CN1737519A - 一种测量铁磁性材料内应力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料应力无损检测领域，具体涉及一种通过测量铁磁材料感应线圈中感应电压的变化，来测量铁磁材料内部残余应力的一种无损检测装置。由T形铁芯和凹形铁芯组成，在T形铁芯的芯轴上绕有能够产生交变磁场的激励线圈，在凹形铁芯上对称T形铁芯的芯轴绕有匝数相同并串连反接的两组感应线圈，T形铁芯和凹形铁芯围成的区域一侧为测量端，另一侧为参考端，测量端放置含有应力的被测试样，参考端放置不含应力的同一材质的标准试样，通过测量感应线圈两端的电压值即可计算出被测试样内应力的大小或预测出被测试样内应力的变化趋势，发现构件应力集中部位，在将要发生损坏的部位，采取必要的措施使应力释放，避免因构件的损坏而造成事故。

Description

一种测量铁磁性材料内应力的装置

技术领域

本发明属于材料应力无损检测领域，具体涉及一种通过测量铁磁材料感应线圈中感应电压的变化，来测量铁磁材料内部残余应力的一种无损检测装置。

背景技术

铁磁材料组成的机械设备，即使设计合理，在额定载荷下工作，残余应力和工作应力的叠加将导致构件的二次变形和残余应力的重新分布，从而降低构件和设备的使用寿命，严重的甚至引起恶性事故。长期以来，对服役过程中铁磁材料疲劳损伤及寿命的预测方法的研究一直受到世界上各国学者的重视。因此，研究一种方便可靠的对铁磁材料构件进行无损检测的方法就十分必要。

在铁磁材料的检测中，一种广泛应用的无损检测方法是X射线法，但是由于X射线波长较长，其探测深度(10μm级)有限制。由于声音能更深入铁磁材料内部，有关超声波法测量残余应力近来得到了很大的发展，尤其是横波双折射技术的应用。但是超声波波速的变化十分微小，其测量铁磁材料内应力方法并不容易实现，而且材料的结构对其测量结果影响也很大。

应用磁学方法测量残余应力主要有磁记忆法和磁声法。磁记忆法利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁性能在应力和变形集中区内产生不可逆变化，在金属与空气边界出现磁导率跃变，其表面产生漏磁场，测量该漏磁场便可无损、快速、便捷、准确地确定铁磁性金属结构上的应力和变形集中区，即设备上最危险的区段和部位，进行强度和寿命的诊断。这种技术弥补了传统无损检测方法的不足，但磁记忆原理还没有形成完整严密的理论体系，并且没有开展缺陷的定量检测，而且没有经过国家计量机构的计量认证。

还有磁声发射法(Magnetomechanical Acoustic Emission，MAE)，也是一种磁性测量方法，它利用铁磁材料中的磁畴壁在外磁场作用下往复振荡和磁化矢量的转动而产生应力波从而导致声发射现象。由于这种声发射(AE)信号强度随磁化构件所受应力产生规律性的变化，因此可通过测取AE信号得知构件的受力情况。但是在通过信号波形对比确定应力符号时，可靠性较差，操作也较复杂。

在铁磁性材料中的应力和结构缺陷，以及金属中的某些其他特性，也可以通过在金属中建立随时间变化的磁场和分析由磁场在金属件中产生的磁噪声来识别，这种探测技术应用了被称为“巴克豪森”现象。即当建立在金属构件中的大磁场逐渐变化时，在物质磁化的一系列突变和跳跃。在周波等人的02200764.4号专利中给出了关于巴克豪森效应的讨论，并设计出了一个探头用来测量应力，传感器线圈携带的“巴克豪森噪声”可以通过适当的方法得到。在金属中某一部分产生的巴克豪森噪声强度部分取决于该部分的应力应变及金属的微观结构，已经试图用巴克豪森效应和巴克豪森噪声来确定金属构件中的应力或应变以及缺陷和金属件的微观结构特性。应用巴克豪森效应确定金属件中的应力或应变的大多数系统包括一个激励线圈系统和一个传感线圈系统。激励线圈设置在检测过程中紧靠金属件的位置。而且该线圈由随时间周期性变化的信号激励，以便在金属件中感应出随时间周期性变化的磁场。巴克豪森噪声在金属件中产生的结果由传感线圈感受并输送到能以多种方式处理噪声的电路中。最后，经过处理的巴克好森噪声被送至显示装置。

发明内容

本发明是为了解决现有的测量系统中，测量不精确的缺点，设计了一种全新的测量铁磁材料内应力的传感器装置，其通过测量被测试样一侧与标准试样一侧串联反接的两个感应线圈中的电压值来确定铁磁材料的内应力。

本发明的原理如下：

铁磁性材料具有磁畴结构，铁磁性物质在应力的作用下，其内部的磁畴和磁导率，磁阻等微观结构和参数均发生变化。根据畴壁位移的应力理论^[1]，铁磁性物质的起始磁化率为 ${\mathrm{\χ}}_i\≅\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_s^2}{{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\σ}},$ (μ₀为真空磁导率，M_s为磁化矢量，λ_s为饱和磁致伸缩系数，σ为应力)，可见磁化率随着应力的增大而减少。我们还知道铁磁体的起始磁化率x_i和起始磁导率μ_i的关系是μ_i＝1+x_i，所以磁导率也将随着内应力的增大而减少。根据磁感应强度与磁导率的关系公式B＝μ₀(H+M)＝μ₀(H+x_iH)＝μ₀(1+x_i)H＝μ₀μ_iH，这样就建立了磁感应强度和应力的函数关系。即 $B\≅{\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_s^2}{{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\σ}})H.$

又因为感应电压 $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{d(B\·S)}{\mathrm{dt}},$ 移项积分得 $B=\frac{1}{S}\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

将 $B{\≅\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_s^2}{{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\σ}})H$ 代入上式，可以得到感应电压与应力之间的函数关系，

${\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_s^2}{{\mathrm{\λ}}_s\mathrm{\σ}})H=\frac{1}{S}\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

所以可以通过测量铁磁材料感应电压的变化来确定铁磁材料所受应力的大小，这就是本发明的基本原理。

本发明所述的测量铁磁性材料内应力的装置由T形铁芯和凹形铁芯组成，在T形铁芯的芯轴上绕有能够产生交变磁场的激励线圈，在凹形铁芯上对称T形铁芯的芯轴绕有匝数相同并串连反接的两组感应线圈，T形铁芯和凹形铁芯围成的区域一侧为测量端，另一侧为参考端，测量端放置含有应力的被测试样，参考端放置不含应力的同一材质的标准试样，通过测量感应线圈两端的电压值即可计算出被测试样内应力的大小或预测出被测试样内应力的变化趋势。

不同的铁磁性物质磁导率和磁阻是不同的，所需的激励电流也是不同的，在信号源幅值和频率固定的情况下，可以通过调整凹形铁芯与T形铁芯之间的开口距离大小，来测量不同形状和不同种类的铁磁性物质的内应力，即凹形铁芯可以自由地沿着T形铁芯滑动，由凹形铁芯和T形铁芯所围成的参考端和测量端的开口大小也随之变化，作为一种优选实施方式，本专利从而提供了一种凹形铁芯能够沿T形铁芯的芯轴前后移动的测量装置，即本发明所述的测量铁磁性材料内应力的装置由T形铁芯和凹形铁芯组成，凹形铁芯中空且能够沿T形铁芯的芯轴前后移动。

在本专利中，两组感应线圈既可以绕在凹形铁芯的两个突出部分上，也可以绕在相对于T形铁芯芯轴左右对称的凹形铁芯的臂上。匝数相同且串连反接的感应线圈分别用来感应被测样品和标准试件的感应电势，这样可排除周围环境因素的干扰，可以准确得出被测样品所受应力情况。感应线圈两端的电压可通过数字万用表读出电压的有效值，也可以接示波器等测量仪器，或经滤波、转换后接计算机，由电脑屏幕显示，读取数据后进行分析和处理。

在本专利中，激励线圈可由信号发生器经功率放大器提供信号。信号发生器和功率放大器给测量装置的激励线圈提供一定频率和强度的电流，以便在检测铁磁性构件时产生适宜的变化磁场，信号的频率不能为高频，否则趋肤效应［2]明显，感应电流集中在被测试样表面，探测深度降低，而过低的幅度和频率则无法驱动激励线圈，导致检测灵敏度恶化。合适的选择范围是从信号发生器输出一定频率和强度的正弦波信号，其幅值范围为50mv-100mv，频率范围为30Hz-100Hz，功放的输出功率可以是10W-100W。

激励线圈选用线径为0.5mm-1.0mm的漆包线，缠绕150-300匝。在激励信号的作用下，标准试样和被测试样与铁芯测量端和参考端相接触的部分均被磁化。两组感应线圈选用线径0.1mm-0.35mm的漆包线，缠绕了800-1500匝，将感应线圈串连反接，如图3所示。接线端在测量端和参考端都是标准试样的情况下，c，f之间的电压为零。当测量端为含有应力的被测试样，参考端为不含应力的标准试样时，两个感应线圈的电压不相同，其差值(即c、f间的电压)即为铁磁材料构件内应力通过本专利测量装置产生的感应电压。

测量示意图如图2所示，当测量端为含有应力的被测试样，参考端为不含应力的标准试样时，如图1所示，c、f两端的电压值即为应力产生的感应电压值，可通过数字万用表读出其有效值。

本发明装置能够在构件发生裂纹裂变之前通过其应力的检测，发现应力集中部位，在将要发生损坏的部位，采取必要的措施使应力释放，避免因构件的损坏而造成事故。

附图说明

图1：为本专利所述的测量内应力装置的结构示意图；

(a)是正视图，(b)是左视图，(c)是俯视图，(d)是右视图；

图2：为本专利所述的测量内应力装置的一个具体实施示意图；

图3：为本专利移动铁芯上两组感应线圈的连接方式示意图；

图4：为磁场方向与应力方向垂直的试验示意图；

图5：为磁场方向与应力方向垂直的感应电压值与应力值曲线关系图；

图6：为磁场方向与应力方向平行的试验示意图；

图7：为磁场方向与应力方向平行的感应电压值与应力值曲线关系图。

如图1所示，各部分名称为T形铁芯1、T形铁芯的芯轴11、激励线圈2、凹形移动铁芯3、感应线圈4(其中第一组感应线圈41、第二组感应线圈42)、由T形铁芯1和凹形移动铁芯3围成的开口5、凹形移动铁芯的突出部分31、33、凹形移动铁芯的臂32、激励信号输入端a、b，感应电压输出端c、d、e、f。

本专利所述装置由T形铁芯1和凹形铁芯3组成，在T形铁芯1的芯轴11上绕有能够产生交变磁场的激励线圈2，在凹形铁芯3上对称T形铁芯1的芯轴11绕有匝数相同并串连反接的两组感应线圈41、42，T形铁芯1和凹形铁芯3围成的区域一侧为测量端，另一侧为参考端，测量端放置含有应力的被测试样，参考端放置不含应力的同一材质的标准试样，通过测量感应线圈两端的电压值即可计算出被测试样内应力的大小或预测出被测试样内应力的变化趋势。

作为本专利的一种实施方式，凹形铁芯3中空，能够沿T形铁芯1的芯轴11前后移动。两组感应线圈41、42绕在凹形铁芯3的两个突出部分31、33上或绕在相对于T形铁芯芯轴左右对称的凹形铁芯的臂32上。

如图2所示，信号发生器和功率放大器给T形铁芯1的激励线圈2提供一定频率和强度的电流，以便在检测材料时产生适宜的变化磁场。在激励信号的作用下，标准试样和被测试样与铁芯测量端和参考端相接触的部分均被磁化。缠绕在凹形铁芯3上的匝数相同的两组感应线圈41、42分别用来感应被测试样和标准试样的感应电势，二感应线圈线径相同，串联反接。当测量端为含有应力的被测试样，参考端为不含应力的标准试样时，两个感应线圈的电压不相同，其差值即为应力产生的感应电压，经过对信号放大、滤波等处理后，再经A/D转换，把模拟量转换成数字量，经过单片机的处理，显示出电压信号。

根据试验可知，对某一确定材料的内部应力与感应电压值成线性关系，可利用计算机建立待测试样的应力与电压的分布数据库。将待测试样的测量结果与数据库中的电压值比较，可计算出相应的应力值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本专利的T形铁芯和凹形移动铁芯均由高导磁性的硅钢片组成。公称厚度0.35-0.50(δ/mm)。最大铁损3.10(P_15/50/W.kg^-1)，最小磁感1.59(B_50/T)，理论密度7.65(D/g.cm^-3)。

信号发生器采用美国安杰伦(AGINENT)33120A，其升降时间为100ns(典形值)，线性小于峰值输出的0.1％，精度为规定输出1％，平坦度为(＜100KHz＝±1％(0.1dB)。信号发生器产生激励信号，输出37HZ，50mv(峰值)正弦波。经功放，功放用广州远华AMP175，工作直流电压为25-32V，额定输出功率为35W，最大输出功率为75W，电压频响10-50KHz，失真度0.7％，增益30dB，输入阻抗47KΩ。功放输出的激励作为本测量的输入接到激励线圈的a，b端子上，如图1所示。

激励线圈选用线径为0.69mm的漆包线，缠绕200匝。在激励信号的作用下，标准试样和被测试样与测量端和参考端相接触的部分均被磁化。二感应线圈选用线径0.15mm的漆包线，缠绕了1000匝，将感应线圈串连。

在实验中，我们采用通化钢铁公司生产20#，3087材质的无缝钢管作为试样。钢管外径82mm，壁厚12mm，高度200mm。使用长春实验机研究所研制的CSS-44200电子万能实验机给钢管两端施加载荷，模拟所受应力。

最后读如图1所示的c，f两端的电压值即为感应电压值。可采用数字万用表读出电压的有效值。数字万用表采用美国安杰伦(AGILENT)34401A，准确度：0.04+0.02准确度规格±(读数的％+量程的％)(1.000000V-750.000V，10Hz-20Hz 24小时)。感应电压值与应力值关系曲线如图5，图7所示。

实验中，压机从0kN开始加压，速度为0.5kN/s，一直加到80kN后卸压。每增加5kN保持30s，保持结束前5秒记录感应电势值。在数据的记录上，我们将KN转换成MPa

(1)磁场方向与应力方向垂直

应力方向与磁化场方向垂直，如图4所示实验示意图，得到应力与感应电压关系的曲线图，如图5所示。从曲线图可以看出，在磁化场与应力垂直的情况下，随着压力的增加，感应电压线性上升。

(2)磁场方向与应力方向平行

如图6所示实验示意图，磁化场方向与应力方向垂直。在该项实验中得到了如图7所示的试样2应力与感应电压关系曲线。从图中可以看出，在磁化场与应力平行的情况下，随着应力的增加，感应电压值降低，且基本上是线性递减的。对初始磁化原理进行了印证。

[1]宛德福罗世华《磁性物理》电子工业出版社1987年第一版197页

[2]赵凯华陈熙谋《电磁学》高等教育出版社1985年6月第2版473页

Claims (5)

1、一种测量铁磁性材料内应力的装置，其特征在于：由T形铁芯(1)和凹形铁芯(3)组成，在T形铁芯(1)的芯轴(11)上绕有能够产生交变磁场的激励线圈(2)，在凹形铁芯(3)上对称T形铁芯(1)的芯轴(11)绕有匝数相同并串连反接的两组感应线圈(41、42)，T形铁芯(1)和凹形铁芯(3)围成的区域(5)一侧为测量端，另一侧为参考端，测量端放置含有应力的被测试样，参考端放置不含应力的同一材质的标准试样，通过测量感应线圈两端的电压值即可计算出被测试样内应力的大小或预测出被测试样内应力的变化趋势。

2、如权利要求1所述的测量铁磁性材料内应力的装置，其特征在于：凹形铁芯(3)中空，能够沿T形铁芯(1)的芯轴(11)前后移动。

3、如权利要求1或2所述的测量铁磁性材料内应力的装置，其特征在于：两组感应线圈(41、42)绕在凹形铁芯(3)的两个突出部分(31、33)上或绕在相对于T形铁芯芯轴左右对称的凹形铁芯的臂(32)上。

4、如权利要求1或2所述的测量铁磁性材料内应力的装置，其特征在于：激励线圈(2)由信号发生器经功率放大器提供信号，信号发生器输出一定频率和强度的正弦波信号，其幅值范围为50mv-100mv，频率范围为30Hz-100Hz。

5、如权利要求1或2所述的测量铁磁性材料内应力的装置，其特征在于：激励线圈(2)选用线径为0.5mm-1.0mm的漆包线，缠绕150-300匝，两组感应线圈(41、42)选用线径0.1mm-0.35mm的漆包线，缠绕800-1500匝，感应线圈串连反接。

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