大型工程機械結構力學參數在線檢測傳感器系統研究

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實驗室，江蘇 徐州 221018）

現代工程機械機、電、液一體化技術應用越來越廣泛，并越來越向大型化、精密化、智能化方向發展，工作環境惡劣，載荷大，因而設備的異常停機、事故、故障形成的損失較大，故而需優化在線監測系統以提前預知工程機械構建應力變化，本文對系統的構建進行探究，以降低機械使用成本，并為工程機械新產品研發提供檢測依據。

1 壓磁效應及鐵磁材料的磁化概述

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

（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）或者磁感應強度（B）從中性狀態逐漸發生變化的過程。其磁化曲線如圖1所示。

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

圖1 鐵磁材料的磁化曲線

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

圖2 應力作用下磁疇的轉動磁化

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

其最小極值為：

又因為磁矩轉動的角度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）：

當外磁場繼續增大，磁化會進入到磁疇轉動的不可逆階段，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，鐵磁性材料在應力的作用下，其磁化率X的變化與應力及飽和磁致伸縮系數都相關。

2 大型工程機械結構力學參數在線檢測傳感器系統的設計與實現

（1）總體方案概述。本項目旨在研發基于鐵磁材料壓磁效應的大型工程機械結構力學參數在線檢測傳感器系統，從設計總方案上來說，該系統需要包括被測試部分、傳感器部分、測量部分。該系統的總體框架圖如圖3。

圖3 應力檢測系統總體框架圖

（2）被測試部分的設計。被測試部分主要包括兩部分，分別是加載系統以及被測試件。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，可以顯示出應力-應變曲線、力-位移無線、位移-實踐曲線以及力-時間曲線等，也能對各種參數進行記錄調節，所以被測部分可以應用該加載儀器，以確保數據的準確性。

（3）磁測應力傳感器的設計。磁測應力傳感器是獲取各種信息最主要的部件，該部件的設計會直接影響到后續應力檢測試驗的精度以及檢測的結果，所以必須對該部分的勵磁系統、探頭結構、勵磁線圈參數以及磁路進行設計，這樣方能達到要求。①勵磁系統設計。對鐵磁性構件的應力檢測的本質是通過應力影響鐵磁性構件的磁導率，分析磁導率的物理量變化，最終選擇最合適的一個勵磁系統。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生適宜的磁場，在實驗中將正弦信號的功率放大，以實現測量。具體的系統結構如圖4所示。②傳感器探頭結構分析。檢測傳感器系統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。考慮到實驗的效率以及可行性，在實驗中采用了三磁極L形探頭的探頭結構。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率的變化轉變為測量線圈中的感應電壓變化。故而選擇三種材料進行比較，具體的對比數據如表1所示。對對比數據進行分析后，認為選擇TM-M型的Fe基非晶態合金做探頭材料相對較佳。③傳感器的磁路分析。當在傳感器的勵磁線圈中通入交變電流之后便會產生磁動勢e1，在傳感器探頭中產生交變磁通φ，磁通φ從勵磁磁極出發之后會在被測試件的內部分為φ1與φ2兩份，再通過檢測磁極E1、E2回歸，最終構成一個封閉的磁回路。依據磁路定律可以得知該磁路中的瞬時磁通，從而為后續的測量奠定數據基礎。

圖4 勵磁系統的設計

表1 常見鐵磁材料性能比較

（4）信號采集部分的實現。

依據上文分析可以得知傳感器輸出信號較小，為了確保測量結果的準確性，需要對這些信號進行放大處理，從而得到適合計算的波值。在系統基本構建完成之后，筆者進行測量，該系統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型的數字示波器進行檢測，從而使系統的運行更為精密。

3 傳感器系統的影響因素分析

傳感器系統的影響因素比較多，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的影響等等，系統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據，從而使大型工程機械結構力學參數在線檢測傳感器系統更加優化。

4 結語

本文是對大型工程機械結構力學參數在線檢測傳感器系統的探究。

[1]何劍鋒,鄧兆祥,妥吉英. 準零剛度絕對位移傳感器設計及運用[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]. 北京航空航天大學學報,2016:1-8(2017-11-13).