随着社会经济的高速发展和人类科学技术的不断进步,空间结构的研究和应用愈来愈广泛。其中,空间钢结构被广泛应用于各类工业厂房、大型体育场馆、机场候机楼等基础设施中,有些甚至是关系到国计民生的社会公共建筑或标志性工程。这类结构不仅受力和构造比较复杂,而且在服役期内经常要受到各种自然或人为因素的影响,其结构构件的内力和变形可能超出设计值,健康状况发生恶化,使整个结构的正常和安全使用受到威胁。构件应力水平是决定结构安全的最重要因素之一。对在役钢结构进行实际应力的实时在线无损监测已成为一项迫切而重要的科学与工程任务,具有重要的社会意义和现实意义。本文首先概述了在役钢结构的应力监测的现状及各种应力检测方法。针对现有方法的不足,基于普通钢结构材料所具有的磁弹效应,利用新型的智能磁电层合材料,提出了一种新型的磁电磁弹(EME)应力传感器。从理论分析、模型仿真、系统设计、实验室实验、工程应用等方面深入研究了利用EME应力传感器进行在役钢结构的应力无损监测技术。主要研究内容如下：(1)依据铁磁学基础理论探讨了应力对钢结构材料的磁化及磁畴结构的影响,利用应力对钢结构材料磁特性的影响关系,给出了磁弹效应的基本理论模型。在介绍智能磁电层合材料的发展、应用及工作原理的基础上,将其加工制作成智能磁电传感元件,并进行了性能测试实验。在此基础上,提出了EME应力传感器的概念和基本工作原理,并结合理论计算进行了EME应力传感器的结构设计,包括励磁源的选择与设计、励磁电流的设计、励磁磁场的模拟计算及其它部分设计。(2)建立了EME应力传感器的仿真计算模型。仿真模型考虑了钢结构材料的磁弹耦合特性和磁电层合材料的磁电耦合效应,利用ANSYS有限元软件分析了空间磁场分布,实现了弹—磁—电的转换。基于改进的Jiles-Atherton模型,推导并求解了磁力微分方程组,得到了不同应力作用下的磁滞回线,及在某定磁场作用下的应力—磁化强度的关系曲线。利用场路耦合分析方法得到了脉冲激励检测信号的特征,根据特征进一步完善传感器的设计。基于磁电材料的等效电路法,对磁电层合材料的磁电转换效应进行了探讨,结合磁致／压电／磁致(MPM)结构的磁电层合材料在磁性材料沿长度方向上振动、压电材料沿横向极化的模式(L-T模式)下工作的计算方法,计算了磁电电压转换效应。结合实际算例,总结了整个EME应力传感器系统模型的建立步骤。(3)建立了一套基于LabVIEW平台的应力监测系统,通过LabVIEW编制的虚拟仪器(Ⅵ)对实际测试过程进行操控。针对工程中常用的圆形截面构件(如预应力钢筋、钢棒和钢缆索等),对不同材料、不同直径的钢构件进行了EME应力传感器的设计和应力(力)测试实验。实验结果证明EME应力监测技术适用于各种大、小型构件,不仅适用于纯钢材料,对于钢与其它材料组合的混合材料结构也有很大的应用潜力。实验中进行了信号的详细分析及物理机理探索。总结了EME应力传感器及其监测技术的优点,如与被测构件无机械接触,精度高,响应快,测量结果稳定可靠,不需要了解构件的受力历史便能实现对应力绝对值的监测,制作安装方便,环境耐受能力强,预估使用寿命较长等。(4)将EME应力传感器及其监测系统应用到浙江省台州椒江二桥的斜拉索索力监测的工程中,进行了钢缆索的索厂标定实验和现场的索力校核实验。(5)总结了钢结构材料磁特性的主要影响因素,并通过实验对材料的内部结构和温度影响因素进行了研究。分别利用光学显微镜和磁力显微镜(MFM)进行了钢结构材料的金相组织与磁畴结构观察实验；利用振动样品磁强计(VSM)进行了磁特性测量实验,结合技术磁化的规律得到了实验钢结构材料的磁化阶段的特征参数；详细分析了温度对监测系统的测量精度影响,基于分子场理论,探讨了温度对铁磁材料磁弹特性的影响机理,进行了钢结构材料的磁特性随温度变化的研究实验,得到了在不同温度下镀锌高强钢丝的初始磁化曲线和磁滞回线,及其磁特性参数对温度变化的灵敏度。最后,针对传感器实际应用可能存在的不利环境因素,提出了改善EME应力传感器及监测系统的电磁兼容性(EMC)的措施。