楊梅芳，任尚坤，趙珍燕

（南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063）

基于磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)的傳感器設(shè)計(jì)研究

楊梅芳，任尚坤，趙珍燕

（南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063）

磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)是一種依據(jù)磁導(dǎo)率的變化檢測(cè)鐵磁試件應(yīng)力集中狀態(tài)和疲勞損傷程度的無損檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件殘余壽命的有效評(píng)價(jià)。依據(jù)磁導(dǎo)率檢測(cè)原理,針對(duì)棒狀待檢構(gòu)件設(shè)計(jì)研制一高靈敏檢測(cè)傳感器，考察檢測(cè)線圈繞線直徑、繞線線圈匝數(shù)、激勵(lì)電壓對(duì)最佳檢測(cè)頻率和檢測(cè)分辨率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，最佳激勵(lì)頻率隨線徑的增加而減少，信號(hào)分辨率隨線徑的增加而增加；繞線匝數(shù)與激勵(lì)最佳頻率無關(guān)，但與信號(hào)分辨率有關(guān)；激勵(lì)電壓對(duì)最佳頻率的范圍無影響，但對(duì)信號(hào)分辨力有影響。該研究結(jié)論對(duì)研制高靈敏度的磁導(dǎo)率檢測(cè)儀具有重要意義。

無損檢測(cè)技術(shù)；磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)；檢測(cè)傳感器；檢測(cè)分辨率

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)中，鋼鐵構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、鐵路、壓力容器等行業(yè)。鋼鐵構(gòu)件在使用過程中，由于應(yīng)力、疲勞載荷、蠕變等內(nèi)部工作介質(zhì)或外部工作環(huán)境的作用，易在應(yīng)力集中和疲勞損傷區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、功能老化、疲勞斷裂等現(xiàn)象[1-2]，造成重大惡性事故，給國(guó)家和人民造成巨大災(zāi)難[3-5]。因此在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，快速、方便、準(zhǔn)確地檢測(cè)出應(yīng)力集中和疲勞損傷的嚴(yán)重程度和區(qū)域，對(duì)預(yù)防構(gòu)件的斷裂事故和防止重大災(zāi)難的發(fā)生具有重要意義[6-8]。

目前對(duì)鐵磁試件進(jìn)行早期檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法有金屬磁記憶檢測(cè)法[9-12]、巴克豪森效應(yīng)檢測(cè)法[13]、聲發(fā)射檢測(cè)法[14]、超聲應(yīng)力檢測(cè)法[15]、射線應(yīng)力檢測(cè)法[16]等，但從檢測(cè)可靠性、檢測(cè)分辨率和實(shí)際效果來看都存在各自的局限性，不足以解決當(dāng)前工業(yè)所面臨的實(shí)際問題，有待進(jìn)一步深入研究。超聲應(yīng)力檢測(cè)法是基于應(yīng)力改變時(shí)超聲波的傳播速度也隨之變化的原理，目前已經(jīng)有比較廣泛的應(yīng)用。但超聲波探頭工作頻率一般在兆赫茲以上，在此頻段內(nèi)，應(yīng)力引起的超聲波速度改變量非常微小，通常在1 GPa的應(yīng)力作用下，超聲波速度僅改變0.1%。葉陽(yáng)升等[17]采用最靈敏的導(dǎo)波模態(tài)，在應(yīng)力變化137MPa時(shí)，其群速度的相對(duì)變化率僅達(dá)到0.07%。從分辨率和準(zhǔn)確度來說，都不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。超聲在測(cè)量應(yīng)力做標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，受外部的影響因素較多且影響較大，如探頭與構(gòu)件之間聲耦合層厚度變化的影響、構(gòu)件材料組織變化的影響、環(huán)境溫度等的影響。渦流檢測(cè)也只能檢測(cè)導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷，而磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)[18]是一種新的檢測(cè)方法，可以早期檢測(cè)鐵磁構(gòu)件整體或區(qū)域的應(yīng)力集中狀態(tài)和疲勞損傷程度，并對(duì)其殘余壽命進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，以解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法無法解決的問題。該檢測(cè)方法靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、使用方便[19]。將可破解航空、航天、鋼鐵、電力等企業(yè)在提高產(chǎn)品質(zhì)量過程中遇到的精確測(cè)定應(yīng)力分布的問題。檢測(cè)傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，決定著檢測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量和檢測(cè)靈敏度，基于磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)傳感器的設(shè)計(jì)研究具有重要的實(shí)際意義。

1 檢測(cè)原理

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。研制探頭結(jié)構(gòu)包括纏繞在管形塑料骨架上的檢測(cè)線圈和激勵(lì)線圈，適用于檢測(cè)棒狀鐵磁材料試件。檢測(cè)時(shí)，待測(cè)試件放入傳感器中心管型區(qū)域，激勵(lì)線圈中通入交變電流，通過鐵磁試件的磁場(chǎng)經(jīng)外部環(huán)境形成閉合磁路。待測(cè)構(gòu)件的應(yīng)力集中引起磁導(dǎo)率發(fā)生變化，引起閉合磁路的磁阻和磁通發(fā)生變化。通過檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)的變化即可測(cè)定試件磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而測(cè)定試件的應(yīng)力分布狀況和疲勞損傷程度。

選取恒壓源作為激勵(lì)源，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，檢測(cè)線圈的輸出信號(hào)隨中心管部區(qū)域磁通密度的變化而變化，通過提取感應(yīng)線圈中的電壓值，可反映鐵磁材料的磁導(dǎo)率變化。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁試件應(yīng)力集中和疲勞損傷的檢測(cè)。

設(shè)檢測(cè)線圈匝數(shù)為N1，激勵(lì)線圈匝數(shù)為N2；設(shè)傳感器中心管部區(qū)域的磁導(dǎo)率為μ，與外部環(huán)境構(gòu)成閉合磁路；設(shè)待測(cè)試件的平均等效截面積為S，其磁通密度為B。在等效閉合回路中，檢測(cè)線圈中的感應(yīng)信號(hào)ε可表示為

可見，檢測(cè)信號(hào)ε與μ成正比，可直接反應(yīng)待測(cè)試件的磁導(dǎo)率。通過檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)，判定試件的磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而反映鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中程度和疲勞損傷狀況。

2 試驗(yàn)研究與討論

2.1 探頭繞線線經(jīng)與最佳激勵(lì)頻率的關(guān)系研究

本試驗(yàn)采用激勵(lì)線圈匝數(shù)和檢測(cè)線圈匝數(shù)均為400匝的傳感器，激勵(lì)電壓為5 V，鐵磁試件選用直徑為10mm、長(zhǎng)為250mm的45#圓棒。在線圈繞線匝數(shù)和激勵(lì)電壓不變的情況下，繞線線徑分別取0.20，0.27，0.35，0.44mm，分別對(duì)待測(cè)試件和空氣試件做測(cè)試試驗(yàn)。待測(cè)試件和空氣試件檢測(cè)信號(hào)隨激勵(lì)頻率的變化關(guān)系及其差值如圖2所示，空氣試件檢測(cè)信號(hào)即是待測(cè)鐵磁試件取出后的檢測(cè)信號(hào)。

圖2（a）和圖2（b）分別表示繞線線徑為0.20，0.35mm時(shí)檢測(cè)信號(hào)隨激勵(lì)頻率的變化關(guān)系。圖2（a）表明，繞線線徑為0.20mm時(shí)，檢測(cè)試驗(yàn)最佳頻率為600 Hz（最佳頻率為差值信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)的頻率），信號(hào)分辨率為577mV/V（信號(hào)分辨率為對(duì)應(yīng)差值信號(hào)值與激勵(lì)信號(hào)值的比值）；圖2（b）表明，繞線線徑為0.35mm時(shí)，檢測(cè)試驗(yàn)最佳頻率為250Hz，信號(hào)分辨率為698mV/V。在不同繞線線徑條件下，檢測(cè)信號(hào)分辨率、最佳頻率隨繞線線徑的關(guān)系如圖3和表1所示。結(jié)果表明，最佳激勵(lì)頻率隨線徑的增加而減少，信號(hào)分辨率隨線徑的增加而增加。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和各方面因素，該傳感器繞線線徑取0.35mm。

圖2 不同繞線線徑對(duì)檢測(cè)信號(hào)和激勵(lì)頻率的影響

表1 檢測(cè)分辨率、最佳頻率隨繞線線徑的關(guān)系

2.2 線圈繞線匝數(shù)對(duì)最佳頻率和檢測(cè)靈敏度的影響

檢測(cè)線圈的繞線線徑取0.35 mm，激勵(lì)電壓為5V時(shí)，線圈匝數(shù)分別取400匝、500匝和600匝，分別對(duì)上述鐵磁試件和空氣試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)信號(hào)隨激勵(lì)頻率的關(guān)系及其差值分布如圖4和表2所示。

圖4（a）和圖4（b）分別表示繞線匝數(shù)為500和600時(shí)檢測(cè)信號(hào)隨激勵(lì)頻率的變化關(guān)系。結(jié)果表明，繞線匝數(shù)與激勵(lì)最佳頻率無關(guān)，雖與信號(hào)分辨率有關(guān)，但影響不大。同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線圈匝數(shù)不易過高，否則信號(hào)不穩(wěn)。這里線徑為0.35mm時(shí)，最佳線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)為400匝。

圖3 最佳激勵(lì)頻率、信號(hào)分辨率隨繞線線徑的變化關(guān)系

圖4 不同繞線匝數(shù)對(duì)檢測(cè)信號(hào)和激勵(lì)頻率的影響

表2 檢測(cè)分辨率、最佳頻率與繞線匝數(shù)的關(guān)系

2.3 激勵(lì)電壓對(duì)最佳頻率和檢測(cè)靈敏度的影響

線圈繞線線徑取0.35mm，激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈都為400匝，在線圈線徑和線圈匝數(shù)不變的情況下，激勵(lì)電壓分別取3，4，5V。同樣，分別對(duì)鐵磁試件和空氣試件進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)分辨率和最佳頻率隨激勵(lì)電壓的關(guān)系如表3所示。

表3 檢測(cè)分辨率、最佳頻率與激勵(lì)電壓的關(guān)系

由表可知，激勵(lì)電壓對(duì)最佳頻率無影響，但對(duì)信號(hào)分辨力有影響。當(dāng)檢測(cè)電壓為5V時(shí)，在最佳頻率處的分辨率可達(dá)698mV/V,即最佳激勵(lì)電壓5V。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

經(jīng)上述分析與研究，設(shè)計(jì)傳感器的繞線線徑取0.35 mm，線圈為400匝，激勵(lì)電壓為5 V，檢測(cè)頻率取250Hz。以Q235鋼的圓棒為測(cè)試對(duì)象，試樣的直徑為10mm，長(zhǎng)250mm。檢測(cè)信號(hào)隨試件拉力的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 檢測(cè)信號(hào)隨試件所受應(yīng)力的變化關(guān)系

如圖表明，隨著拉力的增加，檢測(cè)信號(hào)逐漸減小。在受力較小區(qū)域，檢測(cè)信號(hào)約為4.156V。外加拉力在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)隨外力的增加而減少，但變化較慢；當(dāng)外加拉力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，檢測(cè)信號(hào)隨外力的增加迅速減少；當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到386 MPa時(shí),接近斷裂，檢測(cè)信號(hào)降到約3.814 V，檢測(cè)信號(hào)的變化量達(dá)到4.156-3.814=0.342V。檢測(cè)信號(hào)的電壓分辨率為0.001V，應(yīng)力檢測(cè)的分辨力平均可達(dá)到斷裂強(qiáng)度的1/342，即為1.13MPa。

設(shè)空氣回路檢測(cè)信號(hào)u1=0.56V，對(duì)應(yīng)空氣的磁導(dǎo)率為1；試樣經(jīng)應(yīng)力退火后，檢測(cè)信號(hào)為u2=4.156V，當(dāng)試件拉到接近斷裂強(qiáng)度時(shí)檢測(cè)信號(hào)為u=3.814V，應(yīng)力引起磁導(dǎo)率的變化量可達(dá)到（4.156-3.814）/（4.156-0.56）=9.5%，磁導(dǎo)率相對(duì)變化率的檢測(cè)靈敏度可達(dá)到3/10000。研究表明，該研究方法和研究探頭具有很高的檢測(cè)靈敏度。

3 結(jié)束語

磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)是一種高精度提前預(yù)測(cè)鐵磁構(gòu)件某區(qū)域應(yīng)力集中狀況特征的檢測(cè)方法，是依據(jù)探頭閉合磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化來檢測(cè)試件磁導(dǎo)率變化的評(píng)價(jià)技術(shù)，研究了檢測(cè)線圈繞線線徑、繞線線圈匝數(shù)、激勵(lì)電壓對(duì)最佳檢測(cè)頻率和檢測(cè)分辨率的影響。通過研究可得結(jié)論如下：

1）傳感器的最佳頻率與檢測(cè)靈敏度有關(guān)、與檢測(cè)線圈的繞線線徑有關(guān)。在激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈的繞線匝數(shù)和激勵(lì)電壓不變的情況下，隨著線圈線徑的增加，最佳檢測(cè)頻率單調(diào)遞減，而最佳頻率處的檢測(cè)分辨率逐漸增高。

2）傳感器的繞線匝數(shù)與最佳頻率無關(guān)，雖與信號(hào)分辨率有關(guān)但影響不大。在激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的線徑和激勵(lì)電壓不變的情況下，在設(shè)計(jì)繞線匝數(shù)時(shí)主要應(yīng)考慮待檢構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和尺寸。

3）在一定的激勵(lì)電壓范圍內(nèi)，最佳激勵(lì)頻率和單位電壓的檢測(cè)分辨率基本保持恒定。

4）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研制檢測(cè)傳感器對(duì)應(yīng)力檢測(cè)的分辨力平均可達(dá)到斷裂強(qiáng)度的1/342。

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（編輯：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

國(guó)家自然科學(xué)基金（51261023）

楊梅芳（1990-），女，河南信陽(yáng)市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榇艑?dǎo)率無損檢測(cè)。

任尚坤（1963-），男，河南周口市人，教授，主要從事無損檢測(cè)方面的研究。