一种基于退磁校正的应力定量化磁测装置及方法

技术领域

本发明属于电磁无损检测中应力和磁场检测技术领域，具体涉及一种低基于退磁校正的应力定量化磁测装置及其测量方法。

背景技术

铁磁材料因其优良的机械性能已被广泛地应用于较多工程实践，对于铁磁材料磁学性能及其应用的研究同样引起了诸多学者的关注。

在实际工程应用中，铁磁材料的使用环境通常是应力场和外磁场并存的。在应力场和外磁场耦合作用下，铁磁材料的宏观磁滞特性将发生明显变化，这便是铁磁材料重要的磁学属性之一——力磁耦合效应。

明晰力磁耦合效应对于铁磁材料在实际工程的应用是具有重要理论指导意义的。例如，电动机和变压器等机电设备在实际使用过程中存在的振动、噪声和磁滞损耗等问题都与电机铁芯的力磁耦合效应息息相关；

再者，在电磁无损检测中，力磁耦合效应是铁磁材料应力磁测的基本原理依据。与此同时，由于缺乏相关规范的指导，目前尚未有关于铁磁材料力磁耦合试验研究中标准试件的规定，这使得退磁场对试验结果的影响无法被较好地厘清。

在铁磁材料的静磁测量中，通常可以采用标准环形样品进行相关测量工作，即闭合回路测量。但是在力磁耦合测量中，由于需要同时对样品进行力学加载，常规环形样品无法满足要求，因此需要用到条状(或带状)样品。

条状(或带状)样品的磁通回路通常不均匀且无法闭合，因此称为开路测量。针对条状(或带状)样品在开路测量中存在的退磁效应及其校正方法，现有技术中只适用于静磁学测量，并且需要满足如下先置条件：

1)样品需要全部置于长度足够的螺线管(励磁线圈)中；

2)螺线管内部需要形成较为均匀的外加磁场。这就导致了该方法无法满足力学加载的要求。如果需要进行力学加载，样品长度势必会长于螺线管长度，因此无法采用该方法。另外，在开路力磁耦合测量中，相关学者提出了在拉伸加载时可以在样品中部夹持磁轭的方法以使磁通形成闭合回路。但该方法受磁轭自身材料属性影响较大——磁轭自身的剩磁、矫顽力以及磁导率等参数均对测量结果影响明显。

发明内容

为了解决环形标准样品(能形成闭合均匀回路)无法进行力学加载和条状(或带状)拉伸样品或实际形状的待测对象的磁测量结果严重偏离其本身真实磁学材料属性(受退磁场影响)的技术问题，本申请提供一种基于退磁校正的应力定量化磁测装置及方法，装置具体包括：

闭路测量单元和开路测量单元；

闭路测量单元包括：第一基本测量单元和第一测试对象；其中第一基本测量单元包括激励电路、检测电路、激励线圈和检测线圈；测试对象为标准闭路样品；

开路测量单元包括：第二基本测量单元和第二测试对象；其中第二基本测量单元包括激励电路、检测电路、激励线圈和检测线圈；第二测试对象为开路测量样品或待测对象；

所述标准闭路样品呈封闭型；所述开路测量样品或待测对象呈开放型；

除了闭路测量单元的标准闭路样品与开路测量单元的开路测量样品或待测对象不同外，所述闭路测量单元与所述开路测量单元的第一基本测量单元和第二基本测量单元的部件参数、连接方式、激励参数和检测参数一致；

通过闭路测量单元获得的测量结果，对开路测量单元的测量结果进行退磁校正，获取测量材料的真实磁学属性；

所述激励电路和检测电路通过缠绕于标准闭路样品、开路测量样品或待测对象、上的激励线圈和检测线圈感应连接；

所述激励电路为样品提供具有固定频率的交变外加磁场H

所述检测电路用于采集样品内部磁通密度变化信号，由检测电路电阻、检测电路电容和检测电路电压表或其他可测量电压的装置组成。

方法具体如下：

方法包括以下步骤：

S1、利用上述闭路测量单元，对标准闭路测量样品进行检测，以此获得样品材料的标准B-H曲线；

S2、利用上述开路测量单元，对无应力和加载有系列应力的开路样品进行检测，得到其名义B-H曲线；利用S1所得的标准B-H曲线对开路样品的名义B-H曲线进行校正，得到其标准B-H曲线；提取校正后标准B-H曲线中对应力敏感的磁参数，建立其与已知应力的关系，此即为样品材料磁参数与应力的标定关系；

S3、利用与上述S2中同样的开路测量单元，对无应力和可能受载有应力的待测对象进行检测，得到其名义B-H曲线；采用与S2中同样的方法，对待测对象的名义B-H曲线进行校正，得到其标准B-H曲线；从校正后的待测对象的标准B-H曲线中，提取在S2中确立的对应力敏感的磁参数；

S4、将S3提取的磁参数，与S2建立的该磁参数与应力的标定关系进行比对，依此对待测对象的受载应力进行量化评估。

本发明提供的有益效果是：能有效考虑退磁效应影响和通过铁磁材料真实磁学属性(磁特征参数)定量化表征拉伸应力；可靠快速、实操方便、不受环境磁场干扰、测量结果稳定。

附图说明

图1所示为标准闭路磁学测量电路及装置示意图；

图2所示为开路力磁耦合测量电路及装置示意图；

图1-图2中：

1—激励电路；11—激励电源；12—激励电路电阻；13—激励电路电压表或其他可测量电压的装置；

2—检测电路；21—检测电路电阻；22—检测电路电容；23—检测电路电压表或其他可测量电压的装置；3—激励线圈；4—检测线圈；5—标准闭路样品；6—开路测量样品或待测对象；7—应力；

图3为磁特征参数定义及退磁校正示意图；

图4为不同励磁强度H

图6为不同励磁强度H

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明提供了一种基于退磁校正的应力定量化磁测装置及方法，请参考图1-图2，装置具体包括：

闭路测量单元和开路测量单元；

闭路测量单元包括：第一基本测量单元和第一测试对象；其中第一基本测量单元包括激励电路1、检测电路2、激励线圈3和检测线圈4；测试对象为标准闭路样品5；

开路测量单元包括：第二基本测量单元和第二测试对象；其中第二基本测量单元包括激励电路1、检测电路2、激励线圈3和检测线圈4；第二测试对象为开路测量样品或待测对象6；

所述标准闭路样品5呈封闭型；所述开路测量样品或待测对象6呈开放型；

除了闭路测量单元的标准闭路样品5与开路测量单元的开路测量样品或待测对象6不同外，所述闭路测量单元与所述开路测量单元的第一基本测量单元和第二基本测量单元的部件参数、连接方式、激励参数和检测参数一致；

通过闭路测量单元获得的测量结果，对开路测量单元的测量结果进行退磁校正，获取测量材料的真实磁学属性；

所述激励电路1和检测电路2通过缠绕于标准闭路样品5、开路测量样品或待测对象6、上的激励线圈3和检测线圈4感应连接；

所述激励电路1为样品提供具有固定频率的交变外加磁场H

所述检测电路2用于采集样品内部磁通密度变化信号，由检测电路电阻21、检测电路电容21和检测电路电压表或其他可测量电压的装置23组成。

通过闭路测量单元获得的测量结果，对开路测量单元的测量结果进行退磁校正，获取测量材料的真实磁学属性。

所述激励电路1为样品提供具有固定频率的交变外加磁场H

所述激励电路1和检测电路2通过缠绕于标准闭路样品5上的激励线圈3和检测线圈4感应连接；

所述检测线圈4事先缠绕在标准闭路样品5表面，二者保持紧密贴合；随后缠绕激励线圈3，使其覆盖测线圈4，如图1所示。

需要说明的是，如图1所示，标准闭路磁学测量时激励电源11先行通电工作、随后改变激励电源11的频率或幅值以实现励磁强度H

请参考图2，展开开路力磁耦合测量。

首先将开路测量样品或待测对象6两端夹持于拉伸机夹具中以实现应力加载，随后激励电源11先行通电工作。当应力加载至预定值后，改变激励电源11的频率或幅值以实现励磁强度H

如图3所示，基于图1中标准闭路磁学测量的结果，对图2中开路力磁耦合测量的结果进行退磁校正。开路测量样品或待测对象6进行退磁校正后的测量结果在较高程度上逼近材料的真实磁学属性。

如图3所示，在退磁校正后的真实B-H曲线上定义磁学特征参数外加磁场强度最大值H

对图3相关说明如下:

基本磁化曲线—磁感应强度最值所在点的连线；

H

H

H

p

不同应力作用下，这些磁学特征参数将发生明显变化，这便是纯粹应力对样品真实磁学属性的具体影响。换句话说，本发明提供的装置能准确地测定磁学特征参数的真实值。因此通过外加磁场强度最大值H

对于开路测量样品或待测对象6，激励线圈3和检测线圈4可事先缠绕在样品上，也可以通过几何模具事先缠绕，随后再将样品插入检测线圈4中。开路测量样品或待测对象6、激励线圈3和检测线圈4三者保持同轴。开路测量样品或待测对象6可以伸出一定长度，供拉伸机夹具夹持以实现应力加载。

需要特别说明的是，标准闭路样品5和开路测量样品或待测对象6可以是任意铁磁性材料，并且具备一定电导率，但二者需要保证采用同一种材料类型。

一种基于退磁校正的应力定量化磁测方法，应用于一种基于退磁校正的应力定量化磁测装置，方法包括以下步骤：

S1、利用上述闭路测量单元，对标准闭路测量样品进行检测，以此获得样品材料的标准B-H曲线；

需要说明的是，步骤S1所述的标准B-H曲线测量过程包括：

I、标准闭路样品5事先缠绕好激励线圈3和检测线圈4；激励线圈3和检测线圈4分别接入激励电路1和检测电路2；

II、激励电源11先行通电工作，随后改变激励电源11的频率或幅值以实现励磁强度H

S2、利用上述开路测量单元(或基于其一定优化的开路测量单元)，对无应力和加载有系列应力的开路样品进行检测，得到其名义B-H曲线；利用S1所得的标准B-H曲线对开路样品的名义B-H曲线进行校正，得到其标准B-H曲线；提取校正后标准B-H曲线中对应力敏感的磁参数，建立其与已知应力的关系，此即为样品材料磁参数与应力的标定关系；

步骤S2所述的对应力敏感的磁参数，具体包括：外加磁场强度最大值H

S3、利用与上述S2中同样的开路测量单元，对无应力和可能受载有应力的待测对象进行检测，得到其名义B-H曲线；采用与S2中同样的方法，对待测对象的名义B-H曲线进行校正，得到其标准B-H曲线；从校正后的待测对象的标准B-H曲线中，提取在S2中确立的对应力敏感的磁参数；

步骤S2和S3中所述的对名义B-H曲线进行校正的方法，包括以下步骤：

S21、利用上述开路测量单元(或基于其一定优化的开路测量单元)，对无应力的开路测量样品或待测对象6进行检测，获得开路测量样品或待测对象6的名义B-H曲线；

S22、基于名义B-H曲线与标准B-H曲线的关联关系，求出S21中名义B-H曲线与S1中标准B-H曲线的关联参数：退磁场参数N

步骤S22中，名义B-H曲线与标准B-H曲线的关联关系和关联参数，通过如下过程获取：

I、开路测量样品或待测对象6受载条件下的名义M-H曲线整体乘以校正系数k

M

M-H曲线与B-H曲线的转换关系如下：B＝μ

II、校正系数k

k

III、开路测量样品或待测对象6校正后的磁化强度M

将开路测量样品或待测对象6的外加磁场强度H加上反向附加退磁场-N

H

IV、退磁参数N

N

S23、利用S21中的开路测量单元和测量参数，对加载有应力的开路测量样品或待测对象6进行检测，得到加载不同应力的名义B-H曲线；

S24、利用S22所得的退磁场参数N

S4、将S3提取的磁参数，与S2建立的该磁参数与应力的标定关系进行比对，依此对待测对象的受载应力进行量化评估。

一种改进方案，对装置进行优化，优化后得到的检测装置具体对开路测量单元进行优化，如下：

所述开路测量单元的激励线圈3和检测线圈4，可缠绕也可不必缠绕在开路检测样品或待测对象6上；所述开路测量单元的第一基本测量单元的组成部件及其连接方式、装置参数、激励参数和检测参数，与闭路测量单元的第二基本测量单元保持一致最后，所述开路测量单元的激励线圈3和检测线圈4，可缠绕也可不必缠绕在开路检测样品或待测对象6上；所述开路测量单元的第一基本测量单元的组成部件及其连接方式、装置参数、激励参数和检测参数，与闭路测量单元的第二基本测量单元保持一致。

综合来看，本发明以力磁耦合效应为基本原理依据，综合考虑了标准闭路样品无法进行力学加载和开路测量样品测量受退磁场影响严重等问题。通过标准闭路磁学测量(如图1所示)结果进行退磁校正，使得开路力磁耦合测量(如图2所示)结果在较高程度上逼近材料真实的磁学属性(如图3所示)。获取了材料真实的磁特征参数后，提供了一种对应力进行定量化表征的磁测装置及其测量方法(如图4～图6所示)。

另外，通过本发明所述装置测量的结果，例如图4～图6所示，是为拉伸应力对铁磁材料真实磁学属性的作用，反映的是铁磁材料的固有材料特性。

本发明的有益效果是：能为铁磁材料力磁耦合效应的试验研究提供切实可行的技术方案。所述技术方案可靠快速、实操方便、不受环境磁场干扰、测量结果稳定、能有效考虑退磁效应影响。本发明可广泛应用众多的工程实践中，例如悬索桥或斜拉桥的钢缆、油气钻井钻杆、关键钢结构等的应力变化检测监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。