第43卷第2期2017年2月中国测试CHINAMEASUREMENT&TESTVol.43No.2February，2017doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.016基于磁导率检测技术的传感器设计研究杨梅芳袁任尚坤袁赵珍燕（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063）摘要院磁导率检测技术是一种依据磁导率的变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袁可实现对构件残余寿命的有效评价遥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袁考察检测线圈绕线直径尧绕线线圈匝数尧激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响遥研究发现袁最佳激励频率随线径的增加而减少袁信号分辨率随线径的增加而增加曰绕线匝数与激励最佳频率无关袁但与信号分辨率有关曰激励电压对最佳频率的范围无影响袁但对信号分辨力有影响遥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遥关键词院无损检测技术曰磁导率检测技术曰检测传感器曰检测分辨率文献标志码院A文章编号院1674-5124渊2017冤02-0077-05DesignandresearchofsensorbasedonpermeabilitytestingtechnologyYANGMeifang，RENShangkun，ZHAOZhenyan（KeyLaboratoryofNondestructiveTestingofMinistryofEducation，NanchangHangkongUniversity，Nanchang330063，China）Abstract:Permeabilitytestingtechnologyisakindofnondestructivetestingmethod，whichcantestthestressconcentrationstateandthedegreeoffatiguedamageofferromagneticspecimensbasedonthechangeofpermeability，aswellasrealizetheeffectiveevaluationfortheresiduallifetimeofthecomponents.Accordingtotheprincipleofpermeabilitymeasurement，ahighlysensitivedetectionsensorwasdesignedfortherod-shapedmember.Theinfluenceofthediameterofdetectioncoilandthenumberofturnsandexcitationvoltageonoptimumfrequencyanddetectionresolutionwasresearched.Itwasfoundthattheoptimumfrequencyofexcitationreducedwiththeincreaseinthecoildiameterandtheresolutionofsignalincreasedwithcoildiameter;Thenumberofcoilturnshadnothingtodowiththeoptimalfrequencyofincentivecoils，butwasrelatedtothesignalresolution;Excitationvoltagehadnoeffectontheoptimumfrequency，buthadanimpactonsignalresolution.Theresearchhasanimportantcontributiontothedevelopmentofhighsensitivitymagneticconductivitydetector.Keywords:nondestructivetestingtechnology；permeabilitytestingtechnology；detectionsensor；detectingresolution收稿日期院2016-06-15曰收到修改稿日期院2016-07-20基金项目院国家自然科学基金渊51261023冤作者简介：杨梅芳渊1990-冤袁女袁河南信阳市人袁硕士研究生袁专业方向为磁导率无损检测遥通信作者院任尚坤渊1963-冤袁男袁河南周口市人袁教授袁主要从事无损检测方面的研究遥0引言在现代工业中袁钢铁构件广泛应用于航空航天尧电力尧铁路尧压力容器等行业遥钢铁构件在使用过程中袁由于应力尧疲劳载荷尧蠕变等内部工作介质或外部工作环境的作用袁易在应力集中和疲劳损伤区域产生应力腐蚀尧功能老化尧疲劳断裂等现象[1-2]袁造成重大恶78中国测试2017年2月性事故袁给国家和人民造成巨大灾难[3-5]件进行无损检测时袁快速尧方便尧准确地检测出应力遥因此在对构集中和疲劳损伤的严重程度和区域袁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遥金属磁记忆检测法[9-12]射检测法[14]尧超声应力检测法尧巴克豪森效应检测法[13][15]尧声发袁但从检测可靠性尧检测分辨率和实际效果来看都尧射线应力检测法[16]等存在各自的局限性袁不足以解决当前工业所面临的实际问题袁有待进一步深入研究遥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袁目前已经有比较广泛的应用遥但超声波探头工作频率一般在兆赫兹以上袁在此频段内袁应力引起的超声波速度改变量非常微小袁通常在1GPa的应力作用下袁超声波速度仅改变0.1%遥叶阳升等[17]采用最灵敏的导波模态袁在应力变化137MPa时袁其群速度的相对变化率仅达到0.07%遥从分辨率和准确度来说袁都不能满足实际应用的要求遥超声在测量应力做标定试验时袁受外部的影响因素较多且影响较大袁如探头与构件之间声耦合层厚度变化的影响尧构件材料组织变化的影响尧环境温度等的影响遥涡流检测也只能检测导电材料的表面和近表面缺陷袁而磁导率检测技术[18]是一种新的检测方法袁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袁并对其残余寿命进行有效评价袁以解决传统检测方法无法解决的问题遥该检测方法灵敏度高尧操作简单尧使用方便[19]电力等企业在提高产品质量过程中遇到的精确测遥将可破解航空尧航天尧钢铁尧定应力分布的问题遥检测传感器是检测系统的重要组成部分袁决定着检测系统的质量和检测灵敏度袁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1检测原理遥检测探头结构如图1所示遥研制探头结构包括缠绕在管形塑料骨架上的检测线圈和激励线圈袁适用于检测棒状铁磁材料试件遥检测时袁待测试件放入传感器中心管型区域袁激励线圈中通入交变电流袁通塑料管检测线圈激励线圈铁磁试件图1传感器结构示意图过铁磁试件的磁场经外部环境形成闭合磁路遥待测构件的应力集中引起磁导率发生变化袁引起闭合磁路的磁阻和磁通发生变化遥通过检测感应信号的变化即可测定试件磁导率的变化袁进而测定试件的应力分布状况和疲劳损伤程度遥选取恒压源作为激励源袁根据电磁感应原理袁检测线圈的输出信号随中心管部区域磁通密度的变化而变化袁通过提取感应线圈中的电压值袁可反映铁磁材料的磁导率变化遥从而实现对铁磁试件应力集中和疲劳损伤的检测遥设检测线圈匝数为N感器中心管部区域的磁导率为1袁激励线圈匝数为滋袁与外部环境构成闭N2曰设传合磁路曰设待测试件的平均等效截面积为S袁其磁通密度为B遥在等效闭合回路中袁检测线圈中的感应信号着可表示为着=N1SddBt=N1SddBHddHt=N1S滋ddHt渊1冤式中滋为待测试件的磁导率袁滋=ddBH遥U设激励电源电压为u=Usin棕t袁激励磁场为H=cN2sinZ忆棕t袁Z忆为输入阻抗袁c为与激励线圈匝数和结构有关的常数袁则有袁感应信号院着=N1S滋dH=N1N2S滋cU棕cos棕t/Z忆渊2冤可见袁检测信号dt着与滋成正比袁可直接反应待测试件的磁导率遥通过检测感应信号袁判定试件的磁导率的变化袁进而反映铁磁构件的应力集中程度和疲劳损伤状况22.1试验研究与讨论遥本试验采用激励线圈匝数和检测线圈匝数均探头绕线线经与最佳激励频率的关系研究为400匝的传感器袁激励电压为5V袁铁磁试件选用直径为10mm尧长为250mm的45#圆棒遥在线圈绕线匝数和激励电压不变的情况下0.20袁0.27袁0.35袁0.44袁绕线线径分别取做测试试验遥待测试件和空气试件检测信号随激励mm袁分别对待测试件和空气试件频率的变化关系及其差值如图2所示袁空气试件检测信号即是待测铁磁试件取出后的检测信号遥0.35表明mm图2渊a冤时检测信号随激励频率的变化关系和图2渊b冤分别表示绕线线径为遥图0.20袁2渊a冤600袁绕线线径为0.20mm时袁信号分辨率为Hz渊最佳频率为差值信号最大值对应的频率检测试验最佳频率为577mV/V渊信号分辨率为对应差值信冤袁号值与激励信号值的比值冤曰图2渊b冤表明袁绕线线径为0.35mm时袁检测试验最佳频率为250Hz袁信号分辨第43卷第2期杨梅芳等：基于磁导率检测技术的传感器设计研究794.03.53.02.52.0空气回路1.5铁磁回路差值1.00.50.00200400f600/Hz800100012005渊a冤绕线线径0.20mm袁400匝袁5V432空气回路铁磁回路差值100200400f/Hz6008001000渊b冤绕线线径0.35mm袁400匝袁5V图2不同绕线线径对检测信号和激励频率的影响率为698mV/V遥在不同绕线线径条件下袁检测信号分辨率尧最佳频率随绕线线径的关系如图3和表1所示遥结果表明袁最佳激励频率随线径的增加而减少袁信号分辨率随线径的增加而增加遥综合试验数据和各方面因素袁该传感器绕线线径取0.35mm遥表1检测分辨率尧最佳频率随绕线线径的关系绕线线径/mm最佳频率/Hz信号分辨率/渊mV窑V-10.200.276000.35400577冤0.442506511406982.27675V检测线圈的绕线线径取线圈绕线匝数对最佳频率和检测灵敏度的影响对上述铁磁试件和空气试件进行检测试验时袁线圈匝数分别取400匝尧5000.35匝和mm袁激励电压为600袁检测信号匝袁分别随激励频率的关系及其差值分布如图4和表2所示遥600图4渊a冤和图4渊b冤分别表示绕线匝数为绕线匝数与激励最佳频率无关时检测信号随激励频率的变化关系袁虽与信号分辨率有遥结果表明500和袁600最佳频率800500信号分辨率7504007003006502006001000.200.25线圈线径0.300.35/mm0.400.45550图3最佳激励频率尧信号分辨率随绕线线径的变化关系关袁但影响不大遥同时试验发现袁线圈匝数不易过高袁否则信号不稳遥这里线径为0.35mm时袁最佳线圈匝数设计为400匝遥5432空气回路铁磁回路1差值00200400f/Hz60080010005渊a冤500匝袁0.35mm袁5V432空气回路铁磁回路差值100200400f/Hz6008001000渊b冤600匝袁0.35mm袁5V图4不同绕线匝数对检测信号和激励频率的影响表2检测分辨率尧最佳频率与绕线匝数的关系线圈匝数/匝最佳频率/Hz信号分辨率/渊mV窑V-1400500250600250698冤25069769280中国测试2017年2月2.3线圈绕线线径取激励电压对最佳频率和检测灵敏度的影响0.35mm袁激励线圈和检测线圈都为400匝袁在线圈线径和线圈匝数不变的情况下袁激励电压分别取3袁4袁5V遥同样袁分别对铁磁试件和空气试件进行测量遥检测分辨率和最佳频率随激励电压的关系如表3所示遥表3检测分辨率尧最佳频率与激励电压的关系激励电压/V最佳频率/Hz信号分辨率/渊mV窑V-134250681冤5250250687698由表可知袁激励电压对最佳频率无影响袁但对信号分辨力有影响遥当检测电压为5V时袁在最佳频率处的分辨率可达2.4698mV/V,即最佳激励电压5V遥0.35取250mm袁经上述分析与研究试验结果讨论与分析袁设计传感器的绕线线径取Hz遥线圈为以Q235400钢的圆棒为测试对象匝袁激励电压为5V袁袁检测频率试样的直径为10mm袁长250mm遥检测信号随试件拉力的变化关系如图5所示遥4.204.154.104.054.003.953.903.853.80050100150滓200/MPa250300350400图5检测信号随试件所受应力的变化关系如图表明袁随着拉力的增加袁检测信号逐渐减小遥在受力较小区域袁检测信号约为4.156V遥外加拉力在屈服强度范围内时袁检测信号随外力的增加而减少袁但变化较慢曰当外加拉力超过屈服强度时袁检测信号随外力的增加迅速减少386曰当外加应力达到测信号的变化量达到MPa时,接近断裂袁4.156-3.814=0.342检测信号降到约3.814V遥检测信V袁检号的电压分辨率为0.001V袁应力检测的分辨力平均可达到断裂强度的1/342袁即为1.13MPa遥设空气回路检测信号u率为1曰试样经应力退火后袁1=0.56V袁检测信号为对应空气的磁导u当试件拉到接近断裂强度时检测信号为u2=4.156=3.814V袁V袁应力引起磁导率的变化量可达到渊4.156-0.56冤=9.5%袁渊4.156-3.814冤/度可达到3/10000遥研究表明磁导率相对变化率的检测灵敏袁该研究方法和研究探头具有很高的检测灵敏度3结束语遥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袁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袁研究了检测线圈绕线线径尧绕线线圈匝数尧激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响遥通过研究可得结论如下院测线圈的绕线线径有关1冤传感器的最佳频率与检测灵敏度有关遥在激励线圈尧检测线圈的绕尧与检线匝数和激励电压不变的情况下袁随着线圈线径的增加袁最佳检测频率单调递减袁而最佳频率处的检测分辨率逐渐增高号分辨率有关但影响不大2冤传感器的绕线匝数与最佳频率无关遥遥在激励线圈和检测线圈袁虽与信的线径和激励电压不变的情况下袁在设计绕线匝数时主要应考虑待检构件的结构和尺寸单位电压的检测分辨率基本保持恒定3冤在一定的激励电压范围内袁最佳激励频率和遥分辨力平均可达到断裂强度的4冤经试验验证袁研制检测传感器对应力检测的遥1/342遥参考文献[1]inducedYANGE袁byLIcycleLM袁CHENX.Magneticfieldaberration[2]MagneticMaterials袁2007袁312渊1冤院72-77.stress[J].JournalofMagnetismandmagnetismRENSK袁OUYC袁FURZ袁etal.StudiesonstressInsight:[3]ing袁2010袁52渊6冤院305-309.Non-DestructivecouplingeffectTestingfor35andsteelConditioncomponentsMonitor鄄[J].任吉林新方法[J].袁王进仪器仪表学报袁范振中袁等袁2010袁31渊2冤院431-436..一种磁记忆检测定量分析的[4]RENmentalSK袁SONGK袁RENJL.Influencesofenviron鄄steel[5]Testingferromagneticmagneticfieldspecimen[J].onstressInsight院magnetismeffectfor20尹大伟andConditionMonitoring袁2009袁51渊12冤院672-675.Non-Destructive究[J].仪器仪表学报袁董世运袁徐滨士袁2006袁27渊11冤院1483-1488.袁等.特种钢的磁记忆检测研[6]studyWANGZD袁YAOK袁DENGB袁etal.Quantitativestressofmetalmagneticmemorysignalversuslocal513-518.concentration[J].NDT&EInternational袁2010袁43渊6冤院第43卷第2期[7][8]杨梅芳等：基于磁导率检测技术的传感器设计研究NDT&EInternational袁2010袁43渊1冤院8.mappingofsteelsurfacesby81张卫民袁邱忠超袁于霞袁等.利用强化磁激励场提高磁记渊24冤院3375-3378.816.杨理践袁刘斌袁高松巍袁等.基于密度泛函理论的磁记忆忆检测灵敏度的可行性分析[J].中国机械工程袁2015袁26[13]FREDDYA袁FRANCOL袁PADOVESER.NDTflawBarkhausennoise院Volumetricflawdetectioncase[J].NDT&EInternational袁2009袁42渊8冤院721-728.continuousmagnetic信号产生机理研究[J].仪器仪表学报袁2013袁34渊4冤院811-[9]WANGZD袁YAOK袁DENGB袁etal.Theoreticalstudiesofmetalmagneticmemorytechniqueonmagneticfluxleakage354-359.signals[J].NDT&EInternational袁2010袁43渊4冤院[14]韩晖袁肖迎春袁白生宝袁等.结构疲劳损伤的声发射检测可靠性研究[J].机械设计与制造工艺袁2014袁43渊6冤院76-79.航空航天大学袁2011.京工业大学袁2004.[15]金哲.钢轨应力的电磁超声检测技术研究[D].南京院南京[16]刘俐超.X射线应力检测系统的扩展与应用[D].北京院北[17]许西宁袁叶阳升袁江成袁等.钢轨应力检测中超声导波模态3483.[10]DONGLH袁XUBS袁DONGSY袁etal.Variationofstress-inducedmagneticsignalsduringtensiletestingofferromagnetic[11]DONG184-189.LH袁XUBS袁DONGsteels[J].NDT&EInternational袁2008渊41冤院SY袁etal.Stress选取方法研究[J].仪器仪表学报袁2014袁35渊11冤院2473-dependenceofthespontaneousstrayfieldsignalsoffer鄄romagneticsteel[J].NDT&E323-327.[18]任尚坤袁徐振瀚.铁磁试件应变损伤微结构蜕变的灵敏微分磁导率评价[J].航空学报袁2014袁35渊5冤院1452-1458.[19]V魪RTESYG袁UCHIMOTOT袁TOM魣譒I袁etal.Nonde鄄adaptiveMaterials袁2010袁322渊20冤院3117-3121.testing[J].JournalstructivecharacterizationofductilecastironbymagneticInternational袁2009袁42渊4冤院[12]SHICL袁DONGSY袁XUBS袁etal.Stressconcen鄄ferromagneticsteelunderdynamictensiontrationdegreeaffectsspontaneousmagneticsignalsofload[J].ofMagnetismandMagnetic渊编辑院徐柳冤渊上接第63页冤HPLC-荧光检测器对4种单胺类神经递质的完全分离检测袁满足了尿中单胺类神经递质的分析测试要求遥参考文献[1]寿天德.神经生物学[J].2版.北京院高等教育出版社袁2013院[2]刘雪袁王兰袁樊阳袁等.Ti02-石墨烯-Nafio复合膜修饰玻碳电极同时测定多巴胺和尿酸[J].化学通报袁2012袁75渊5冤院458-462.[3]汪丛莹袁庞志功袁汪宝琪袁等.荧光测定SD大白鼠不同脑区的单胺类神经递质[J].分析化学袁1999袁27渊1冤院101-103.[4]徐鹏袁白燕平袁杨海松袁等.高效液相色谱荧光检测法同时测定大鼠脑区中单胺类神经递质及其代谢产物[J].中国药学渊英文版冤袁2015袁24渊7冤院458-466.[5]邓少东袁卢洪梅袁林励袁等.库仑阵列电化学-高效液相色谱法同时检测大鼠不同脑区中的8种单胺类神经递质[J].广东医学院学报袁2015袁33渊6冤院644-648.[6]terminationofdopamine袁serotonin袁andtheirmetabolitesmanceliquidchromatographycoupledwithelectrochemi鄄caldetection[J].BiomedChromatogr袁2010渊24冤院626-631.HUBBARDKE袁WELLSA袁OWENSTS袁etal.De鄄259-266.withultravioletabsorbancedetection[J].JChromatogrB袁[8]2004渊805冤院281-288.WANGQuantificationofmonoamineneurotransmittersandmela鄄tonininsealampreybraintissuesbyhighperformanceliquidchromatography-electrosprayionization[9]massspectrometry[J].Talanta袁2012渊89冤院383-390.tandemH袁CHUNG-DAVIDSONYW袁LIK袁etal.ofdopamine袁serotonin,biosynthesisprecursorsandsistedinsituderivatization-dispersiveliquid-liquidmi鄄2016袁161渊12冤院253-264.90-94.WENN袁ZHAOXE袁ZHUSY袁et.al.Determinationmetabolitesinratbrainmicrodialysatesbyultrasonic-as鄄croextractioncoupledwithUHPLC-MS/MS[J].Talanta袁[10]勾凌燕袁刘景东袁王憬袁等.固相萃取-高效液相色谱电化学法检测大鼠血浆儿茶酚胺[J].分析试验室袁2006袁25渊1冤院[11]魏丽丽袁陈虹袁钟明袁等.高效液相色谱-电化学法测定大杂志袁2011袁33渊3冤院467-470.[12]张文静袁李杰袁张志虎袁等.尿中高香草酸和香草扁桃酸的渊3冤院248-250.高效液相色谱测定法[J].环境与健康杂志袁2009袁26鼠纹状体细胞外液中单胺类神经递质含量[J].药物分析inpediatriccerebrospinalfluidbyisocratichighperfor鄄[7]LIUGS袁CHENJN袁MAYF.Simultaneousdetermi鄄[13]张璐璐袁冯芳袁叶小敏袁等.高效液相色谱-荧光法测定小鼠脑组织中单胺递质及其相关物质[J].中国药科大学学报袁2010袁41渊4冤院367-371.nationofcatecholaminesandpolyaminesinPC-12cellextractsbymicellarelectrokineticcapillarychromatography渊编辑院莫婕冤
