磁各向異性三足探頭應(yīng)力測試技術(shù)研究

，陳遜

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 電子科學(xué)與控制工程學(xué)院,河北廊坊 065201；2.防災(zāi)科技學(xué)院 應(yīng)急管理學(xué)院，河北廊坊 065201)

0 引言

材料在熱處理和使用過程中，應(yīng)力集中會使材料產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸累積形成宏觀缺陷，引起金屬構(gòu)件斷裂，應(yīng)力是導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備失效乃至發(fā)生事故的重要原因之一[1-5]。對鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中程度進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測和評定，及時準(zhǔn)確找出最危險的應(yīng)力集中部位，對設(shè)備的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，進(jìn)而防止重大事故發(fā)生，具有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[6]。

磁各向異性法是利用鐵磁材料的磁各向異性進(jìn)行應(yīng)力測量的方法，即當(dāng)一點存在應(yīng)力時，材料的磁導(dǎo)率由宏觀磁各向同性變?yōu)榇鸥飨虍愋?，測量時傳感器與材料表面構(gòu)成的磁回路磁通各異，用輸出的磁信號的差異來反映應(yīng)力的變化情況[7-11]。相比于傳統(tǒng)應(yīng)力檢測方法，磁各向異性法不需要耦合劑，既可以與被測材料接觸,也可以不接觸，可以對處于高溫、高速環(huán)境下的材料進(jìn)行檢測。

為了更好地推進(jìn)應(yīng)力致磁各向異性檢測技術(shù)，進(jìn)一步明確應(yīng)力與磁信號之間的非線性關(guān)系，提出了一種基于磁各向異性方法的三足磁極應(yīng)力檢測方法。采用有限元軟件對三足探頭不同角度檢測時感應(yīng)輸出電壓進(jìn)行仿真分析，并在自行研制三足探頭磁力傳感器基礎(chǔ)上，對16MnR鋼平板試件進(jìn)行應(yīng)力檢測試驗研究。

1 磁各向異性應(yīng)力檢測原理

材料所處的磁化狀態(tài)隨著其形狀、大小等結(jié)構(gòu)變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)。當(dāng)鐵磁材料處在壓力、拉力或扭轉(zhuǎn)力等外力狀態(tài)下，材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為逆磁致伸縮效應(yīng)[12-13]。

對逆磁致伸縮效應(yīng)各向異性檢測研究結(jié)果表明，磁輸出信號與應(yīng)力應(yīng)變之間存在關(guān)系，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)從宏觀角度給出磁信號輸出與殘余應(yīng)力應(yīng)變的定量關(guān)系，證明了逆磁致伸縮效應(yīng)檢測殘余應(yīng)力的可行性，得到通過逆磁致伸縮效應(yīng)各向異性法檢測殘余應(yīng)力的方法：處于外力狀態(tài)下的材料產(chǎn)生磁各向異性，應(yīng)力的變化引起磁阻和磁導(dǎo)率的變化，導(dǎo)致傳感器線圈中的磁通變化，通過測量線圈中的感應(yīng)電動勢的變化來檢測殘余應(yīng)力[14-16]。其整體變換過程為：

F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

其中，F(xiàn)為殘余應(yīng)力，Δσ為應(yīng)力變化量，Δμ為鐵磁材料磁導(dǎo)率的變化量，ΔRm為磁路中磁阻的變化量，ΔV為傳感器輸出電壓的變化量。

2 磁各向異性三足探頭仿真

選取磁各向異性三足探頭進(jìn)行三維電磁仿真分析，其中，僅針對磁各向異性造成的檢測電壓變化進(jìn)行類似仿真，與實際的探頭試件有所差異。為了使仿真結(jié)果更明顯，將勵磁磁芯和鐵氧體磁環(huán)的相對磁導(dǎo)率均設(shè)置為1 000。仿真模型如圖1所示，由檢測探頭包絡(luò)磁環(huán)磁芯構(gòu)成的磁路以及銅質(zhì)激勵接收線圈，不同磁導(dǎo)率的材料A(其磁導(dǎo)率設(shè)定為3 000)和材料B(其磁導(dǎo)率設(shè)定為5 000)。

圖1 三足探頭電磁仿真模型

為了簡化模型，仿真過程中采用半環(huán)結(jié)構(gòu)代替實際傳感器的整環(huán)探頭磁環(huán)結(jié)構(gòu)，通過仿真和磁路原理理論分析可知，這樣簡化是可行的，對仿真結(jié)果沒有影響。三足探頭中，兩個檢測足與激勵足之間的夾角為90°，磁路主要包含兩條磁通環(huán)路，如圖2所示。由于模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分不均勻以及計算誤差收斂問題，兩個環(huán)路在試件表面的部分由于磁導(dǎo)率不同而導(dǎo)致通過各自的磁環(huán)路磁通有所差異，進(jìn)而造成感應(yīng)電壓的差別，輸出即為感應(yīng)電壓之差。

圖2 某時刻磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況

仿真中激勵線圈設(shè)定為150匝，兩個檢測線圈都為400匝，探頭模型尺寸按照實際探頭大小。激勵電流設(shè)定為50 mA，頻率為5 kHz，分別對0°,±30°,±60°,±90°七個探頭角度位置進(jìn)行仿真計算，如圖3所示。

根據(jù)實際磁路分析，探頭在0°位置時具有最大的感應(yīng)電壓，±90°時具有最小感應(yīng)電壓(理想狀態(tài)為0)。因為在0°位置時通過兩個感應(yīng)線圈中的磁通之差最大，而在±90°時材料對稱，因此通過磁通也具有對稱性，以0～90°為例，結(jié)果如圖4所示，其中細(xì)實線為激勵電流曲線，粗實線為檢測線圈輸出感應(yīng)電壓曲線。

由圖4可以看出，30°和60°感應(yīng)電壓各不相同，90°感應(yīng)電壓具有最小值，且0°→30°→60°→90°感應(yīng)電壓成遞減規(guī)律，與實際的檢測結(jié)果發(fā)展規(guī)律一致。同理，對0°→-30°→-60°→-90°感應(yīng)電壓成遞減規(guī)律同樣成立。

圖3 探頭不同角度仿真位置示意

(a)0°時

(b)30°時

(c)60°時

(d)90°時

3 試驗驗證

3.1 磁各向異性檢測系統(tǒng)

應(yīng)力的磁性測試系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和待測試件等幾部分組成，如圖5所示。其中，加載系統(tǒng)對試件施加載荷；勵磁系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生穩(wěn)定的激勵磁場；信號采集系統(tǒng)主要用來接收由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動勢隨外加載荷的變化；信號處理系統(tǒng)對接受的信號進(jìn)行存儲、處理，得到需要的數(shù)據(jù)，并顯示出來。

圖5 應(yīng)力磁性測量框圖

磁各向異性檢測探頭一般由激勵線圈、檢測線圈、導(dǎo)磁磁芯組成，原理示意圖如圖6(a)所示?？紤]到工作頻率下具有較高的磁導(dǎo)率，并且市場上已有成型的用于制作電感或小型變壓器的鐵氧體磁棒、磁環(huán)，這樣可根據(jù)需要設(shè)計和調(diào)整探頭的形式。采用錳鋅鐵氧體磁環(huán)和磁棒制作的三足探頭如圖6(b)所示。探頭結(jié)構(gòu)由鋁質(zhì)外殼、鐵氧體磁環(huán)、鐵氧體磁芯及尼龍定位薄片構(gòu)成，如圖6(c)所示。激勵線圈和檢測線圈成對出現(xiàn)，所對應(yīng)的引出線通過磁環(huán)中間的小孔引出，最后在外殼的尾部集中引出所有的信號線。外殼采用非導(dǎo)磁性材料，既起到支撐防護(hù)作用又不會對檢測產(chǎn)生不利影響。

圖6 磁各向異性檢測探頭

由圖6中可以看出，三足探頭一個激勵足，兩個接收足，E-P1連線垂直于E-P2連線，感應(yīng)電壓極性線圈方向反接，這表示電勢相差?？紤]到檢測線圈的尺寸及鐵氧體磁芯的大小，選用直徑為0.20 mm和0.05 mm 的漆包線繞制激勵線圈與檢測線圈，且激勵線圈為150匝，檢測線圈為400匝。

3.2 檢測試驗

試驗材料為等寬與變寬兩類16MnR鋼平板試件，如圖7所示。為了消除材料內(nèi)部存在的不均勻性或殘余應(yīng)力，試驗前對試件進(jìn)行退火處理。

圖7 等寬與變寬拉伸試件測量位置示意

圖8示出拉伸試驗使用的靜態(tài)加載裝置，最大拉力為100 kN。為了減少測量誤差，測量時將探頭固定在試件的相應(yīng)位置并緊貼試件，盡量減小空氣間隙。對于周向測量，即對某一待測點，用刻有角度的紙板作標(biāo)識，探頭以每間隔15°為一個單位進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)測量。測量結(jié)果通過示波器進(jìn)行實時顯示，并同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。

圖8 試件拉伸及探頭檢測實物圖

3.3 試驗結(jié)果及分析

三足探頭是利用一個激勵線圈與兩個檢測線圈形成的兩個分支磁路的感應(yīng)電壓之差來實現(xiàn)檢測的，兩個檢測足都參與了主要磁通的環(huán)路，因此三足檢測探頭具有較大的感應(yīng)電壓，所輸出電壓不需要經(jīng)過信號放大，只進(jìn)行濾波處理即可。三足探頭不同拉力作用下檢測結(jié)果如圖9所示。檢測頻率為10 kHz，線圈激勵電壓為6 V。右側(cè)為測量時探頭的周向位置，垂直方向為拉伸方向。由于探頭本身制作的不對稱性等系列原因，在空氣中探頭自身就存在檢測電壓幅值，因此檢測結(jié)果只作為定性分析。

圖9 三足探頭檢測結(jié)果

三足探頭的變拉力測量結(jié)果顯示，角度1比角度 2隨拉力的變化結(jié)果要小，由于試件沿長度方向(拉伸)檢測線圈相對激勵線圈對稱，試件在拉力作用下具有各向異性，雖然磁阻變化理論上對稱，但是這種磁勢相對于角度2的磁勢來說要小很多。角度2為橫向和縱向磁勢，比角度1對稱磁勢大，拉伸使試件縱向磁阻減小，橫向磁阻增大，所以角度2變化更大。當(dāng)拉力達(dá)到一定程度，即角度1為 22 kN，角度2為16 kN時，傳感器探頭檢測電壓不再變化，這說明鐵磁性材料內(nèi)部磁性參數(shù)不再發(fā)生變化。因此磁各向異性方法測量這種平均應(yīng)力效應(yīng)也有限制。

對變寬試件不同位置處輸出電壓幅值隨拉力變化進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖10所示。由圖7可以看出，位置1比位置2寬度小，靜拉伸加載時受到的拉力載荷更大。

圖10 變寬度試件不同位置檢測結(jié)果

測量結(jié)果顯示電壓值位置1比位置2整體上大一些；曲線走勢呈下降趨勢，并不是說明隨拉力增大電壓降低，相對于初始電壓幅值差(某個角度初始參照電壓值)是增大的；這些說明了應(yīng)力和檢測電壓是正相關(guān)的。

4 結(jié)論

針對鐵磁構(gòu)件應(yīng)力難以有效檢測的問題，提出了一種基于磁各向異性方法的三足磁極應(yīng)力檢測方法。采用有限元軟件對三足探頭不同角度檢測時感應(yīng)輸出電壓進(jìn)行仿真分析，并在自行研制三足探頭磁力傳感器基礎(chǔ)上，對16MnR鋼平板試件進(jìn)行應(yīng)力檢測試驗研究。試驗結(jié)果表明，磁各向異性三足探頭可以有效檢測16MnR鋼平板試件的應(yīng)力集中位置，且應(yīng)力與磁信號存在較好的相關(guān)性，這為鐵磁構(gòu)件應(yīng)力檢測提供了一條新途徑。