ACSM法系統(tǒng)設(shè)計(jì)及鐵磁構(gòu)件應(yīng)力測(cè)量研究*

宋　凱,周松蔚,王　嬋,張麗攀

(1.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,南昌 330063;2.西安航空動(dòng)力股份有限公司,西安 710021)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,大型鐵磁機(jī)械裝備應(yīng)用越來越廣泛,這些機(jī)械裝備的關(guān)鍵部件長(zhǎng)期工作在高溫、高壓和高負(fù)載的工況下,會(huì)形成應(yīng)力集中,并可能導(dǎo)致疲勞累積損傷、裂紋等破壞性缺陷,使其存在安全隱患,極易發(fā)生安全事故[1-2],因此對(duì)鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力測(cè)量顯的尤為重要。應(yīng)力測(cè)量以是否有破壞性分為有損測(cè)量法和無損測(cè)量法[3]。有損測(cè)量法以盲孔法、切槽法為代表,具有簡(jiǎn)單易行,測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),但其會(huì)給工件帶來的一定的壞破[4-5]。無損測(cè)量法因其無破壞性而成為國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的研究熱點(diǎn),Ding等人[6]基于電磁超聲檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)緊固螺栓軸向應(yīng)力的檢測(cè),且較常規(guī)超聲更準(zhǔn)確方便;Magalas[7]將小波變換應(yīng)用于巴克豪森信號(hào)的分析上,以提高信號(hào)對(duì)應(yīng)力的敏感度;徐瑤[8]等人針對(duì)直升機(jī)旋翼軸應(yīng)力監(jiān)測(cè)的需求和軸部安裝空間有限的實(shí)際情況,研制了一種新型平面柔性渦流傳感器,并提出了相應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法。盡管這些方法在應(yīng)力檢測(cè)上都有其一定的優(yōu)勢(shì),但不可避免地都各自具有一些不足,如設(shè)備貴重、操作復(fù)雜和檢測(cè)材料受限等。

交變應(yīng)力測(cè)量法ACSM(Alternating Current Stress Measurement)是近年來提出的一種新的測(cè)量鐵磁構(gòu)件應(yīng)力的電磁測(cè)量方法,由交變磁場(chǎng)測(cè)量法發(fā)展而來[9]。Syahkal[10]在交流電壓降法基礎(chǔ)上首先提出了交變磁場(chǎng)測(cè)量法,經(jīng)Zhou[11-14]等人深入研究及優(yōu)化,交變磁場(chǎng)測(cè)量法逐步成熟并得到廣泛應(yīng)用。Chen[15]首先將這一方法應(yīng)用于懸臂梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖虏煌瑥澢潭葧r(shí)應(yīng)力與電勢(shì)差之間的規(guī)律研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一定范圍內(nèi)它們具有線性關(guān)系,并將此方法稱為ACSM法,M.J.Knight[16]研究了冷軋鉆鋌螺紋ACSM法檢測(cè)的信號(hào)特征,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析了應(yīng)力對(duì)缺陷的影響機(jī)理。

本文研制ACSM測(cè)量系統(tǒng),以Q235鋼為研究對(duì)象,開展鐵磁構(gòu)件應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn),研究不同應(yīng)力下測(cè)量信號(hào)變化特征,為鐵磁性構(gòu)件的應(yīng)力評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

圖1　ACSM法測(cè)量原理圖

1　ACSM法測(cè)量原理

ACSM法測(cè)量原理基于力磁效應(yīng)并結(jié)合電磁感應(yīng)原理而形成,其基本方法是通過磁信號(hào)傳感器和后續(xù)信號(hào)處理電路將材料表面磁信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫康淖兓?建立應(yīng)力和電壓值的函數(shù)關(guān)系,通過電壓量的測(cè)量來確定應(yīng)力值。

ACSM法測(cè)量原理如圖1所示,探頭在交變激勵(lì)作用下,U型鐵氧體與工件表面間形成交變磁場(chǎng)回路,在工件表面和近表面形成平行渦流場(chǎng),如待檢區(qū)域有應(yīng)力改變,影響了該區(qū)域的電磁特性,導(dǎo)致渦流場(chǎng)發(fā)生畸變,從而使得二次感應(yīng)磁場(chǎng)隨之變化,被檢測(cè)探頭拾取,從而攜帶了待檢區(qū)域的應(yīng)力信息。

在應(yīng)力作用下,鐵磁性工件內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和晶粒分布都會(huì)發(fā)生較大變化,從而工件中的電阻率、磁導(dǎo)率特征參量也隨之改變。力磁之間存在關(guān)系式:

(1)

式(1)中Δμ為磁導(dǎo)率的變化量;μσ為材料在應(yīng)力作用下的磁導(dǎo)率;λ0為材料中的初始逆磁致伸縮系數(shù),μH為材料初始磁導(dǎo)率;σ表示應(yīng)力值;由式(1)可知Δμ/μσ隨σ正比變化。

應(yīng)力作用不僅改變?cè)胁牧系拇艑?dǎo)率,同樣也對(duì)材料電阻率產(chǎn)生影響。在彈性范圍內(nèi),對(duì)鐵磁性料施加拉應(yīng)力時(shí),工件電阻率和應(yīng)力有如下關(guān)系式:

ρ=ρ0(1+αrσ)

(2)

式中:ρ表示拉力作用下電阻率;ρ0表示無施加應(yīng)力時(shí)的電阻率;αr表示拉應(yīng)力系數(shù);

在壓應(yīng)力作用下工件電阻率和應(yīng)力關(guān)系則為:

ρp=ρv(1+φρ)

(3)

式中:ρp表示壓應(yīng)力下工件電阻率;ρv表示真空下的電阻率;φ表示壓應(yīng)力系數(shù),其值為負(fù)。由式(2)和式(3)可知:工件在拉應(yīng)力作用下,電阻率隨拉應(yīng)力的增大而增大;當(dāng)在壓應(yīng)力作用下時(shí),其電阻率隨壓應(yīng)力的增大而減小。

因交流激勵(lì)存在趨膚效應(yīng),根據(jù)趨膚效應(yīng)公式:

(4)

式中:δ表示標(biāo)準(zhǔn)透入深度;f表示激勵(lì)頻率;μ表示材料磁導(dǎo)率;ρ表示材料電阻率;

當(dāng)激勵(lì)頻率恒定時(shí),應(yīng)力改變材料的磁導(dǎo)率μ和電阻率ρ,從而影響標(biāo)準(zhǔn)透入深度,工件表面感應(yīng)電流的密度和分布被改變,進(jìn)而產(chǎn)生電磁擾動(dòng)并為檢測(cè)探頭拾取。

圖2　ACSM法測(cè)量系統(tǒng)模塊圖

2　ACSM測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ACSM測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示,主要包括傳感器、激勵(lì)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集與處理顯示模塊4個(gè)部分,其中激勵(lì)模塊又包括DDS信號(hào)發(fā)生器和功率放大兩部分,信號(hào)采集與處理顯示模塊主要是通過采集卡及LabVIEW軟件來實(shí)現(xiàn)。

2.1　傳感器設(shè)計(jì)

傳感器作為ACSM測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分,其設(shè)計(jì)工藝非常重要[17]。傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示,由激勵(lì)探頭和檢測(cè)探頭兩部分組成,激勵(lì)探頭由線圈繞制在U型錳鋅鐵氧體上,用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng),并在待檢工件表面感應(yīng)出平行且均勻電流。檢測(cè)探頭由線圈繞制在工字型鐵氧體上,用以拾取因電流擾動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)變化。

圖3　傳感器結(jié)構(gòu)圖

激勵(lì)線圈匝數(shù)的選擇應(yīng)通過合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度來確定,最佳為工作在磁化曲線的線性階段。當(dāng)試驗(yàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度確定之后,激勵(lì)線圈匝數(shù)的確定可由式(5)確定:

Ne=Hl/Ie

(5)

式中:Ne表示激勵(lì)線圈匝數(shù);H為確定的激勵(lì)磁場(chǎng)大小;Ie為加載的激勵(lì)電流的有效值;l為傳感器與被測(cè)試件所組成的磁回路的長(zhǎng)度。

激勵(lì)電流的確定要考慮到驅(qū)動(dòng)功率問題,既要保證足夠大的功率以驅(qū)動(dòng)激勵(lì)探頭但又不能太大以致線圈發(fā)熱。根據(jù)式(6)來確定所選銅導(dǎo)線的線徑和最大激勵(lì)電流。

(6)

式中:σ為銅線中電流密度,d為銅線的直徑。

對(duì)于檢測(cè)線圈的設(shè)計(jì),由電磁感應(yīng)定律可知,閉合線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與穿過該線圈的磁通的時(shí)間變化率dφ/dt成正比:

(7)

e=-NSBωcosωt

(8)

為了使檢測(cè)線圈得到較高的靈敏度,需要考慮線圈常數(shù)NS,其中N為線圈匝數(shù),S為檢測(cè)探頭橫截面積,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。若檢測(cè)探頭內(nèi)徑為d,探頭外徑為D,則其線圈常數(shù)表達(dá)式為:

(9)

綜合考慮空間點(diǎn)磁場(chǎng)信號(hào)的接收及靈敏度的要求,檢測(cè)探頭的線圈尺寸應(yīng)該滿足:

L/D>0.886

(10)

式中:L表示工字型凹槽長(zhǎng)度,D表示探頭外徑。

通過理論分析及實(shí)驗(yàn)研究最終確定傳感器參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器參數(shù)

2.2　激勵(lì)模塊

激勵(lì)模塊分為DDS信號(hào)發(fā)生器和功率放大兩部分。系統(tǒng)采用DDS芯片為AD9854,該芯片同時(shí)輸出一對(duì)正交正弦信號(hào),輸出最高頻率可達(dá)150MHz,其中一路經(jīng)功率放大后作為激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈,另一路與之正交的信號(hào)為后續(xù)檢波電路提供參考信號(hào),避免常規(guī)相敏檢波參考信號(hào)需移相合成及移相不精確的問題。因DDS輸出信號(hào)功率較小不足以驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈,故需后端接入一級(jí)功率放大電路。

2.3　信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊包括前置放大電路及相敏檢波電路兩部分。因檢測(cè)探頭所拾取感應(yīng)信號(hào)小至毫伏級(jí),極易淹沒于噪聲信號(hào)中,為提取到正確的檢測(cè)信號(hào),需要加前置放大電路,選用AD620搭建前置放大電路。

圖4　ACSM應(yīng)力測(cè)量?jī)x

相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)放大且抗干擾性強(qiáng),依據(jù)互相關(guān)原理,利用缺陷信號(hào)頻率和隨機(jī)噪聲頻率的差別,達(dá)到去噪的功能。該電路不僅可以測(cè)得信號(hào)幅值,也可實(shí)現(xiàn)相位的測(cè)量,實(shí)現(xiàn)矢量測(cè)定。采用高性能四象限模擬乘法器AD734和低通濾波MAX291實(shí)現(xiàn)。MAX291為八階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器,截止頻率可以在0.1kHz～25kHz之間選擇,截止頻率的調(diào)節(jié)通過外接電容實(shí)現(xiàn)。ACSM測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

2.4　信號(hào)采集與處理顯示模塊

采用研華USB-4711A型采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能,采集速率最高可達(dá)150ksample/s。測(cè)量軟件采用LabVIEW軟件編制,如圖5所示,用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、濾波調(diào)理、數(shù)據(jù)分析以及顯示處理,同時(shí)控制AD9854輸出信號(hào)頻率。

圖5　軟件界面圖

3　應(yīng)力測(cè)量及結(jié)果分析

鐵磁構(gòu)件材質(zhì)為Q235鋼,試件尺寸規(guī)格為200mm×45m×2.5mm,如圖6所示,有效檢測(cè)區(qū)域?yàn)?00mm×35mm,材料實(shí)際屈服強(qiáng)度為300MPa,抗拉強(qiáng)度為360MPa。

圖6　工件規(guī)格示意圖

將探頭兩腳連線平行于工件固定在工件中心區(qū)域,對(duì)工件施加拉伸載荷,載荷每加50MPa后保載,ACSM測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)頻率取2kHz,激勵(lì)電壓分別為5V、12V、19V和25V,測(cè)量工件表面因拉應(yīng)力而改變的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx和Bz,用其感應(yīng)電壓量表征,并以無應(yīng)力狀態(tài)時(shí)工件的同區(qū)域Bx0和Bz0分別作為初始參考值,差分處理后獲得感應(yīng)電壓的變化量ΔBx和ΔBz。

ΔBx的測(cè)量結(jié)果如圖7(a)所示,在不同激勵(lì)電壓下,ΔBx隨載荷呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)激勵(lì)電壓為5V時(shí),ΔBx較小,在屈服點(diǎn)之前幾乎沒有變化,屈服點(diǎn)后才約有10mV的上升量。隨激勵(lì)電壓增大,ΔBx趨于顯著,當(dāng)載荷為300MPa且激勵(lì)電壓為12V時(shí)ΔBx為43mV,而激勵(lì)電壓為19V時(shí)ΔBx則達(dá)到了98mV。由圖可見,激勵(lì)電壓為19V時(shí),在載荷小于300MPa時(shí)ΔBx線性度較好,其后突然大幅增加,因?yàn)榇藭r(shí)工件變形嚴(yán)重,應(yīng)力較大,符合應(yīng)力變化情況。當(dāng)激勵(lì)電壓進(jìn)一步增大至25V時(shí),探頭開始發(fā)熱,檢測(cè)結(jié)果隨應(yīng)力變化的線性度較差。

由圖7(b)可看出,ΔBz隨載荷變化曲線在工件屈服前其變化量較小,且變化規(guī)律復(fù)雜,因此不將其作為應(yīng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖7　不同激勵(lì)電壓下載荷對(duì)ΔBx和ΔBz的影響

4　結(jié)論

基于ACSM測(cè)量原理,研制一套測(cè)量系統(tǒng),開展了Q235鋼應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨拉伸載荷增大,ΔBx測(cè)量信號(hào)與應(yīng)力呈線性變化,而ΔBz信號(hào)變化量較小,且變化規(guī)律復(fù)雜,不適合對(duì)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本系統(tǒng)對(duì)于鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力測(cè)量提供了一種有效的測(cè)試方法,可為工程實(shí)踐提供借鑒指導(dǎo)。

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宋凱(1975-)男,副教授,博士。主要研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)新技術(shù),電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,songkai@nchu.edu.cn;

周松蔚(1989-)男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)新技術(shù),simonchou008@Gmail.com。