劉開緒，段玉波

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

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自補(bǔ)償式壓磁應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)

劉開緒，段玉波

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

針對(duì)鐵磁材料應(yīng)力測(cè)試參數(shù)補(bǔ)償問題，設(shè)計(jì)了四極壓磁應(yīng)力檢測(cè)傳感器，利用一對(duì)電極檢測(cè)試件，另一對(duì)電極檢測(cè)補(bǔ)償試件，并設(shè)計(jì)了電路，在設(shè)計(jì)的傳感器基礎(chǔ)上進(jìn)行了板材試件拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的基本磁測(cè)性能，它具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可用于板材及管材應(yīng)力在線無損檢測(cè)。

鐵磁材料；逆磁致伸縮效應(yīng)；應(yīng)力；傳感器；無損檢測(cè)；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

利用材料的磁致伸縮效應(yīng)測(cè)定某些非電量始于19世紀(jì)、發(fā)展于20世紀(jì)后期，其應(yīng)用領(lǐng)域包括力學(xué)傳感器領(lǐng)域、磁學(xué)領(lǐng)域、聲學(xué)領(lǐng)域、微位移領(lǐng)域、材料領(lǐng)域等。可以利用磁致伸縮進(jìn)行板材及管材的應(yīng)力檢測(cè)[1-2]?；谀娲胖律炜s效應(yīng)的磁測(cè)應(yīng)力檢測(cè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、快捷、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于檢測(cè)傳動(dòng)軸扭矩、大型工件和壓力容器的殘余應(yīng)力以及對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桁架、油水井套管、鉆井平臺(tái)立柱等工作應(yīng)力的非接觸無損檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果足見對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的重視[3-7]。

1 傳感器結(jié)構(gòu)和原理

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)[8-11]

傳感器結(jié)構(gòu)是由1個(gè)“工”字形的檢測(cè)鐵芯和5個(gè)線圈組成，結(jié)構(gòu)上有4個(gè)磁極，與之對(duì)應(yīng)的是4個(gè)線圈，圖1所示為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

利用脈沖變壓器的EI硅鋼片加工形成“T”、“＿”形狀硅鋼片來制作檢測(cè)鐵芯。在裝配的時(shí)候，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，采取“T、＿”和“＿、T”交錯(cuò)穿插。

勵(lì)磁繞組N-I繞在“工”柱上，4個(gè)檢測(cè)磁極上分別纏繞參數(shù)一致的檢測(cè)繞組N-1、N-2、N-3、N-4。在線圈接線方式上，采取N-1和N-2正向串接，N-3和N-4也正向串接，然后再將2串接后的繞組反向串接，形成反向差動(dòng)聯(lián)接形式。

傳感器結(jié)構(gòu)的鐵芯材料選用高導(dǎo)磁率、損耗小的脈沖變壓器硅鋼片，片厚0.5 mm，疊厚26 mm。勵(lì)磁線圈采用0.2 mm漆包線在骨架上繞制200匝，4個(gè)檢測(cè)線圈均使用0.05 mm漆包線在骨架上繞制600匝。其他特性參數(shù)將通過試驗(yàn)來確定。試驗(yàn)時(shí)某一試件板尺寸為380 mm×50 mm×2 mm，標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償試件尺寸為134 mm×52 mm×2 mm。

1.2 傳感器的工作原理

傳感器用于檢測(cè)平面應(yīng)力時(shí)，利用磁極E1和E2接觸或接近被測(cè)試件，磁極E3和E4接觸或接近標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償試件。勵(lì)磁線圈N-I產(chǎn)生的磁通量為Φ，通過檢測(cè)線圈N-1、N-2和N-3、N-4的磁通分別為Φ1-2和Φ3-4。當(dāng)沒有應(yīng)力作用在待測(cè)試件上時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償試件的作用，可保證Φ1-2=Φ3-4。由于4組線圈的反相差動(dòng)聯(lián)接接線方式，在磁通相等抵消的情況下，傳感器輸出電壓信號(hào)為零；當(dāng)待測(cè)試件受應(yīng)力時(shí)，試件內(nèi)部磁導(dǎo)率發(fā)生變化，有Φ1-2≠Φ3-4，依據(jù)沿應(yīng)力方向?yàn)橐状呕较?，磁?dǎo)率高，而沿垂直于應(yīng)力方向?yàn)殡y磁化方向，磁導(dǎo)率低，磁通不相等致使檢測(cè)信號(hào)不能相互抵消，所以在檢測(cè)線圈輸出端將感生出不相等的信號(hào)電壓，該電壓即包含應(yīng)力大小的信息。

2 傳感器設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)磁路定理，勵(lì)磁線圈上產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)[12]為

εm=NeIe

(1)

式中：Ne為勵(lì)磁線圈的總匝數(shù)，可以通過計(jì)算確定，是已知固定的；Ie為勵(lì)磁電流的瞬時(shí)值。

Ie將影響檢測(cè)的靈敏度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證Ie為恒流。

勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的穩(wěn)定磁通Φ為

(2)

式中：em為勵(lì)磁磁極中磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值；r為勵(lì)磁磁極下氣隙的磁阻；RD為勵(lì)磁磁極鐵芯的磁阻；RS為勵(lì)磁磁極之間試件表面材料的磁阻，磁阻增加則磁通量減小，磁阻減小則磁通量增加。

圖2給出了傳感器的等效磁路，圖中R1-2為N-E1-E2-M段的磁阻；R3-4為N-E4-E3-M段的磁阻。E1-E2和E3-E4分別是被測(cè)試件和標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償試件材料表面上的磁路；N-E1、E2-M及N-E4、E3-M為檢測(cè)鐵芯的磁路。磁阻與材料的磁導(dǎo)率關(guān)系為

(3)

式中：L為鐵芯或被測(cè)材料的磁路長(zhǎng)度；μ為鐵芯或被測(cè)材料的磁導(dǎo)率；S為鐵芯或被測(cè)材料的磁路截面積。

圖2 傳感器的等效磁路

當(dāng)試件不受應(yīng)力作用時(shí)，有R1-2=R3-4。這時(shí)，穿過E1、E2檢測(cè)磁極端面穿過待測(cè)試件表面的磁通量Φ1-2等于穿過E3、E4檢測(cè)磁極端面穿過標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償試件表面的磁通量Φ3-4，即檢測(cè)線圈N-1、N-2和N-3、N-4的磁通分別為Φ1-2和Φ3-4，且Φ1-2=Φ3-4。最終,4個(gè)檢測(cè)線圈總的輸出信號(hào)電壓為零；當(dāng)試件受平面單向拉伸應(yīng)力作用時(shí)，E1-E2段受拉，磁導(dǎo)率μ增加，磁阻R1-2減小，磁通量Φ1-2增加，磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生增量Δε1-2，而E3-E4段保持原態(tài)，磁阻R3-4不變，磁通不變。4個(gè)線圈感應(yīng)電壓疊加的結(jié)果使得輸出信號(hào)增強(qiáng)，這符合鐵磁學(xué)的縱向拉應(yīng)力磁導(dǎo)率增加的規(guī)律。即

μ=μ0+KDσ

(4)

式中：μ0為無應(yīng)力作用時(shí)材料的磁導(dǎo)率；KD為被測(cè)材料的磁彈性靈敏度系數(shù)；σ為被測(cè)材料上作用的應(yīng)力。

材料磁導(dǎo)率(磁阻)的不同變化，在2組檢測(cè)線圈感生出不同的電壓值，其差值正比于應(yīng)力。式中的KD可由試驗(yàn)標(biāo)定。對(duì)于壓應(yīng)力作用的情況，磁導(dǎo)率減小，磁阻增大，分析同上。

3 測(cè)試結(jié)果

利用所設(shè)計(jì)的傳感器，對(duì)長(zhǎng)方形試件進(jìn)行了單向拉伸應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。

3.1 輸出信號(hào)幅值的頻率特性

選定某鐵磁材料試件作為待測(cè)試件及與待測(cè)試件一致的補(bǔ)償試件，補(bǔ)償試件的寬度與測(cè)試試件相等，傳感器與試件間的間隙利用絕緣非導(dǎo)磁墊片調(diào)整。

首先，通過檢測(cè)線圈N-3、N-4的輸出，得頻率響應(yīng)曲線。圖3給出了不同間隙時(shí)的頻率響應(yīng)曲線。

圖3 不同間隙時(shí)頻率響應(yīng)曲線

由圖3可見，最佳靈敏度頻率在2 300 Hz左右，并隨著間隙的增加響應(yīng)頻率也略有增加。最佳靈敏度對(duì)應(yīng)頻率與導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和線圈參數(shù)有關(guān)。同時(shí)，為勵(lì)磁線圈加恒定電流，驗(yàn)證不同電流的頻率響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果波形如圖4所示。

圖4 不同勵(lì)磁電流條件下的頻率響應(yīng)曲線

在固定磁間隙0.8 mm的情況下，不同勵(lì)磁電流的頻率響應(yīng)結(jié)果不同，勵(lì)磁電流大則響應(yīng)的靈敏度相對(duì)較高。

3.2 不同間隙和勵(lì)磁電流的應(yīng)力特性

磁間隙的存在在一定程度上會(huì)降低傳感器的靈敏度，而取消磁間隙又會(huì)由于試件表面不平整、粗糙等原因帶來過大的測(cè)量誤差。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要留有一定的磁間隙。如測(cè)量油水井套管的拉力，需要沿著套管內(nèi)壁進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，必須保留足夠的間隙。因?yàn)樘坠軆?nèi)壁沾附有油污、沙石等雜物，設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。基于此，進(jìn)行了檢測(cè)繞組N-1、N-2線圈在試件面沿著拉應(yīng)力方向的試驗(yàn)。圖5是勵(lì)磁電流為60 mA、頻率是1 kHz時(shí)，不同間隙的應(yīng)力響應(yīng)曲線；圖6是間隙為0.8mm、頻率是1kHz時(shí)，不同勵(lì)磁電流的應(yīng)力響應(yīng)曲線。

圖5 不同間隙時(shí)應(yīng)力響應(yīng)曲線

圖6 不同勵(lì)磁電流時(shí)應(yīng)力響應(yīng)曲線

上述試驗(yàn)證實(shí)了在其他條件相同的條件下，間隙增大降低了靈敏度，并且降低的幅度比較大。同時(shí)，驗(yàn)證了在允許范圍內(nèi)，勵(lì)磁電流增加使得測(cè)試靈敏度提升。

通過頻率響應(yīng)測(cè)試，確定傳感器的工作頻率；通過板材試件單向拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證了勵(lì)磁電流、磁測(cè)氣隙對(duì)測(cè)量靈敏度的影響。試驗(yàn)結(jié)果與磁測(cè)理論是一致的[13]。

4 結(jié)論

依據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)基本理論，所設(shè)計(jì)的應(yīng)力傳感器能夠有效檢測(cè)鐵磁板材試件單向受力。且傳感器特點(diǎn)如下：

(1)在結(jié)構(gòu)上引入補(bǔ)償試件，可以消除溫度、壓力等波動(dòng)帶來的干擾，同時(shí)可以確保差動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；

(2)由于檢測(cè)繞組的差動(dòng)連接方式，能夠最大限度地保證傳感器的初始輸出接近于0，便于對(duì)被測(cè)材料的磁特性靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；

(3)可實(shí)現(xiàn)非接觸無損應(yīng)力測(cè)試，標(biāo)定后可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的量化測(cè)試。

接下來的工作還需要探究逆磁致效應(yīng)機(jī)理，研究補(bǔ)償試件邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響。

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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

大慶師范學(xué)院自然科學(xué)基金(11ZR14)

2014-04-05 收修改稿日期：2014-11-01

TB972

A

1002-1841(2015)04-0015-02

劉開緒(1967—)，教授，碩士研究生，從事測(cè)井方法與儀器研究、信號(hào)與信息處理應(yīng)用研究。E-mail:dqsysys@126.com 段玉波(1951—)，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣田控制理論與信息工程研究。E-mail:Zkx01@dqpi.net