基于磁导率检测技术的传感器设计研究

杨梅芳，任尚坤，赵珍燕

（南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063）

基于磁导率检测技术的传感器设计研究

杨梅芳，任尚坤，赵珍燕

（南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063）

磁导率检测技术是一种依据磁导率的变化检测铁磁试件应力集中状态和疲劳损伤程度的无损检测方法，可实现对构件残余寿命的有效评价。依据磁导率检测原理,针对棒状待检构件设计研制一高灵敏检测传感器，考察检测线圈绕线直径、绕线线圈匝数、激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响。研究发现，最佳激励频率随线径的增加而减少，信号分辨率随线径的增加而增加；绕线匝数与激励最佳频率无关，但与信号分辨率有关；激励电压对最佳频率的范围无影响，但对信号分辨力有影响。该研究结论对研制高灵敏度的磁导率检测仪具有重要意义。

无损检测技术；磁导率检测技术；检测传感器；检测分辨率

0 引 言

在现代工业中，钢铁构件广泛应用于航空航天、电力、铁路、压力容器等行业。钢铁构件在使用过程中，由于应力、疲劳载荷、蠕变等内部工作介质或外部工作环境的作用，易在应力集中和疲劳损伤区域产生应力腐蚀、功能老化、疲劳断裂等现象[1-2]，造成重大恶性事故，给国家和人民造成巨大灾难[3-5]。因此在对构件进行无损检测时，快速、方便、准确地检测出应力集中和疲劳损伤的严重程度和区域，对预防构件的断裂事故和防止重大灾难的发生具有重要意义[6-8]。

目前对铁磁试件进行早期检测和评价的方法有金属磁记忆检测法[9-12]、巴克豪森效应检测法[13]、声发射检测法[14]、超声应力检测法[15]、射线应力检测法[16]等，但从检测可靠性、检测分辨率和实际效果来看都存在各自的局限性，不足以解决当前工业所面临的实际问题，有待进一步深入研究。超声应力检测法是基于应力改变时超声波的传播速度也随之变化的原理，目前已经有比较广泛的应用。但超声波探头工作频率一般在兆赫兹以上，在此频段内，应力引起的超声波速度改变量非常微小，通常在1 GPa的应力作用下，超声波速度仅改变0.1%。叶阳升等[17]采用最灵敏的导波模态，在应力变化137MPa时，其群速度的相对变化率仅达到0.07%。从分辨率和准确度来说，都不能满足实际应用的要求。超声在测量应力做标定试验时，受外部的影响因素较多且影响较大，如探头与构件之间声耦合层厚度变化的影响、构件材料组织变化的影响、环境温度等的影响。涡流检测也只能检测导电材料的表面和近表面缺陷，而磁导率检测技术[18]是一种新的检测方法，可以早期检测铁磁构件整体或区域的应力集中状态和疲劳损伤程度，并对其残余寿命进行有效评价，以解决传统检测方法无法解决的问题。该检测方法灵敏度高、操作简单、使用方便[19]。将可破解航空、航天、钢铁、电力等企业在提高产品质量过程中遇到的精确测定应力分布的问题。检测传感器是检测系统的重要组成部分，决定着检测系统的质量和检测灵敏度，基于磁导率检测技术传感器的设计研究具有重要的实际意义。

1 检测原理

图1 传感器结构示意图

检测探头结构如图1所示。研制探头结构包括缠绕在管形塑料骨架上的检测线圈和激励线圈，适用于检测棒状铁磁材料试件。检测时，待测试件放入传感器中心管型区域，激励线圈中通入交变电流，通过铁磁试件的磁场经外部环境形成闭合磁路。待测构件的应力集中引起磁导率发生变化，引起闭合磁路的磁阻和磁通发生变化。通过检测感应信号的变化即可测定试件磁导率的变化，进而测定试件的应力分布状况和疲劳损伤程度。

选取恒压源作为激励源，根据电磁感应原理，检测线圈的输出信号随中心管部区域磁通密度的变化而变化，通过提取感应线圈中的电压值，可反映铁磁材料的磁导率变化。从而实现对铁磁试件应力集中和疲劳损伤的检测。

设检测线圈匝数为N1，激励线圈匝数为N2；设传感器中心管部区域的磁导率为μ，与外部环境构成闭合磁路；设待测试件的平均等效截面积为S，其磁通密度为B。在等效闭合回路中，检测线圈中的感应信号ε可表示为

可见，检测信号ε与μ成正比，可直接反应待测试件的磁导率。通过检测感应信号，判定试件的磁导率的变化，进而反映铁磁构件的应力集中程度和疲劳损伤状况。

2 试验研究与讨论

2.1 探头绕线线经与最佳激励频率的关系研究

本试验采用激励线圈匝数和检测线圈匝数均为400匝的传感器，激励电压为5 V，铁磁试件选用直径为10mm、长为250mm的45#圆棒。在线圈绕线匝数和激励电压不变的情况下，绕线线径分别取0.20，0.27，0.35，0.44mm，分别对待测试件和空气试件做测试试验。待测试件和空气试件检测信号随激励频率的变化关系及其差值如图2所示，空气试件检测信号即是待测铁磁试件取出后的检测信号。

图2（a）和图2（b）分别表示绕线线径为0.20，0.35mm时检测信号随激励频率的变化关系。图2（a）表明，绕线线径为0.20mm时，检测试验最佳频率为600 Hz（最佳频率为差值信号最大值对应的频率），信号分辨率为577mV/V（信号分辨率为对应差值信号值与激励信号值的比值）；图2（b）表明，绕线线径为0.35mm时，检测试验最佳频率为250Hz，信号分辨率为698mV/V。在不同绕线线径条件下，检测信号分辨率、最佳频率随绕线线径的关系如图3和表1所示。结果表明，最佳激励频率随线径的增加而减少，信号分辨率随线径的增加而增加。综合试验数据和各方面因素，该传感器绕线线径取0.35mm。

图2 不同绕线线径对检测信号和激励频率的影响

表1 检测分辨率、最佳频率随绕线线径的关系

2.2 线圈绕线匝数对最佳频率和检测灵敏度的影响

检测线圈的绕线线径取0.35 mm，激励电压为5V时，线圈匝数分别取400匝、500匝和600匝，分别对上述铁磁试件和空气试件进行检测试验，检测信号随激励频率的关系及其差值分布如图4和表2所示。

图4（a）和图4（b）分别表示绕线匝数为500和600时检测信号随激励频率的变化关系。结果表明，绕线匝数与激励最佳频率无关，虽与信号分辨率有关，但影响不大。同时试验发现，线圈匝数不易过高，否则信号不稳。这里线径为0.35mm时，最佳线圈匝数设计为400匝。

图3 最佳激励频率、信号分辨率随绕线线径的变化关系

图4 不同绕线匝数对检测信号和激励频率的影响

表2 检测分辨率、最佳频率与绕线匝数的关系

2.3 激励电压对最佳频率和检测灵敏度的影响

线圈绕线线径取0.35mm，激励线圈和检测线圈都为400匝，在线圈线径和线圈匝数不变的情况下，激励电压分别取3，4，5V。同样，分别对铁磁试件和空气试件进行测量。检测分辨率和最佳频率随激励电压的关系如表3所示。

表3 检测分辨率、最佳频率与激励电压的关系

由表可知，激励电压对最佳频率无影响，但对信号分辨力有影响。当检测电压为5V时，在最佳频率处的分辨率可达698mV/V,即最佳激励电压5V。

2.4 试验结果讨论与分析

经上述分析与研究，设计传感器的绕线线径取0.35 mm，线圈为400匝，激励电压为5 V，检测频率取250Hz。以Q235钢的圆棒为测试对象，试样的直径为10mm，长250mm。检测信号随试件拉力的变化关系如图5所示。

图5 检测信号随试件所受应力的变化关系

如图表明，随着拉力的增加，检测信号逐渐减小。在受力较小区域，检测信号约为4.156V。外加拉力在屈服强度范围内时，检测信号随外力的增加而减少，但变化较慢；当外加拉力超过屈服强度时，检测信号随外力的增加迅速减少；当外加应力达到386 MPa时,接近断裂，检测信号降到约3.814 V，检测信号的变化量达到4.156-3.814=0.342V。检测信号的电压分辨率为0.001V，应力检测的分辨力平均可达到断裂强度的1/342，即为1.13MPa。

设空气回路检测信号u1=0.56V，对应空气的磁导率为1；试样经应力退火后，检测信号为u2=4.156V，当试件拉到接近断裂强度时检测信号为u=3.814V，应力引起磁导率的变化量可达到（4.156-3.814）/（4.156-0.56）=9.5%，磁导率相对变化率的检测灵敏度可达到3/10000。研究表明，该研究方法和研究探头具有很高的检测灵敏度。

3 结束语

磁导率检测技术是一种高精度提前预测铁磁构件某区域应力集中状况特征的检测方法，是依据探头闭合磁路中磁感应强度的变化来检测试件磁导率变化的评价技术，研究了检测线圈绕线线径、绕线线圈匝数、激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响。通过研究可得结论如下：

1）传感器的最佳频率与检测灵敏度有关、与检测线圈的绕线线径有关。在激励线圈、检测线圈的绕线匝数和激励电压不变的情况下，随着线圈线径的增加，最佳检测频率单调递减，而最佳频率处的检测分辨率逐渐增高。

2）传感器的绕线匝数与最佳频率无关，虽与信号分辨率有关但影响不大。在激励线圈和检测线圈的线径和激励电压不变的情况下，在设计绕线匝数时主要应考虑待检构件的结构和尺寸。

3）在一定的激励电压范围内，最佳激励频率和单位电压的检测分辨率基本保持恒定。

4）经试验验证，研制检测传感器对应力检测的分辨力平均可达到断裂强度的1/342。

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（编辑：徐柳）

Design and research of sensor based on permeability testing technology

YANG Meifang，REN Shangkun，ZHAO Zhenyan
（Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

Permeability testing technology is a kind of nondestructive testing method，which can test the stress concentration state and the degree of fatigue damage of ferromagnetic specimens based on the change of permeability，as well as realize the effective evaluation for the residual lifetime of the components.According to the principle of permeability measurement，a highly sensitive detection sensor was designed for the rod-shaped member.The influence of the diameter of detection coil and the number of turns and excitation voltage on optimum frequency and detection resolution was researched.It was found that the optimum frequency of excitation reduced with the increase in the coil diameter and the resolution of signal increased with coil diameter;The number of coil turns had nothing to do with the optimal frequency of incentive coils，but was related to the signal resolution;Excitation voltage had no effect on the optimum frequency，but had an impact on signal resolution.The research has an important contribution to the development of high sensitivity magnetic conductivity detector.

nondestructive testing technology；permeability testing technology；detection sensor；detecting resolution

A

：1674-5124（2017）02-0077-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.016

2016-06-15；

：2016-07-20

国家自然科学基金（51261023）

杨梅芳（1990-），女，河南信阳市人，硕士研究生，专业方向为磁导率无损检测。

任尚坤（1963-），男，河南周口市人，教授，主要从事无损检测方面的研究。