洪 利，尚魯龍，邱忠超，李亞南，韓智明

(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.中國(guó)人民解放軍66133部隊(duì)，北京 100043)

0 引言

鐵磁材料在熱處理和使用過(guò)程中，應(yīng)力集中會(huì)使材料產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸累積形成宏觀缺陷，引起鐵磁構(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)生重大事故的重要原因之一[1-2]。對(duì)鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中程度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)和評(píng)定，及時(shí)準(zhǔn)確找出最危險(xiǎn)的應(yīng)力集中部位，對(duì)設(shè)備的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，進(jìn)而防止災(zāi)難性事故發(fā)生[3-4]。

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(cè)量的方法，即當(dāng)一點(diǎn)存在應(yīng)力時(shí)，材料的磁導(dǎo)率由宏觀磁各向同性變?yōu)榇鸥飨虍愋?，測(cè)量時(shí)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(hào)的差異來(lái)反映應(yīng)力的變化情況[5-6]。相比于傳統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)方法，磁各向異性法不需要耦合劑，既可以與被測(cè)材料接觸也可以不接觸，可以對(duì)處于高溫、高速環(huán)境下的材料進(jìn)行檢測(cè)[7-8]。

針對(duì)鐵磁構(gòu)件應(yīng)力難以檢測(cè)的問(wèn)題，提出基于逆磁致伸縮效應(yīng)的方法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)?；阼F磁材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，研制出一種磁各向異性六極探頭傳感器，并通過(guò)對(duì)鐵磁平板試件單向靜載拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 逆磁致伸縮效應(yīng)檢測(cè)原理

在壓力、拉力或扭轉(zhuǎn)力等外力狀態(tài)下，鐵磁材料磁化狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為逆磁致伸縮效應(yīng)[9-10]。研究結(jié)果表明，磁輸出信號(hào)與殘余應(yīng)力、應(yīng)變存在定量關(guān)系，從而驗(yàn)證了逆磁致伸縮效應(yīng)檢測(cè)殘余應(yīng)力的可行性[11]，其基本原理為：鐵磁材料處于外力狀態(tài)時(shí)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，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器線圈的磁通發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量傳感器線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)檢測(cè)殘余應(yīng)力[12]。其整體變換過(guò)程為

F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

式中：F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 逆磁致伸縮效應(yīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 六足傳感器探頭

傳感器探頭由激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈、導(dǎo)磁磁芯組成。探頭共分為6個(gè)磁極，由一個(gè)十字形的檢測(cè)鐵芯和一個(gè)U型勵(lì)磁鐵芯組成，激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈成對(duì)出現(xiàn)。檢測(cè)鐵芯4個(gè)磁極上分別纏繞檢測(cè)繞組，P1和P2為一組，正向串接；P3和P4為另一組，同樣正向串接；然后將兩個(gè)繞組反向串接，最終形成差動(dòng)連接。U型勵(lì)磁鐵芯上纏繞E1和E2勵(lì)磁繞組，與檢測(cè)鐵芯成45°夾角，傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減小邊緣效應(yīng)的不利影響，應(yīng)盡量減小磁極間距，并增大磁極端面面積。由于鐵芯材料應(yīng)具有導(dǎo)磁率高、磁化曲線線段寬等性能，選用錳鋅鐵氧體作為鐵芯材料，一方面是因?yàn)樵摬牧显谑褂妙l率下具有較高的磁導(dǎo)率，另一方面是目前市場(chǎng)上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)。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，線圈引出線通過(guò)磁環(huán)中間的小孔引出，最后在外殼尾部集中引出所有的信號(hào)線。外殼采用非導(dǎo)磁性材料，即起到支撐防護(hù)作用又不會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生干擾。

2.2 應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為等寬與變寬兩類(lèi)16MnR鋼平板試件，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)前對(duì)試件退火處理，以便消除試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

圖3所示為試件靜載拉伸裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)將傳感器探頭固定在鐵磁試件相應(yīng)位置并緊貼試件，用刻有角度的紙板作為標(biāo)識(shí)，探頭以每15°為間隔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測(cè)量，同時(shí)對(duì)磁輸出信號(hào)采集處理。

(a)六足探頭分布

(b)六足探頭模型

(c)六足探頭實(shí)物圖1 傳感器探頭

圖2 拉伸試件測(cè)量位置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

六足探頭是利用兩對(duì)檢測(cè)足間的磁勢(shì)來(lái)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)的。當(dāng)試件處于靜載拉伸載荷時(shí)，鐵磁材料呈現(xiàn)磁各向異性時(shí)，導(dǎo)致激勵(lì)線圈的左右磁導(dǎo)率或磁阻不對(duì)稱(chēng)，即在應(yīng)力位置出現(xiàn)磁勢(shì)失穩(wěn)，兩個(gè)檢測(cè)足間有磁通經(jīng)過(guò)。當(dāng)檢測(cè)頻率為10 kHz，線圈激勵(lì)電壓為6 V時(shí)，輸出電壓幅值隨拉伸載荷的變化如圖4所示。其中，右側(cè)為探頭周向位置，拉伸方向?yàn)樯舷麓怪狈较颉?/p>

由圖4可知，六足探頭具有較高的靈敏度，且在一定范圍內(nèi)，拉力值與輸出電壓具有較好的線性度。當(dāng)拉力超過(guò)25 kN后出現(xiàn)平衡；繼續(xù)增大拉力，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的回縮現(xiàn)象。

既然試件在拉伸作用下產(chǎn)生磁各向異性，且隨著拉力增大而增加，那么應(yīng)力集中位置使用探頭在不同角度方向測(cè)量結(jié)果就會(huì)有所不同。圖5為六足探頭在激勵(lì)頻率為2 kHz時(shí)的檢測(cè)結(jié)果。由圖5可知，輸出電壓值隨拉力增加而增大，且測(cè)量結(jié)果具有周期性，且周期為180°。考慮試件沿各個(gè)方向磁導(dǎo)率分布，對(duì)某一點(diǎn)取對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的局部范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率基本相同，當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，理論上檢測(cè)結(jié)果相同，但由于測(cè)量間隙、重復(fù)度、采集等誤差會(huì)導(dǎo)致一些偏差。

(a)16MnR鋼試件靜拉伸

(b)探頭檢測(cè)

圖4 六足探頭不同拉力作用下測(cè)量結(jié)果

為了觀察反復(fù)拉伸后試件造成的微量殘余變形或者殘余應(yīng)力的影響，對(duì)等寬試件作了3次拉伸3次卸載，然后測(cè)量其結(jié)果，如圖6所示。六足探頭隨著拉力的增大，測(cè)量電壓有變小的趨勢(shì)，且拉伸卸載次數(shù)越多，電壓越小。在最后拉力階段電壓趨于平衡，說(shuō)明磁各向異性狀態(tài)在這個(gè)拉力狀態(tài)附近出現(xiàn)了暫時(shí)的平衡。

(a)極坐標(biāo)

(b)直角坐標(biāo)圖5 激勵(lì)頻率2 kHz時(shí)檢測(cè)結(jié)果

圖6 六足探頭3次拉伸卸載測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)鐵磁構(gòu)件應(yīng)力難以檢測(cè)的問(wèn)題，提出基于逆磁致伸縮效應(yīng)的方法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)?；阼F磁材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，研制出一種磁各向異性六極探頭傳感器，并通過(guò)對(duì)鐵磁平板試件單向靜載拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。結(jié)果表明，磁各向異性六極探頭傳感器可以有效檢測(cè)鐵磁平板試件的應(yīng)力集中位置，且應(yīng)力與磁信號(hào)存在較好的的線性相關(guān)性，這為鐵磁構(gòu)件應(yīng)力檢測(cè)提供了一條新思路。