摘 要：磁导率检测技术是一种依据磁导率的變化检测铁磁试件应力集中状态和疲劳损伤程度的无损检测方法，可实现对构件残余寿命的有效评价。依据磁导率检测原理，针对棒状待检构件设计研制一高灵敏检测传感器，考察检测线圈绕线直径、绕线线圈匝数、激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响。研究发现，最佳激励频率随线径的增加而减少，信号分辨率随线径的增加而增加；绕线匝数与激励最佳频率无关，但与信号分辨率有关；激励电压对最佳频率的范围无影响，但对信号分辨力有影响。该研究结论对研制高灵敏度的磁导率检测仪具有重要意义。
关键词：无损检测技术；磁导率检测技术；检测传感器；检测分辨率
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）02-0077-05
0 引 言
在现代工业中，钢铁构件广泛应用于航空航天、电力、铁路、压力容器等行业。钢铁构件在使用过程中，由于应力、疲劳载荷、蠕变等内部工作介质或外部工作环境的作用，易在应力集中和疲劳损伤区域产生应力腐蚀、功能老化、疲劳断裂等现象[1-2]，造成重大恶性事故，给国家和人民造成巨大灾难[3-5]。因此在对构件进行无损检测时，快速、方便、准确地检测出应力集中和疲劳损伤的严重程度和区域，对预防构件的断裂事故和防止重大灾难的发生具有重要意义[6-8]。
目前对铁磁试件进行早期检测和评价的方法有金属磁记忆检测法[9-12]、巴克豪森效应检测法[13]、声发射检测法[14]、超声应力检测法[15]、射线应力检测法[16]等，但从检测可靠性、检测分辨率和实际效果来看都存在各自的局限性，不足以解决当前工业所面临的实际问题，有待进一步深入研究。超声应力检测法是基于应力改变时超声波的传播速度也随之变化的原理，目前已经有比较广泛的应用。但超声波探头工作频率一般在兆赫兹以上，在此频段内，应力引起的超声波速度改变量非常微小，通常在1 GPa的应力作用下，超声波速度仅改变0.1%。叶阳升等[17]采用最灵敏的导波模态，在应力变化137 MPa时，其群速度的相对变化率仅达到0.07%。从分辨率和准确度来说，都不能满足实际应用的要求。超声在测量应力做标定试验时，受外部的影响因素较多且影响较大，如探头与构件之间声耦合层厚度变化的影响、构件材料组织变化的影响、环境温度等的影响。涡流检测也只能检测导电材料的表面和近表面缺陷，而磁导率检测技术[18]是一种新的检测方法，可以早期检测铁磁构件整体或区域的应力集中状态和疲劳损伤程度，并对其残余寿命进行有效评价，以解决传统检测方法无法解决的问题。该检测方法灵敏度高、操作简单、使用方便[19]。将可破解航空、航天、钢铁、电力等企业在提高产品质量过程中遇到的精确测定应力分布的问题。检测传感器是检测系统的重要组成部分，决定着检测系统的质量和检测灵敏度，基于磁导率检测技术传感器的设计研究具有重要的实际意义。
2.3 激励电压对最佳频率和检测灵敏度的影响
线圈绕线线径取0.35 mm，激励线圈和检测线圈都为400匝，在线圈线径和线圈匝数不变的情况下，激励电压分别取3，4，5 V。同样，分别对铁磁试件和空气试件进行测量。检测分辨率和最佳频率随激励电压的关系如表3所示。
由表可知，激励电压对最佳频率无影响，但对信号分辨力有影响。当检测电压为5 V时，在最佳频率处的分辨率可达698 mV/V，即最佳激励电压5 V。
2.4 试验结果讨论与分析
经上述分析与研究，设计传感器的绕线线径取0.35 mm，线圈为400匝，激励电压为5 V，检测频率取250 Hz。以Q235钢的圆棒为测试对象，试样的直径为10 mm，长250 mm。检测信号随试件拉力的变化关系如图5所示。
如图表明，随着拉力的增加，检测信号逐渐减小。在受力较小区域，检测信号约为4.156 V。外加拉力在屈服强度范围内时，检测信号随外力的增加而减少，但变化较慢；当外加拉力超过屈服强度时，检测信号随外力的增加迅速减少；当外加应力达到386 MPa时， 接近断裂，检测信号降到约3.814 V，检测信号的变化量达到4.156-3.814=0.342 V。检测信号的电压分辨率为0.001 V，应力检测的分辨力平均可达到断裂强度的1/342，即为1.13 MPa。
设空气回路检测信号u1=0.56 V，对应空气的磁导率为1；试样经应力退火后，检测信号为u2=4.156 V，当试件拉到接近断裂强度时检测信号为u=3.814 V， 应力引起磁导率的变化量可达到（4.156-3.814）/（4.156-0.56）=9.5%，磁导率相对变化率的检测灵敏度可达到3/10 000。研究表明，该研究方法和研究探头具有很高的检测灵敏度。
3 结束语
磁导率检测技术是一种高精度提前预测铁磁构件某区域应力集中状况特征的检测方法，是依据探头闭合磁路中磁感应强度的变化来检测试件磁导率变化的评价技术，研究了检测线圈绕线线径、绕线线圈匝数、激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响。通过研究可得结论如下：
1）传感器的最佳频率与检测灵敏度有关、与检测线圈的绕线线径有关。在激励线圈、检测线圈的绕线匝数和激励电压不变的情况下，随着线圈线径的增加，最佳检测频率单调递减，而最佳频率处的检测分辨率逐渐增高。
2）传感器的绕线匝数与最佳频率无关，虽与信号分辨率有关但影响不大。在激励线圈和检测线圈的线径和激励电压不变的情况下，在设计绕线匝数时主要应考虑待检构件的结构和尺寸。
3）在一定的激励电压范围内，最佳激励频率和单位电压的检测分辨率基本保持恒定。
4）经试验验证，研制检测传感器对应力检测的分辨力平均可达到断裂强度的1/342。
参考文献
[1] YANG E， LI L M， CHEN X. Magnetic field aberration induced by cycle stress[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，312（1）：72-77.