李立新，邱忠超,2，高 强，韩智明，洪 利

(1.防灾科技学院电子科学与控制工程学院，河北廊坊 101601；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

0 引言

应力和残余应力的测量至今已发展形成数十种传统测量方法，大致可分为2类，即具有一定损伤性的机械释放测量法和非破坏性无损伤的物理测量法。机械测量法包括分割全释放法、逐层剥层法、盲孔法、套取芯棒法、内孔直接贴片法以及释放管孔周应变测量法。物理测量法主要包括X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法以及固有应变法。目前机械释放法已经比较成熟，测量的结果也比较准确，但对测试对象有不同程度的破坏。因此，无损检测技术在现代工业中发挥着重要的作用，成为各国工业技术发展水平的标志之一，其中，无损检测技术中目前发展最引人注目的是磁性方法[1-3]。

应力致磁各向异性(SMA)是指应力或残余应力的存在会导致材料的磁导率在各个方向的分布变化，使得某些材料的磁导率分布状态由理想状态的磁各向同性状态转变为各向异性状态。相对于传统应力检测方法，磁各向异性法具有较高的测量速度且使用方便，并且对一些特定金属构件的早期损伤具有较好的评估效果[4，5]。

Tanner Isono等利用研制九足传感器可以在不用旋转的情况下一次性测量出某一点的主应力之差以及主应力对应方向[6]。Hiroto Yamada等利用磁场理论中的磁路原理分析，得出磁测信号和应力在-200 ～ +200 MPa范围内具有较好的线性关系[7]。在国内，谢大吉等利用研制的二极磁测传感器探头对不同材料进行单向和双向拉压试验以及焊接试件，提出了沿测量方向和垂直方向的应变与磁测输出信号之间的线性关系，并建立了相关的数学模型来验证测量结果[8-9]。文西芹等研究了对20#钢压缩试件实施四极探头残余应力检测，得出不同方向的磁测输出曲线，证实了材料的逆磁致伸缩效应对于评估材料的残余应力是可行的[10]。

尽管不同研究者对应力的磁性测试进行了很多研究和实验，但材料的磁本质目前还没有完全搞清，因此，为了更好地推动基于磁各向异性应力测试技术的研究与改进，有必要进一步研究传感器的输出信号，建立它与应力的定性、定量关系，更进一步推动该技术的发展。

1 磁各向异性检测系统

应力的磁性测试系统由励磁系统、信号采集系统、信号处理系统、加载系统和待测试件等几部分组成，测试原理框图如图1所示。其中，加载系统对试件施加载荷；励磁系统主要用于产生稳定的激励磁场；信号采集系统主要用来接收由于电磁感应而产生的电动势随外加载荷的变化；信号处理系统对接收的信号进行存储、处理，得到需要的数据，并显示出来。

图1 应力磁性测量框图

1.1 探头设计和制作

磁各向异性检测探头一般由激励线圈、检测线圈、导磁磁芯组成，原理示意图如图2(a)所示。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，如图2(b)所示。激励线圈和检测线圈成对出现，所对应的引出线通过磁环中间的小孔引出，最后在外壳的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不利影响。

(a)探头基本原理示意图

(b)探头结构组成图2 探头的基本原理示意图及探头结构组成

考虑到工作频率下具有较高的磁导率，并且市场上已有成型的用于制作电感或小型变压器的铁氧体磁棒、磁环，这样可根据需要设计和调整探头的形式。如图3所示，采用锰锌铁氧体磁化和磁棒分别制作了三足探头、四足探头和六足探头。图中E表示激励线圈，P表示检测线圈。

(a)探头线圈分布示意图

(b)探头实物图图3 磁各向异性检测探头

由图3可知，三足探头1个激励足，2个接收足，E-P1连线垂直于E-P2连线，感应电压极性线圈方向反接，这表示电势相差；四足探头一对激励垂直于一对感应线圈，各自同向相加；六足探头P1-P2垂直于P3-P4，一对激励线圈E1-E2处于激励线圈中间位置45°处，激励线圈同向串接，检测线圈一对之间同向串接，整体两对激励线圈之间整体反向串接；每个探头接收与激励各2条信号线。考虑到检测线圈的尺寸及铁氧体磁芯的大小，选用直径为0.20 mm和0.05 mm 的漆包线绕制激励线圈与检测线圈，且激励线圈为150匝，检测线圈400匝。

1.2 检测电路

图4为信号发生器以及功率放大器电路板实物图，左上角是基于ICL8038的正弦信号发生器模块，输出信号频率可通过滑动电阻进行调节，之后经过功率放大器TDA2030提供较大功率电压来驱动探头的激励线圈。

图4 信号发生及功率放大电路板

为了得到稳定、清晰的输出信号，在输入端采用二阶低通滤波器，滤掉高频噪声和谐波干扰信号。利用UA741放大器进行信号放大后，通过A/D转换采集到计算机中，最后对得到的试验数据进行处理。

2 磁各向异性检测实验与结果分析

2.1 检测实验

对16MnR钢试件进行静拉伸实验，如图5所示。为了消除材料内部存在的不均匀性或残余应力，实验前对试件进行退火处理。

图5 等宽与变宽拉伸试件测量位置示意

图6所示为拉伸实验使用的静态加载装置，最大拉力为100 kN。为了减少测量误差，测量时将探头固定在试件的相应位置并紧贴试件，尽量减小空气间隙。对于周向测量，即对于某一点的探头，用刻有角度的纸板作标识，以每间隔15°为一个单位进行360°测量。测量结果通过示波器进行实时显示，并同时进行数据采集处理。

(a)16MnR钢试件静拉伸

(b)探头检测图6 试件拉伸及探头检测实物图

2.2 实验结果及分析

三足探头是利用2个激励线圈与1个检测线圈形成的2个分支磁路的感应电压之差来实现检测的，2个检测足都参与了主要磁通的环路，因此三足检测探头具有较大的感应电压，所输出电压不需要经过信号放大，只进行滤波处理即可。四足探头是利用2个成对检测足间的磁势来进行测量的，当试件处于磁各向异性时，激励线圈的左右磁导率或磁阻不对称时，会导致主磁路中的磁通不对称，在应力位置出现磁势失稳；这时2个检测足间的桥壁有磁通经过。因此，四足探头检测的电压是由磁势差产生的，比较微弱，实际测量结果进行了13倍放大。六足探头则是采用了2组测量线圈差动连接，其原理类似于四足探头，但是其灵敏度有所增加。

3种不同结构探头的测量结果如图7所示。检测频率为10 kHz，线圈激励电压为6 V。右侧为测量时探头的周向位置，上下方向为拉伸方向。由于探头本身制作的不对称性等系列原因，在空气中探头自身就存在检测电压幅值。因此测量结果只作为定性分析。

三足探头的变拉力测量结果显示，位置1比位置2随拉力的变化结果要小，由于试件沿长度方向(拉伸)检测线圈相对激励线圈对称，试件在拉力作用下具有各向异性，虽然磁阻变化理论上对称，但是这种磁势相对于位置2的磁势来说要小很多。位置2为横向和纵向磁势，比位置1对称磁势大，拉伸纵向磁阻减小，横向磁阻增大，所以位置2变化更大。当拉力值在25 kN以上时，检测电压值不再变化，说明铁磁性材料内部磁性参数不再发生变化。因此磁各向异性方法测量这种平均应力效应也有限制。

(a)三足探头

(b)四足探头

(c)六足探头图7 3种探头不同拉力作用下测量结果

四足探头分别使用了垂直和水平2种测量角度。测量开始阶段，测量结果几乎相等，随着拉力的变大，出现了相反的走势，且相对于初始测量值基本对称，超过25 kN后，趋于平衡；说明拉伸前未受力的铁磁试件磁各向同性状态较好，随着单轴拉力作用，这种状态逐渐向各向异性状态转变且逐步增大。六足探头具有更高的灵敏度，且在一定范围内整体上具有较好的线性度。3种探头测量结果均在25 kN左右出现平衡，拉力继续加大到一定值以后，测量结果出现回缩现象。

3 结论

针对铁磁材料应力至今仍难以有效检测的问题，提出采用磁各向异性方法对铁磁材料应力进行检测。基于磁各向异性方法的检测原理，研制不同类型的锰锌铁氧体检测探头，搭建由加载系统、励磁系统、信号采集系统、信号处理系统组成的磁各向异性检测系统，并在不同应力、频率与激励电压下对不同形状试件进行检测试验。结果表明，探头对于试件处于不同应力、激励频率与不同激励电压下均具有较好的检测效果，3种不同类型探头之间具有不同的检测现象和特征。