基于磁導率檢測技術的傳感器設計研究

楊梅芳，任尚坤，趙珍燕

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063）

基于磁導率檢測技術的傳感器設計研究

楊梅芳，任尚坤，趙珍燕

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063）

磁導率檢測技術是一種依據(jù)磁導率的變化檢測鐵磁試件應力集中狀態(tài)和疲勞損傷程度的無損檢測方法，可實現(xiàn)對構件殘余壽命的有效評價。依據(jù)磁導率檢測原理,針對棒狀待檢構件設計研制一高靈敏檢測傳感器，考察檢測線圈繞線直徑、繞線線圈匝數(shù)、激勵電壓對最佳檢測頻率和檢測分辨率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，最佳激勵頻率隨線徑的增加而減少，信號分辨率隨線徑的增加而增加；繞線匝數(shù)與激勵最佳頻率無關，但與信號分辨率有關；激勵電壓對最佳頻率的范圍無影響，但對信號分辨力有影響。該研究結論對研制高靈敏度的磁導率檢測儀具有重要意義。

無損檢測技術；磁導率檢測技術；檢測傳感器；檢測分辨率

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)中，鋼鐵構件廣泛應用于航空航天、電力、鐵路、壓力容器等行業(yè)。鋼鐵構件在使用過程中，由于應力、疲勞載荷、蠕變等內(nèi)部工作介質(zhì)或外部工作環(huán)境的作用，易在應力集中和疲勞損傷區(qū)域產(chǎn)生應力腐蝕、功能老化、疲勞斷裂等現(xiàn)象[1-2]，造成重大惡性事故，給國家和人民造成巨大災難[3-5]。因此在對構件進行無損檢測時，快速、方便、準確地檢測出應力集中和疲勞損傷的嚴重程度和區(qū)域，對預防構件的斷裂事故和防止重大災難的發(fā)生具有重要意義[6-8]。

目前對鐵磁試件進行早期檢測和評價的方法有金屬磁記憶檢測法[9-12]、巴克豪森效應檢測法[13]、聲發(fā)射檢測法[14]、超聲應力檢測法[15]、射線應力檢測法[16]等，但從檢測可靠性、檢測分辨率和實際效果來看都存在各自的局限性，不足以解決當前工業(yè)所面臨的實際問題，有待進一步深入研究。超聲應力檢測法是基于應力改變時超聲波的傳播速度也隨之變化的原理，目前已經(jīng)有比較廣泛的應用。但超聲波探頭工作頻率一般在兆赫茲以上，在此頻段內(nèi)，應力引起的超聲波速度改變量非常微小，通常在1 GPa的應力作用下，超聲波速度僅改變0.1%。葉陽升等[17]采用最靈敏的導波模態(tài)，在應力變化137MPa時，其群速度的相對變化率僅達到0.07%。從分辨率和準確度來說，都不能滿足實際應用的要求。超聲在測量應力做標定試驗時，受外部的影響因素較多且影響較大，如探頭與構件之間聲耦合層厚度變化的影響、構件材料組織變化的影響、環(huán)境溫度等的影響。渦流檢測也只能檢測導電材料的表面和近表面缺陷，而磁導率檢測技術[18]是一種新的檢測方法，可以早期檢測鐵磁構件整體或區(qū)域的應力集中狀態(tài)和疲勞損傷程度，并對其殘余壽命進行有效評價，以解決傳統(tǒng)檢測方法無法解決的問題。該檢測方法靈敏度高、操作簡單、使用方便[19]。將可破解航空、航天、鋼鐵、電力等企業(yè)在提高產(chǎn)品質(zhì)量過程中遇到的精確測定應力分布的問題。檢測傳感器是檢測系統(tǒng)的重要組成部分，決定著檢測系統(tǒng)的質(zhì)量和檢測靈敏度，基于磁導率檢測技術傳感器的設計研究具有重要的實際意義。

1 檢測原理

圖1 傳感器結構示意圖

檢測探頭結構如圖1所示。研制探頭結構包括纏繞在管形塑料骨架上的檢測線圈和激勵線圈，適用于檢測棒狀鐵磁材料試件。檢測時，待測試件放入傳感器中心管型區(qū)域，激勵線圈中通入交變電流，通過鐵磁試件的磁場經(jīng)外部環(huán)境形成閉合磁路。待測構件的應力集中引起磁導率發(fā)生變化，引起閉合磁路的磁阻和磁通發(fā)生變化。通過檢測感應信號的變化即可測定試件磁導率的變化，進而測定試件的應力分布狀況和疲勞損傷程度。

選取恒壓源作為激勵源，根據(jù)電磁感應原理，檢測線圈的輸出信號隨中心管部區(qū)域磁通密度的變化而變化，通過提取感應線圈中的電壓值，可反映鐵磁材料的磁導率變化。從而實現(xiàn)對鐵磁試件應力集中和疲勞損傷的檢測。

設檢測線圈匝數(shù)為N1，激勵線圈匝數(shù)為N2；設傳感器中心管部區(qū)域的磁導率為μ，與外部環(huán)境構成閉合磁路；設待測試件的平均等效截面積為S，其磁通密度為B。在等效閉合回路中，檢測線圈中的感應信號ε可表示為

可見，檢測信號ε與μ成正比，可直接反應待測試件的磁導率。通過檢測感應信號，判定試件的磁導率的變化，進而反映鐵磁構件的應力集中程度和疲勞損傷狀況。

2 試驗研究與討論

2.1 探頭繞線線經(jīng)與最佳激勵頻率的關系研究

本試驗采用激勵線圈匝數(shù)和檢測線圈匝數(shù)均為400匝的傳感器，激勵電壓為5 V，鐵磁試件選用直徑為10mm、長為250mm的45#圓棒。在線圈繞線匝數(shù)和激勵電壓不變的情況下，繞線線徑分別取0.20，0.27，0.35，0.44mm，分別對待測試件和空氣試件做測試試驗。待測試件和空氣試件檢測信號隨激勵頻率的變化關系及其差值如圖2所示，空氣試件檢測信號即是待測鐵磁試件取出后的檢測信號。

圖2（a）和圖2（b）分別表示繞線線徑為0.20，0.35mm時檢測信號隨激勵頻率的變化關系。圖2（a）表明，繞線線徑為0.20mm時，檢測試驗最佳頻率為600 Hz（最佳頻率為差值信號最大值對應的頻率），信號分辨率為577mV/V（信號分辨率為對應差值信號值與激勵信號值的比值）；圖2（b）表明，繞線線徑為0.35mm時，檢測試驗最佳頻率為250Hz，信號分辨率為698mV/V。在不同繞線線徑條件下，檢測信號分辨率、最佳頻率隨繞線線徑的關系如圖3和表1所示。結果表明，最佳激勵頻率隨線徑的增加而減少，信號分辨率隨線徑的增加而增加。綜合試驗數(shù)據(jù)和各方面因素，該傳感器繞線線徑取0.35mm。

圖2 不同繞線線徑對檢測信號和激勵頻率的影響

表1 檢測分辨率、最佳頻率隨繞線線徑的關系

2.2 線圈繞線匝數(shù)對最佳頻率和檢測靈敏度的影響

檢測線圈的繞線線徑取0.35 mm，激勵電壓為5V時，線圈匝數(shù)分別取400匝、500匝和600匝，分別對上述鐵磁試件和空氣試件進行檢測試驗，檢測信號隨激勵頻率的關系及其差值分布如圖4和表2所示。

圖4（a）和圖4（b）分別表示繞線匝數(shù)為500和600時檢測信號隨激勵頻率的變化關系。結果表明，繞線匝數(shù)與激勵最佳頻率無關，雖與信號分辨率有關，但影響不大。同時試驗發(fā)現(xiàn)，線圈匝數(shù)不易過高，否則信號不穩(wěn)。這里線徑為0.35mm時，最佳線圈匝數(shù)設計為400匝。

圖3 最佳激勵頻率、信號分辨率隨繞線線徑的變化關系

圖4 不同繞線匝數(shù)對檢測信號和激勵頻率的影響

表2 檢測分辨率、最佳頻率與繞線匝數(shù)的關系

2.3 激勵電壓對最佳頻率和檢測靈敏度的影響

線圈繞線線徑取0.35mm，激勵線圈和檢測線圈都為400匝，在線圈線徑和線圈匝數(shù)不變的情況下，激勵電壓分別取3，4，5V。同樣，分別對鐵磁試件和空氣試件進行測量。檢測分辨率和最佳頻率隨激勵電壓的關系如表3所示。

表3 檢測分辨率、最佳頻率與激勵電壓的關系

由表可知，激勵電壓對最佳頻率無影響，但對信號分辨力有影響。當檢測電壓為5V時，在最佳頻率處的分辨率可達698mV/V,即最佳激勵電壓5V。

2.4 試驗結果討論與分析

經(jīng)上述分析與研究，設計傳感器的繞線線徑取0.35 mm，線圈為400匝，激勵電壓為5 V，檢測頻率取250Hz。以Q235鋼的圓棒為測試對象，試樣的直徑為10mm，長250mm。檢測信號隨試件拉力的變化關系如圖5所示。

圖5 檢測信號隨試件所受應力的變化關系

如圖表明，隨著拉力的增加，檢測信號逐漸減小。在受力較小區(qū)域，檢測信號約為4.156V。外加拉力在屈服強度范圍內(nèi)時，檢測信號隨外力的增加而減少，但變化較慢；當外加拉力超過屈服強度時，檢測信號隨外力的增加迅速減少；當外加應力達到386 MPa時,接近斷裂，檢測信號降到約3.814 V，檢測信號的變化量達到4.156-3.814=0.342V。檢測信號的電壓分辨率為0.001V，應力檢測的分辨力平均可達到斷裂強度的1/342，即為1.13MPa。

設空氣回路檢測信號u1=0.56V，對應空氣的磁導率為1；試樣經(jīng)應力退火后，檢測信號為u2=4.156V，當試件拉到接近斷裂強度時檢測信號為u=3.814V，應力引起磁導率的變化量可達到（4.156-3.814）/（4.156-0.56）=9.5%，磁導率相對變化率的檢測靈敏度可達到3/10000。研究表明，該研究方法和研究探頭具有很高的檢測靈敏度。

3 結束語

磁導率檢測技術是一種高精度提前預測鐵磁構件某區(qū)域應力集中狀況特征的檢測方法，是依據(jù)探頭閉合磁路中磁感應強度的變化來檢測試件磁導率變化的評價技術，研究了檢測線圈繞線線徑、繞線線圈匝數(shù)、激勵電壓對最佳檢測頻率和檢測分辨率的影響。通過研究可得結論如下：

1）傳感器的最佳頻率與檢測靈敏度有關、與檢測線圈的繞線線徑有關。在激勵線圈、檢測線圈的繞線匝數(shù)和激勵電壓不變的情況下，隨著線圈線徑的增加，最佳檢測頻率單調(diào)遞減，而最佳頻率處的檢測分辨率逐漸增高。

2）傳感器的繞線匝數(shù)與最佳頻率無關，雖與信號分辨率有關但影響不大。在激勵線圈和檢測線圈的線徑和激勵電壓不變的情況下，在設計繞線匝數(shù)時主要應考慮待檢構件的結構和尺寸。

3）在一定的激勵電壓范圍內(nèi)，最佳激勵頻率和單位電壓的檢測分辨率基本保持恒定。

4）經(jīng)試驗驗證，研制檢測傳感器對應力檢測的分辨力平均可達到斷裂強度的1/342。

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（編輯：徐柳）

Design and research of sensor based on permeability testing technology

YANG Meifang，REN Shangkun，ZHAO Zhenyan
（Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

Permeability testing technology is a kind of nondestructive testing method，which can test the stress concentration state and the degree of fatigue damage of ferromagnetic specimens based on the change of permeability，as well as realize the effective evaluation for the residual lifetime of the components.According to the principle of permeability measurement，a highly sensitive detection sensor was designed for the rod-shaped member.The influence of the diameter of detection coil and the number of turns and excitation voltage on optimum frequency and detection resolution was researched.It was found that the optimum frequency of excitation reduced with the increase in the coil diameter and the resolution of signal increased with coil diameter;The number of coil turns had nothing to do with the optimal frequency of incentive coils，but was related to the signal resolution;Excitation voltage had no effect on the optimum frequency，but had an impact on signal resolution.The research has an important contribution to the development of high sensitivity magnetic conductivity detector.

nondestructive testing technology；permeability testing technology；detection sensor；detecting resolution

A

：1674-5124（2017）02-0077-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.016

2016-06-15；

：2016-07-20

國家自然科學基金（51261023）

楊梅芳（1990-），女，河南信陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向為磁導率無損檢測。

任尚坤（1963-），男，河南周口市人，教授，主要從事無損檢測方面的研究。