劉成文，石延平，周慶貴，崔伯第

（江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室，江蘇 徐州 221018）

現(xiàn)代工程機械機、電、液一體化技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，并越來越向大型化、精密化、智能化方向發(fā)展，工作環(huán)境惡劣，載荷大，因而設(shè)備的異常停機、事故、故障形成的損失較大，故而需優(yōu)化在線監(jiān)測系統(tǒng)以提前預(yù)知工程機械構(gòu)建應(yīng)力變化，本文對系統(tǒng)的構(gòu)建進行探究，以降低機械使用成本，并為工程機械新產(chǎn)品研發(fā)提供檢測依據(jù)。

1 壓磁效應(yīng)及鐵磁材料的磁化概述

（1）壓磁效應(yīng)。壓磁效應(yīng)（Magnetoelastic Effect）是指在機械力的作用下鐵磁性材料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變最終導(dǎo)致鐵磁性材料的磁特性改變的現(xiàn)象。因為壓磁效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)相反，所以壓磁效應(yīng)又被成為“逆磁致伸縮效應(yīng)（Inverse Magnetostriction Effect）”。磁致伸縮效應(yīng)（Magnetostrictive Effect）是指在外磁場中鐵磁性材料被磁化后尺寸、長度、體積會發(fā)生微小變化的現(xiàn)象。磁致伸縮系數(shù)與磁場強度關(guān)系如圖1所示。依據(jù)壓磁效應(yīng)以及磁致伸縮規(guī)律，可判定材料磁導(dǎo)率（μ）的變化與所受應(yīng)力（σ）之間的關(guān)系：該式中Bs與μh分別為飽和磁感應(yīng)輕度以及材料的起始磁導(dǎo)率，△μ=μh-μσ，表示磁導(dǎo)率的變化情況。由圖及公式可以得出壓磁效應(yīng)的產(chǎn)生與材料結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力狀態(tài)變化聯(lián)系密切，當(dāng)λs＞0時，平行于拉應(yīng)力的方向比較容易磁化，磁導(dǎo)率會增加，反之則磁導(dǎo)率減小。

（2）鐵磁材料的磁化。磁化過程是指在外磁場（H）的作用下鐵磁性材料的磁化強度（M）或者磁感應(yīng)強度（B）從中性狀態(tài)逐漸發(fā)生變化的過程。其磁化曲線如圖1所示。

圖1中不同的區(qū)域O-a、a-b、b-c、c-d以及d以后的區(qū)域分別是可逆磁化區(qū)、瑞麗區(qū)、不可逆磁化區(qū)、趨近飽和區(qū)以及順磁區(qū)。為滿足工程技術(shù)的不同需求，在進行設(shè)計時需考慮不同的磁化區(qū)。

圖1 鐵磁材料的磁化曲線

（3）應(yīng)力對磁化的影響。應(yīng)力對鐵磁性材料的影響主要表現(xiàn)在兩方面，分別是磁疇能量轉(zhuǎn)化以及磁疇移動上，磁疇能量轉(zhuǎn)化又導(dǎo)致磁應(yīng)力的各向異性，磁疇移動則會影響鐵磁性材料的特性參數(shù)。從研究方向考慮，本文重點分析應(yīng)力與疇轉(zhuǎn)磁化的影響，分別是從應(yīng)力作用下的可逆轉(zhuǎn)動磁化以及不可逆轉(zhuǎn)動磁化兩種。其中應(yīng)力作用下的可逆轉(zhuǎn)動磁化的示意圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)力作用下磁疇的轉(zhuǎn)動磁化

因為應(yīng)力能的表達式為：Fσ=-3/2λsσcos2θ。依圖2，假設(shè)所加磁場H的黨項和應(yīng)力θ之間的夾角是θ0，那么在單位體積之內(nèi)的總自由能為：

其最小極值為：

又因為磁矩轉(zhuǎn)動的角度θ通常比較小，所以θ又可等于μ0MsHsinθ0/3λsσ，此時的磁化強度M為Mscos(θ0-θ)。故而可得初始磁化率（Xi）：

當(dāng)外磁場繼續(xù)增大，磁化會進入到磁疇轉(zhuǎn)動的不可逆階段，此時單晶體不可逆磁化率為：

如果使多晶體，那么其不可逆磁化率表示為：

由上公式可以看出，鐵磁性材料在應(yīng)力的作用下，其磁化率X的變化與應(yīng)力及飽和磁致伸縮系數(shù)都相關(guān)。

2 大型工程機械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

（1）總體方案概述。本項目旨在研發(fā)基于鐵磁材料壓磁效應(yīng)的大型工程機械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)，從設(shè)計總方案上來說，該系統(tǒng)需要包括被測試部分、傳感器部分、測量部分。該系統(tǒng)的總體框架圖如圖3。

圖3 應(yīng)力檢測系統(tǒng)總體框架圖

（2）被測試部分的設(shè)計。被測試部分主要包括兩部分，分別是加載系統(tǒng)以及被測試件。在本項目中選用ZCWS-W型號的電子萬能試驗機進行實驗，該試驗機的負載可達100kN，同時還能對各種材料進行拉伸、壓縮、剝離、彎曲等。另外，可以顯示出應(yīng)力-應(yīng)變曲線、力-位移無線、位移-實踐曲線以及力-時間曲線等，也能對各種參數(shù)進行記錄調(diào)節(jié)，所以被測部分可以應(yīng)用該加載儀器，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）磁測應(yīng)力傳感器的設(shè)計。磁測應(yīng)力傳感器是獲取各種信息最主要的部件，該部件的設(shè)計會直接影響到后續(xù)應(yīng)力檢測試驗的精度以及檢測的結(jié)果，所以必須對該部分的勵磁系統(tǒng)、探頭結(jié)構(gòu)、勵磁線圈參數(shù)以及磁路進行設(shè)計，這樣方能達到要求。①勵磁系統(tǒng)設(shè)計。對鐵磁性構(gòu)件的應(yīng)力檢測的本質(zhì)是通過應(yīng)力影響鐵磁性構(gòu)件的磁導(dǎo)率，分析磁導(dǎo)率的物理量變化，最終選擇最合適的一個勵磁系統(tǒng)。因為勵磁信號的類型比較多，脈沖、三角波、正弦波等等，考慮到幅值、相位等各種信息，在實驗中我們選用正弦波來進行計算。但是正弦波的信號相對比較弱，為了使傳感器勵磁線圈能夠產(chǎn)生適宜的磁場，在實驗中將正弦信號的功率放大，以實現(xiàn)測量。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。②傳感器探頭結(jié)構(gòu)分析。檢測傳感器系統(tǒng)中傳感器探頭是其主要的組成部分，通常情況下，主要的探頭有二磁極U形探頭、三磁極L形探頭、四磁極探頭、五磁極探頭以及六磁極探頭和九磁極探頭?？紤]到實驗的效率以及可行性，在實驗中采用了三磁極L形探頭的探頭結(jié)構(gòu)。本次實驗中采用的兩種方法主要是將TM-M型的Fe基非晶態(tài)合金片制成長方形狀，并在其上分別纏繞勵磁線圈D和測量線圈E，以及將該非晶態(tài)合金片沿受力方向粘貼于被測材料表面，利用特制傳感器將該磁導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量線圈中的感應(yīng)電壓變化。故而選擇三種材料進行比較，具體的對比數(shù)據(jù)如表1所示。對對比數(shù)據(jù)進行分析后，認為選擇TM-M型的Fe基非晶態(tài)合金做探頭材料相對較佳。③傳感器的磁路分析。當(dāng)在傳感器的勵磁線圈中通入交變電流之后便會產(chǎn)生磁動勢e1，在傳感器探頭中產(chǎn)生交變磁通φ，磁通φ從勵磁磁極出發(fā)之后會在被測試件的內(nèi)部分為φ1與φ2兩份，再通過檢測磁極E1、E2回歸，最終構(gòu)成一個封閉的磁回路。依據(jù)磁路定律可以得知該磁路中的瞬時磁通，從而為后續(xù)的測量奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 勵磁系統(tǒng)的設(shè)計

表1 常見鐵磁材料性能比較

（4）信號采集部分的實現(xiàn)。

依據(jù)上文分析可以得知傳感器輸出信號較小，為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對這些信號進行放大處理，從而得到適合計算的波值。在系統(tǒng)基本構(gòu)建完成之后，筆者進行測量，該系統(tǒng)只需要將原有的輸出信號放大5倍便能滿足測試的要求，所以信號采集部分選擇DSOX2017A型的數(shù)字示波器進行檢測，從而使系統(tǒng)的運行更為精密。

3 傳感器系統(tǒng)的影響因素分析

傳感器系統(tǒng)的影響因素比較多，主要的影響因素為勵磁頻率與勵磁電流對傳感器性能的影響、初始輸出電壓的影響、傳感器的非線性影響、退磁場的影響以及趨膚效應(yīng)的影響等等，系統(tǒng)仍存在有待提高的部分，在之后的項目試驗之中將會盡量采取措施以消除誤差，以得到更接近真值的數(shù)據(jù)，從而使大型工程機械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)更加優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文是對大型工程機械結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)在線檢測傳感器系統(tǒng)的探究。

[1]何劍鋒,鄧兆祥,妥吉英. 準(zhǔn)零剛度絕對位移傳感器設(shè)計及運用[J/OL].中國機械工程,2017,(23):1-5.

[2]姚京京,鄭德智,馬康,朱凱,樊尚春. 多軸懸浮式低頻振動傳感器的理論研究[J/OL]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2016:1-8(2017-11-13).