基于磁弹效应的钢板内应力传感器无损检测系统

曾杰伟，张清东，苏兰海，徐立坪，马翔华，缪存孝

(北京科技大学机械工程学院，北京 100083)



基于磁弹效应的钢板内应力传感器无损检测系统

曾杰伟，张清东，苏兰海，徐立坪，马翔华，缪存孝

(北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

针对板带钢内应力磁弹式无损检测过程中提离值变化严重影响检测精度这一问题，提出了一种基于逆磁致伸缩原理的四磁极透射式应力检测方法。采用正弦谐振励磁的供电方案以适应带钢生产现场电磁干扰工况，并在自行研制透射式磁力传感器基础上，对低碳钢Q235钢板试样进行了实验研究，重点对传感器非接触测量过程中提离影响展开了讨论，提出了解决提离值变化引起的系统稳定性波动的方法。重复性实验结果表明，所研制的透射式磁力传感器可实现对钢板内应力检测的线性响应，测量重复性良好。

磁弹效应；谐振；提离；钢板；内应力

0 引言

板带材是钢铁工业的主干产品，板形是板带材产品的主要质量指标之一，实现板形自动精确检测是进行板形控制的关键和基础条件[1-2]。目前冷轧带钢轧机主要采用带张力的轧制方法，以提高板形质量，降低轧制负荷和能耗，生产出更薄的产品。轧制过程中，大的张力掩盖了实际板形缺陷，这使得轧制时带钢看上去似乎平整，而一旦除去卷取张力之后，带钢的板形缺陷又重新显露。采用带张力轧制的关键是保持张力恒定，以避免由于张力的变化而引起轧制力的变化，并使得轧出的带钢纵向厚度不匀[3-4]。因此，对带钢内部张应力分布进行精确测量和控制成为提高板带材产品质量的首要问题。

轧制生产过程中带钢所处环境存在剧烈振动和水、汽、油、灰尘等介质的侵入与腐蚀，给内应力的精确检测带来困难，严重情况下将影响检测装置的正常工作。电磁方法由于其不受粉尘、水蒸气等带钢生产现场复杂环境因素的干扰，且具有较高灵敏度，因而可以实现对带钢的非接触无损检测，该特性使得基于磁特性的检测技术成为铁磁材料检测研究的热点[5]。磁测应力法是已得到广泛应用的无损检测方法[6-8]，该类方法利用应力对材料磁导率、磁滞效应和巴克豪森噪声等的影响进行检测，可广泛应用于强受力状态和低频率磁场作用下的铁磁材料内应力检测[9-12]。一直以来，应力磁测技术都是磁力检测的发展重点。本文拟研制一种基于逆磁致伸缩效应的新型透射式磁力传感器，搭建静态实验系统验证谐振励磁供电方案的低功耗特性，并重点对传感器非接触测量过程中提离影响进行研究，提出了一种可解决提离变化引起的系统稳定性波动的方法并展开实验研究。新方法有望适用于带钢及钢板的内应力在线检测。

1 透射式磁力传感器的结构与原理

本文所设计的磁测应力方式区别于以往常用的单侧式测量法，针对被测钢板存在一定抖动的现场工况，本文提出一种双侧透射式四磁极传感器应用于带钢应力在线检测系统，其布置方式如图1所示。此种布置形式的优点如下：首先，在绕制传感器线圈时规避了励磁传感器和检测传感器间的机械接触，由此可供选择的传感器磁芯大小和规格增多；另一方面，生产现场冷轧带钢的抖动造成传感器探头与钢板表面提离变化，采用双侧布置易于实现提离补偿[3]。

透射式磁测方法如图1(b),图1(c)所示，探头的一对磁极相互垂直布置，并沿着与轴线成45°的方向同被测钢板非接触放置。忽略漏磁场等因素的影响，当励磁线圈两端施加一固定频率的交变电压E时，在励磁磁芯中将会产生交变磁场，从而在被测试件表面也将形成一定强度的交变磁场。当被测试件受到外力作用或者内部存在残余应力时，应力造成铁磁材料磁导率的变化，对于以钢板为代表的正磁致伸缩材料，将在拉、压应力方向上分别产生磁导率的增加和减小，从而使得激励线圈激励所产生的磁场发生扭曲，由此检测线圈就不再位于磁场的等强度磁势线上[7]。当变化的磁通流过检测磁芯就会在检测线圈中产生感应电动势，从而产生与应力成一定比例关系的电压信号。这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力的基本原理，其变换过程为

F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

其中：σ为应力变化量；Δμ为铁磁材料磁导率变化量；ΔRm为磁路磁阻变化量；ΔV为传感器输出电压变化量。

(a)

(b)

(c)图1 单侧式与透射式磁测方式示意图

基于上述逆磁致伸缩效应过程中磁力变换，可以得出传感器输出电压与内应力σ之间的关系：

(1)

式中:U为检测线圈的输出电压有效值；σ1、σ2为试件上的主应力；θ为传感器与最大主应力σ1方向间夹角；K为磁性应变的常数；r为磁极和被测试件之间提离的磁阻。

由此可见，检测线圈输出电压的有效值与提离磁阻的平方成反比、与试件中主应力差成正比，并且与主应力和传感器的方向之间的夹角有关。

2 系统设计及励磁电路优化

2.1 励磁电路设计

为了实现对传感器的稳定励磁供电及检测信号远程输出，本文选用正弦波低频谐振电路对传感器进行励磁供电。使用正弦谐振供电具有以下特点：

(1) 所需电源容量大大减小。谐振试验装置利用励磁电感和电容产生谐振来获得所需高电压和大电流。电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率仅为试验容量的1/Q倍(Q为品质因素)。

(2) 设备的质量和体积大大减小。由于省去了笨重的功率放大装置，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，系统质量和体积得到精简，使得设备便携式设计成为可能。

(3) 改善输出电压波形。谐振电源的正弦谐振式励磁电路，相对于脉冲方波而言能改善远程传导时的波形畸变，有效减小高次谐波干扰并防止谐波峰值引起的元器件误击穿。

本文采用R、L与C组成的并联谐振电路为励磁传感器提供交变电流，正弦励磁电源接入谐振电路，通过谐振电路为励磁传感器提供一定频率的励磁电流。

试验中工作电路励磁频率为50 Hz，励磁电路采用并联谐振电路，其电路图如图2所示。谐振时并联谐振电路的总阻抗最大，谐振电路的总电流最小，理想谐振状态下，回路阻抗为纯电阻，回路端电压与总电流同相。

图2 R、L与C并联谐振电路

电感线圈与电容并联谐振电路的谐振频率为

(2)

一般情况下，电感的静态电阻比较小，品质因数Q≫1，即CR2/L=0，所以振荡频率近似为

(3)

电路的谐振是在电路几个参数满足式(3)的前提下产生的，实验中电感由一个自制的可调电感和励磁传感器串联而成，而后与电容组成并联谐振电路。实验系统励磁频率为50 Hz，设计参数如表1所示。

表1 传感器参数

线圈类别线径/mm线圈匝数电阻/Ω激励线圈0.322503.09检测线圈0.260025.34

2.2 针对提离值变化引起系统失谐的励磁优化

由于采用了交流谐振励磁供电，励磁系统的谐振参数由于提离值改变将产生较大变化；同时传感器和带钢间存在间隙或夹杂其他介质时，会影响整个磁路的磁阻，从而影响磁信号的输出。本试验同时受到了上述两种因素的影响，有必要对磁隙影响的基本规律进行相关研究。

实验中首先固定感应侧探头与钢板间的提离值，逐步增加调整垫块厚度以加大励磁传感器一侧提离值，记录无外应力状态下的传感器输出初始值，获得了如图3所示的感应信号变化曲线L1。

图3 传感器输出及电感量随励磁侧提离值变化曲线

由图3曲线可知，在励磁传感器提离值从0增至2 mm时，输出信号初始值随之增大；而后提离值从2 mm增至5 mm时，输出信号初始值开始减小，并在5 mm提离值之后出现急剧下降；提离值高于10 mm时，检测端的感应电压信号低于80 mV，传感器由于信号输出过低而无法对被测钢板应力变化产生线性响应并最终失稳。

上述现象的直接原因就是由于励磁传感器与被测铁磁材料试样间提离值改变的同时，接入谐振电路的电感量发生了改变。励磁传感器电感值随提离值变化的对应关系曲线如图L3所示，根据曲线可以发现，当励磁传感器提离值从0 mm增至12 mm时，接入励磁电路的电感量从13.57 mH降至7.65 mH，励磁传感器与被测铁磁材料试样间提离值的变化将引起励磁供电电路谐振状态改变。

参照串联谐振参数，并联谐振电路也定义了品质因数Q，且与串联回路的Q值一样：

(4)

将最终的谐振参数代入式(4)，可得调整参数后的谐振电路Q值达到52，由于而支路电流为电路中的总电流的Q倍，代入支路电流150 mA可知总电流理论值为2.89 mA，但由于实际电感绕制时存在线圈的层间电容和导线电阻值，实际测量值为13.09 mA。根据平均功率计算公式P=UI，可知电路实际功率仅为0.208 W。同时经此改变后接入电路的总电感量增加，提离值变化引起的电感量变化比重减小，谐振电路供电电流波动减小，调整后的试验曲线如图5 中L2所示，系统稳定性得到大幅提高。

2.3 钢板试样及实验装置

钢板试件选用在工业生产中被广泛应用的Q235钢材制作，横截面尺寸为80 mm×2 mm，试件尺寸如图4所示。静态加卸载实验采用拉伸试验机作为实验加载装置，该试验机可提供最大30 000 N的拉力，加载方式为砝码式静态加载。检测传感器与被测件拉伸主应力方向成45°，两传感器之间成垂直状态，通过调整垫块厚度改变提离量。实验中检测线圈所探测的电压信号经过滤波放大后接入示波器监测输出的波形，并通过计算机记录示波器中波形及幅值相位的变化。测量系统采样时拉伸机静态保载，每次采样时间为15 s，实验环境为24 ℃，实验开始后依次加载1 000 N拉力，记录检测系统输出信号，得到感应线圈的感应电压与试样拉应力的试验结果。

图4 实验所用钢板试样

3 结果及讨论

3.1 传感器与钢板间提离值变化对测试影响的实验

实验中首先将励磁侧探头贴近钢板，调节感应侧探头的提离值至2.2 mm，依次加载1 kN拉力，记录检测系统输出信号，逐步加大另一侧探头的提离量至4.4 mm、6.6 mm、8.8 mm、13.2 mm，获得了如图5所示的感应信号变化曲线；而后将感应侧探头贴近钢板，逐步加大励磁传感器一侧提离值，获得了如图6所示的感应信号变化曲线。

图5 不同感应侧传感器提离值状态下检测信号随应力变化曲线

图6 励磁侧传感器与钢板不同提离值变化下检测信号随应力变化曲线

由图5可见在提离值较小时，传感器灵敏度较高，随提离值加大降低，当超过一定距离后，由于漏磁影响传感器灵敏度降低。励磁侧提离值增大引起的传感器灵敏度降低较感应侧更为明显，传感器灵敏度随励磁侧提离值增大急剧降低。

通过以上两个实验可以看出提离值对检测信号及传感器初始响应值影响十分明显：提离值越大感应的电压越小，且传感器灵敏度下降明显；随着提离值增大，由磁导率引起的电压变化效果将被提离值的影响所覆盖，最终导致测试数据失稳。

而后进行了固定探头间距的励磁端提离值变化与传感器初始响应值对应关系的实验。实验中首先固定励磁探头和检测探头，使两探头间距离为8 mm，同时逐渐移动检测钢板，使之远离一侧探头，靠近另一侧探头，记录检测线圈输出信号变化获得如图7所示曲线。

图7 检测信号随着钢板与励磁侧传感器之间的距离的变化曲线

在图7中，曲线D1表示钢板逐渐远离励磁探头，靠近检测探头时，检测线圈两端的信号输出幅值的变化。曲线D2表示钢板逐渐远离检测探头，靠近励磁探头时，检测线圈两端的信号输出幅值的变化。由图7可知，钢板离离检测探头越近，检测线圈输出信号越大，钢板离检测探头越远，检测线圈输出信号越小。由此可知传感器安装时，可以在许可的条件范围内，使被测钢板与检测线圈之间距离尽可能小，以提高检测信号的强度。

3.2 重复静态加载实验

在激励电流为150 mA情况下，对2 mm厚钢板重复加载卸载11次，得到曲线如图8所示的实验结果。由图8可以看出，在加载过程中检测信号随着应力变化基本为线性上升变化。根据电磁应力测量基本原理，可知在拉伸方向磁导率逐渐增大。实验结果表明：全载荷范围内传感器的重复性误差为0.89%，灵敏度为17.30 mV/kN。从图中曲线可以发现，实验结果重复性理想，可满足现场检测的技术指标要求。

图8 2 mm厚度钢板检测信号随拉力变化图

4 结论

本文基于材料的磁致伸缩特性，设计运用于铁磁性材料板结构内应力监测的磁致伸缩传感器。通过理论分析与实验对比,可以得出以下结论:

(1)磁路分析与实验研究表明, 选用正弦波低频谐振电路对磁弹性应力传感器进行励磁供电，以实现对传感器的低功耗励磁供电及检测信号稳定传输，在实验应用中切实可行；为保证提离值变化所引起的励磁传感器电感量变化不造成励磁系统失谐，所设计的系统总电感量应大于励磁传感器静态电感量数倍，以减小提离值变化引起的谐振电路总感量变化比重。实验证明该方案可有效解决提离值变化引起的励磁系统失谐问题。

(2)重复性实验结果表明,此透射式励磁结构传感器的输出结果全载荷范围内传感器的重复性误差为0.89%，灵敏度为17.30 mV/kN,初步证明了该结构用于带钢内应力，也即带钢板形应力在线检测的可行性，并表明值得进一步深入研究开发。后续研究的重点将集中在进一步提升传感器测试精度和加大提离值以满足带钢现场生产需要，以及带钢残余应力高速在线磁测技术的研究。

[1] 曾杰伟, 苏兰海, 张清东，等. 逆磁致伸缩效应钢板内应力检测技术研究. 机械工程学报, 2014, 50(8): 17-22.

[2] 于丙强, 杨利坡, 刘宏民，等. 冷轧带钢接触式板形仪研制及其工业应用. 仪器仪表学报, 2010, 31(4): 904-911.

[3] QIN J, ZHANG Q D, HUANG K F. The nonlinear spline finite element method for ribbing of cold-rolled coils. Journal of Iron and Steel Research International, 2012, 19(1): 36-40.

[4] 曾杰伟, 张清东, 缪存孝，等. 透射式磁弹性带钢应力无损检测. 工程科学学报, 2015, 37(S1): 12-17.

[5] 冯红亮,肖定国,徐春广，等.一种磁致伸缩式超声波激发接收传感器的研究.仪表技术与传感器,2003(7):4-6.

[6] 文西芹，李纪明．基于磁弹性效应的电动转向轴用新型扭矩传感器.仪表技术与传感器，2011(1) : 5-7．

[7] 姜保军. 磁测应力技术的现状及发展. 无损检测, 2012，28(7): 362-366.

[8] LIORZOU F, PHELPS B, ATHERTON D L. Macroscopic models of magnetization. IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(2): 418-428.

[9] 姜建山, 陈伟民, 黄尚廉，等. 基于逆磁致伸缩的索力传感器磁路分析与参数设计. 仪器仪表学报, 2009, 30(4):738-743.

[10] 邵英秋, 程德福, 王言章，等. 高灵敏度感应式磁传感器的研究. 仪器仪表学报，2012, 33(2):349-355.

[11] ALTPETER I, DOBMANN G, RABUNG M. Micro-magnetic evaluation of micro residual stresses of the IInd and IIIrd order. NDT&E Int 2009. 42(2): 83-90.

[12] BULTE D, LANGMAN R. Origins of the magnetomechanical effect. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, 251(2): 229-43.

Design and Research of Steel Strip Internal Stress SensorBased on Magnetostrictive Effect

ZENG Jie-wei, ZHANG Qing-dong, SU Lan-hai , XU Li-ping, MA Xiang-hua, MIAO Cun-xiao

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

To eliminate the disturbance of lift-off variation, a kind of transmissive quadrapole layout with two magnetic poles was proposed based on the magneto-elastic effect. The supply scheme of sinusoidal excitation resonant power was adopted in order to reduce MI in the steel production site. Through conducting experiments with the tested piece made of low carbon steel Q235, both of rationality and reliability of the system were studied. Furthermore, the influence of lift-off on non-contact measurement of magneto-elastic sensor was analyzed. The experimental results revealed that the transmissive quadrapole layout demonstrated an excellent linear response with strip internal stresses. The feasibility of online magnetic detection method in internal stresses zone was verified through the experiment.Besides,the method can effectively solve the detuning problems caused by the change of lift-off.

magneto-elastic effect；resonant；liftoff ；steel plate；internal stress

曾飞(1982—)，讲师，博士研究生，主要研究领域为物流系统监测与控制。E-mail:zengfei2008@ntu.edu.cn 吴青(1962—)，教授，硕士，主要研究领域物流自动化。 E-mail：wq@whut.edu.cn

国家科技支撑计划重点项目(2011BAE13B05)；国家自然科学基金项目(51075031)

2015-07-29 收修改稿日期：2015-08-10

TP212

A

1002-1841(2015)10-0075-04