决定了脉冲磁弹法对索力的检测能力。
3.目前，脉冲磁弹法应用过程中主要采用感应电压峰值、感应电压曲线下方面积等易于提取的参数对索力进行表征，一般采用单一指标（灵敏度、线性相关系数等）对磁弹参数的表征能力进行评价，不能有效反映参数的综合性能。此外，磁弹信号包含丰富的特征参数可以用于索力表征，但因为缺乏参数对索力的表征能力的综合评价方法，难以发现和提取适合索力表征的最优参数。公开号为cn102519633a，公开日期为2012-6-27的专利磁弹磁电效应式应力监测装置，利用磁电传感元件产生的电信号v
me
作为特征参数来表征索力，但未与典型特征参数进行索力表征能力的对比分析。公开号为cn105333986 a，公开日期为2016-02-17的专利一种基于自感式原理的单级线圈索力传感器及其测试方法，提出新特征参数(自感量变化量)用以表征索力，也未与典型特征参数进行索力表征能力的对比分析，无法综合评价新特征参数的索力表征能力。文献1链接，https://link.springer.com/article/10.1007/s13349-013-0052-5，文献1通过目视法对比两特征参数对应力的表征效果（增量磁导率和应变计的应变量）。只能直观的比较特征参数变化规律，无法对特征参数的索力表征能力进行分析，kurz j h, laguerre l, niese f, et al. ndt for need based maintenance of bridge cables, ropesand pre-stressed elements [j]. journal of civil structural health monitoring, 2013, 3(4): 285-295。文献2链接，https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0263224117308047?via%3dihub，文献2利用单一评价指标，即拟合方程的线性回归系数，评价特征参数对索力的表征能力。单一评价指标的评价结果会随着评价指标的改变而变化，无法综合评估其对索力的表征能力。liu x, wu d, he c, et al. comparison of ac and pulsed magnetization-based elastomagneticmethods for tensile force measurement in steel strand [j]. measurement, 2018,117:410-418。
[0004]
本发明针对上述问题，提供了一种综合考虑灵敏度、线性相关系数、滞回误差、索力增量分辨能力及温漂的指标，以及利用该指标对提取的磁弹索力表征参数进行综合评价的方法。该方法有助于磁弹索力表征新参数的发现和提取，以提升脉冲磁弹法对斜拉桥索力的检测能力。


技术实现要素：

[0005]
本发明旨在发展一种磁弹信号特征参数对索力的定量表征能力综合评价方法，该方法用于指导磁弹索力表征参数的优化选取。
[0006]
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：在测试的索力f（起始和终止值分别计为f
l
和fu）和温度t（起始和终止值分别计为t
l
和tu）范围内，利用平面方程拟合磁弹信号特征参数p和t、f的关系，当方程拟合确定系数l大于0.8时，可以利用综合性能指标m对磁弹信号特征参数进行评价，具体步骤如下：（a）在温度t保持不变时，磁弹信号特征参数p随索力f变化过程中的取值上限和下限分别为p
uf
和p
lf
，计算p对索力f的归一化灵敏度sf，其表达式为：
[0007][0008]
按照式（1）计算所有温度下的归一化灵敏度sf，其平均值计为s
fa
；（b）在索力f保持不变时，磁弹信号特征参数p随温度t变化过程中的取值上限和下限分别为p
ut
和p
lt
，计算p对温度t的归一化灵敏度s
t
，其表达式为：
[0009]
按照式（2）计算所有索力条件下的归一化灵敏度s
t
，其平均值计为s
ta
；（c）计算灵敏度的当量系数；（d）利用线性方程对恒温条件下加载和卸载过程中测得的p和f数据进行拟合，p
load 和p
unload
分别对应加载和卸载过程中p的拟合值，线性拟合确定系数l的表达式为：
[0010]
式中n为索力测量点数量，为拟合值，为测量值的平均值，所有温度条件下加载和卸载过程中计算得到的l的平均值计为la；（e）计算滞回误差h，其表达式为：
[0011]
式中| |代表绝对值，所有温度条件下计算得到的滞回误差h的平均值计为ha；（f）在分析索力范围内，按照设定分辨的最小索力增量δf进行等步长加载，得到n个测试结果pk（k=1,2,
…
,n），索力增量的分辨能力d的表达式为：
[0012]
式中n为最小索力增量加载点数量，为拟合值，所有温度条件下加载和卸载过程中计算得到d的平均值计为da；（g）特征参数p对索力的综合表征能力可用下式描述的指标m进行评价：
[0013]
磁弹特征参数的m值越大，其对索力的表征能力越好。
附图说明
[0014]
图1脉冲磁弹法索力检测示意图图2不同索力下特征参数时域信号波形图3不同温度下索力与特征参数的关系图4特征参数与索力、温度相关性分析结果图5特征参数对索力的综合表征能力分析结果图中：1-待测斜拉索，2-温度传感器，3-采样电阻，4-霍尔元件，5-感应线圈，6-励磁线圈
具体实施方式
[0015]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
[0016]
1.如附图1所示，脉冲磁弹传感器主要包括励磁线圈6、感应线圈5、霍尔元件4和温度传感器2。脉冲励磁电压信号通入磁弹传感器的励磁线圈6，提供脉冲磁场，对待测斜拉索6进行脉冲磁化。温度传感器2测量被测斜拉索6的表面温度，与励磁线圈串联的采样电阻3测量脉冲励磁电流信号，采用霍尔元件4测试斜拉索表面的切向磁场强度信号，绕制于斜拉索1表面的感应线圈5测试主磁通量变化。
[0017]
2.如附图2所示，分析不同索力下的典型磁弹信号波形，包括感应电压信号、hall电压信号（切向磁场强度信号）、励磁电压信号、励磁电流信号及感应电压与励磁电压的比值信号。从5类磁弹信号中提取27个表征索力的特征参数，如感应电压信号最小值x4、hall电压信号第三峰值位置x
12
、励磁电流微分最小值x
22
及感应电压与励磁电压比值信号的最小值x
24
。各特征参数的具体符号和物理意义如表1所示。
[0018]
3.开展力-温度共同作用下的斜拉索磁弹检测实验，特征参数随索力和温度的改变而变化，形成空间曲面，如附图3所示。分析不同特征参数对温度的敏感程度，如特征参数x8对温度的依赖性如附图4（a）所示。不同特征参数对索力的表征能力不同，如特征参数x
12
对索力的表征结果如附图4（b）所示。
[0019]
表1典型磁弹信号特征参量表
[0020]
.根据发明内容步骤，计算每个特征参数对索力表征能力的的综合评价指标值。首先，利用式（1）和式（2）分别计算磁弹信号特征参数对索力f和温度t的归一化灵敏度，并计算灵敏度的当量系数s；其次，通过式（3）计算所有温度条件下加载和卸载过程中线性拟合确定系数的平均值la；再次，利用式（4）计算所有温度条件下拟合曲线的滞回误差的平均值ha；然后，通过式（5）计算索力增量分辨能力的平均值da；最后，利用综合评价指标m，即式（6），对磁弹信号特征参数的索力表征能力进行综合评价。磁弹特征参数的综合评价指标m值越大，其对索力的表征能力越好。
[0021]
5.针对三根不同直径的斜拉索（直径分别为77mm，95mm，105mm），利用特征参数对索力表征能力的综合评价方法对各特征参数进行评价，综合评价指标m值如附图5所示。

技术特征：
1.一种磁弹信号特征参数对索力的定量表征能力综合评价方法，其特征在于，在测试的索力f起始和终止值分别计为f
l
和f
u，
和温度t起始和终止值分别计为t
l
和t
u
范围内，利用平面方程拟合磁弹信号特征参数p和t、f的关系，当方程拟合确定系数l大于0.8时，利用综合性能指标m对磁弹信号特征参数进行评价，具体步骤如下：（a）在温度t保持不变时，磁弹信号特征参数p随索力f变化过程中的取值上限和下限分别为p
uf
和p
lf
，计算p对索力f的归一化灵敏度s
f
，其表达式为：按照式（1）计算所有温度下的归一化灵敏度s
f
，其平均值计为s
fa
；（b）在索力f保持不变时，磁弹信号特征参数p随温度t变化过程中的取值上限和下限分别为p
ut
和p
lt
，计算p对温度t的归一化灵敏度s
t
，其表达式为：按照式（2）计算所有索力条件下的归一化灵敏度s
t
，其平均值计为s
ta
；（c）计算灵敏度的当量系数；（d）利用线性方程对恒温条件下加载和卸载过程中测得的p和f数据进行拟合，p
load 和p
unload
分别对应加载和卸载过程中p的拟合值，线性拟合确定系数l的表达式为：式中n为索力测量点数量，为拟合值，为测量值的平均值，所有温度条件下加载和卸载过程中计算得到的l的平均值计为l
a
；（e）计算滞回误差h，其表达式为：式中| |代表绝对值，所有温度条件下计算得到的滞回误差h的平均值计为h
a
；（f）在分析索力范围内，按照设定分辨的最小索力增量δf进行等步长加载，得到n个测试结果p
k，
k=1,2,
…
,n，索力增量的分辨能力d的表达式为：式中
n为最小索力增量加载点数量，为拟合值，所有温度条件下加载和卸载过程中计算得到d的平均值计为d
a
；（g）特征参数p对索力的综合表征能力用下式描述的指标m进行评价：磁弹特征参数的m值越大，其对索力的表征能力越好；能够用于索力定量表征的新参数包括：感应电压最小值x4、hall电压信号第三峰值位置x
12
、励磁电流微分最小值x
22
及感应电压与励磁电压比值信号的最小值x
24
。

技术总结
本发明公布了一种磁弹信号特征参数对索力的定量表征能力综合评价方法。首先，基于磁弹信号特征参数对索力F和温度T的归一化灵敏度，计算灵敏度的当量系数S；其次，计算所有温度条件下加载和卸载过程中线性拟合确定系数的平均值L


技术研发人员：吴斌 闫双胜 刘秀成 王钰珏 李鹏
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/9