磁各向异性三足探头应力测试技术研究

，陈逊

(1.防灾科技学院 电子科学与控制工程学院,河北廊坊 065201；2.防灾科技学院 应急管理学院，河北廊坊 065201)

0 引言

材料在热处理和使用过程中，应力集中会使材料产生疲劳裂纹，并逐渐累积形成宏观缺陷，引起金属构件断裂，应力是导致机械结构和设备失效乃至发生事故的重要原因之一[1-5]。对铁磁构件的应力集中程度进行现场快速检测和评定，及时准确找出最危险的应力集中部位，对设备的安全性进行准确评估，进而防止重大事故发生，具有重大的社会效益和经济效益[6]。

磁各向异性法是利用铁磁材料的磁各向异性进行应力测量的方法，即当一点存在应力时，材料的磁导率由宏观磁各向同性变为磁各向异性，测量时传感器与材料表面构成的磁回路磁通各异，用输出的磁信号的差异来反映应力的变化情况[7-11]。相比于传统应力检测方法，磁各向异性法不需要耦合剂，既可以与被测材料接触,也可以不接触，可以对处于高温、高速环境下的材料进行检测。

为了更好地推进应力致磁各向异性检测技术，进一步明确应力与磁信号之间的非线性关系，提出了一种基于磁各向异性方法的三足磁极应力检测方法。采用有限元软件对三足探头不同角度检测时感应输出电压进行仿真分析，并在自行研制三足探头磁力传感器基础上，对16MnR钢平板试件进行应力检测试验研究。

1 磁各向异性应力检测原理

材料所处的磁化状态随着其形状、大小等结构变化而发生变化的现象称为铁磁材料的磁致伸缩效应。当铁磁材料处在压力、拉力或扭转力等外力状态下，材料的磁化强度发生变化的现象称为逆磁致伸缩效应[12-13]。

对逆磁致伸缩效应各向异性检测研究结果表明，磁输出信号与应力应变之间存在关系，依据试验数据从宏观角度给出磁信号输出与残余应力应变的定量关系，证明了逆磁致伸缩效应检测残余应力的可行性，得到通过逆磁致伸缩效应各向异性法检测残余应力的方法：处于外力状态下的材料产生磁各向异性，应力的变化引起磁阻和磁导率的变化，导致传感器线圈中的磁通变化，通过测量线圈中的感应电动势的变化来检测残余应力[14-16]。其整体变换过程为：

F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

其中，F为残余应力，Δσ为应力变化量，Δμ为铁磁材料磁导率的变化量，ΔRm为磁路中磁阻的变化量，ΔV为传感器输出电压的变化量。

2 磁各向异性三足探头仿真

选取磁各向异性三足探头进行三维电磁仿真分析，其中，仅针对磁各向异性造成的检测电压变化进行类似仿真，与实际的探头试件有所差异。为了使仿真结果更明显，将励磁磁芯和铁氧体磁环的相对磁导率均设置为1 000。仿真模型如图1所示，由检测探头包络磁环磁芯构成的磁路以及铜质激励接收线圈，不同磁导率的材料A(其磁导率设定为3 000)和材料B(其磁导率设定为5 000)。

图1 三足探头电磁仿真模型

为了简化模型，仿真过程中采用半环结构代替实际传感器的整环探头磁环结构，通过仿真和磁路原理理论分析可知，这样简化是可行的，对仿真结果没有影响。三足探头中，两个检测足与激励足之间的夹角为90°，磁路主要包含两条磁通环路，如图2所示。由于模型进行网格划分不均匀以及计算误差收敛问题，两个环路在试件表面的部分由于磁导率不同而导致通过各自的磁环路磁通有所差异，进而造成感应电压的差别，输出即为感应电压之差。

图2 某时刻磁感应强度分布情况

仿真中激励线圈设定为150匝，两个检测线圈都为400匝，探头模型尺寸按照实际探头大小。激励电流设定为50 mA，频率为5 kHz，分别对0°,±30°,±60°,±90°七个探头角度位置进行仿真计算，如图3所示。

根据实际磁路分析，探头在0°位置时具有最大的感应电压，±90°时具有最小感应电压(理想状态为0)。因为在0°位置时通过两个感应线圈中的磁通之差最大，而在±90°时材料对称，因此通过磁通也具有对称性，以0～90°为例，结果如图4所示，其中细实线为激励电流曲线，粗实线为检测线圈输出感应电压曲线。

由图4可以看出，30°和60°感应电压各不相同，90°感应电压具有最小值，且0°→30°→60°→90°感应电压成递减规律，与实际的检测结果发展规律一致。同理，对0°→-30°→-60°→-90°感应电压成递减规律同样成立。

图3 探头不同角度仿真位置示意

(a)0°时

(b)30°时

(c)60°时

(d)90°时

3 试验验证

3.1 磁各向异性检测系统

应力的磁性测试系统由加载系统、励磁系统、信号采集系统、信号处理系统和待测试件等几部分组成，如图5所示。其中，加载系统对试件施加载荷；励磁系统主要用于产生稳定的激励磁场；信号采集系统主要用来接收由于电磁感应而产生的电动势随外加载荷的变化；信号处理系统对接受的信号进行存储、处理，得到需要的数据，并显示出来。

图5 应力磁性测量框图

磁各向异性检测探头一般由激励线圈、检测线圈、导磁磁芯组成，原理示意图如图6(a)所示。考虑到工作频率下具有较高的磁导率，并且市场上已有成型的用于制作电感或小型变压器的铁氧体磁棒、磁环，这样可根据需要设计和调整探头的形式。采用锰锌铁氧体磁环和磁棒制作的三足探头如图6(b)所示。探头结构由铝质外壳、铁氧体磁环、铁氧体磁芯及尼龙定位薄片构成，如图6(c)所示。激励线圈和检测线圈成对出现，所对应的引出线通过磁环中间的小孔引出，最后在外壳的尾部集中引出所有的信号线。外壳采用非导磁性材料，既起到支撑防护作用又不会对检测产生不利影响。

图6 磁各向异性检测探头

由图6中可以看出，三足探头一个激励足，两个接收足，E-P1连线垂直于E-P2连线，感应电压极性线圈方向反接，这表示电势相差。考虑到检测线圈的尺寸及铁氧体磁芯的大小，选用直径为0.20 mm和0.05 mm 的漆包线绕制激励线圈与检测线圈，且激励线圈为150匝，检测线圈为400匝。

3.2 检测试验

试验材料为等宽与变宽两类16MnR钢平板试件，如图7所示。为了消除材料内部存在的不均匀性或残余应力，试验前对试件进行退火处理。

图7 等宽与变宽拉伸试件测量位置示意

图8示出拉伸试验使用的静态加载装置，最大拉力为100 kN。为了减少测量误差，测量时将探头固定在试件的相应位置并紧贴试件，尽量减小空气间隙。对于周向测量，即对某一待测点，用刻有角度的纸板作标识，探头以每间隔15°为一个单位进行360°旋转测量。测量结果通过示波器进行实时显示，并同时进行数据采集处理。

图8 试件拉伸及探头检测实物图

3.3 试验结果及分析

三足探头是利用一个激励线圈与两个检测线圈形成的两个分支磁路的感应电压之差来实现检测的，两个检测足都参与了主要磁通的环路，因此三足检测探头具有较大的感应电压，所输出电压不需要经过信号放大，只进行滤波处理即可。三足探头不同拉力作用下检测结果如图9所示。检测频率为10 kHz，线圈激励电压为6 V。右侧为测量时探头的周向位置，垂直方向为拉伸方向。由于探头本身制作的不对称性等系列原因，在空气中探头自身就存在检测电压幅值，因此检测结果只作为定性分析。

图9 三足探头检测结果

三足探头的变拉力测量结果显示，角度1比角度 2随拉力的变化结果要小，由于试件沿长度方向(拉伸)检测线圈相对激励线圈对称，试件在拉力作用下具有各向异性，虽然磁阻变化理论上对称，但是这种磁势相对于角度2的磁势来说要小很多。角度2为横向和纵向磁势，比角度1对称磁势大，拉伸使试件纵向磁阻减小，横向磁阻增大，所以角度2变化更大。当拉力达到一定程度，即角度1为 22 kN，角度2为16 kN时，传感器探头检测电压不再变化，这说明铁磁性材料内部磁性参数不再发生变化。因此磁各向异性方法测量这种平均应力效应也有限制。

对变宽试件不同位置处输出电压幅值随拉力变化进行检测，结果如图10所示。由图7可以看出，位置1比位置2宽度小，静拉伸加载时受到的拉力载荷更大。

图10 变宽度试件不同位置检测结果

测量结果显示电压值位置1比位置2整体上大一些；曲线走势呈下降趋势，并不是说明随拉力增大电压降低，相对于初始电压幅值差(某个角度初始参照电压值)是增大的；这些说明了应力和检测电压是正相关的。

4 结论

针对铁磁构件应力难以有效检测的问题，提出了一种基于磁各向异性方法的三足磁极应力检测方法。采用有限元软件对三足探头不同角度检测时感应输出电压进行仿真分析，并在自行研制三足探头磁力传感器基础上，对16MnR钢平板试件进行应力检测试验研究。试验结果表明，磁各向异性三足探头可以有效检测16MnR钢平板试件的应力集中位置，且应力与磁信号存在较好的相关性，这为铁磁构件应力检测提供了一条新途径。