基于巴克豪森效应的预应筋应力检测试验研究

李 汇，王学国，何国武

中国十五冶金建设有限公司（435000）

基于巴克豪森效应的预应筋应力检测试验研究

李 汇，王学国，何国武

中国十五冶金建设有限公司（435000）

基于巴克豪森噪声效应的应力检测方法是一种新型的无损检测方法，巴克豪森噪声特征依赖于材料的微观组织结构与应力状态。采用与现场材质、组织状态、晶粒度等相同的预应力筋进行张拉试验研究，可获得巴克豪森噪声与张拉应力的对应关系，得到巴克豪森噪声与应力的标定曲线。

巴克豪森噪声；预应力；应力检测

预应力筋是预应力混凝土结构的关键受力构件,预应力筋在张拉及服役使用过程中,由于多种因素会产生预应力损失，造成预应力水平的降低和预应力分布的不均匀。预应力筋的应力分布及其变化会直接影响结构承载能力,若不能及时准确地了解和掌握其应力状态和变化规律,就难以正确地评价结构的整体性能。预应力筋的应力状态监测是大型预应力结构健康监测的关键,也是当前监测技术中的难点和亟待解决的主要问题。

目前国内外预应力测试方法主要有:锚端预应力测试、混凝土压应变间接测试、预应力直接测试、无损超声测试。其中无损测试技术因不破坏结构并能实现在线检测而被广泛应用于众多领域。基于巴克豪森效应的磁测法是一种新型的无损检测方法——利用铁磁材料的磁化特性检测铁磁材料构件表面缺陷、次表面显微组织及应力状态变化，近几年已广泛应用于汽车、航空航天和冶金机械设备等制造业的在检测，其精度、灵敏度和可靠性均比传统的无损探伤方法优越[1]。该方法可对铁磁材料的残余应力、服役应力及疲劳寿命等进行在线、无损、定向检测。

1 磁巴克豪森噪声MBN

铁磁材料包含着许多小磁畴,每个磁畴都有一个特定的自发磁化方向,各磁畴之间由一个被称为畴壁的边界分开[2]。在无外界因素作用下,每个磁畴沿其易极化的结晶方向取向,其总体磁化效果为零；当有外加交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生反转或沿磁畴壁移动,磁畴的不可逆运动和畴壁的不可逆跳跃式位移,使铁磁材料表面释放连续的高频脉冲电压信号，这些信号由德国物理学家Barkhausen教授于1919年发现[3]。利用法拉第电磁感应原理，铁磁材料表面的接收线圈会接收到磁畴错动释放的抖动脉冲电压和噪音，经放大、滤波、抑制及信号处理，形成特征的磁巴克豪森噪声（MBN）。

图1是磁畴未磁化的结构示意图,箭头代表每一个磁畴的磁矩方向，磁畴按畴壁两侧磁矩方向可分为180°和90°畴壁（2个相邻磁畴的方向相反，2畴间的畴壁称为180°畴壁；2个相邻磁畴的磁化方向垂直，称为180°畴壁）。目前比较公认的看法是MBN主要源于180°畴壁的不可逆运动、90°度畴壁的不可逆运动和磁畴的不可逆转动[4]。

研究表明，材料的MBN 信号强烈依赖于材料的弹性变形，MBN的特征可以反映材料磁畴结构和磁畴的运动规律。一般认为，对具有正磁致伸缩系数的材料（如钢材），磁畴磁矩位于拉应力方向时，磁弹性能最低，因此拉应力将使磁畴趋于应力的方向排列,这样应力方向上的180°畴壁不可逆位移产生的巴克豪森信号强。相反，在压应力作用下，为了使磁弹性能降低，与应力方向成90°畴壁扩大，而180°畴壁减小，从而导致磁化时巴克豪森信号减弱[5]。MBN的强度对材料的微观结构、晶粒度、晶体缺陷及所受应力状态等因素比较敏感。其中，当其他因素相对固定时，若试样上的拉应力越大，MBN信号的强度越高；压应力越大，MBN信号的强度越低[6]。利用材料的这个特性，通过测量MBN信号的强度，就可以确定试样中的应力大小。

2 预应力筋应力检测试验设计

试验设备:张拉台座、锚具、千斤顶、Rollscan250磁弹仪、20 MHz示波器。

张拉材料:预应力钢筋采用12根钢丝捻制而成的15.2 mm的高强低松弛预应力钢铰线（化学成分如表1）,强度标准值fptk=1 860MPa，张拉控制应力 σcom=0.75fptk，弹性模量 E=1.95×105MPa。

试验在室温环境下进行，采用先张法施加预应力，测试系统如图2所示。测试系统对钢铰线进行分级加载，直至张拉控制应力。Rollscan250磁弹仪采用电压脉冲时域范围内的均方根来描述巴克豪森信号强弱变化，并以MP值表示噪声强度大小。测量时，将磁弹仪的探头固定于钢绞线表面，测量方向与加载方向相同，调节仪器的磁化参数，使其输出量MP的分辨率为最大。记录张拉过程中巴克豪森噪声输出信号强度随张拉力的变化,从而标定出巴克豪森噪声信号与应力大小之间的关系曲线。

表1 钢绞线化学成分

3 试验检测结果分析

巴克豪森效应在测试系统传感探头产生的感应电压为微伏量级,可通过调节磁弹仪可调节参数使有用信号得以放大，干扰信号得到抑制。本试验取磁化参数为45，信号检测频率70～150 kHz（试验发现，对应力变化较敏感的MBN频带在50～150 kHz之间[7]），测量深度为0.07 mm，用数字存储示波器记录巴克豪森噪声的波形，采样时间为。测量时，将示波器的探头接到仪器的信号输出端和地线,调节示波器的时间、电压调节旋钮，观测巴克豪森噪声输出信号。巴克豪森噪讯经检波后输出给数据采集系统,然后进行信号分析处理,测试显示结果为几个磁循环的巴克豪森信号的均方根值，即MP值。表2为试验测试所获得的巴克豪森噪声强度MP值。

表2 巴克豪森噪声强度测试数据

对表2所测得的数据进行回归分析,根据离散点分布特征，选择三次多项式作为回归分析模型，因此实测铁磁材料磁巴克豪噪声强度MP值与张拉应力的关系式为:

式中:Y—巴克豪森噪声强度MP值；

X—预应力筋张拉应力；

a，b，c，d—由测试数据确定的回归系数值。

图3即为磁巴克豪森噪声强度MP值随预应力筋张拉应力变化曲线。由图可知巴克豪森噪声与应力呈非线性关系，巴克豪森噪声强度随着张拉应力的增大而增强。

4 结语

巴克豪森噪声的强度不仅与构件所受的应力有关，而且与材料的组织状态、硬度、晶粒尺寸及表面状况有关[8]，采用磁弹性法测量铁磁构件中的应力，必须进行标定试验。标定试样的材质、组织状态、晶粒度、表面硬度及表面状态必须与将进行现场实测的铁磁材料相同。本试验中采用与现场预应力构件中预应力筋材质一致的预应力筋试样，通过试验研究确定巴克豪森噪声与张拉应力的对应关系，得到同种显微组织下巴克豪森噪声强度与张拉应力的标定曲线。将现场实测预应力筋中的巴克豪森噪声强度值与标定曲线进行对比,就可以实现预应力筋应力大小及分布的现场测量。

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[2]纪洪广,沙海飞,等.巴克豪森效应在金属锚杆荷载检测中的实验[J].煤炭科学技术,2005,33(6):40～42.

[3]卢诚磊,倪纯珍,等.巴克豪森效应在铁磁材料残余应力测量中的应用[J].无损检测,2005,27(4):176～178.

[4]尹何迟,颜焕元,等.磁巴克豪森效应在残余应力无损检测中的研究现状及发展方向[J].无损检测2008,30(1):34～36.

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