專利名稱：一種測量鐵磁性材料內應力的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于材料應力無損檢測領域，具體涉及一種通過測量鐵磁材料感應線圈中感應電壓的變化，來測量鐵磁材料內部殘余應力的一種無損檢測裝置。
背景技術：
鐵磁材料組成的機械設備，即使設計合理，在額定載荷下工作，殘余應力和工作應力的疊加將導致構件的二次變形和殘余應力的重新分布，從而降低構件和設備的使用壽命，嚴重的甚至引起惡性事故。長期以來，對服役過程中鐵磁材料疲勞損傷及壽命的預測方法的研究一直受到世界上各國學者的重視。因此，研究一種方便可靠的對鐵磁材料構件進行無損檢測的方法就十分必要。
在鐵磁材料的檢測中，一種廣泛應用的無損檢測方法是X射線法，但是由于X射線波長較長，其探測深度(10μm級)有限制。由于聲音能更深入鐵磁材料內部，有關超聲波法測量殘余應力近來得到了很大的發展，尤其是橫波雙折射技術的應用。但是超聲波波速的變化十分微小，其測量鐵磁材料內應力方法并不容易實現，而且材料的結構對其測量結果影響也很大。
應用磁學方法測量殘余應力主要有磁記憶法和磁聲法。磁記憶法利用處于地球磁場中的鐵磁性金屬的磁性能在應力和變形集中區內產生不可逆變化，在金屬與空氣邊界出現磁導率躍變，其表面產生漏磁場，測量該漏磁場便可無損、快速、便捷、準確地確定鐵磁性金屬結構上的應力和變形集中區，即設備上最危險的區段和部位，進行強度和壽命的診斷。這種技術彌補了傳統無損檢測方法的不足，但磁記憶原理還沒有形成完整嚴密的理論體系，并且沒有開展缺陷的定量檢測，而且沒有經過國家計量機構的計量認證。
還有磁聲發射法(Magnetomechanical Acoustic Emission，MAE)，也是一種磁性測量方法，它利用鐵磁材料中的磁疇壁在外磁場作用下往復振蕩和磁化矢量的轉動而產生應力波從而導致聲發射現象。由于這種聲發射(AE)信號強度隨磁化構件所受應力產生規律性的變化，因此可通過測取AE信號得知構件的受力情況。但是在通過信號波形對比確定應力符號時，可靠性較差，操作也較復雜。
在鐵磁性材料中的應力和結構缺陷，以及金屬中的某些其他特性，也可以通過在金屬中建立隨時間變化的磁場和分析由磁場在金屬件中產生的磁噪聲來識別，這種探測技術應用了被稱為“巴克豪森”現象。即當建立在金屬構件中的大磁場逐漸變化時，在物質磁化的一系列突變和跳躍。在周波等人的02200764.4號專利中給出了關于巴克豪森效應的討論，并設計出了一個探頭用來測量應力，傳感器線圈攜帶的“巴克豪森噪聲”可以通過適當的方法得到。在金屬中某一部分產生的巴克豪森噪聲強度部分取決于該部分的應力應變及金屬的微觀結構，已經試圖用巴克豪森效應和巴克豪森噪聲來確定金屬構件中的應力或應變以及缺陷和金屬件的微觀結構特性。應用巴克豪森效應確定金屬件中的應力或應變的大多數系統包括一個激勵線圈系統和一個傳感線圈系統。激勵線圈設置在檢測過程中緊靠金屬件的位置。而且該線圈由隨時間周期性變化的信號激勵，以便在金屬件中感應出隨時間周期性變化的磁場。巴克豪森噪聲在金屬件中產生的結果由傳感線圈感受并輸送到能以多種方式處理噪聲的電路中。最后，經過處理的巴克好森噪聲被送至顯示裝置。
發明內容
本發明是為了解決現有的測量系統中，測量不精確的缺點，設計了一種全新的測量鐵磁材料內應力的傳感器裝置，其通過測量被測試樣一側與標準試樣一側串聯反接的兩個感應線圈中的電壓值來確定鐵磁材料的內應力。
本發明的原理如下鐵磁性材料具有磁疇結構，鐵磁性物質在應力的作用下，其內部的磁疇和磁導率，磁阻等微觀結構和參數均發生變化。根據疇壁位移的應力理論[1]，鐵磁性物質的起始磁化率為χi≅μ0Ms2λsσ,]]>(μ0為真空磁導率，Ms為磁化矢量，λs為飽和磁致伸縮系數，σ為應力)，可見磁化率隨著應力的增大而減少。我們還知道鐵磁體的起始磁化率xi和起始磁導率μi的關系是μi＝1+xi，所以磁導率也將隨著內應力的增大而減少。根據磁感應強度與磁導率的關系公式B＝μ0(H+M)＝μ0(H+xiH)＝μ0(1+xi)H＝μ0μiH，這樣就建立了磁感應強度和應力的函數關系。即B≅μ0(1+μ0Ms2λsσ)H.]]>又因為感應電壓ϵ=dΦdt=d(B·S)dt,]]>移項積分得B=1S∫ϵ(t)dt]]>將B≅μ0(1+μ0Ms2λsσ)H]]>代入上式，可以得到感應電壓與應力之間的函數關系，
μ0(1+μ0Ms2λsσ)H=1S∫ϵ(t)dt]]>所以可以通過測量鐵磁材料感應電壓的變化來確定鐵磁材料所受應力的大小，這就是本發明的基本原理。
本發明所述的測量鐵磁性材料內應力的裝置由T形鐵芯和凹形鐵芯組成，在T形鐵芯的芯軸上繞有能夠產生交變磁場的激勵線圈，在凹形鐵芯上對稱T形鐵芯的芯軸繞有匝數相同并串連反接的兩組感應線圈，T形鐵芯和凹形鐵芯圍成的區域一側為測量端，另一側為參考端，測量端放置含有應力的被測試樣，參考端放置不含應力的同一材質的標準試樣，通過測量感應線圈兩端的電壓值即可計算出被測試樣內應力的大小或預測出被測試樣內應力的變化趨勢。
不同的鐵磁性物質磁導率和磁阻是不同的，所需的激勵電流也是不同的，在信號源幅值和頻率固定的情況下，可以通過調整凹形鐵芯與T形鐵芯之間的開口距離大小，來測量不同形狀和不同種類的鐵磁性物質的內應力，即凹形鐵芯可以自由地沿著T形鐵芯滑動，由凹形鐵芯和T形鐵芯所圍成的參考端和測量端的開口大小也隨之變化，作為一種優選實施方式，本專利從而提供了一種凹形鐵芯能夠沿T形鐵芯的芯軸前后移動的測量裝置，即本發明所述的測量鐵磁性材料內應力的裝置由T形鐵芯和凹形鐵芯組成，凹形鐵芯中空且能夠沿T形鐵芯的芯軸前后移動。
在本專利中，兩組感應線圈既可以繞在凹形鐵芯的兩個突出部分上，也可以繞在相對于T形鐵芯芯軸左右對稱的凹形鐵芯的臂上。匝數相同且串連反接的感應線圈分別用來感應被測樣品和標準試件的感應電勢，這樣可排除周圍環境因素的干擾，可以準確得出被測樣品所受應力情況。感應線圈兩端的電壓可通過數字萬用表讀出電壓的有效值，也可以接示波器等測量儀器，或經濾波、轉換后接計算機，由電腦屏幕顯示，讀取數據后進行分析和處理。
在本專利中，激勵線圈可由信號發生器經功率放大器提供信號。信號發生器和功率放大器給測量裝置的激勵線圈提供一定頻率和強度的電流，以便在檢測鐵磁性構件時產生適宜的變化磁場，信號的頻率不能為高頻，否則趨膚效應［2]明顯，感應電流集中在被測試樣表面，探測深度降低，而過低的幅度和頻率則無法驅動激勵線圈，導致檢測靈敏度惡化。合適的選擇范圍是從信號發生器輸出一定頻率和強度的正弦波信號，其幅值范圍為50mv-100mv，頻率范圍為30Hz-100Hz，功放的輸出功率可以是10W-100W。
激勵線圈選用線徑為0.5mm-1.0mm的漆包線，纏繞150-300匝。在激勵信號的作用下，標準試樣和被測試樣與鐵芯測量端和參考端相接觸的部分均被磁化。兩組感應線圈選用線徑0.1mm-0.35mm的漆包線，纏繞了800-1500匝，將感應線圈串連反接，如圖3所示。接線端在測量端和參考端都是標準試樣的情況下，c，f之間的電壓為零。當測量端為含有應力的被測試樣，參考端為不含應力的標準試樣時，兩個感應線圈的電壓不相同，其差值(即c、f間的電壓)即為鐵磁材料構件內應力通過本專利測量裝置產生的感應電壓。
測量示意圖如圖2所示，當測量端為含有應力的被測試樣，參考端為不含應力的標準試樣時，如圖1所示，c、f兩端的電壓值即為應力產生的感應電壓值，可通過數字萬用表讀出其有效值。
本發明裝置能夠在構件發生裂紋裂變之前通過其應力的檢測，發現應力集中部位，在將要發生損壞的部位，采取必要的措施使應力釋放，避免因構件的損壞而造成事故。
圖1為本專利所述的測量內應力裝置的結構示意圖；(a)是正視圖，(b)是左視圖，(c)是俯視圖，(d)是右視圖；圖2為本專利所述的測量內應力裝置的一個具體實施示意圖；圖3為本專利移動鐵芯上兩組感應線圈的連接方式示意圖；圖4為磁場方向與應力方向垂直的試驗示意圖；圖5為磁場方向與應力方向垂直的感應電壓值與應力值曲線關系圖；圖6為磁場方向與應力方向平行的試驗示意圖；圖7為磁場方向與應力方向平行的感應電壓值與應力值曲線關系圖。
如圖1所示，各部分名稱為T形鐵芯1、T形鐵芯的芯軸11、激勵線圈2、凹形移動鐵芯3、感應線圈4(其中第一組感應線圈41、第二組感應線圈42)、由T形鐵芯1和凹形移動鐵芯3圍成的開口5、凹形移動鐵芯的突出部分31、33、凹形移動鐵芯的臂32、激勵信號輸入端a、b，感應電壓輸出端c、d、e、f。
本專利所述裝置由T形鐵芯1和凹形鐵芯3組成，在T形鐵芯1的芯軸11上繞有能夠產生交變磁場的激勵線圈2，在凹形鐵芯3上對稱T形鐵芯1的芯軸11繞有匝數相同并串連反接的兩組感應線圈41、42，T形鐵芯1和凹形鐵芯3圍成的區域一側為測量端，另一側為參考端，測量端放置含有應力的被測試樣，參考端放置不含應力的同一材質的標準試樣，通過測量感應線圈兩端的電壓值即可計算出被測試樣內應力的大小或預測出被測試樣內應力的變化趨勢。
作為本專利的一種實施方式，凹形鐵芯3中空，能夠沿T形鐵芯1的芯軸11前后移動。兩組感應線圈41、42繞在凹形鐵芯3的兩個突出部分31、33上或繞在相對于T形鐵芯芯軸左右對稱的凹形鐵芯的臂32上。
如圖2所示，信號發生器和功率放大器給T形鐵芯1的激勵線圈2提供一定頻率和強度的電流，以便在檢測材料時產生適宜的變化磁場。在激勵信號的作用下，標準試樣和被測試樣與鐵芯測量端和參考端相接觸的部分均被磁化。纏繞在凹形鐵芯3上的匝數相同的兩組感應線圈41、42分別用來感應被測試樣和標準試樣的感應電勢，二感應線圈線徑相同，串聯反接。當測量端為含有應力的被測試樣，參考端為不含應力的標準試樣時，兩個感應線圈的電壓不相同，其差值即為應力產生的感應電壓，經過對信號放大、濾波等處理后，再經A/D轉換，把模擬量轉換成數字量，經過單片機的處理，顯示出電壓信號。
根據試驗可知，對某一確定材料的內部應力與感應電壓值成線性關系，可利用計算機建立待測試樣的應力與電壓的分布數據庫。將待測試樣的測量結果與數據庫中的電壓值比較，可計算出相應的應力值。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
本專利的T形鐵芯和凹形移動鐵芯均由高導磁性的硅鋼片組成。公稱厚度0.35-0.50(δ/mm)。最大鐵損3.10(P15/50/W.kg-1)，最小磁感1.59(B50/T)，理論密度7.65(D/g.cm-3)。
信號發生器采用美國安杰倫(AGINENT)33120A，其升降時間為100ns(典形值)，線性小于峰值輸出的0.1％，精度為規定輸出1％，平坦度為(＜100KHz＝±1％(0.1dB)。信號發生器產生激勵信號，輸出37HZ，50mv(峰值)正弦波。經功放，功放用廣州遠華AMP175，工作直流電壓為25-32V，額定輸出功率為35W，最大輸出功率為75W，電壓頻響10-50KHz，失真度0.7％，增益30dB，輸入阻抗47KΩ。功放輸出的激勵作為本測量的輸入接到激勵線圈的a，b端子上，如圖1所示。
激勵線圈選用線徑為0.69mm的漆包線，纏繞200匝。在激勵信號的作用下，標準試樣和被測試樣與測量端和參考端相接觸的部分均被磁化。二感應線圈選用線徑0.15mm的漆包線，纏繞了1000匝，將感應線圈串連。
在實驗中，我們采用通化鋼鐵公司生產20#，3087材質的無縫鋼管作為試樣。鋼管外徑82mm，壁厚12mm，高度200mm。使用長春實驗機研究所研制的CSS-44200電子萬能實驗機給鋼管兩端施加載荷，模擬所受應力。
最后讀如圖1所示的c，f兩端的電壓值即為感應電壓值。可采用數字萬用表讀出電壓的有效值。數字萬用表采用美國安杰倫(AGILENT)34401A，準確度0.04+0.02準確度規格±(讀數的％+量程的％)(1.000000V-750.000V，10Hz-20Hz 24小時)。感應電壓值與應力值關系曲線如圖5，圖7所示。
實驗中，壓機從0kN開始加壓，速度為0.5kN/s，一直加到80kN后卸壓。每增加5kN保持30s，保持結束前5秒記錄感應電勢值。在數據的記錄上，我們將KN轉換成MPa(1)磁場方向與應力方向垂直應力方向與磁化場方向垂直，如圖4所示實驗示意圖，得到應力與感應電壓關系的曲線圖，如圖5所示。從曲線圖可以看出，在磁化場與應力垂直的情況下，隨著壓力的增加，感應電壓線性上升。
(2)磁場方向與應力方向平行如圖6所示實驗示意圖，磁化場方向與應力方向垂直。在該項實驗中得到了如圖7所示的試樣2應力與感應電壓關系曲線。從圖中可以看出，在磁化場與應力平行的情況下，隨著應力的增加，感應電壓值降低，且基本上是線性遞減的。對初始磁化原理進行了印證。
宛德福羅世華《磁性物理》電子工業出版社1987年第一版197頁[2]趙凱華陳熙謀《電磁學》高等教育出版社1985年6月第2版473頁
權利要求
1.一種測量鐵磁性材料內應力的裝置，其特征在于由T形鐵芯(1)和凹形鐵芯(3)組成，在T形鐵芯(1)的芯軸(11)上繞有能夠產生交變磁場的激勵線圈(2)，在凹形鐵芯(3)上對稱T形鐵芯(1)的芯軸(11)繞有匝數相同并串連反接的兩組感應線圈(41、42)，T形鐵芯(1)和凹形鐵芯(3)圍成的區域(5)一側為測量端，另一側為參考端，測量端放置含有應力的被測試樣，參考端放置不含應力的同一材質的標準試樣，通過測量感應線圈兩端的電壓值即可計算出被測試樣內應力的大小或預測出被測試樣內應力的變化趨勢。
2.如權利要求1所述的測量鐵磁性材料內應力的裝置，其特征在于凹形鐵芯(3)中空，能夠沿T形鐵芯(1)的芯軸(11)前后移動。
3.如權利要求1或2所述的測量鐵磁性材料內應力的裝置，其特征在于兩組感應線圈(41、42)繞在凹形鐵芯(3)的兩個突出部分(31、33)上或繞在相對于T形鐵芯芯軸左右對稱的凹形鐵芯的臂(32)上。
4.如權利要求1或2所述的測量鐵磁性材料內應力的裝置，其特征在于激勵線圈(2)由信號發生器經功率放大器提供信號，信號發生器輸出一定頻率和強度的正弦波信號，其幅值范圍為50mv-100mv，頻率范圍為30Hz-100Hz。
5.如權利要求1或2所述的測量鐵磁性材料內應力的裝置，其特征在于激勵線圈(2)選用線徑為0.5mm-1.0mm的漆包線，纏繞150-300匝，兩組感應線圈(41、42)選用線徑0.1mm-0.35mm的漆包線，纏繞800-1500匝，感應線圈串連反接。
全文摘要
本發明屬于材料應力無損檢測領域，具體涉及一種通過測量鐵磁材料感應線圈中感應電壓的變化，來測量鐵磁材料內部殘余應力的一種無損檢測裝置。由T形鐵芯和凹形鐵芯組成，在T形鐵芯的芯軸上繞有能夠產生交變磁場的激勵線圈，在凹形鐵芯上對稱T形鐵芯的芯軸繞有匝數相同并串連反接的兩組感應線圈，T形鐵芯和凹形鐵芯圍成的區域一側為測量端，另一側為參考端，測量端放置含有應力的被測試樣，參考端放置不含應力的同一材質的標準試樣，通過測量感應線圈兩端的電壓值即可計算出被測試樣內應力的大小或預測出被測試樣內應力的變化趨勢，發現構件應力集中部位，在將要發生損壞的部位，采取必要的措施使應力釋放，避免因構件的損壞而造成事故。
文檔編號G01R33/12GK1737519SQ20051001699
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月18日 優先權日2005年7月18日
發明者張濤, 王瑞寶, 徐冬, 劉海斌, 趙學枰, 王德涌, 黃東巖, 張文進 申請人:吉林大學