CN201173910Y - 利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置。其由检测探头、脉冲电磁场电路和数据采集及处理装置三部分组成，探头部分由激励线圈(7)、带有1个励磁磁极和2个测量磁极的轭铁(9)、两组感应线圈(8、8’)组成，称重传感器(4)置于检测探头(5)的上面、检测探头(5)置于被测工件(6)的上面，一同由夹具夹紧；脉冲电磁场产生电路为激励线圈(7)提供1～3特斯拉的强激励脉冲电磁场，激励线圈(7)中的电流信号、两组感应线圈(8、8’)中的电压信号由数据采集及处理装置进行处理，进而得到被测工件(6)的磁化曲线和磁滞回线，确定被测工件的各种磁性参数后进而建立内应力与各项磁性参数的标定曲线。

Description

利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置

技术领域

本实用新型属于铁磁材料无损检测领域，具体涉及一种利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置。

背景技术

残余应力问题的广泛性与重要性，已日益为人们所了解。残余应力对于构件的疲劳强度、应力腐蚀、形状精度等均有重大的影响；而它的形成，又随构件的材质、形状、成形与加工工艺过程等的不同而异。如何确定残余应力的大小、调整残余应力的分布、减少或消除残余应力对工程的危害，己成为人们广泛关注的问题。

铁磁材料的应力会导致其磁特性的变化，利用这种磁特性的变化来确定和分析铁磁材料应力的方法称为磁测应力法。磁测应力法具有测量速度高、探测深度大(可达数毫米)、无辐射危险等优点。此外，一般磁测仪携带方便，因而可对使用中的构件进行实时实地且安全的测量。但磁测应力法只能用于铁磁性材料，且对材料结构等因素也敏感，尤其对被测材料的表面质量要求很高，这些因素均在一定程度上限制了磁测应力法在工业上的应用。各种磁测应力法中，以巴克豪森(Barkhausen)磁噪声法较常用，其原理应用已差不多有30年的历史，现今大多数磁测仪均基于此法。但材料的结构，晶粒大小、杂质等对Barkhausen信号有强烈的影响，找出Barkhausen信号与这些因素的关系一直是人们努力的方向。Barkhausen法一般用于浅表测量(0.1mm级)，而其有效测量范围约为材料屈服应力的50％，高于此范围时，Barkhausen信号将出现饱和效应。磁测应力法中英国人Bulte发明的MAPS(Magnetic Anisotropy and Permeability System)法近年来发展较快，此方法找到了磁导率张量和应力的关系并建立了应力和磁导率间的转换模型。但其应力转换数学模型目前仅适用于珠光体型碳素钢及某几类不锈钢，对于其它组织如马氏体型钢及其它材料因素的影响，仍需作进一步研究。这种方法比较复杂，测量准确度差。

由此可见，寻找新的磁特性参数，对材料应力进行快速、准确的测量仍是磁测应力法的发展方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置。本实用新型属于相对测量，其首先是测量出不同应力(已知)作用下铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线，确定出磁性材料的各项磁性参数，进而建立这些磁性参数与材料内应力之间的标定曲线，再利用同样装置探测出未知应力磁性材料(被测工件)的磁性参数，通过上述标定曲线确定内应力。

铁磁体的磁化曲线和磁滞回线代表了磁性材料在外磁场作用下的基本磁特性，实验证明，磁化曲线和磁滞回线灵敏地依赖于磁性材料的结构及微观结构，如晶粒大小及排列取向、内应力分布以及机械加工及热处理条件。不同应力分布可以有不同形状的磁化曲线和磁滞回线，这就表明代表磁性材料性能的磁性参数(剩磁、矫顽力、磁导率等)的大小也不同。本实用新型就是就是利用脉冲电磁场下诱发出的不同形状的磁化曲线和磁滞回线，由磁化曲线和磁滞回线获得反映出的磁性材料性能的磁性参数，根据磁性参数(剩磁、矫顽力、磁导率等)与材料内应力之间的关系来确定铁磁材料内应力的大小和方向。

磁测应力法之所以发展缓慢，其原因之一是在实用过程中存在一定困难，测定的准确度和精度不能满足要求。很多因素对测量结果有很大影响，主要有：1、探头与被测工件间的缝隙使探头与工件内部产生退磁场，缝隙的磁阻非常大；2、被测工件表面质量差异(涂层厚度、表面粗糙度)对测量结果有影响。

为了提高测量准确度，避免测量条件对测量结果的影响，在测量过程中，我们采用专用夹具固定检测探头，使每次测量时，探头和被测工件之间保持固定的距离，减小偶然误差对测量结果的影响。同时采用强脉冲磁场作为激励磁场，由于强脉冲磁场的穿透性，不仅可以减小探头与被测工件间的缝隙及被测工件表面质量对测量结果的影响，而且可以得到较大的探测深度(探测深度极限为1cm，而以往的磁测应力法的探测深度最大能达到2mm，其他无损检测法如×光检测法探测深度限制为10μm级)。

本实用新型所述的利用强脉冲磁场测量铁磁材料内应力的装置包括检测探头、脉冲电磁场电路和数据采集及处理装置(NI数据采集卡PCI6251，PC机)三部分。

如图2所示，探头部分由一组激励线圈、两组感应线圈、带有1个励磁磁极和2个测量磁极的直角轭铁组成，其中激励线圈绕在轭铁的励激磁极上，两组感应线圈分别绕在2个测量磁极上，2个测量磁极与激励磁极之间的两条连线互相垂直并且距离相等，如图1所示，称重传感器置于探头的上面、探头置于被测工件的上面，一同由夹具夹紧。这样，在一次测试过程中可以获得两个垂直方向的磁滞回线。

如图3所示，充放电电容C1对激励线圈7放电，从而在激励线圈7中产生1～3特斯拉的强激励脉冲电磁场。激励线圈7中的电流信号、两组感应线圈8、8’中的电压信号由数据采集及处理装置进行处理，得到被测工件6的磁化曲线和磁滞回线，进而确定被测工件的各项磁性参数。

脉冲电磁场产生电路由充电控制开关K1、变压器T1、固态继电器T2、整流桥D1、保护电阻R1、放电控制开关K2、充放电电容C1组成。变压器T1的输出端与固态继电器T2的输出端和整流桥D1的输入端连接，整流桥D1的输出端连接充放电电容C1和保护电阻R1，充放电电容C1通过放电控制开关K2连接到激励线圈L1，固态继电器T2通过充电控制开关K1与+3V电源连接。操作时，接通充电控制开关K1，使固态继电器T2的输出端导通，变压器T1的输出端输出+90V电压经过整流桥D1半波整流，对充放电电容C1充电，充电完毕后，断开充电控制开关K1，固态继电器输出端3和4断开，然后接通放电控制开关K2，使充放电电容C1对激励线圈L1迅速放电，激励线圈L1产生1～3特斯拉的强激励脉冲电磁场。

充放电电容C1由多只450V、220μF快速充放电电容并联构成，数量为100～1000只，并联后的总电容量为22000μF～220mF。实际工作中，可以根据不同的被测材料和不同的探测深度来选择电容容量。保护电阻R1选用RXG24-225-2RJ高功率30～100欧姆电阻。激励线圈L1(即图2中的激励线圈7)选用线径为1～2mm的漆包线，缠绕15～30匝；感应线圈8、8’选用线径为0.15～0.3mm的漆包线，缠绕100～200匝；检测探头(5)的轭铁由无取向硅钢片切割而成，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)。每个磁极长、宽、高的尺寸范围10×10×40(mm)～15×15×60(mm)，整个探头尺寸范围30×30×40～45×45×60(mm)。固定夹板(2)可由80×200×3(mm)的钢板制成。

由两个感应线圈8、8’感应出的电压信号与激励线圈7中产生的强激励脉冲电磁场的电流信号同时输入高速数据采集卡(NI数据采集卡PCI6251)，上位机(即PC机)中的LabVIEW程序以1MHz的采样频率对三个通道中的数据进行采样，对激励线圈7采样得到的电流信号i，经计算得到激励电磁场的磁场强度H＝ni(n为激励线圈7单位长度的匝数(匝/米)，i为激励线圈7中的电流强度)，对由两个感应线圈8、8’采样得到的电压信号进行积分( $B=\frac{1}{S}\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\mathrm{dt},$ B磁感应强度，S磁通面积，ε(t)感应线圈两端电压，采样过程中得到了不同的H值，同时得到了相应的B值，以1MHz的频率采样，每秒钟采了1M个点，得到了1M个不同的H和B)可得到感应线圈的磁感应强度B，以激励电磁场的磁场强度H为横坐标，以磁感应强度B为纵坐标，可得到两个垂直方向上磁化过程的两条饱和磁化曲线和磁滞回线，充放电电容C1对激励线圈L1第一次放电，激励磁场降为零后，根据数据采集卡采集到的信号可以绘制出横坐标轴上部的磁化曲线和磁滞回线，充放电电容C1对激励线圈L1第二次放电，激励磁场降为零后，根据数据采集卡采集到的信号可以绘制出横坐标轴下部的磁滞回线。

附图说明

图1：专用夹具示意图；

图2：探头结构示意图；

图3：脉冲磁场产生部分电路图；

图4：无应力作用下的磁化曲线和磁滞回线；

图5：不同应力作用下的磁滞回线。

如图1所示，专用夹具是由螺母1、固定夹板2、固定螺杆3、称重传感器4(平行梁式称重传感器YSJ-618)、检测探头5、被测工件6组成。每次测量时，先将称重传感器4和测试探头5通过固定夹板2固定在被测工件6表面，旋紧用于连接固定夹板2的固定螺杆3上的螺母1，观测称重传感器4的读数，使每次测量时测试探头5与被测工件6之间压紧的力相等(即称重传感器4的读数相同)，这样就可以保证测试探头5与被测工件6之间的微小缝隙在每次测量时基本相同，从而减小偶然误差对测量结果的影响。

如图2所示，为带有1个励磁磁极和2个测量磁极的直角轭铁9组成的探头结构，其中激励线圈7绕在轭铁9的励激磁极上，两组感应线圈8、8’分别绕在两个测量磁极上，2个测量磁极与激励磁极之间的两条连线互相垂直并且距离相等。

如图3所示，脉冲磁场产生部分由变压器T1、固态继电器T2、整流桥D1、冲放电电容C1、保护电阻R1、激励线圈L1(即图2中的激励线圈7)、冲电控制开关K1和放电控制开关K2组成。它是利用容量较大的冲放电电容C1通过低阻的激励线圈L1放电产生脉冲磁场。

如图4所示为无应力作用下的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线。

如图5所示不同应力作用下的磁化曲线和磁滞回线。铁磁材料的内应力越大，磁滞回线的形状变化也越大。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图和实施例说明本实用新型的内容

本实用新型的基本原理就是测量出不同应力(已知)作用下铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线，确定出磁性材料的各项磁性参数，进而建立这些磁性参数与材料内应力之间的标定曲线，再利用同样装置探测出未知应力磁性材料(被测工件)的磁性参数，通过上述标定曲线确定内应力。

电磁场产生部分，变压器T1为BDD100，输入电压220V，输出电压90V。根据不同的被测材料和不同的探测深度来选择电容容量。充放电电容C1由450V，220μF快速充放电电容并联构成，数量为500只电容，电容量为110mF。此时探测深度可达3mm。

在本例中，保护电阻R1选用RXG24-225-2RJ高功率50欧姆电阻，激励线圈L1(7)选用线径为1mm的漆包线，缠绕30匝。感应线圈8、8’选用线径为0.3mm的漆包线，缠绕200匝。称重传感器(4)选用平行梁式称重传感器YSJ-618。探头装夹时，通过旋紧螺母(1)将称重传感器的读数调整到10N。整流桥D1为KBPC2510。每个磁极长、宽、高的尺寸10×10×40(mm)。

对于双向应力状态(参考文献，《简明材料力学》，刘鸿文，第八章，应力状态分析和强度理论。从受力构件中围绕一点取出的单元体，一般在三个方向上的尺寸均为无穷小。单元体的三个相互垂直的向上都无切应力。这种切应力等于零的面称为主平面。主平面上的正应力称为主应力。一般说，通过受力构件的任意点皆可找到三个相互垂直的主平面，因而每一点都有三个主应力。对轴向拉伸(或压缩)，三个主应力中只有一个不等于零，称为单向应力状态。若三个主应力中有两个不等于零，称为双向或平面应力状态。若三个主应力皆不等于零，则称为三向或空间应力状态。单向应力状态也称为简单应力状态，双向和三向应力状态也统称为复杂应力状态)，测量之前要确定主应力的作用方向，测量时绕中心点O均匀地旋转探头5，每旋转5～10°测量一次，由于每次测量均可得到相互垂直的两个方向上的磁滞回线，旋转180°后，即可获得整个圆周内的磁滞回线，减少了测量次数。比较所测量得到的所有的磁滞回线，整个曲线的倾斜程度较不施加外部载荷情况下的磁滞回线要倾斜得多，其中，倾斜度程度最大的磁滞回线所对应的测量方向就是主应力的方向。

确定了主应力方向后，就可以利用本专利装置测量主应力方向及其垂直方向上的饱和磁化曲线和磁滞回线，进行确定被测工件相互垂直的两个方向的磁性参数，分别建立两套标定曲线，进而可确定双轴应力状态。

对于单轴应力状态，根据主应力方向(切应力为零)测得的磁化曲线和磁滞回线，来确定磁性材料的磁性参数，来建立标定曲线。

如图4、图5所示，曲线a为不施加外部载荷情况下的磁滞回线，曲线b、c、d分别为载荷为30KN、50KN、100KN时的不同形状的磁滞回线。是使用CSS-44200电子万能实验机给被测工件6两端施加载荷，模拟所受单轴应力状态下测得的实验曲线，可见倾斜度程度最大的磁滞回线d所对应的外应力越大。

建立这些测量得到的磁性参数与材料内不同应力之间的标定曲线，在实际测量的过程中，利用同样装置、在相同条件下测绘出某未知应力磁性材料(被测工件)的磁化曲线和磁滞回线，由此获得其上的磁性参数，通过上述标定曲线确定内应力值。或者通过矫顽力H_c、剩磁M_r、初始磁导率x_i、临界磁导率x_ir与应力的多个标定曲线，综合评定材料内应力的大小。(《磁性物理学》第六章，技术磁化：6.1磁化过程概述，宛德福，电子科技大学出版社)

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台)是一个程序开发环境，类似于C、BASIC。但LabVIEW的特点在于，它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW还整合了与诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。虽然LabVIEW是一个通用编程系统，但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。LabVIEW程序被称为虚拟仪器(Vls)，是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。由于LabVIEW所使用的术语、图标和概念都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，故而即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。

Claims (6)

1、利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置，由检测探头(5)、脉冲电磁场电路和数据采集及处理装置三部分组成，其特征在于：探头部分由一组激励线圈(7)、带有1个励磁磁极和2个测量磁极的轭铁(9)、两组感应线圈(8、8’)组成，其中激励线圈(7)绕在轭铁(9)的励激磁极上，两组感应线圈(8、8’)分别绕在2个测量磁极上，2个测量磁极与激励磁极之间的两条连线互相垂直并且距离相等，称重传感器(4)置于检测探头(5)的上面、检测探头(5)置于被测工件(6)的上面，一同由夹具夹紧；脉冲电磁场产生电路为激励线圈(7)提供1～3特斯拉的强激励脉冲电磁场，激励线圈(7)中的电流信号、两组感应线圈(8、8’)中的电压信号由数据采集及处理装置进行处理，进而得到被测工件(6)的磁化曲线和磁滞回线。

2、如权利要求1所述的利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置，其特征在于：夹具由螺母(1)、固定夹板(2)、固定螺杆(3)组成，每次测量时，旋紧用于连接固定夹板(2)的固定螺杆(3)上的螺母(1)，使称重传感器(4)的读数相同。

3、如权利要求1所述的利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置，其特征在于：脉冲电磁场产生电路由充电控制开关K1、变压器T1、固态继电器T2、整流桥D1、保护电阻R1、放电控制开关K2、充放电电容C1组成，变压器T1的输出端与固态继电器T2的输出端和整流桥D1的输入端连接，整流桥D1的输出端连接充放电电容C1和保护电阻R1，充放电电容C1通过放电控制开关K2连接到激励线圈L1，固态继电器T2通过充电控制开关K1与+3V电源连接，通过控制充电控制开关K1和放电控制开关K2，充放电电容C1对激励线圈7放电，从而在激励线圈7中产生1～3特斯拉的强激励脉冲电磁场。

4、如权利要求1所述的利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置，其特征在于：充放电电容C1由100～1000只450V、220μF快速充放电电容并联构成，并联后的总电容量为22000μF～220mF。

5、如权利要求1所述的利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置，其特征在于：激励线圈(7)选用线径为1～2mm的漆包线，缠绕15～30匝；感应线圈(8、8’)选用线径为0.15～0.3mm的漆包线，缠绕100～200匝。

6、如权利要求1所述的利用脉冲电磁场测量铁磁材料内应力的装置，其特征在于：数据采集及处理装置由数据采集卡和PC机构成，PC机中的LabVIEW程序以1MHz的采样频率对数据采集卡三个通道中的数据进行采样和处理。

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