自補償式壓磁應力傳感器設計

劉開緒，段玉波

(東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江大慶 163318)

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自補償式壓磁應力傳感器設計

劉開緒，段玉波

(東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江大慶 163318)

針對鐵磁材料應力測試參數補償問題，設計了四極壓磁應力檢測傳感器，利用一對電極檢測試件，另一對電極檢測補償試件，并設計了電路，在設計的傳感器基礎上進行了板材試件拉伸試驗，試驗驗證了傳感器的基本磁測性能，它具有性能穩定、結構簡單的特點，可用于板材及管材應力在線無損檢測。

鐵磁材料；逆磁致伸縮效應；應力；傳感器；無損檢測；實驗研究

0 引言

利用材料的磁致伸縮效應測定某些非電量始于19世紀、發展于20世紀后期，其應用領域包括力學傳感器領域、磁學領域、聲學領域、微位移領域、材料領域等?？梢岳么胖律炜s進行板材及管材的應力檢測[1-2]?；谀娲胖律炜s效應的磁測應力檢測裝置具有結構簡便、快捷、低成本等優點，可應用于檢測傳動軸扭矩、大型工件和壓力容器的殘余應力以及對鋼結構桁架、油水井套管、鉆井平臺立柱等工作應力的非接觸無損檢測，國內外相關研究成果足見對該技術應用的重視[3-7]。

1 傳感器結構和原理

1.1 傳感器的結構和基本參數[8-11]

傳感器結構是由1個“工”字形的檢測鐵芯和5個線圈組成，結構上有4個磁極，與之對應的是4個線圈，圖1所示為傳感器結構示意圖。

圖1 傳感器結構

利用脈沖變壓器的EI硅鋼片加工形成“T”、“＿”形狀硅鋼片來制作檢測鐵芯。在裝配的時候，為了實現結構上的對稱性，采取“T、＿”和“＿、T”交錯穿插。

勵磁繞組N-I繞在“工”柱上，4個檢測磁極上分別纏繞參數一致的檢測繞組N-1、N-2、N-3、N-4。在線圈接線方式上，采取N-1和N-2正向串接，N-3和N-4也正向串接，然后再將2串接后的繞組反向串接，形成反向差動聯接形式。

傳感器結構的鐵芯材料選用高導磁率、損耗小的脈沖變壓器硅鋼片，片厚0.5 mm，疊厚26 mm。勵磁線圈采用0.2 mm漆包線在骨架上繞制200匝，4個檢測線圈均使用0.05 mm漆包線在骨架上繞制600匝。其他特性參數將通過試驗來確定。試驗時某一試件板尺寸為380 mm×50 mm×2 mm，標準補償試件尺寸為134 mm×52 mm×2 mm。

1.2 傳感器的工作原理

傳感器用于檢測平面應力時，利用磁極E1和E2接觸或接近被測試件，磁極E3和E4接觸或接近標準補償試件。勵磁線圈N-I產生的磁通量為Φ，通過檢測線圈N-1、N-2和N-3、N-4的磁通分別為Φ1-2和Φ3-4。當沒有應力作用在待測試件上時，由于標準補償試件的作用，可保證Φ1-2=Φ3-4。由于4組線圈的反相差動聯接接線方式，在磁通相等抵消的情況下，傳感器輸出電壓信號為零；當待測試件受應力時，試件內部磁導率發生變化，有Φ1-2≠Φ3-4，依據沿應力方向為易磁化方向，磁導率高，而沿垂直于應力方向為難磁化方向，磁導率低，磁通不相等致使檢測信號不能相互抵消，所以在檢測線圈輸出端將感生出不相等的信號電壓，該電壓即包含應力大小的信息。

2 傳感器設計依據

依據磁路定理，勵磁線圈上產生的磁動勢[12]為

εm=NeIe

(1)

式中：Ne為勵磁線圈的總匝數，可以通過計算確定，是已知固定的；Ie為勵磁電流的瞬時值。

Ie將影響檢測的靈敏度。實驗時，應當保證Ie為恒流。

勵磁繞組產生的穩定磁通Φ為

(2)

式中：em為勵磁磁極中磁動勢的瞬時值；r為勵磁磁極下氣隙的磁阻；RD為勵磁磁極鐵芯的磁阻；RS為勵磁磁極之間試件表面材料的磁阻，磁阻增加則磁通量減小，磁阻減小則磁通量增加。

圖2給出了傳感器的等效磁路，圖中R1-2為N-E1-E2-M段的磁阻；R3-4為N-E4-E3-M段的磁阻。E1-E2和E3-E4分別是被測試件和標準補償試件材料表面上的磁路；N-E1、E2-M及N-E4、E3-M為檢測鐵芯的磁路。磁阻與材料的磁導率關系為

(3)

式中：L為鐵芯或被測材料的磁路長度；μ為鐵芯或被測材料的磁導率；S為鐵芯或被測材料的磁路截面積。

圖2 傳感器的等效磁路

當試件不受應力作用時，有R1-2=R3-4。這時，穿過E1、E2檢測磁極端面穿過待測試件表面的磁通量Φ1-2等于穿過E3、E4檢測磁極端面穿過標準補償試件表面的磁通量Φ3-4，即檢測線圈N-1、N-2和N-3、N-4的磁通分別為Φ1-2和Φ3-4，且Φ1-2=Φ3-4。最終,4個檢測線圈總的輸出信號電壓為零；當試件受平面單向拉伸應力作用時，E1-E2段受拉，磁導率μ增加，磁阻R1-2減小，磁通量Φ1-2增加，磁動勢產生增量Δε1-2，而E3-E4段保持原態，磁阻R3-4不變，磁通不變。4個線圈感應電壓疊加的結果使得輸出信號增強，這符合鐵磁學的縱向拉應力磁導率增加的規律。即

μ=μ0+KDσ

(4)

式中：μ0為無應力作用時材料的磁導率；KD為被測材料的磁彈性靈敏度系數；σ為被測材料上作用的應力。

材料磁導率(磁阻)的不同變化，在2組檢測線圈感生出不同的電壓值，其差值正比于應力。式中的KD可由試驗標定。對于壓應力作用的情況，磁導率減小，磁阻增大，分析同上。

3 測試結果

利用所設計的傳感器，對長方形試件進行了單向拉伸應力測試試驗。

3.1 輸出信號幅值的頻率特性

選定某鐵磁材料試件作為待測試件及與待測試件一致的補償試件，補償試件的寬度與測試試件相等，傳感器與試件間的間隙利用絕緣非導磁墊片調整。

首先，通過檢測線圈N-3、N-4的輸出，得頻率響應曲線。圖3給出了不同間隙時的頻率響應曲線。

圖3 不同間隙時頻率響應曲線

由圖3可見，最佳靈敏度頻率在2 300 Hz左右，并隨著間隙的增加響應頻率也略有增加。最佳靈敏度對應頻率與導磁結構和線圈參數有關。同時，為勵磁線圈加恒定電流，驗證不同電流的頻率響應，測試結果波形如圖4所示。

圖4 不同勵磁電流條件下的頻率響應曲線

在固定磁間隙0.8 mm的情況下，不同勵磁電流的頻率響應結果不同，勵磁電流大則響應的靈敏度相對較高。

3.2 不同間隙和勵磁電流的應力特性

磁間隙的存在在一定程度上會降低傳感器的靈敏度，而取消磁間隙又會由于試件表面不平整、粗糙等原因帶來過大的測量誤差。在實際應用時，需要留有一定的磁間隙。如測量油水井套管的拉力，需要沿著套管內壁進行動態測量時，必須保留足夠的間隙。因為套管內壁沾附有油污、沙石等雜物，設計時必須加以考慮?；诖?，進行了檢測繞組N-1、N-2線圈在試件面沿著拉應力方向的試驗。圖5是勵磁電流為60 mA、頻率是1 kHz時，不同間隙的應力響應曲線；圖6是間隙為0.8mm、頻率是1kHz時，不同勵磁電流的應力響應曲線。

圖5 不同間隙時應力響應曲線

圖6 不同勵磁電流時應力響應曲線

上述試驗證實了在其他條件相同的條件下，間隙增大降低了靈敏度，并且降低的幅度比較大。同時，驗證了在允許范圍內，勵磁電流增加使得測試靈敏度提升。

通過頻率響應測試，確定傳感器的工作頻率；通過板材試件單向拉伸試驗，驗證了勵磁電流、磁測氣隙對測量靈敏度的影響。試驗結果與磁測理論是一致的[13]。

4 結論

依據逆磁致伸縮效應基本理論，所設計的應力傳感器能夠有效檢測鐵磁板材試件單向受力。且傳感器特點如下：

(1)在結構上引入補償試件，可以消除溫度、壓力等波動帶來的干擾，同時可以確保差動信號的穩定性和準確性；

(2)由于檢測繞組的差動連接方式，能夠最大限度地保證傳感器的初始輸出接近于0，便于對被測材料的磁特性靈敏度系數進行標定；

(3)可實現非接觸無損應力測試，標定后可實現應力的量化測試。

接下來的工作還需要探究逆磁致效應機理，研究補償試件邊緣效應對測量精度的影響。

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Design of Self Compensation Stress Sensor Based on Counter Magnetostriction Effect

LIU Kai-xu,DUAN Yu-bo

(Faculty of Electricity and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China )

Aiming at the problems of compensation for stress testing in ferromagnetic materials,the quadrupole magnetic stress detection sensor was designed.One pair of electrodes was for detecting specimen,and the other pair of electrodes was for detecting compensation specimen.And the circuit was also designed.On the basis of the design of the sensor,plate specimens were under tensile test.The experiment verifies the basic magnetic performance of the sensor.It has stable performance,simple structure,and can be used for sheet metal and pipe stress online nondestructive testing.

ferromagnetic material;inverse magnetostrictive effect;stresses；sensors；nondestructive testing;experimental study

大慶師范學院自然科學基金(11ZR14)

2014-04-05 收修改稿日期：2014-11-01

TB972

A

1002-1841(2015)04-0015-02

劉開緒(1967—)，教授，碩士研究生，從事測井方法與儀器研究、信號與信息處理應用研究。E-mail:dqsysys@126.com 段玉波(1951—)，教授，博士生導師，從事油氣田控制理論與信息工程研究。E-mail:Zkx01@dqpi.net