0 引言

铁磁性金属材料在工业生产及生活中具有十分广泛的应用，而疲劳作为金属材料的主要失效方式，由于具有突发性的特性，通常会造成重大的安全事故。因此，系统全面地研究金属材料早期疲劳状态的无损定量评价的意义十分重大。磁声发射（Magneto Acoustic Emission, MAE）检测技术是一种基于材料磁-力耦合特性的无损检测技术，其信号对材料微观组织结构和应力状态的响应具有高灵敏度，能够实现铁磁性金属材料早期疲劳的诊断，但MAE检测技术发展时间相比传统的无损检测技术而言十分短暂，至今未研发出一体化的MAE检测仪器，尤其是在探头的优化与性能测试方面需要进行进一步的研究。因此，为了研究铁磁性金属材料的疲劳状态的MAE信号特征[1-2]，首先需要设计MAE检测装置。沈永娜等[3]通过研究发现，励磁强度和频率将在很大程度上影响MAE信号特征，当励磁强度或频率改变时，MAE随着铁磁金属材料的微观结构的变化而变化。Stupakov等[4]通过研究励磁波形为正弦波以及三角波形、励磁频率为0.5～100 Hz情况下晶粒取向电工钢的MAE信号，结果发现，在励磁频率为0.5～100 Hz、励磁波形为正弦波与励磁频率为0.5～40 Hz时产生波形的相位相同，并且发现当励磁频率大于40 Hz时产生的感应波形与相应的激励波形的相位是相反的，但是当励磁频率大于100 Hz时其磁化强度分布不平衡。因此，在MAE检测中为了能够确定不同材料的最佳励磁条件，检测装置必须具备可变频率和可变励磁强度的功能。并且，由于存在难以直接测量磁场强度等问题[5]，有必要建立励磁电压或电流与励磁强度之间的关系。因此，有必要设计一种具有可变励磁幅度和测量磁滞回线功能的MAE检测装置，主要研究的是磁化器尺寸及励磁线圈匝数与励磁能力之间的关系，并对MAE检测装置整体性能进行测试评估。

1 MAE检测装置的设计

MAE检测系统主要分为激励磁化模块和信号采集模块两大部分。激励磁化模块是产生交变磁场以实现铁磁材料的磁化过程，进而产生弹性波脉冲信号；信号采集模块是接收和处理信号的同时将信号加以放大以满足后续研究的需要。本研究设计的MAE检测装置如图1所示，其中函数发生器的型号为安捷伦科技有限公司生产的Agilent 33220A，该函数发生器不仅可以产生一个稳定、精确并且低失真的输出信号[6]，线性可调幅度范围为0.01～10 Vpp。功率放大器的型号为N4L LPA05B，其功率放大倍数为10倍，且放大输入信号的频率可达到1 MHz，输出电压极限为±40 Vpp，并且能够提供 ac+dc、ac、ac+(dc)这 3种耦合方式[7]，由于需要得到较大的输出信号，故选用ac+dc耦合方式。示波器的型号为DSO9064A，该示波器的带宽为600 MHz和10 GSa/s的最大采样率以及4个模拟通道，且每个通道均配有最高可达1 Gpts的存储器[7]。声发射仪为SAEU2S集中式声发射检测仪[8-9]。图2为由各仪器及电子元件组成的MAE检测装置实物图。

2 MAE检测装置励磁器的设计

励磁器作为MAE检测装置的核心部件之一，由U型磁轭、励磁线圈共同组成，它是整个MAE检测装置设计的重点。

图 1 MAE检测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of MAE detection device

图 2 MAE检测装置实物图Fig.2 Physical diagram of MAE detecting device

磁轭材料常用的一般是硅钢片或铁氧体[10]。当频率小于10 kHz时，通常选用硅钢片作为导磁材料，这是由于硅钢片中的硅能够大大提升铁的电阻率和磁导率，从而实现降低矫顽力和铁芯损耗的功能[11]。由于MAE检测装置励磁频率通常小于1 kHz，故选用硅钢片作为磁轭材料，如图3所示。

图 3 磁化器示意图Fig.3 Magnetizer diagram

本研究选用φ0.16 mm的漆包铜线作为励磁线圈的材料，将其均匀地绕在U型磁轭上，最终得到励磁线圈。本装置中的功率放大器的放大倍数为10倍，励磁线圈两端的最大励磁电压为40 V，为了实现提高MAE检测装置激励能力的功能，必须选择合适尺寸的磁轭和励磁线圈的匝数以获得最佳激励条件。

为了得到较优的励磁强度，选用10种不同尺寸的U型磁轭（表1），以Q235标准试样（尺寸如图4所示），根据图2所示组成一个MAE检测装置，并在磁轭两极与试样的空隙处填充导磁胶，最后，在10种不同的U形磁轭下连续改变励磁线圈的匝数，同时在不同的激励电压和频率下测量流过磁轭线圈的励磁电流。

表 1 10种不同磁轭尺寸Table 1 10 different yoke sizes

图 4 Q235钢试样尺寸Fig.4 Size of Q235 steel sample

由图5可知，在不同频率下，励磁电流及磁通势随线圈匝数的变化规律基本一致，只是幅值上有所改变。从图6可知，当励磁频率一定时，随着线圈匝数的增加，激励电流呈现先减小后增加然后减小的趋势，同时，磁通势能观察到1～2个峰值。因此，U型磁轭的匝数与励磁电流和磁通势的变化密切相关，该情况下具有最佳励磁条件，即能够得到最佳的励磁效果。通过观察曲线的纵向发现，随着励磁电压的增大，励磁电流及磁通势的值均呈现增大的趋势。因此可知，当激励电压较高且激励频率较低时，对应于最大磁通势的线圈匝数最佳。通过研究发现，该规律符合实际测量结果，通过观察图6可知，8#磁轭且其对应的最佳线圈匝数为600匝时为最佳励磁条件。

研究发现：1#、2#、3#磁轭在励磁频率为10 Hz的曲线图中，随着磁轭高度的减小，最佳励磁线圈的匝数在逐渐变大，（4#、5#）、（9#、10#）磁轭也有此规律；而（4#、9#）（5#、10#）在励磁频率为 10 Hz曲线图中，其最佳励磁线圈匝数相同，但是随着磁轭极厚的减小励磁强度也呈现减小的趋势。

图 5 不同励磁频率下，1#磁轭的励磁电流、磁通势与线圈匝数的关系Fig.5 Relationship between the excitation current and flux potential of 1# yoke and the turn number of coil under different excitation frequency

图 6 在10 Hz励磁频率下不同磁轭的励磁电流、磁通势与线圈匝数的关系Fig.6 Relationship between excitation current, flux potential and turn number of different yoke under 10 Hz excitation frequency

3 性能测试

3.1 励磁性能测试

MAE检测装置的两大核心性能分别为励磁性能和稳定性，二者能够最终决定所设计的MAE检测装置的检测能力。首先，在不同的激励电压和频率下测试MAE检测装置的激励电流，其中激励电流和磁感应强度之间的关系可以从磁滞回线获得。

图 7 不同励磁频率下励磁电流随励磁电压的变化Fig.7 Variation of excitation current with excitation voltage under different excitation frequency

当励磁器为8#磁轭且线圈匝数为600匝时，本设计的MAE检测装置的激励效果最佳，从图7中可知，励磁电流受励磁电压和励磁频率共同的影响，励磁电流在励磁频率恒定时随励磁电压的增加而增大，但励磁电流在励磁电压恒定时随激励频率的增加而减小。同时发现，当励磁频率小于50 Hz时，励磁电流随励磁电压的增大并不以一确定的速率线性增大，当励磁电压增大到一定的值时，增加的速率产生变化；而当励磁频率大于或等于50 Hz时，激励电流随激励电压的增加而线性增加。故可知，当励磁频率超过50 Hz时，在研究励磁强度对MAE信号的影响中可将励磁电压代替励磁电流来对其进行研究。

图8为不同电压下的磁滞回线，从图8中可知，当励磁频率为10 Hz、励磁电压为1.5 V时，其磁滞回线出现“拐膝”，同时发现，随着激励频率的增加，带“拐膝”的磁滞回线曲线相对应的激励电压也在增加。当励磁频率为60 Hz时，出现带有“拐膝”的磁滞回线的励磁电压为4 V，然而，随着励磁频率的继续增加，没有发现有“拐点弯曲”的磁滞回线出现。通过研究可知，在电流-电压曲线中的拐点处的电流与磁滞回线的“拐膝”点处的磁感应强度是一个映射关系。故励磁频率为10 Hz、励磁电压为4 V的情况下，电流强度则对应于磁滞回线的饱和磁感应强度，此时能够激发出铁磁性金属材料的磁畴壁产生和湮灭过程中发出的MAE信号。

3.2 稳定性测试

稳定性是任何测试设备最重要的计量属性之一[12]。因此，为了使收集的数据具有高可靠性和高精度，稳定性测试是检测系统开发中不可或缺的部分。

本研究设计开发的MAE检测系统中的磁轭与试块之间的空气间隙会影响其稳定性。这是由于被测试块表面不完全光滑，不可避免地存在着空气间隙，并且由于气隙的磁阻大，气隙的变化会导致励磁强度发生改变，从而最终结果会受到影响。所以，为了使实验结果更可靠，需要在磁轭与试块之间填充导磁胶。表2为去应力退火后Q235钢进行的5次MAE信号测量的结果，每次测量结束后将磁轭取下，然后对磁轭和试样均进行清理，再次贴上导磁胶并放置到相应位置测量。由表2可知，得到的MAE信号的RMS相差很小，这就表明设计的MAE检测装置具有较高的稳定性。

图 8 不同电压下的磁滞回线Fig.8 Hysteresis loops under different voltages

表 2 稳定性测试Table 2 Stability test V

4 结论

1）设计并研制了具有变励磁幅度及测量磁滞回线功能的MAE检测装置。

2）在不同频率下励磁电流及磁通势随线圈匝数的变化规律基本一致。当励磁频率一定时，随着线圈匝数的增加，激励电流呈现先减小后增加然后减小的趋势，与此同时磁通势能观察到1～2个峰值。当励磁电压越高而励磁频率越低，磁通势的最大值所对应的线圈匝数即为最佳励磁线圈匝数。通过研究发现，8#磁轭且其对应的最佳线圈匝数为600匝时为最佳励磁条件。

3）通过研究可知，励磁频率为10 Hz、励磁电压为4 V的情况下，电流强度对应于磁滞回线的饱和磁感应强度。通过在磁轭与试块之间填充导磁胶的方式，能有效提高MAE检测装置的稳定性。