自补偿式压磁应力传感器设计

刘开绪，段玉波

(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 163318)



自补偿式压磁应力传感器设计

刘开绪，段玉波

(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 163318)

针对铁磁材料应力测试参数补偿问题，设计了四极压磁应力检测传感器，利用一对电极检测试件，另一对电极检测补偿试件，并设计了电路，在设计的传感器基础上进行了板材试件拉伸试验，试验验证了传感器的基本磁测性能，它具有性能稳定、结构简单的特点，可用于板材及管材应力在线无损检测。

铁磁材料；逆磁致伸缩效应；应力；传感器；无损检测；实验研究

0 引言

利用材料的磁致伸缩效应测定某些非电量始于19世纪、发展于20世纪后期，其应用领域包括力学传感器领域、磁学领域、声学领域、微位移领域、材料领域等。可以利用磁致伸缩进行板材及管材的应力检测[1-2]。基于逆磁致伸缩效应的磁测应力检测装置具有结构简便、快捷、低成本等优点，可应用于检测传动轴扭矩、大型工件和压力容器的残余应力以及对钢结构桁架、油水井套管、钻井平台立柱等工作应力的非接触无损检测，国内外相关研究成果足见对该技术应用的重视[3-7]。

1 传感器结构和原理

1.1 传感器的结构和基本参数[8-11]

传感器结构是由1个“工”字形的检测铁芯和5个线圈组成，结构上有4个磁极，与之对应的是4个线圈，图1所示为传感器结构示意图。

图1 传感器结构

利用脉冲变压器的EI硅钢片加工形成“T”、“＿”形状硅钢片来制作检测铁芯。在装配的时候，为了实现结构上的对称性，采取“T、＿”和“＿、T”交错穿插。

励磁绕组N-I绕在“工”柱上，4个检测磁极上分别缠绕参数一致的检测绕组N-1、N-2、N-3、N-4。在线圈接线方式上，采取N-1和N-2正向串接，N-3和N-4也正向串接，然后再将2串接后的绕组反向串接，形成反向差动联接形式。

传感器结构的铁芯材料选用高导磁率、损耗小的脉冲变压器硅钢片，片厚0.5 mm，叠厚26 mm。励磁线圈采用0.2 mm漆包线在骨架上绕制200匝，4个检测线圈均使用0.05 mm漆包线在骨架上绕制600匝。其他特性参数将通过试验来确定。试验时某一试件板尺寸为380 mm×50 mm×2 mm，标准补偿试件尺寸为134 mm×52 mm×2 mm。

1.2 传感器的工作原理

传感器用于检测平面应力时，利用磁极E1和E2接触或接近被测试件，磁极E3和E4接触或接近标准补偿试件。励磁线圈N-I产生的磁通量为Φ，通过检测线圈N-1、N-2和N-3、N-4的磁通分别为Φ1-2和Φ3-4。当没有应力作用在待测试件上时，由于标准补偿试件的作用，可保证Φ1-2=Φ3-4。由于4组线圈的反相差动联接接线方式，在磁通相等抵消的情况下，传感器输出电压信号为零；当待测试件受应力时，试件内部磁导率发生变化，有Φ1-2≠Φ3-4，依据沿应力方向为易磁化方向，磁导率高，而沿垂直于应力方向为难磁化方向，磁导率低，磁通不相等致使检测信号不能相互抵消，所以在检测线圈输出端将感生出不相等的信号电压，该电压即包含应力大小的信息。

2 传感器设计依据

依据磁路定理，励磁线圈上产生的磁动势[12]为

εm=NeIe

(1)

式中：Ne为励磁线圈的总匝数，可以通过计算确定，是已知固定的；Ie为励磁电流的瞬时值。

Ie将影响检测的灵敏度。实验时，应当保证Ie为恒流。

励磁绕组产生的稳定磁通Φ为

(2)

式中：em为励磁磁极中磁动势的瞬时值；r为励磁磁极下气隙的磁阻；RD为励磁磁极铁芯的磁阻；RS为励磁磁极之间试件表面材料的磁阻，磁阻增加则磁通量减小，磁阻减小则磁通量增加。

图2给出了传感器的等效磁路，图中R1-2为N-E1-E2-M段的磁阻；R3-4为N-E4-E3-M段的磁阻。E1-E2和E3-E4分别是被测试件和标准补偿试件材料表面上的磁路；N-E1、E2-M及N-E4、E3-M为检测铁芯的磁路。磁阻与材料的磁导率关系为

(3)

式中：L为铁芯或被测材料的磁路长度；μ为铁芯或被测材料的磁导率；S为铁芯或被测材料的磁路截面积。

图2 传感器的等效磁路

当试件不受应力作用时，有R1-2=R3-4。这时，穿过E1、E2检测磁极端面穿过待测试件表面的磁通量Φ1-2等于穿过E3、E4检测磁极端面穿过标准补偿试件表面的磁通量Φ3-4，即检测线圈N-1、N-2和N-3、N-4的磁通分别为Φ1-2和Φ3-4，且Φ1-2=Φ3-4。最终,4个检测线圈总的输出信号电压为零；当试件受平面单向拉伸应力作用时，E1-E2段受拉，磁导率μ增加，磁阻R1-2减小，磁通量Φ1-2增加，磁动势产生增量Δε1-2，而E3-E4段保持原态，磁阻R3-4不变，磁通不变。4个线圈感应电压叠加的结果使得输出信号增强，这符合铁磁学的纵向拉应力磁导率增加的规律。即

μ=μ0+KDσ

(4)

式中：μ0为无应力作用时材料的磁导率；KD为被测材料的磁弹性灵敏度系数；σ为被测材料上作用的应力。

材料磁导率(磁阻)的不同变化，在2组检测线圈感生出不同的电压值，其差值正比于应力。式中的KD可由试验标定。对于压应力作用的情况，磁导率减小，磁阻增大，分析同上。

3 测试结果

利用所设计的传感器，对长方形试件进行了单向拉伸应力测试试验。

3.1 输出信号幅值的频率特性

选定某铁磁材料试件作为待测试件及与待测试件一致的补偿试件，补偿试件的宽度与测试试件相等，传感器与试件间的间隙利用绝缘非导磁垫片调整。

首先，通过检测线圈N-3、N-4的输出，得频率响应曲线。图3给出了不同间隙时的频率响应曲线。

图3 不同间隙时频率响应曲线

由图3可见，最佳灵敏度频率在2 300 Hz左右，并随着间隙的增加响应频率也略有增加。最佳灵敏度对应频率与导磁结构和线圈参数有关。同时，为励磁线圈加恒定电流，验证不同电流的频率响应，测试结果波形如图4所示。

图4 不同励磁电流条件下的频率响应曲线

在固定磁间隙0.8 mm的情况下，不同励磁电流的频率响应结果不同，励磁电流大则响应的灵敏度相对较高。

3.2 不同间隙和励磁电流的应力特性

磁间隙的存在在一定程度上会降低传感器的灵敏度，而取消磁间隙又会由于试件表面不平整、粗糙等原因带来过大的测量误差。在实际应用时，需要留有一定的磁间隙。如测量油水井套管的拉力，需要沿着套管内壁进行动态测量时，必须保留足够的间隙。因为套管内壁沾附有油污、沙石等杂物，设计时必须加以考虑。基于此，进行了检测绕组N-1、N-2线圈在试件面沿着拉应力方向的试验。图5是励磁电流为60 mA、频率是1 kHz时，不同间隙的应力响应曲线；图6是间隙为0.8mm、频率是1kHz时，不同励磁电流的应力响应曲线。

图5 不同间隙时应力响应曲线

图6 不同励磁电流时应力响应曲线

上述试验证实了在其他条件相同的条件下，间隙增大降低了灵敏度，并且降低的幅度比较大。同时，验证了在允许范围内，励磁电流增加使得测试灵敏度提升。

通过频率响应测试，确定传感器的工作频率；通过板材试件单向拉伸试验，验证了励磁电流、磁测气隙对测量灵敏度的影响。试验结果与磁测理论是一致的[13]。

4 结论

依据逆磁致伸缩效应基本理论，所设计的应力传感器能够有效检测铁磁板材试件单向受力。且传感器特点如下：

(1)在结构上引入补偿试件，可以消除温度、压力等波动带来的干扰，同时可以确保差动信号的稳定性和准确性；

(2)由于检测绕组的差动连接方式，能够最大限度地保证传感器的初始输出接近于0，便于对被测材料的磁特性灵敏度系数进行标定；

(3)可实现非接触无损应力测试，标定后可实现应力的量化测试。

接下来的工作还需要探究逆磁致效应机理，研究补偿试件边缘效应对测量精度的影响。

[1] 文西芹，宁晓明，张永忠，等.磁致伸缩传感器技术应用的发展.传感器技术,2003,22(2):1-5.

[2] 冯洪亮，杨志红，扈晓斌.磁致伸缩效应原理及在工业测量中的应用.仪表技术与传感器，2009,29(7):344-347.

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[4] 邱选兵.基于脉冲涡流连铸钢坯无损检测理论与实验研究：[学位论文].太原：太原科技大学，2013.

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Design of Self Compensation Stress Sensor Based on Counter Magnetostriction Effect

LIU Kai-xu,DUAN Yu-bo

(Faculty of Electricity and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China )

Aiming at the problems of compensation for stress testing in ferromagnetic materials,the quadrupole magnetic stress detection sensor was designed.One pair of electrodes was for detecting specimen,and the other pair of electrodes was for detecting compensation specimen.And the circuit was also designed.On the basis of the design of the sensor,plate specimens were under tensile test.The experiment verifies the basic magnetic performance of the sensor.It has stable performance,simple structure,and can be used for sheet metal and pipe stress online nondestructive testing.

ferromagnetic material;inverse magnetostrictive effect;stresses；sensors；nondestructive testing;experimental study

大庆师范学院自然科学基金(11ZR14)

2014-04-05 收修改稿日期：2014-11-01

TB972

A

1002-1841(2015)04-0015-02

刘开绪(1967—)，教授，硕士研究生，从事测井方法与仪器研究、信号与信息处理应用研究。E-mail:dqsysys@126.com 段玉波(1951—)，教授，博士生导师，从事油气田控制理论与信息工程研究。E-mail:Zkx01@dqpi.net