透射式磁弹性带钢应力无损检测

工程科学学报，第37卷，增刊1：12-17,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,Suppl.1:12-17,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.s1.003:http://journals.ustb.edu.cn 透射式磁弹性带钢应力无损检测 曾杰伟，张清东四，缪存孝，苏兰海，毕佳 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhang_qd@me.usib.cd.cm 摘要基于磁弹效应提出了采用电磁透射方式评价应力和残余应力的方法.针对冷轧带钢磁弹性应力测量方案设计了标 定装置并以此对传感器输出特性展开了研究，阐述了其电磁应力检测原理.通过ANSYS有限元数值方法对标定装置结构承 载能力进行了仿真分析，在此基础上，采用50Hz的正弦交流的激磁系统研制了磁弹性应力测量系统样机，并通过搭建的测试 平台对样机及标定块进行了单侧式与透射式两种实验方案的静态加载比较试验.试验结果表明：在标定块额定承载范围内， 透射式磁测方案能够实现对钢板内应力的线性响应，为磁弹性应力测量技术的工业化应用开辟了一条新途径 关键词磁弹效应：应力：有限元：传感器：带钢 分类号TH73 Stress nondestructive testing of strip steel based on transmissive magnetoelastic effect ZENG Jie-ei,ZHANG Qing-dong,MIAO Cun-xiao,SU Lan-hai,BI Jia School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhang_qd@me.ustb.edu.cn ABSTRACT A new method for the evaluation of stress in cold rolled strip based on magnetoelastic effect is presented.The sensor output characteristics were studied and its magnetic stress detection principle was also described.Using the ANSYS finite element method,simulation analysis of the structure carrying capacity of the calibration device model was conducted.Choosing a 50 Hz sinu- soidal AC excitation system,a magnetic elastic stress measurement system prototype with the gap of 1.5 mm was developed.A performance testing platform was built to characterize the sensor output test of the prototype.The testing results show that the device can achieve linear response for stress in the steel sheet and provide a new way for the wide application of the magnetic elastic stress measurement technology. KEY WORDS magnetoelastic effect:stress:finite element simulation:sensor:strip steel 板形是板带钢产品的主要质量指标之一，源自于问题 生产过程中带钢内部幅值较大的不均匀残余应力现 板带材高速生产制造过程要求传感器在适应带钢 象，是导致冷轧板带材板形缺陷的主要原因.目前冷 恶劣生产现场条件的前提下实现快速、可靠和优选的 轧带钢轧机主要采用带张力的轧制方法，目的是为 非破坏性检测.板形检测的主要方法是通过板形仪检 了提高板形质量，降低轧制负荷和能耗，能够生产出 测带钢内应力分布四，当前用于冷轧带钢的板形仪主 更薄的产品.采用带张力轧制的关键是保持张力恒 流产品均采用分割辊接触压力检测方案，该类检测方 定，以避免由于张力的变化而引起轧制力的变化，并 案灵敏度低，接触式测量易造成打滑划伤带钢和模具， 使得轧出的带钢纵向厚度不匀.因此，对带钢的内应 工装投资巨大，总性价比低，传感器布置在分割辊辊周 力进行测量和控制成为提高板带材产品质量的首要 4个等分点处，无法实现对板带材的连续测量 收稿日期：20150106 基金项目：国家科技支撑计划重点资助项目(2011BAE13B05):国家自然科学基金资助项目(51075031)

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1: 12--17，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，Suppl． 1: 12--17，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． s1． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 透射式磁弹性带钢应力无损检测 曾杰伟，张清东，缪存孝，苏兰海，毕 佳 北京科技大学机械工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: zhang_qd@ me． ustb． edu． cn 摘 要 基于磁弹效应提出了采用电磁透射方式评价应力和残余应力的方法． 针对冷轧带钢磁弹性应力测量方案设计了标 定装置并以此对传感器输出特性展开了研究，阐述了其电磁应力检测原理． 通过 ANSYS 有限元数值方法对标定装置结构承 载能力进行了仿真分析，在此基础上，采用 50 Hz 的正弦交流的激磁系统研制了磁弹性应力测量系统样机，并通过搭建的测试 平台对样机及标定块进行了单侧式与透射式两种实验方案的静态加载比较试验． 试验结果表明: 在标定块额定承载范围内， 透射式磁测方案能够实现对钢板内应力的线性响应，为磁弹性应力测量技术的工业化应用开辟了一条新途径． 关键词 磁弹效应; 应力; 有限元; 传感器; 带钢 分类号 TH73 Stress nondestructive testing of strip steel based on transmissive magnetoelastic effect ZENG Jie-wei，ZHANG Qing-dong ，MIAO Cun-xiao，SU Lan-hai，BI Jia School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zhang_qd@ me． ustb． edu． cn ABSTRACT A new method for the evaluation of stress in cold rolled strip based on magnetoelastic effect is presented． The sensor output characteristics were studied and its magnetic stress detection principle was also described． Using the ANSYS finite element method，simulation analysis of the structure carrying capacity of the calibration device model was conducted． Choosing a 50 Hz sinu￾soidal AC excitation system，a magnetic elastic stress measurement system prototype with the gap of 1. 5 mm was developed． A performance testing platform was built to characterize the sensor output test of the prototype． The testing results show that the device can achieve linear response for stress in the steel sheet and provide a new way for the wide application of the magnetic elastic stress measurement technology． KEY WORDS magnetoelastic effect; stress; finite element simulation; sensor; strip steel 收稿日期: 2015--01--06 基金项目: 国家科技支撑计划重点资助项目( 2011BAE13B05) ; 国家自然科学基金资助项目( 51075031) 板形是板带钢产品的主要质量指标之一，源自于 生产过程中带钢内部幅值较大的不均匀残余应力现 象，是导致冷轧板带材板形缺陷的主要原因． 目前冷 轧带钢轧机主要采用带张力的轧制方法，目的是为 了提高板形质量，降低轧制负荷和能耗，能够生产出 更薄的产品． 采用带张力轧制的关键是保持张力恒 定，以避免由于张力的变化而引起轧制力的变化，并 使得轧出的带钢纵向厚度不匀． 因此，对带钢的内应 力进行测量和控制成为提高板带材产品质量的首要 问题［1--2］． 板带材高速生产制造过程要求传感器在适应带钢 恶劣生产现场条件的前提下实现快速、可靠和优选的 非破坏性检测． 板形检测的主要方法是通过板形仪检 测带钢内应力分布［3］，当前用于冷轧带钢的板形仪主 流产品均采用分割辊接触压力检测方案，该类检测方 案灵敏度低，接触式测量易造成打滑划伤带钢和模具， 工装投资巨大，总性价比低，传感器布置在分割辊辊周 4 个等分点处，无法实现对板带材的连续测量．

曾杰伟等：透射式磁弹性带钢应力无损检测 13 可用于金属材料无损检测方法有许多种，其中X 异性传感器提供恒定的磁动势的条件下，磁路中磁阻 射线衍射法是一种获得广泛认可的应力检测技术，可 的变化将引起磁通的变化，传感器检测线圈感应出感 用于金属材料的浅表层残余应力检测.然而该方法属 生电动势的改变将反映这种变化切，从而可将非电量 于静态测量（试件静态），基于此方法的检测技术是一 的应力应变转换成可以测量的电量（如电压），达到应 种高度局部化的测试技术，需要以重复测量方式在不 力检测的目的.这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力 同位置检查一系列点的应力.鉴于此特点，应用于大 的基本原理，其变换过程为：F→△o→△u→△R.→AV, 面积材料表面应力测试时，X射线衍射法将耗费大量 其中△σ为应力变化量：μ为铁磁材料磁导率变化量： 工作时间，且检测设备复杂，因此无法用于带钢冷轧现 △R为磁路磁阻变化量；△V为传感器输出电压变 场快速检测.磁力效应法是一种可用于铁磁材料残余 化量圆 应力测试的方法，相比于超声波、X射线衍射和中子衍 1.2磁测应力系统简介 射等方法，基于磁特性的磁力效应法具有更易于测量 最简单的二磁极传感器如图1(a)所示.线圈内 和检测仪器更便宜的特点，因而更适合冷轧生产现场 通以等幅交流电进行磁化，测量检测线圈两端的感生 板带材的在线张力及残余应力快速检测. 电压.传感器不仅检测到传感器方向的磁导率，还检 基于磁力原理的应力测试技术已被广泛应用于钢 测到垂直方向磁导率的一部分.对二极磁探头而言， 铁和其他铁磁材料的结构应力及焊接残余应力等方面 一旦磁通量变化，就会引起检测线圈中的电压变化可 的无损检测四.内应力分布状况是影响不同应力工况 通过实验，确定检测线圈中感应电压变化与被测试样 下板材疲劳寿命的主要因素可.此外，磁测应力技术 应力变化的对应关系，即可用于二极探头应力检测的 可用于判定在役钢铁材料结构构件的实际受力情况， 标定.该磁测方式在大型构件焊接残余应力检测领域 确定板带材产品初始内应力状态，对即将发生的故障 得到成功的应用 能提前报警，避免故障的发生.本文基于磁弹效应提 针对冷轧带钢实际生产中所受现场条件的限制， 出了采用电磁透射方式评价应力和残余应力的方法， 本文将传统的单侧式传感器改为对侧式四磁极传感器 设计并制造了交变励磁与检测一体化传感器，通过搭 以适应带钢应力在线检测的需要，其布置方式如 建的测试平台对样机及标定块进行了传感器输出性能 图1(b)所示.此种布置形式的优点主要体现在以下 静态加载试验，以测试一体化传感器对钢板静态应力 两方面：首先，在绕制传感器线圈时避免了励磁传感器 的检测性能 和检测传感器间的机械接触，由此可供选择的传感器 磁芯大小和规格增多；另一方面，在生产现场冷轧带钢 1电磁应力检测的基本原理 会产生抖动，造成传感器测头与钢板表面间隙变化，采 1.1铁磁材料的逆磁致伸缩效应 用双侧布置易于实现间隙补偿圆 铁磁性材料磁化状态的变化伴随有材料尺寸变化 忽略漏磁场等因素的影响，当励磁线圈两端施加 的现象称之为材料磁致伸缩效应.反之，铁磁材料在 某一固定频率的交变电压E时，在励磁磁芯中将会产 外力如拉力、扭转力等作用下发生变形，其磁化强度将 生交变磁场，在被测试件表面也将形成交变磁场.当 随之发生变化的现象叫做材料的逆磁致伸缩效应（或 被测试件受到外力作用或者内部存在残余应力时，应 磁弹性效应或压磁效应)圆.在受到外载荷作用的情 力造成铁磁材料磁导率的变化，对于以钢板为代表的 况下，材料产生各向异性，因此应力或应变状态的变化 正磁致伸缩材料，其拉应力方向上磁导率增加，压应力 将会引起铁磁材料磁导率或磁阻的变化.在向磁各向 方向上磁导率减小，从而使得激励线圈产生的磁场发 (a) 检测线 励磁线图 待测构件 图1传统单侧式(a)与透射式磁测方式(b)示意图 Fig.I Schematic diagram of the magnetic measurement method:(a)unilateral:(b)penetrable

曾杰伟等: 透射式磁弹性带钢应力无损检测 可用于金属材料无损检测方法有许多种，其中 X 射线衍射法是一种获得广泛认可的应力检测技术，可 用于金属材料的浅表层残余应力检测． 然而该方法属 于静态测量( 试件静态) ，基于此方法的检测技术是一 种高度局部化的测试技术，需要以重复测量方式在不 同位置检查一系列点的应力． 鉴于此特点，应用于大 面积材料表面应力测试时，X 射线衍射法将耗费大量 工作时间，且检测设备复杂，因此无法用于带钢冷轧现 场快速检测． 磁力效应法是一种可用于铁磁材料残余 应力测试的方法，相比于超声波、X 射线衍射和中子衍 射等方法，基于磁特性的磁力效应法具有更易于测量 和检测仪器更便宜的特点，因而更适合冷轧生产现场 板带材的在线张力及残余应力快速检测． 基于磁力原理的应力测试技术已被广泛应用于钢 铁和其他铁磁材料的结构应力及焊接残余应力等方面 的无损检测［4］． 内应力分布状况是影响不同应力工况 下板材疲劳寿命的主要因素［5］． 此外，磁测应力技术 可用于判定在役钢铁材料结构构件的实际受力情况， 确定板带材产品初始内应力状态，对即将发生的故障 能提前报警，避免故障的发生． 本文基于磁弹效应提 出了采用电磁透射方式评价应力和残余应力的方法， 设计并制造了交变励磁与检测一体化传感器，通过搭 建的测试平台对样机及标定块进行了传感器输出性能 静态加载试验，以测试一体化传感器对钢板静态应力 的检测性能． 1 电磁应力检测的基本原理 图 1 传统单侧式( a) 与透射式磁测方式( b) 示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the magnetic measurement method: ( a) unilateral; ( b) penetrable 1. 1 铁磁材料的逆磁致伸缩效应 铁磁性材料磁化状态的变化伴随有材料尺寸变化 的现象称之为材料磁致伸缩效应． 反之，铁磁材料在 外力如拉力、扭转力等作用下发生变形，其磁化强度将 随之发生变化的现象叫做材料的逆磁致伸缩效应( 或 磁弹性效应或压磁效应) ［6］． 在受到外载荷作用的情 况下，材料产生各向异性，因此应力或应变状态的变化 将会引起铁磁材料磁导率或磁阻的变化． 在向磁各向 异性传感器提供恒定的磁动势的条件下，磁路中磁阻 的变化将引起磁通的变化，传感器检测线圈感应出感 生电动势的改变将反映这种变化［7］，从而可将非电量 的应力应变转换成可以测量的电量( 如电压) ，达到应 力检测的目的． 这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力 的基本原理，其变换过程为: F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV， 其中 Δσ 为应力变化量; μ 为铁磁材料磁导率变化量; ΔRm 为磁 路 磁 阻 变 化 量; ΔV 为传感器输出电压变 化量［8］． 1. 2 磁测应力系统简介 最简单的二磁极传感器如图 1( a) 所示． 线圈内 通以等幅交流电进行磁化，测量检测线圈两端的感生 电压． 传感器不仅检测到传感器方向的磁导率，还检 测到垂直方向磁导率的一部分． 对二极磁探头而言， 一旦磁通量变化，就会引起检测线圈中的电压变化［9］． 通过实验，确定检测线圈中感应电压变化与被测试样 应力变化的对应关系，即可用于二极探头应力检测的 标定． 该磁测方式在大型构件焊接残余应力检测领域 得到成功的应用． 针对冷轧带钢实际生产中所受现场条件的限制， 本文将传统的单侧式传感器改为对侧式四磁极传感器 以适应 带 钢 应 力 在 线 检 测 的 需 要，其 布 置 方 式 如 图 1( b) 所示． 此种布置形式的优点主要体现在以下 两方面: 首先，在绕制传感器线圈时避免了励磁传感器 和检测传感器间的机械接触，由此可供选择的传感器 磁芯大小和规格增多; 另一方面，在生产现场冷轧带钢 会产生抖动，造成传感器测头与钢板表面间隙变化，采 用双侧布置易于实现间隙补偿［8］． 忽略漏磁场等因素的影响，当励磁线圈两端施加 某一固定频率的交变电压 E 时，在励磁磁芯中将会产 生交变磁场，在被测试件表面也将形成交变磁场． 当 被测试件受到外力作用或者内部存在残余应力时，应 力造成铁磁材料磁导率的变化，对于以钢板为代表的 正磁致伸缩材料，其拉应力方向上磁导率增加，压应力 方向上磁导率减小，从而使得激励线圈产生的磁场发 ·13·

·14 工程科学学报，第37卷，增刊1 生扭曲，检测传感器的两个磁芯探头不再位于磁场的 示形状时，中间被测薄板应力值较大，同时整个试件变 等强度磁势线上·当变化的磁通流过检测磁芯将在检 形较小，在薄板产生同样大小应力时所需加载力也 测线圈中产生感应电动势，并由此产生与应力成比例 较小. 关系的电压信号 通过给试件模型上下两个表面各加载10kN压 本试验中，励磁电源由工频电源变压器和调压器 力，整个试件所受应力如图4所示，试件应力最大部分 组成，工作电路频率为50Hz.励磁电路采用由电感L、 为中间薄板.由模型分析可知，在外载荷为10kN时中 电容C与等效电阻R组成的并联谐振电路，实验中电 间被测薄板主要承受拉力，其水平方向应力状态如图 感由一个自制的可调电感和两个固定电感串联而成， 5所示. 电容采用无极性电容.实验使用50z固定频率电源 AN 作为励磁电源，通过调整电感值来达到谐振状态.励 磁谐振电路如图2所示 可调电感 传感器 电感器 开关 电容器 电阻器 交流电源 1.43x101 5.67×10 ⊙ 图4试件应力分布图 图2励磁谐振电路示意图 Fig.4 Stress distribution of the specimen Fig.2 Schematic diagram of the excitation resonant circuit N 图3是有加载力时采用的测量系统框图.电源采 用220V,50Hz交流电源，通过固定变压器将电压降 低，然后接入可调变压器.励磁传感器和检测传感器 与试件采用有机硅橡胶进行固定.检测线圈经过滤波 放大，接入示波器，实验过程使用示波器监测输出的波 形，并通过计算机记录示波器中波形及幅值相位的 变化. 励磁传感器 U型磁芯励磁线圈 励磁电路调压器变压器电源 300x10322x102344x10 367×10 ,389x10 3.11×103.33x10 3.56x103.78x1 400x10 被测试样 万用表 图5被测薄板水平方向应力分布图 感应传感器 Fig.5 Horizontal stress distribution of the specimen U型磁芯 感应线圈 滤波放大 示波器 计算机 随着模型加载力不断增加，模型将逐渐达到其屈 图3电磁检测系统原理框图 服极限，产生塑形变形.试件材料选用的是Q235和经 Fig.3 Block diagram of the electromagnetic testing system 过调质处理的45钢.经过分析，材料为Q235的试件 模型达到屈服变形所能承受临界压力为5kN.当加载 2 标定块的设计与分析 压力超过5kN,试件将发生塑型变形，被测薄板上应力 2.1应力试件的仿真分析 状态将不符合重复实验的要求.经过调质处理的45 实验中使用加载设备为手动式液压压力机，所用 钢试件模型达到屈服变形所加载的临界压力为6kN 试件需要不断的重复加载卸载，同时保持试件应力状 当加载压力超过6kN时，试件同样会发生塑形变形 态不受外界环境影响.在实验中，为了满足重复试验， 在实验中，加载最大压力取理论分析临界压力的 以及尽量消除被测试件结构及应力状态的影响，本文 80%. 设计并制作了可以重复加载的应力试件，通过ANSYS 2.2应力试件贴片实验 有限元仿真，确定了较为理想的试件形状和尺寸 为了测试拉应力标定块形变时的应变输出，分析 采用ANSYS建立不同尺寸模型，模型在如图4所 中间应变板的性能，实验采用东华数据监测装置为系

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 生扭曲，检测传感器的两个磁芯探头不再位于磁场的 等强度磁势线上． 当变化的磁通流过检测磁芯将在检 测线圈中产生感应电动势，并由此产生与应力成比例 关系的电压信号． 本试验中，励磁电源由工频电源变压器和调压器 组成，工作电路频率为 50 Hz． 励磁电路采用由电感 L、 电容 C 与等效电阻 R 组成的并联谐振电路，实验中电 感由一个自制的可调电感和两个固定电感串联而成， 电容采用无极性电容． 实验使用 50 Hz 固定频率电源 作为励磁电源，通过调整电感值来达到谐振状态． 励 磁谐振电路如图 2 所示． 图 2 励磁谐振电路示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the excitation resonant circuit 图 3 是有加载力时采用的测量系统框图． 电源采 用 220 V，50 Hz 交流电源，通过固定变压器将电压降 低，然后接入可调变压器． 励磁传感器和检测传感器 与试件采用有机硅橡胶进行固定． 检测线圈经过滤波 放大，接入示波器，实验过程使用示波器监测输出的波 形，并通过计算机记录示波器中波形及幅值相位的 变化． 图 3 电磁检测系统原理框图 Fig． 3 Block diagram of the electromagnetic testing system 2 标定块的设计与分析 2. 1 应力试件的仿真分析 实验中使用加载设备为手动式液压压力机，所用 试件需要不断的重复加载卸载，同时保持试件应力状 态不受外界环境影响． 在实验中，为了满足重复试验， 以及尽量消除被测试件结构及应力状态的影响，本文 设计并制作了可以重复加载的应力试件，通过 ANSYS 有限元仿真，确定了较为理想的试件形状和尺寸． 采用 ANSYS 建立不同尺寸模型，模型在如图 4 所 示形状时，中间被测薄板应力值较大，同时整个试件变 形较小，在薄板产生同样大小应力时所需加载力也 较小． 通过给试件模型上下两个表面各加载 10 kN 压 力，整个试件所受应力如图 4 所示，试件应力最大部分 为中间薄板． 由模型分析可知，在外载荷为 10 kN 时中 间被测薄板主要承受拉力，其水平方向应力状态如图 5 所示． 图 4 试件应力分布图 Fig． 4 Stress distribution of the specimen 图 5 被测薄板水平方向应力分布图 Fig． 5 Horizontal stress distribution of the specimen 随着模型加载力不断增加，模型将逐渐达到其屈 服极限，产生塑形变形． 试件材料选用的是 Q235 和经 过调质处理的 45# 钢． 经过分析，材料为 Q235 的试件 模型达到屈服变形所能承受临界压力为 5 kN． 当加载 压力超过 5 kN，试件将发生塑型变形，被测薄板上应力 状态将不符合重复实验的要求． 经过调质处理的 45# 钢试件模型达到屈服变形所加载的临界压力为 6 kN． 当加载压力超过 6 kN 时，试件同样会发生塑形变形． 在实验 中，加 载 最 大 压 力 取 理 论 分 析 临 界 压 力 的 80% ． 2. 2 应力试件贴片实验 为了测试拉应力标定块形变时的应变输出，分析 中间应变板的性能，实验采用东华数据监测装置为系 ·14·

曾杰伟等：透射式磁弹性带钢应力无损检测 15 统数据采集系统，利用实验室20[液压试验机为拉应 两种测量方式的验证实验 力标定块提供稳定压下力.实验时试样的应变测量采 测试用简易型水平应力装置，如图8所示，其主要 用单向应变片和应变仪采集获得，全桥式电路连接 部件是上文设计的压力试件，延垂直对角线方向施加 压力机应用及贴片实验实际测试接线如图6所示. 压力（压力值由标准测力计显示），在与水平对角相连 的膜片上产生水平张应力.该膜片的上下方装有发射 和接收探头，探头内部正交配置两组线圈.加载前预 调零，加载后取两组信号的差值输出，该差动信号可反 映膜片水平方向应力的大小 图6实际测试接线图 Fig.6 Wiring diagram of the measurement test 确认接线无误后开启主机，预热数分钟后电路工 作趋于稳定.调节模块上W。调平电位器，使桥路输出 为0.记录实验数据，绘制曲线.操作液压压力机使拉 力环受压变形量每次递增0.1mm,记录实验数据，绘 图8应力测试加载装置 制实验曲线，如图7所示 Fig.8 Stress test loading device 140 单侧测量采用前文所述二磁极检测方式，激励线 120 圈和检测线圈位于同侧.磁极与钢板间距离为0.3~ 100 0.5mm,线圈固定于试件一垂直侧边，磁芯长度方向为 竖直方向.励磁电流分别为50、100和150mA.励磁线 80 60 圈由0.4mm高强度漆包线绕制，匝数300匝.检测线 口第一次加截 圈为0.2mm高强度漆包线绕制，匝数800匝.加载力 40 。一第二次加载 依次增加1kN,记录检测系统输出信号，加载至8kN 20 后获得了如图9所示的感应信号变化曲线. 0 60r 0.5 1.01.52.0 2.5 55 -o-150mA 压下量mm 50 -a-100mA 图7水平应力随压下量变化曲线图 45 --50 mA Fig.7 Relationship between horizontal stress and pressure 40L 35 30 通过对所设计的应力标定试件的分析，以及有限 5 元仿真受力分析和应力标定块贴片实验，经反复实验 20 验证后得到了十分稳定的应力与压下量的关系曲线， 10L 为后续实验提供了理想的标定装置 3应力测量实验 4 压力kN 电磁法测量应力的前提是必须能够测量得到接收 图9单侧式磁测实验信号随应力变化曲线 信号与应力变化的关系，因此电磁法应力定性实验成 Fig.9 Sense signal curve with stress variation of the unilateral meas- urement experiment 为验证电磁应力测量方法可行性的前提.得到接收信 号与材料内应力的变化关系即可通过标定等方法在线 在单侧测量方式下，励磁电流为50mA时，励磁线 检测残余应力的分布情况.实验采用图5所示的可重 圈产生磁场较弱，磁化强度较低，应力变化对磁测信号 复加载试件，中部被测钢板厚度为4mm,试件采用 的影响较小.随着磁化电流的增加，励磁线圈产生的 Q235钢加工而成，系统调试后进行了单侧式和透射式 磁场逐渐变强，被测材料的磁化强度逐渐增强，磁特性

曾杰伟等: 透射式磁弹性带钢应力无损检测 统数据采集系统，利用实验室 20 t 液压试验机为拉应 力标定块提供稳定压下力． 实验时试样的应变测量采 用单向应变片和应变仪采集获得，全桥式电路连接． 压力机应用及贴片实验实际测试接线如图 6 所示． 图 6 实际测试接线图 Fig． 6 Wiring diagram of the measurement test 确认接线无误后开启主机，预热数分钟后电路工 作趋于稳定． 调节模块上 WD 调平电位器，使桥路输出 为 0． 记录实验数据，绘制曲线． 操作液压压力机使拉 力环受压变形量每次递增 0. 1 mm，记录实验数据，绘 制实验曲线，如图 7 所示． 图 7 水平应力随压下量变化曲线图 Fig． 7 Relationship between horizontal stress and pressure 通过对所设计的应力标定试件的分析，以及有限 元仿真受力分析和应力标定块贴片实验，经反复实验 验证后得到了十分稳定的应力与压下量的关系曲线， 为后续实验提供了理想的标定装置． 3 应力测量实验 电磁法测量应力的前提是必须能够测量得到接收 信号与应力变化的关系，因此电磁法应力定性实验成 为验证电磁应力测量方法可行性的前提． 得到接收信 号与材料内应力的变化关系即可通过标定等方法在线 检测残余应力的分布情况． 实验采用图 5 所示的可重 复加载试件，中部被测钢板厚度为 4 mm，试 件 采 用 Q235 钢加工而成，系统调试后进行了单侧式和透射式 两种测量方式的验证实验． 测试用简易型水平应力装置，如图 8 所示，其主要 部件是上文设计的压力试件，延垂直对角线方向施加 压力( 压力值由标准测力计显示) ，在与水平对角相连 的膜片上产生水平张应力． 该膜片的上下方装有发射 和接收探头，探头内部正交配置两组线圈． 加载前预 调零，加载后取两组信号的差值输出，该差动信号可反 映膜片水平方向应力的大小． 图 8 应力测试加载装置 Fig． 8 Stress test loading device 单侧测量采用前文所述二磁极检测方式，激励线 圈和检测线圈位于同侧． 磁极与钢板间距离为 0. 3 ～ 0. 5 mm，线圈固定于试件一垂直侧边，磁芯长度方向为 竖直方向． 励磁电流分别为50、100 和150 mA． 励磁线 圈由 0. 4 mm 高强度漆包线绕制，匝数 300 匝． 检测线 圈为 0. 2 mm 高强度漆包线绕制，匝数 800 匝． 加载力 依次增加 1 kN，记录检测系统输出信号，加载至 8 kN 后获得了如图 9 所示的感应信号变化曲线． 图 9 单侧式磁测实验信号随应力变化曲线 Fig． 9 Sense signal curve with stress variation of the unilateral meas￾urement experiment 在单侧测量方式下，励磁电流为 50 mA 时，励磁线 圈产生磁场较弱，磁化强度较低，应力变化对磁测信号 的影响较小． 随着磁化电流的增加，励磁线圈产生的 磁场逐渐变强，被测材料的磁化强度逐渐增强，磁特性 ·15·

·16 工程科学学报，第37卷，增刊1 对应力的敏感度也逐渐增加.横轴压力开始从零增大 和150mA时，磁测信号变化明显，这时候磁化强度达 时，检测信号也随着逐渐增强：当压力达到一定值时， 到技术磁化曲线中斜率较高的区域，应力对磁测信号 检测信号开始减小，实验结果线性度不佳且临界点无 的影响更为明显.通过该试验中100mA和150mA电 明显规律可循 流下应力状态曲线，两条曲线与前文所述电阻应变片 对侧式励磁线圈与检测线圈位于被测板两侧，两 验证实验中的应力曲线的变化趋势基本一致，线性度 传感器探头与钢板间距约为0.3~0.5mm,激励传感 较为理想.本文验证了所设计的磁测法在应力测量中 器磁芯长度方向与被测钢板长度方向成45°，激励线 的可行性 圈与检测线圈之间成垂直状态，如图10所示 4结论 (1)本文应用逆磁致伸缩效应评价静态加载过程 中Q235钢板内应力对磁弹性应力测试传感器输出特 性的影响，为实现板带材在线内应力的无损检测探寻 可行方案并奠定理论基础 (2)为了满足重复试验要求以及尽量消除外界环 境对被测试件结构及应力状态的影响，本文设计了可 重复加载的应力试件模型，并通过ANSYS有限元仿真 软件对该模型进行了仿真分析，确定了合理的试件形 图10张力测试标定装置及透射式四磁极传感器安装方式 状和结构尺寸参数.在此基础上试制了标定装置试 Fig.10 Calibration device of the tension test and the installation of 样.仿真和试验结果表明，该标定试样达到了预期的 the penetrable quadrapole sensor 设计指标，误差在允许范围内 励磁电流分别为50、100和150mA.传感器参数： (3)针对冷轧带钢生产现场实际工况，本文提出 励磁传感器线圈由0.4mm高强度漆包线绕制，匝数为 了一种四磁极透射式应力磁检测新方法.基于此方法 200匝，磁芯采用U-U20的Mn-Zn铁氧体磁芯.检测 设计的磁弹性应力测试样机和低碳钢标定试件在单向 线圈由0.2mm高强度漆包线绕制，匝数为1000匝，磁 应力拉伸试验中呈现了可重复性的稳定实验结果，低 芯与励磁线圈相同.加载力依次增加1kN,记录检测 碳钢标定试件整体所承受压力与钢板应变呈高度线性 系统输出信号，加载至8kN后获得了如图11所示的 相关性，与钢板应变相对应的内部拉应力与传感器磁 感应信号变化曲线 特性输出呈良好线性关系.实验结果显示对于薄板带 铁磁材料，透射式应力磁检测方案优于传统单侧式检 35r 30 -0-150mA 测方案.该应用示例显示了基于磁性测量技术的带钢 --100mA 无损检测方法具有光明的应用前景 25 -0-50mA 参考文献 [1]Dai JT,Zhang Q D.Analysis and experiment oncentral buckling 10 and post buckling of thin cold-rolled sheet.Chin J Mfech Eng, 2011,47(2):44 (戴杰涛，张清东.冷轧薄板中浪板形缺陷的屈曲及后屈曲理 论与轧制试验研究.机械工程学报，2011,47(2)：44) 2]Sun T K,Liu C J,Zhao Y H.Cold-tolled strip tension measure- 压力kN ment.J Angang Technol,1995,29(04):22 图11透射式磁测实验信号随应力变化曲线 (孙铁铠，刘承杰，赵永和.冷轧带钢张力测量.鞍钢技术， Fig.11 Sense signal curve with stress variation of the penetrable 1995,29(04):22) measurement experiment B]Wang G D.Shape Control and Shape Theory.Beijing:Metallurgi- 励磁电流为50mA时，线圈产生磁场较弱，基本检 cal Industry Press,1986 测不到应力对磁测信号的影响.这是由于磁化电流太 (王国栋.板形控制和板形理论.北京：治金工业出版社， 1986) 弱，由磁化理论可知，钢板的磁化强度很弱，整个磁路 4]Jiles D,Review of magnetic methods for nondestructive evalua- 中沿钢板所形成的磁通量很小，另外电流过小导致励 tion.NDT E In,1988,21(2):311 磁线圈磁场穿透性较差，所以沿钢板的磁路磁特性的 5] Zhang QD,Dai J T.Simulation of warping deformation in thin 变化对检测信号影响很小.当磁化电流增加到100mA steel strip.JUnit Sci Technol Beijing,2011,33(8):1006

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 对应力的敏感度也逐渐增加． 横轴压力开始从零增大 时，检测信号也随着逐渐增强; 当压力达到一定值时， 检测信号开始减小，实验结果线性度不佳且临界点无 明显规律可循． 对侧式励磁线圈与检测线圈位于被测板两侧，两 传感器探头与钢板间距约为 0. 3 ～ 0. 5 mm，激励传感 器磁芯长度方向与被测钢板长度方向成 45°，激励线 圈与检测线圈之间成垂直状态，如图 10 所示． 图 10 张力测试标定装置及透射式四磁极传感器安装方式 Fig． 10 Calibration device of the tension test and the installation of the penetrable quadrapole sensor 励磁电流分别为 50、100 和 150 mA． 传感器参数: 励磁传感器线圈由 0. 4 mm 高强度漆包线绕制，匝数为 200 匝，磁芯采用 U--U20 的 Mn--Zn 铁氧体磁芯． 检测 线圈由 0. 2 mm 高强度漆包线绕制，匝数为 1000 匝，磁 芯与励磁线圈相同． 加载力依次增加 1 kN，记录检测 系统输出信号，加载至 8 kN 后获得了如图 11 所示的 感应信号变化曲线． 图 11 透射式磁测实验信号随应力变化曲线 Fig． 11 Sense signal curve with stress variation of the penetrable measurement experiment 励磁电流为 50 mA 时，线圈产生磁场较弱，基本检 测不到应力对磁测信号的影响． 这是由于磁化电流太 弱，由磁化理论可知，钢板的磁化强度很弱，整个磁路 中沿钢板所形成的磁通量很小，另外电流过小导致励 磁线圈磁场穿透性较差，所以沿钢板的磁路磁特性的 变化对检测信号影响很小． 当磁化电流增加到 100 mA 和 150 mA 时，磁测信号变化明显，这时候磁化强度达 到技术磁化曲线中斜率较高的区域，应力对磁测信号 的影响更为明显． 通过该试验中 100 mA 和 150 mA 电 流下应力状态曲线，两条曲线与前文所述电阻应变片 验证实验中的应力曲线的变化趋势基本一致，线性度 较为理想． 本文验证了所设计的磁测法在应力测量中 的可行性． 4 结论 ( 1) 本文应用逆磁致伸缩效应评价静态加载过程 中 Q235 钢板内应力对磁弹性应力测试传感器输出特 性的影响，为实现板带材在线内应力的无损检测探寻 可行方案并奠定理论基础． ( 2) 为了满足重复试验要求以及尽量消除外界环 境对被测试件结构及应力状态的影响，本文设计了可 重复加载的应力试件模型，并通过 ANSYS 有限元仿真 软件对该模型进行了仿真分析，确定了合理的试件形 状和结构尺寸参数． 在此基础上试制了标定装置试 样． 仿真和试验结果表明，该标定试样达到了预期的 设计指标，误差在允许范围内． ( 3) 针对冷轧带钢生产现场实际工况，本文提出 了一种四磁极透射式应力磁检测新方法． 基于此方法 设计的磁弹性应力测试样机和低碳钢标定试件在单向 应力拉伸试验中呈现了可重复性的稳定实验结果，低 碳钢标定试件整体所承受压力与钢板应变呈高度线性 相关性，与钢板应变相对应的内部拉应力与传感器磁 特性输出呈良好线性关系． 实验结果显示对于薄板带 铁磁材料，透射式应力磁检测方案优于传统单侧式检 测方案． 该应用示例显示了基于磁性测量技术的带钢 无损检测方法具有光明的应用前景． 参 考 文 献 ［1］ Dai J T，Zhang Q D． Analysis and experiment oncentral buckling and post buckling of thin cold-rolled sheet． Chin J Mech Eng， 2011，47( 2) : 44 ( 戴杰涛，张清东． 冷轧薄板中浪板形缺陷的屈曲及后屈曲理 论与轧制试验研究． 机械工程学报，2011，47( 2) : 44) ［2］ Sun T K，Liu C J，Zhao Y H． Cold-rolled strip tension measure￾ment． J Angang Technol，1995，29( 04) : 22 ( 孙铁铠，刘承杰，赵永和． 冷轧带钢张力测量． 鞍钢技术， 1995，29( 04) : 22) ［3］ Wang G D． Shape Control and Shape Theory． Beijing: Metallurgi￾cal Industry Press，1986 ( 王国栋． 板 形 控 制 和 板 形 理 论． 北 京: 冶金工业出版社， 1986) ［4］ Jiles D，Review of magnetic methods for nondestructive evalua￾tion． NDT E Int，1988，21( 2) : 311 ［5］ Zhang Q D，Dai J T． Simulation of warping deformation in thin steel strip． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 8) : 1006 ·16·

曾杰伟等：透射式磁弹性带钢应力无损检测 ·17· (张清东，戴杰涛.带钢板形翘曲变形行为的仿真.北京科技 [8]Zeng J W,Su L H,Xu L P,et al.Research on the stress meas- 大学学报，2011,33(8)：1006) urement of steel plate based on inverse magnetostrictive effect.J [6]Sablik M,Chen Y,Jiles D.Modified law of approach for the mag- Mech Eng,2014,50(8):17 neto mechanical model.Rev Progr Quant Nondestruct Eral,2000, (曾杰伟，苏兰海，徐立坪，等.逆磁致伸缩效应钢板内应力 19(4):1565 检测技术研究.机械工程学报，2014,50(8)：17) Wen X Q,Ning X M,Zhang YZ,et al.Development of technol- ]Feng S B.Theoretical and Experimental Study of Magnetic Method ogy and application for magnetostrictive sensor.J Transducer Tech- of Residual Stress Testing [Dissertation].Beijing:Tsinghua Uni- mol,2003,22(2):1 versity,1997 (文西芹，宁晓明，张永忠，等.磁致伸缩传感器技术应用的 (冯升波.磁测残余应力法的基本理论和实验研究[学位论 发展.传感器技术，2003,22(2)：1) 文].北京：清华大学，1997)

曾杰伟等: 透射式磁弹性带钢应力无损检测 ( 张清东，戴杰涛． 带钢板形翘曲变形行为的仿真． 北京科技 大学学报，2011，33( 8) : 1006) ［6］ Sablik M，Chen Y，Jiles D． Modified law of approach for the mag￾neto mechanical model． Rev Progr Quant Nondestruct Eval，2000， 19( 4) : 1565 ［7］ Wen X Q，Ning X M，Zhang Y Z，et al． Development of technol￾ogy and application for magnetostrictive sensor． J Transducer Tech￾nol，2003，22( 2) : 1 ( 文西芹，宁晓明，张永忠，等． 磁致伸缩传感器技术应用的 发展． 传感器技术，2003，22( 2) : 1) ［8］ Zeng J W，Su L H，Xu L P，et al． Research on the stress meas￾urement of steel plate based on inverse magnetostrictive effect． J Mech Eng，2014，50( 8) : 17 ( 曾杰伟，苏兰海，徐立坪，等． 逆磁致伸缩效应钢板内应力 检测技术研究． 机械工程学报，2014，50( 8) : 17) ［9］ Feng S B． Theoretical and Experimental Study of Magnetic Method of Residual Stress Testing［Dissertation］． Beijing: Tsinghua Uni￾versity，1997 ( 冯升波． 磁测残余应力法的基本理论和实验研究［学位论 文］． 北京: 清华大学，1997) ·17·