ACSM法系統(tǒng)設計及鐵磁構件應力測量研究*

宋　凱,周松蔚,王　嬋,張麗攀

(1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063;2.西安航空動力股份有限公司,西安 710021)

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,大型鐵磁機械裝備應用越來越廣泛,這些機械裝備的關鍵部件長期工作在高溫、高壓和高負載的工況下,會形成應力集中,并可能導致疲勞累積損傷、裂紋等破壞性缺陷,使其存在安全隱患,極易發(fā)生安全事故[1-2],因此對鐵磁構件的應力測量顯的尤為重要。應力測量以是否有破壞性分為有損測量法和無損測量法[3]。有損測量法以盲孔法、切槽法為代表,具有簡單易行,測量精度高等優(yōu)點,但其會給工件帶來的一定的壞破[4-5]。無損測量法因其無破壞性而成為國內外諸多學者的研究熱點,Ding等人[6]基于電磁超聲檢測技術,實現(xiàn)對緊固螺栓軸向應力的檢測,且較常規(guī)超聲更準確方便;Magalas[7]將小波變換應用于巴克豪森信號的分析上,以提高信號對應力的敏感度;徐瑤[8]等人針對直升機旋翼軸應力監(jiān)測的需求和軸部安裝空間有限的實際情況,研制了一種新型平面柔性渦流傳感器,并提出了相應的應力監(jiān)測方法。盡管這些方法在應力檢測上都有其一定的優(yōu)勢,但不可避免地都各自具有一些不足,如設備貴重、操作復雜和檢測材料受限等。

交變應力測量法ACSM(Alternating Current Stress Measurement)是近年來提出的一種新的測量鐵磁構件應力的電磁測量方法,由交變磁場測量法發(fā)展而來[9]。Syahkal[10]在交流電壓降法基礎上首先提出了交變磁場測量法,經(jīng)Zhou[11-14]等人深入研究及優(yōu)化,交變磁場測量法逐步成熟并得到廣泛應用。Chen[15]首先將這一方法應用于懸臂梁試驗模型下不同彎曲程度時應力與電勢差之間的規(guī)律研究,實驗結果表明一定范圍內它們具有線性關系,并將此方法稱為ACSM法,M.J.Knight[16]研究了冷軋鉆鋌螺紋ACSM法檢測的信號特征,結合試驗結果分析了應力對缺陷的影響機理。

本文研制ACSM測量系統(tǒng),以Q235鋼為研究對象,開展鐵磁構件應力測量實驗,研究不同應力下測量信號變化特征,為鐵磁性構件的應力評價提供理論依據(jù)。

圖1　ACSM法測量原理圖

1　ACSM法測量原理

ACSM法測量原理基于力磁效應并結合電磁感應原理而形成,其基本方法是通過磁信號傳感器和后續(xù)信號處理電路將材料表面磁信號的變化轉變?yōu)殡妷毫康淖兓?建立應力和電壓值的函數(shù)關系,通過電壓量的測量來確定應力值。

ACSM法測量原理如圖1所示,探頭在交變激勵作用下,U型鐵氧體與工件表面間形成交變磁場回路,在工件表面和近表面形成平行渦流場,如待檢區(qū)域有應力改變,影響了該區(qū)域的電磁特性,導致渦流場發(fā)生畸變,從而使得二次感應磁場隨之變化,被檢測探頭拾取,從而攜帶了待檢區(qū)域的應力信息。

在應力作用下,鐵磁性工件內的組織結構和晶粒分布都會發(fā)生較大變化,從而工件中的電阻率、磁導率特征參量也隨之改變。力磁之間存在關系式:

(1)

式(1)中Δμ為磁導率的變化量;μσ為材料在應力作用下的磁導率;λ0為材料中的初始逆磁致伸縮系數(shù),μH為材料初始磁導率;σ表示應力值;由式(1)可知Δμ/μσ隨σ正比變化。

應力作用不僅改變原有材料的磁導率,同樣也對材料電阻率產(chǎn)生影響。在彈性范圍內,對鐵磁性料施加拉應力時,工件電阻率和應力有如下關系式:

ρ=ρ0(1+αrσ)

(2)

式中:ρ表示拉力作用下電阻率;ρ0表示無施加應力時的電阻率;αr表示拉應力系數(shù);

在壓應力作用下工件電阻率和應力關系則為:

ρp=ρv(1+φρ)

(3)

式中:ρp表示壓應力下工件電阻率;ρv表示真空下的電阻率;φ表示壓應力系數(shù),其值為負。由式(2)和式(3)可知:工件在拉應力作用下,電阻率隨拉應力的增大而增大;當在壓應力作用下時,其電阻率隨壓應力的增大而減小。

因交流激勵存在趨膚效應,根據(jù)趨膚效應公式:

(4)

式中:δ表示標準透入深度;f表示激勵頻率;μ表示材料磁導率;ρ表示材料電阻率;

當激勵頻率恒定時,應力改變材料的磁導率μ和電阻率ρ,從而影響標準透入深度,工件表面感應電流的密度和分布被改變,進而產(chǎn)生電磁擾動并為檢測探頭拾取。

圖2　ACSM法測量系統(tǒng)模塊圖

2　ACSM測量系統(tǒng)設計

ACSM測量系統(tǒng)如圖2所示,主要包括傳感器、激勵模塊、信號調理模塊、信號采集與處理顯示模塊4個部分,其中激勵模塊又包括DDS信號發(fā)生器和功率放大兩部分,信號采集與處理顯示模塊主要是通過采集卡及LabVIEW軟件來實現(xiàn)。

2.1　傳感器設計

傳感器作為ACSM測量系統(tǒng)的重要組成部分,其設計工藝非常重要[17]。傳感器結構如圖3所示,由激勵探頭和檢測探頭兩部分組成,激勵探頭由線圈繞制在U型錳鋅鐵氧體上,用于產(chǎn)生交變磁場,并在待檢工件表面感應出平行且均勻電流。檢測探頭由線圈繞制在工字型鐵氧體上,用以拾取因電流擾動所產(chǎn)生的磁場信號變化。

圖3　傳感器結構圖

激勵線圈匝數(shù)的選擇應通過合適的磁場強度來確定,最佳為工作在磁化曲線的線性階段。當試驗的磁場強度確定之后,激勵線圈匝數(shù)的確定可由式(5)確定:

Ne=Hl/Ie

(5)

式中:Ne表示激勵線圈匝數(shù);H為確定的激勵磁場大小;Ie為加載的激勵電流的有效值;l為傳感器與被測試件所組成的磁回路的長度。

激勵電流的確定要考慮到驅動功率問題,既要保證足夠大的功率以驅動激勵探頭但又不能太大以致線圈發(fā)熱。根據(jù)式(6)來確定所選銅導線的線徑和最大激勵電流。

(6)

式中:σ為銅線中電流密度,d為銅線的直徑。

對于檢測線圈的設計,由電磁感應定律可知,閉合線圈的感應電動勢e與穿過該線圈的磁通的時間變化率dφ/dt成正比:

(7)

e=-NSBωcosωt

(8)

為了使檢測線圈得到較高的靈敏度,需要考慮線圈常數(shù)NS,其中N為線圈匝數(shù),S為檢測探頭橫截面積,B為磁感應強度。若檢測探頭內徑為d,探頭外徑為D,則其線圈常數(shù)表達式為:

(9)

綜合考慮空間點磁場信號的接收及靈敏度的要求,檢測探頭的線圈尺寸應該滿足:

L/D>0.886

(10)

式中:L表示工字型凹槽長度,D表示探頭外徑。

通過理論分析及實驗研究最終確定傳感器參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器參數(shù)

2.2　激勵模塊

激勵模塊分為DDS信號發(fā)生器和功率放大兩部分。系統(tǒng)采用DDS芯片為AD9854,該芯片同時輸出一對正交正弦信號,輸出最高頻率可達150MHz,其中一路經(jīng)功率放大后作為激勵信號驅動激勵線圈,另一路與之正交的信號為后續(xù)檢波電路提供參考信號,避免常規(guī)相敏檢波參考信號需移相合成及移相不精確的問題。因DDS輸出信號功率較小不足以驅動激勵線圈,故需后端接入一級功率放大電路。

2.3　信號調理模塊

信號調理模塊包括前置放大電路及相敏檢波電路兩部分。因檢測探頭所拾取感應信號小至毫伏級,極易淹沒于噪聲信號中,為提取到正確的檢測信號,需要加前置放大電路,選用AD620搭建前置放大電路。

圖4　ACSM應力測量儀

相敏檢波電路實現(xiàn)對微弱信號的檢測放大且抗干擾性強,依據(jù)互相關原理,利用缺陷信號頻率和隨機噪聲頻率的差別,達到去噪的功能。該電路不僅可以測得信號幅值,也可實現(xiàn)相位的測量,實現(xiàn)矢量測定。采用高性能四象限模擬乘法器AD734和低通濾波MAX291實現(xiàn)。MAX291為八階巴特沃斯型開關電容式有源低通濾波器,截止頻率可以在0.1kHz～25kHz之間選擇,截止頻率的調節(jié)通過外接電容實現(xiàn)。ACSM測量系統(tǒng)如圖4所示。

2.4　信號采集與處理顯示模塊

采用研華USB-4711A型采集卡實現(xiàn)信號采集功能,采集速率最高可達150ksample/s。測量軟件采用LabVIEW軟件編制,如圖5所示,用于實現(xiàn)信號放大、濾波調理、數(shù)據(jù)分析以及顯示處理,同時控制AD9854輸出信號頻率。

圖5　軟件界面圖

3　應力測量及結果分析

鐵磁構件材質為Q235鋼,試件尺寸規(guī)格為200mm×45m×2.5mm,如圖6所示,有效檢測區(qū)域為100mm×35mm,材料實際屈服強度為300MPa,抗拉強度為360MPa。

圖6　工件規(guī)格示意圖

將探頭兩腳連線平行于工件固定在工件中心區(qū)域,對工件施加拉伸載荷,載荷每加50MPa后保載,ACSM測量系統(tǒng)的激勵頻率取2kHz,激勵電壓分別為5V、12V、19V和25V,測量工件表面因拉應力而改變的磁感應強度分量Bx和Bz,用其感應電壓量表征,并以無應力狀態(tài)時工件的同區(qū)域Bx0和Bz0分別作為初始參考值,差分處理后獲得感應電壓的變化量ΔBx和ΔBz。

ΔBx的測量結果如圖7(a)所示,在不同激勵電壓下,ΔBx隨載荷呈遞增趨勢。當激勵電壓為5V時,ΔBx較小,在屈服點之前幾乎沒有變化,屈服點后才約有10mV的上升量。隨激勵電壓增大,ΔBx趨于顯著,當載荷為300MPa且激勵電壓為12V時ΔBx為43mV,而激勵電壓為19V時ΔBx則達到了98mV。由圖可見,激勵電壓為19V時,在載荷小于300MPa時ΔBx線性度較好,其后突然大幅增加,因為此時工件變形嚴重,應力較大,符合應力變化情況。當激勵電壓進一步增大至25V時,探頭開始發(fā)熱,檢測結果隨應力變化的線性度較差。

由圖7(b)可看出,ΔBz隨載荷變化曲線在工件屈服前其變化量較小,且變化規(guī)律復雜,因此不將其作為應力的評價指標。

圖7　不同激勵電壓下載荷對ΔBx和ΔBz的影響

4　結論

基于ACSM測量原理,研制一套測量系統(tǒng),開展了Q235鋼應力測量實驗。實驗結果表明隨拉伸載荷增大,ΔBx測量信號與應力呈線性變化,而ΔBz信號變化量較小,且變化規(guī)律復雜,不適合對應力進行評價。

本系統(tǒng)對于鐵磁構件的應力測量提供了一種有效的測試方法,可為工程實踐提供借鑒指導。

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宋凱(1975-)男,副教授,博士。主要研究方向為電磁無損檢測新技術,電磁場數(shù)值計算,songkai@nchu.edu.cn;

周松蔚(1989-)男,碩士研究生,主要研究方向為電磁無損檢測新技術,simonchou008@Gmail.com。