任旭虎 孫曉 李德文 蘇建楠 艾潔

摘要：鐵磁性材料的磁滯回線代表其在外加磁場下的基本磁特性，磁滯回線反映的磁特性參數(shù)磁導率μ、矯頑力H_c、剩磁M_R能靈敏地反應鐵磁性材料的微觀組織結構。針對鐵磁性材料受應力易發(fā)生形變的問題，該文研究鐵磁性材料內部磁疇結構和所受應力的關系.利用應力引起的磁特性參數(shù)的變化確定材料所受的應力大小，基于U型磁軛的電磁檢測原理，測量激勵線圈中的電流值和感應線圈上的電壓值，采集被測磁回路的磁滯回線并計算矯頑力、剩磁。結果表明：矯頑力數(shù)值會隨拉力的增大而升高，剩磁隨拉力的增大呈階段性變化，利用矯頑力與剩磁可以實現(xiàn)鐵磁性材料的受力分析。

關鍵詞：應力測量；鐵磁性材料；矯頑力；剩磁；磁參數(shù)

0引言

鐵磁性材料具有極佳的機械特性，是石油工業(yè)領域中使用最為廣泛的材料之一。石油各種設備通常選用低碳鋼制作，隨著時間的積累，服役設備不可避免地出現(xiàn)疲勞失效，疲勞失效的部位通常出現(xiàn)在應力集中區(qū)域。在應力集中區(qū)域，設備局部所承受的應力往往是正常情況下的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極易發(fā)生疲勞、變形和腐蝕加速，嚴重會發(fā)展成為裂紋，從而引發(fā)設備斷裂。

現(xiàn)階段，常規(guī)的電磁無損檢測方法只能針對鐵磁性材料的斷裂、破損等宏觀應力缺陷進行檢測，對其在應力作用下微觀組織變化的檢測效率低下。

鐵磁性材料在外加交變的磁場下，鐵磁性材料在正向磁場下從初始狀態(tài)逐漸磁化至飽和狀態(tài)的過程稱為磁化過程，施加反向磁場鐵磁性材料從飽和狀態(tài)退回為無磁性狀態(tài)的過程稱為反磁化過程。當外加磁場變化一整個周期，磁感應強度隨磁場強度變化而形成一條閉合的曲線稱為磁滯回線。磁滯回線上反映的磁特性參數(shù)能靈敏地反應鐵磁性材料的微觀組織結構。針對鐵磁性材料受力易發(fā)生形變的問題.本文設計開發(fā)了基于U型磁軛的鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)，利用電磁檢測技術采集被測受力試件的磁滯回線并計算矯頑力、剩磁參數(shù)，完成對鐵磁性材料受力的早期安全評估。

1測量原理

如圖1所示，磁感應強度隨外加磁場變化滯后于初始磁化曲線，外加磁場變化一個周期，磁感應強度變化形成磁滯回線。從磁滯回線可以得到表征材料磁滯性能的重要參數(shù)，剩磁為磁場強度為0時對應的磁感應強度B_r，矯頑力為磁感應強度為0時對應的磁場強度H_c。鐵磁性材料受到應力作用時，通過測量材料本身矯頑力與剩磁的大小，即可間接測量材料所受應力大小及應力分布，達到應力應變的檢測功能。

鐵磁性材料磁疇結構如圖2所示，在外磁場作用下，應力能會使材料的磁化強度發(fā)生取向的改變，因而會使磁感應強度發(fā)生變化；疇壁能即疇壁發(fā)生移動而產生的能量，應力阻礙疇壁移動使疇壁能發(fā)生改變，疇壁的不可逆移動與材料的磁化特性參數(shù)相關，因此應力會通過影響疇壁能而改變磁化特性參數(shù)。

在U型磁軛上纏繞激勵線圈和檢測線圈構成磁測探頭，放置于被測試件表面與被測區(qū)域形成閉合回路，測量原理如圖3所示。在激勵線圈中施加交變的激勵電壓，閉合磁路會產生交變的磁場，當鐵磁性試件受到應力的作用，通過檢測線圈的磁通量會發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應原理，檢測線圈將磁回路中產生的電磁感應信號轉化為電壓信號，磁通量變化會引起感應電壓的變化，激勵電壓變化一個周期，可由磁場強度對應的激勵電壓和磁感應強度對應的磁感應電壓描繪出完整的磁滯回線，通過采集磁滯回線的磁特征參數(shù)，即可得到試件所受應力與矯頑力、剩磁的關系。

試件受應力作用后，內部磁疇排列改變，導致磁回路的磁通量發(fā)生改變，圖3的等效磁回路方程可表示為

經理論分析.磁場強度正比于流過檢測線圈的電流強度，感應電壓與磁通量的微分呈正比關系，對感應電壓進行積分，并對激勵電流與感應積分電壓雙路同步采集，即可得到磁滯回線。

2系統(tǒng)測量方案設計

鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)設計包括可控周期性激勵模塊設計、雙路同步磁參數(shù)接收采集模塊設計、磁參數(shù)采集總控及綜合分析軟件設計3部分。鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)通過磁參數(shù)采集總控軟件發(fā)出控制命令，控制激勵模塊產生足夠功率的激勵信號，施加到磁測探頭，產生周期性磁場，對被測鐵磁性材料完成磁化。

可控周期激勵單元CPU接受總控單元命令，基于DDFS信號發(fā)生器產生可控磁場激勵信號，其頻率、幅度可調，頻率調節(jié)范圍為20～100 Hz，幅度范圍為2.5-2.5 v，經過功率放大電路產生足夠大的磁場磁化電流，并施加到磁測探頭激勵線圈，完成對鐵磁性材料的磁化。同時針對不同磁測探頭，激勵電流可在0-3 A范圍內調節(jié)，整個裝置具有良好的散熱性，滿足矯頑力測量要求。

鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)是通過系統(tǒng)的雙路同步磁參數(shù)接收采集模塊實時采集磁測探頭感應的電磁感應信號。鐵磁性材料受可控周期性磁場信號磁化后，產生同步周期磁感應信號?；诖艤鼐€剩磁測量原理，需對激勵和感應信號同步周期采集，需開發(fā)雙路激勵感應同步接收采集裝置。雙路同步接收采集裝置在總控系統(tǒng)協(xié)調下，按照一定的采樣頻率，同步采集激勵感應信號并回傳給總控分析系統(tǒng)，為后續(xù)剩磁和應力多參數(shù)分析提供基礎數(shù)據(jù)。

儀器總控軟件與激勵和同步采集單元雙向通信，其功能示意圖如圖4所示。按照用戶需求，將相關控制命令下傳給激勵和采集模塊，同時將雙路同步磁參數(shù)接收采集裝置所傳輸?shù)拇鸥袘?、激勵信號進行數(shù)據(jù)存儲。在此基礎上，基于矯頑力、剩磁與應力的理論分析，計算系統(tǒng)測試矯頑力、剩磁的值，為鐵磁性材料應力分布評價奠定基礎。

3系統(tǒng)的硬件電路設計

3.1功率放大電路設計

本系統(tǒng)將功率放大電路設計為3片TDA7293主從模式級聯(lián)放大，單片最大輸出功率100w，主從模式下其最大輸出功率可達255 w，可將信號源產生的正弦信號進行放大輸送到激勵線圈產生交變的磁場，功率放大電路設計如圖5所示。

U1為主功放，U2、U3為從路功放。C7～C9為自舉電容，可以提高主從電路的輸出能力。R4、R8、R9為輸出均流電阻，取值在0.33 Ω以下，以免輸出內阻增大導致輸出功率降低。R2、R3電阻決定整個放大電路的閉環(huán)增益，R5、C6組成一階RC濾波，有利于提高整個電路的穩(wěn)定性。D1、R5、R6、R7組成開關機保護電路，防止開機關機瞬間輸出大功率信號損壞芯片。

3.2同步采集周期控制電路

同步采集周期控制電路如圖6所示，UC3A為過零電壓比較器，輸出負載電阻接3.3v電源，不受Vcc端電壓值的限制。激勵信號經過對零電壓比較器，產生與激勵信號周期相同的方波，通過二極管與3.3 v上拉電阻RC49將電壓比較器的輸出電壓限制在0～3.3 V，以免電壓過大損壞控制芯片。通過電壓比較器產生方波的上升沿，STM32根據(jù)上升沿的產生次數(shù)，控制AD芯片采集周期的開始與結束，達到每次AD采集為一個完整周期信號的目的。

3.3磁感應信號積分電路

由于感應磁場強度與磁感應電壓信號的積分成正比例關系，感應信號首先經過積分電路進行積分，積分時間需要滿足大于感應信號的周期時間，在經過積分電路時，由于積分電容與積分電阻的作用，產生的積分信號的幅值會有衰減，需在經過反向放大器進行適當倍數(shù)的放大，經過電壓跟隨器進行隔離，進入AD芯片通道進行信號采集，其原理圖如圖7所示。

積分電路的積分時間由R2、C36決定，電阻R6可以消除由于溫漂、失調電壓、電流帶來的誤差，其需滿足R6>>R2的條件。電阻RFD與電阻R8決定反向放大電路的放大系數(shù)，將積分后的電壓信號調節(jié)至±10 V以內，便于充分利用AD7656的量程提高系統(tǒng)的測量精度。

4磁測探頭設計

探頭選擇U型磁芯，在選擇磁芯材料時，需要考慮激勵信號頻率、磁導率、損耗及價格等因素。本文所使用的激勵信號頻率為30 Hz，屬于低頻電磁場，綜合材料磁特性后，為了避免探頭內的渦流效應，減小脈沖信號在探頭內的能量損耗，鐵芯材料使用錳鋅鐵氧化體，其尺寸為長80mm，高64.5mm，磁靴底面尺寸為31mmx20mm。其與被測時間形成磁回路的長度為230mm，可對被測面積1200m㎡鐵磁性材料試件區(qū)域的磁滯回線和矯頑力進行有效測量。

激勵線圈的線徑決定了激勵電流的大小，其匝數(shù)與線圈兩端產生的磁場強度密度相關，激勵線圈的匝數(shù)越多，其產生的磁場強度就越大。同時，激勵線圈兩端的磁場強度過強或過弱，會引起嚴重的非線性并降低靈敏度。經反復試驗，系統(tǒng)選用0.82 mm漆包線纏繞200匝作為激勵線圈，在功放電路的作用下，流過線圈的最大電流可達3A，最大可產生3kA/m的磁場強度，可以使被測鐵磁性試件完全磁化，選用0.27mm銅漆包線纏繞210匝作為檢測線圈，可檢測到較強的電壓信號。

選用低碳鋼Q235作為被測鐵磁性試件，其長寬厚為400 mmx50 mmx8mm，采用萬能試驗機對其施加拉力，在鐵磁性試件中部區(qū)域產生應力集中區(qū)域，將磁測探頭放置在應力集中區(qū)域上方構成閉合回路。

5實驗結果分析

鐵磁性材料在現(xiàn)實使用中主要受拉應力的作用，為了研究拉應力對被測試件矯頑力的影響，對被測Q235鋼試件施加拉應力，測量矯頑力與剩磁的變化，現(xiàn)場測量分析軟件運行如圖8所示。

使用拉力機對兩塊同一材質的Q235鋼試件分別施加拉應力，為了確保試件處于屈服狀態(tài)，分別施加0，25，50，75，100，125，150，175，200 MPa的拉應力。使用頻率為30Hz的激勵信號，在其中間應力集中部分平行于拉應力的方向上進行磁化和測量，可得矯頑力與剩磁的數(shù)值變化，如圖9所示。

在彈性范圍內，隨著拉應力的增加，在100MPa范圍內，矯頑力數(shù)值會有小范圍波動，當拉應力超過100MPa時，矯頑力數(shù)值會有跳躍式的上升，剩磁的變化量相比于矯頑力，其數(shù)值變化更為明顯，在100MPa受力以內，其隨拉應力的增大而逐漸增大，當拉應力超過100MPa后，剩磁會隨拉應力的增大而逐漸減小，根據(jù)這兩個變化特性可以區(qū)分彈性范圍內鐵磁性材料的受力范圍。

使用拉力機對Q235鋼試件施加拉應力，為了確保試件達到塑性形變，先對Q235鋼試件施加300 MPa的拉應力使其發(fā)生塑性形變后釋放拉力，再對其分別施加0，50，100，150，200，250，300，325 MPa的拉應力，并對其反復進行拉應力加載。使用頻率為30 Hz的激勵信號，在其中間應力集中部分平行于拉應力的方向上進行磁化和測量.可得矯頑力與剩磁變化如圖10所示。

試件在發(fā)生塑性形變后，矯頑力隨拉力的增大而增大.在200MPa以內剩磁會隨拉力的增大而增大，超過200 MPa后剩磁會減小，根據(jù)這兩個變化特性可以區(qū)分塑性變形后鐵磁性材料的受力范圍。

使用拉力機對Q235鋼試件施加拉應力，對其不斷施加拉力直至將試件拉斷，如圖11所示。使用頻率為30 Hz的激勵信號，對拉斷的試件所標注的6個部位進行測量得矯頑力與剩磁變化如圖12所示。

Q235被測試件從正常部位到斷裂處靠近，矯頑力的數(shù)值不斷增大，說明隨著試件所受應力的損傷程度增加，矯頑力對試件受應力產生損傷性形變有很好的檢出性，剩磁隨著向斷裂處不斷靠近，數(shù)值會先增加，到斷裂處后，剩磁數(shù)值減小。根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)的變化可對受力產生不可逆損傷的材料進行受力分析。

6結束語

通過本文提出的磁參數(shù)檢測方法，分析了矯頑力、剩磁與拉應力的關系，發(fā)現(xiàn)了矯頑力與剩磁對鐵磁性試件所受應力有較好的檢出性，矯頑力會隨拉力的增大而增大，剩磁在一定的應力范圍內會隨拉力的增大而增大，當拉力超過一定極限后，會隨拉力的增大而減小，可以通過這兩個磁特性參數(shù)實現(xiàn)對鐵磁性材料的應力分析。