第12期 陈耕野等：钢棒拉应力电学谱纹测试实验研究 .1645. 件尺寸见表1试件表面做抛光处理，沿中心轴向处 线圈的电压信号频率f依次为100200300400 粘贴应变片，测量试件在轴向拉伸作用下的应变， 500和600Hz 表1钢棒试件尺寸 2实验数据及处理 Table I Diension of steel bar specmens mm 钢号 D1 D2 2.1单频感应电动势随应力变化曲线 Q235 300 200 20 16 图5为实验中对六个钢棒试件在六个频率点进 行实验的数据曲线，由于数据较多，为简明起见，只 函数信号发生器输出交变信号进入传感线圈产 列出频率为400Hz时的应力感应电动势曲线，并 生交变磁场，在钢棒上感应出电动势.测点处测试 将其分为三类描述.图5(a)中试件15随应力增 到的感应电动势经放大整流后，通过A个转换成二 大，感应电动势呈曲线上升；图5(b)中试件23的 进制数，利用计算机进行点击采样，同时记录钢棒的 应力感应电动势曲线则先上升后下降；图5(c)中 应变数值.使用液压式万能试验机对钢棒进行拉伸 试件46的应力感应电动势曲线则呈直线上升. 加载，加载步长为3kN,加载范围为0~39kN.输入 图中R表示相关系数 1.90 1.85r 1.90 (a) (b) 1.85试件5R=0.9897 1.80 1.85试件6R2-0.9920 试件12=0.9697 1.75 试件2=0.8469 动1.80 一南 ▣1.75 1.70 要165 试件32=0.9850 试件42-0.9678 1.70 1.65 50 100150 200 1.606 50 100 150 200 1.65 50100150200 应力.o/MPa 应力.oMPa 应力，o/MPa 图5单频感应电动势随应力变化实验曲线。(a)试件15(b)试件23()试件46 Fig5 Experinental curves of sngle-frequency electmmotive fore changng with stress (a)Specmens I and 5:(b)Specmens 2 and 3:(c)Speci men 4 and 6 2.2变频感应电动势随应力变化谱纹 =-%(Hs) (2) 实验按100~600Hz频率段，间隔100Hz进行， 选择五个应力水平，1560105150和180MPa分 息=-%Ms) (3) 级进行加载.记录下了每一级荷载F应力·和感 式中：Φ为x方向磁通量，WbS为测试线圈磁路 应电动势，并将测试数据绘制成如图6所示的应 截面积，m;B为x方向磁感应强度，T为初始感 力感应电动势谱纹，依据图6中数据，对于某一固 应电动势，mV为真空介质感应电动势，mV:为 定应力值，感应电动势随着频率增加总体呈下降趋 铁磁材料磁化感应电动势，mV:为真空磁导率， 势.而随着应力水平的提高，钢棒应力感应电动势 Hm;H为磁场强度，Am;M为铁磁质磁化强 谱线逐渐上升 度，Am 3实验机理分析 图7单个电子自旋磁矩在磁场和应力场中，磁 矩m处在与x轴呈α夹角位置，当钢材受拉伸作用 3.1应力与感应电动势 时，拉应力使分子电流和磁矩按顺时针方向偏转， 如图7所示，铁磁材料内部分子电流产生的磁 磁化强度在x轴投影增大 矩在应力作用下将发生偏转，改变磁化强度在磁感 一个磁域内所有磁矩在x轴上投影得到的磁化 应强度B方向上的投影，依据电磁感应定律，零应 强度为 力状态下的感应电动势由真空介质和铁磁材料磁化 两部分构成，即 (4) △V ==一d(B·S)=f十气 式中：下标ⅰ汾别为电子自旋磁矩和磁域的序号； (1) △V为磁域体积，m.第 12期 陈耕野等： 钢棒拉应力电学谱纹测试实验研究 件尺寸见表1．试件表面做抛光处理‚沿中心轴向处 粘贴应变片‚测量试件在轴向拉伸作用下的应变． 表 1 钢棒试件尺寸 Ｔａｂｌｅ1 Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌｂａｒｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｍｍ 钢号 Ｌ1 Ｌ2 Ｄ1 Ｄ2 Ｑ235 300 200 20 16 函数信号发生器输出交变信号进入传感线圈产 生交变磁场‚在钢棒上感应出电动势．测点处测试 到的感应电动势经放大整流后‚通过 Ａ／Ｄ转换成二 进制数‚利用计算机进行点击采样‚同时记录钢棒的 应变数值．使用液压式万能试验机对钢棒进行拉伸 加载‚加载步长为 3ｋＮ‚加载范围为 0～39ｋＮ．输入 线圈的电压信号频率 ｆ依次为 100、200、300、400、 500和 600Ｈｚ． 2 实验数据及处理 2∙1 单频感应电动势随应力变化曲线 图 5为实验中对六个钢棒试件在六个频率点进 行实验的数据曲线．由于数据较多‚为简明起见‚只 列出频率为 400Ｈｚ时的应力--感应电动势曲线‚并 将其分为三类描述．图 5（ａ）中试件 1、5随应力增 大‚感应电动势呈曲线上升；图 5（ｂ）中试件 2、3的 应力--感应电动势曲线则先上升后下降；图 5（ｃ）中 试件 4、6的应力--感应电动势曲线则呈直线上升． 图中 Ｒ表示相关系数． 图 5 单频感应电动势随应力变化实验曲线．（ａ） 试件 1、5；（ｂ） 试件 2、3；（ｃ） 试件 4、6 Ｆｉｇ．5 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｕｒｖｅｓｏｆｓｉｎｇｌｅ-ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅｃｈａｎｇｉｎｇｗｉｔｈｓｔｒｅｓｓ：（ａ） Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ1ａｎｄ5；（ｂ） Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ2ａｎｄ3；（ｃ） Ｓｐｅｃｉ- ｍｅｎ4ａｎｄ6 2∙2 变频感应电动势随应力变化谱纹 实验按 100～600Ｈｚ频率段‚间隔 100Ｈｚ进行． 选择五个应力水平‚15、60、105、150和 180ＭＰａ‚分 级进行加载．记录下了每一级荷载 Ｆｊ、应力 σｊ和感 应电动势 ξｉ‚并将测试数据绘制成如图 6所示的应 力感应电动势谱纹．依据图 6中数据‚对于某一固 定应力值‚感应电动势随着频率增加总体呈下降趋 势．而随着应力水平的提高‚钢棒应力感应电动势 谱线逐渐上升． 3 实验机理分析 3∙1 应力与感应电动势 如图 7所示‚铁磁材料内部分子电流产生的磁 矩在应力作用下将发生偏转‚改变磁化强度在磁感 应强度 Ｂ方向上的投影．依据电磁感应定律‚零应 力状态下的感应电动势由真空介质和铁磁材料磁化 两部分构成‚即 ξ0＝— ｄΦｘ ｄｔ ＝— ｄ ｄｔ （Ｂｘ·Ｓ）＝ξｖ＋ξｍ （1） ξｖ＝—μ0 ｄ ｄｔ （Ｈｘ·Ｓ） （2） ξｍ ＝—μ0 ｄ ｄｔ （Ｍｘ·Ｓ） （3） 式中：Φｘ为 ｘ方向磁通量‚Ｗｂ；Ｓ为测试线圈磁路 截面积‚ｍ 2；Ｂｘ为 ｘ方向磁感应强度‚Ｔ；ξ0为初始感 应电动势‚ｍＶ；ξｖ为真空介质感应电动势‚ｍＶ；ξｍ为 铁磁材料磁化感应电动势‚ｍＶ；μ0为真空磁导率‚ Ｈ·ｍ —1；Ｈｘ为磁场强度‚Ａ·ｍ —1；Ｍｘ为铁磁质磁化强 度‚Ａ·ｍ —1． 图 7单个电子自旋磁矩在磁场和应力场中‚磁 矩 ｍ处在与 ｘ轴呈 α夹角位置．当钢材受拉伸作用 时‚拉应力使分子电流 Ｉ和磁矩按顺时针方向偏转‚ 磁化强度在 ｘ轴投影增大． 一个磁域内所有磁矩在 ｘ轴上投影得到的磁化 强度为 Ｍｘｊ＝∑ｍｉｃｏｓαｉ ΔＶｊ （4） 式中：下标 ｉ‚ｊ分别为电子自旋磁矩和磁域的序号； ΔＶｊ为磁域体积‚ｍ 3． ·1645·