基于逆磁致伸缩效应的铁磁构件应力检测方法研究

洪 利，尚鲁龙，邱忠超，李亚南，韩智明

(1.防灾科技学院电子科学与控制工程学院，河北廊坊 065201； 2.中国人民解放军66133部队，北京 100043)

0 引言

铁磁材料在热处理和使用过程中，应力集中会使材料产生疲劳裂纹，并逐渐累积形成宏观缺陷，引起铁磁构件断裂，应力是导致机械结构和设备失效乃至发生重大事故的重要原因之一[1-2]。对铁磁构件的应力集中程度进行现场快速检测和评定，及时准确找出最危险的应力集中部位，对设备的安全性进行准确评估，进而防止灾难性事故发生[3-4]。

磁各向异性法是利用铁磁材料的磁各向异性进行应力测量的方法，即当一点存在应力时，材料的磁导率由宏观磁各向同性变为磁各向异性，测量时传感器与材料表面构成的磁回路磁通各异，用输出的磁信号的差异来反映应力的变化情况[5-6]。相比于传统应力检测方法，磁各向异性法不需要耦合剂，既可以与被测材料接触也可以不接触，可以对处于高温、高速环境下的材料进行检测[7-8]。

针对铁磁构件应力难以检测的问题，提出基于逆磁致伸缩效应的方法对应力进行检测。基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应，研制出一种磁各向异性六极探头传感器，并通过对铁磁平板试件单向静载拉伸实验验证其有效性。

1 逆磁致伸缩效应检测原理

在压力、拉力或扭转力等外力状态下，铁磁材料磁化状态发生变化的现象称为逆磁致伸缩效应[9-10]。研究结果表明，磁输出信号与残余应力、应变存在定量关系，从而验证了逆磁致伸缩效应检测残余应力的可行性[11]，其基本原理为：铁磁材料处于外力状态时产生磁各向异性，应力的变化引起磁阻和磁导率的变化，进而导致传感器线圈的磁通发生变化，通过测量传感器线圈中的感应电动势的变化来检测残余应力[12]。其整体变换过程为

F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

式中：F为残余应力；Δσ为应力变化量；Δμ为铁磁材料磁导率的变化量；ΔRm为磁路中磁阻的变化量；ΔV为传感器输出电压的变化量。

2 逆磁致伸缩效应检测实验

2.1 六足传感器探头

传感器探头由激励线圈、检测线圈、导磁磁芯组成。探头共分为6个磁极，由一个十字形的检测铁芯和一个U型励磁铁芯组成，激励线圈和检测线圈成对出现。检测铁芯4个磁极上分别缠绕检测绕组，P1和P2为一组，正向串接；P3和P4为另一组，同样正向串接；然后将两个绕组反向串接，最终形成差动连接。U型励磁铁芯上缠绕E1和E2励磁绕组，与检测铁芯成45°夹角，传感器探头结构如图1所示。为了减小边缘效应的不利影响，应尽量减小磁极间距，并增大磁极端面面积。由于铁芯材料应具有导磁率高、磁化曲线线段宽等性能，选用锰锌铁氧体作为铁芯材料，一方面是因为该材料在使用频率下具有较高的磁导率，另一方面是目前市场上有成型的用于制作电感或小型变压器的铁氧体磁棒、磁环。探头结构由铝质外壳、铁氧体磁环、铁氧体磁芯及尼龙定位薄片构成，线圈引出线通过磁环中间的小孔引出，最后在外壳尾部集中引出所有的信号线。外壳采用非导磁性材料，即起到支撑防护作用又不会对测试产生干扰。

2.2 应力检测实验

实验材料为等宽与变宽两类16MnR钢平板试件，如图2所示，实验前对试件退火处理，以便消除试件内部的残余应力。

图3所示为试件静载拉伸装置。实验时将传感器探头固定在铁磁试件相应位置并紧贴试件，用刻有角度的纸板作为标识，探头以每15°为间隔进行旋转测量，同时对磁输出信号采集处理。

(a)六足探头分布

(b)六足探头模型

(c)六足探头实物图1 传感器探头

图2 拉伸试件测量位置示意图

3 实验结果分析与讨论

六足探头是利用两对检测足间的磁势来进行应力检测的。当试件处于静载拉伸载荷时，铁磁材料呈现磁各向异性时，导致激励线圈的左右磁导率或磁阻不对称，即在应力位置出现磁势失稳，两个检测足间有磁通经过。当检测频率为10 kHz，线圈激励电压为6 V时，输出电压幅值随拉伸载荷的变化如图4所示。其中，右侧为探头周向位置，拉伸方向为上下垂直方向。

由图4可知，六足探头具有较高的灵敏度，且在一定范围内，拉力值与输出电压具有较好的线性度。当拉力超过25 kN后出现平衡；继续增大拉力，测量结果会出现一定的回缩现象。

既然试件在拉伸作用下产生磁各向异性，且随着拉力增大而增加，那么应力集中位置使用探头在不同角度方向测量结果就会有所不同。图5为六足探头在激励频率为2 kHz时的检测结果。由图5可知，输出电压值随拉力增加而增大，且测量结果具有周期性，且周期为180°。考虑试件沿各个方向磁导率分布，对某一点取对称点的局部范围内，磁导率基本相同，当探头旋转180°时，理论上检测结果相同，但由于测量间隙、重复度、采集等误差会导致一些偏差。

(a)16MnR钢试件静拉伸

(b)探头检测

图4 六足探头不同拉力作用下测量结果

为了观察反复拉伸后试件造成的微量残余变形或者残余应力的影响，对等宽试件作了3次拉伸3次卸载，然后测量其结果，如图6所示。六足探头随着拉力的增大，测量电压有变小的趋势，且拉伸卸载次数越多，电压越小。在最后拉力阶段电压趋于平衡，说明磁各向异性状态在这个拉力状态附近出现了暂时的平衡。

(a)极坐标

(b)直角坐标图5 激励频率2 kHz时检测结果

图6 六足探头3次拉伸卸载测量结果

4 结论

针对铁磁构件应力难以检测的问题，提出基于逆磁致伸缩效应的方法对应力进行检测。基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应，研制出一种磁各向异性六极探头传感器，并通过对铁磁平板试件单向静载拉伸实验验证其有效性。结果表明，磁各向异性六极探头传感器可以有效检测铁磁平板试件的应力集中位置，且应力与磁信号存在较好的的线性相关性，这为铁磁构件应力检测提供了一条新思路。