【正文】 Z 2K H Z Z 3K H Z 0 100 200 300 400800120016002021240028003200 1KHZ 2KHZ 3KHZBz電壓/mv應(yīng)力/MPa （ 3） 應(yīng)力 Bx方向電壓曲線（激勵(lì)電流 2A） （ 4） 應(yīng)力 Bz方向電壓曲線（ 激勵(lì)電流 2A） 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 20 100 0 100 200 300 4000153045607590Bx電壓變化量/mv應(yīng)力/MPa 1KHZ 2KHZ 3KHZ100 0 100 200 300 4000153045607590Bz電壓變化量/mv應(yīng)力/MPa 1KHZ 1. 5KHZ 2KHZ 2. 5KHZ 3KHZ （ 5） 應(yīng)力 Bx電壓變化量（激勵(lì)電流 1A） （ 6） 應(yīng)力 Bz 電壓變化量（激勵(lì)電流 1A） 100 0 100 200 300 4000153045607590Bx電壓變化量/mv應(yīng)力/MPa 1KHZ 2KHZ 3 KHZ100 0 100 200 300 4000153045607590Bz電壓變化量/mv應(yīng)力/MPa 1KHZ 1. 5KHZ 2KHZ 2. 5KHZ 3KHZ （ 7） 應(yīng)力 Bx電壓變化量（激勵(lì)電流 2A） （ 8） 應(yīng)力 Bz 電壓變化量（激勵(lì)電流 2A） 圖 由表 41 所得數(shù)據(jù)，以及上圖 分析可知：由圖 （ 1） 和 （ 3） 可知， Bx電壓隨 著應(yīng)力增加，有緩慢增加的趨勢(shì)，而由圖 （ 2） 和 （ 4） 可知， Bz 電壓隨著應(yīng)力增加，基本保持不變。 （ 5）利用 origin Lab 軟件對(duì)表 41中數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。試樣安裝圖 如下： 圖 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 18 （ 3）在無(wú)加載應(yīng)力下， 激勵(lì)源的激勵(lì)頻率和激勵(lì)電流組合如表 41，測(cè)出初始值 :用數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)檢波電路 X方向和 Z方向輸出電壓 。 （ a）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)方案界面 （ b）試樣參數(shù)設(shè)置界面 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué) 士學(xué)位論文 17 （ c）坐標(biāo)方式選擇界面 （ d）引伸計(jì)參數(shù)設(shè)置界面 （ e）程控編輯設(shè)置界面 （ f）拉伸實(shí)驗(yàn)檢測(cè)界面 （ g）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析界面 圖 拉伸試驗(yàn)參 數(shù)設(shè)定界面圖 （ 2） 安裝試樣前，首先將顯示窗口的試驗(yàn)力清零。 最大加載力為 100 噸，可以滿足本次南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 16 實(shí)驗(yàn)要求， 它的外形圖 如下： 圖 WDWE100D萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) （ 3） YJZ8/16 型智能數(shù)字應(yīng)變儀，是采用目前最 先進(jìn)的微處理器芯片和Flash 存貯器的技術(shù)先進(jìn)、方便實(shí)用的智能數(shù)字應(yīng)變儀。 儀器如圖 所示?？蛇x擇恒定電壓 (CV)和恒定電流 (CC)運(yùn)行，具有響應(yīng)校正功能和電壓、電流限幅器、測(cè)量顯示功能。 （ 1）本課題 選用高速雙極性電源 BP4610，它可以實(shí)現(xiàn)高電壓、大電流、恒定電流，可以滿足各種要求的技術(shù)規(guī)格。 應(yīng)力集中評(píng)價(jià)：對(duì)記錄的數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及圖像分析，找出加載應(yīng)力與交 流電磁場(chǎng)之間的關(guān)系，做出材料的可靠性評(píng)價(jià)。 試樣型號(hào) 試樣尺寸 探頭制作 性能測(cè)試 試樣選材 探頭設(shè)計(jì) 拉伸實(shí)驗(yàn)以及彎曲試驗(yàn) 交流電磁檢測(cè)測(cè) 信號(hào)、數(shù)據(jù)分析 圖形、曲線處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究 探尋研究結(jié)果 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué) 士學(xué)位論文 15 拉伸試驗(yàn)：將加工好的鋼板試樣 Q235 安裝到拉伸機(jī)上進(jìn)行應(yīng)力加載，同時(shí)，將交流電磁檢測(cè)探頭貼在加載鋼板試樣的一面，研究加載試樣應(yīng)力集中分布情況，加載直到式樣拉斷為止，激勵(lì)頻率 f為 1KHz， 2KHz， 3KHz，激 勵(lì)電流 I為 1A,2A，分別觀察和記錄 f與 I組合下的 Bx 方向和 Bz方向輸出結(jié)果 。 1002003535 圖 設(shè)計(jì)和搭接一個(gè) X 方向和 Z 方向的檢波電路，利用示波器反復(fù)調(diào)試，盡可能達(dá)到最佳檢波效果。 本次實(shí)驗(yàn)所需的高靈敏度交流電磁探頭性能測(cè)試由于器材等各方面限制，檢測(cè)效果難于達(dá)到理論值，由上圖可看出，得到的輸出信號(hào)比較好，最終確定它能達(dá)到本論題中實(shí)驗(yàn)所需的交流電磁探頭的高靈敏度。為了得到較高的靈敏度，本課題采用了放置式 U型磁軛南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué) 士學(xué)位論文 13 交流電磁探頭，激勵(lì)線圈匝數(shù)為 150匝，線圈直徑為 ，檢測(cè)線圈匝數(shù)為 100匝，線圈直徑 。制作的交流電磁探頭實(shí)物如下圖所示。線圈匝數(shù)越多，在金屬表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度越大，從而可以使缺陷顯示的電壓變化值變大，感應(yīng)電流信 號(hào)明顯，這樣可以更好的檢測(cè)應(yīng)力集中。隨著激勵(lì)頻率的降低，金屬表面感應(yīng)電流滲透深度增加但是表面感應(yīng)電流密度下降 [24～ 25]。 本次交流電磁探頭性能測(cè)試主要研究激勵(lì)頻率，電流和線圈匝數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。 磁軛檢測(cè)線圈線圈（b）探頭 圖 探測(cè)線圈結(jié)構(gòu)示意圖 圖 U 型磁軛磁感應(yīng)探頭 而制作探頭需要根據(jù)實(shí)際需要，還要考慮周圍的條件。外層用 纏繞，作為探測(cè) Bx的線圈。 實(shí)際制作中，為了能同時(shí)在一個(gè)地方測(cè)到 Bz 方向和 Bx 方向的信號(hào)，將線圈設(shè)計(jì)成正交性。因此，在檢測(cè) Bx 磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，提離干擾對(duì)矩形截面線圈影響小于對(duì)正方形截面線圈的影響 [23]。線圈截面邊長(zhǎng) a1=2mm，長(zhǎng) L1=，以截面對(duì)角線長(zhǎng)度近似替代式（ 33）中的 D0，01DL = =， 能滿足要求 。 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 10 D 1D 2L 圖 “點(diǎn)”線圈 如果線圈的內(nèi)徑非常小，由式（ 31）可得： 2DL = 203 = （ 32） 如果是比較薄的線圈，即 D1? D2? D0時(shí)，式（ 31）可寫成： 0DL = 23 = （ 33） 式中， D0線圈骨架的直徑。所以因精心設(shè)計(jì)檢測(cè)線圈達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。磁場(chǎng)不可能達(dá)到絕對(duì)的均勻，因此，測(cè)量時(shí)會(huì)不可避免的引起誤差，所以設(shè)計(jì)盡可能小體積的檢測(cè)線圈來(lái)減小誤差。本課題采用的是一定體積的簡(jiǎn)單的札形線圈。柱形線圈用于測(cè)量空間“點(diǎn)”磁場(chǎng)；環(huán)形線圈用于測(cè)量永磁樣品的磁通；盤形線圈用于測(cè)量狹縫磁場(chǎng)和電器元件空間漏磁通。工程上使用的最小探測(cè)線圈直徑為，大型線圈直徑可達(dá) 60mm。激勵(lì)線圈采用直徑為 的漆包線，纏繞匝數(shù)為 150 匝。 選用矩形載流線圈和錳鋅鐵氧體磁芯組成 U型 ACFM 激勵(lì)探頭，能夠有效地減少磁通損失，將感應(yīng)電磁場(chǎng)完全導(dǎo)入工件表面，在工件表面激勵(lì)出均勻感應(yīng)電流，滿足 ACFM 檢測(cè)要求。 MnZn的初始導(dǎo)磁率高于 NiZn，因而在達(dá)到磁飽和前將支持較高的磁通密度。這些損耗與電源工作頻率的平方成比例增大。高頻下常用的磁性材料有鐵氧體、坡莫合金、非晶與超微晶合金軟磁材料。為 了提高工作磁密 Bm，要求材料的飽和磁密 Bs 高，為了使磁芯能夠在比較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的工作特性，磁芯材料的居里溫度 Tc 要求比較高。磁芯的損耗與工作頻率 f 和工作磁通密度Bm 相關(guān)。 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 。激勵(lì)電源給激勵(lì)線圈提供不同頻率的正弦交流電，激勵(lì)線圈在試件表面感應(yīng)均勻的電場(chǎng)。前者反映了缺陷的深度信息，后者反映了缺陷的長(zhǎng)度信息 。當(dāng)探頭沿著缺陷表面進(jìn)行掃描時(shí)， Bx 軸出現(xiàn)一個(gè)寬凹陷區(qū)， By和 Bz出現(xiàn)高幅值的波峰和波谷， 由于 By 的數(shù)量級(jí) 小，因此在不需要特殊處理的情況下，探頭只需測(cè)量 Bx 和 Bz分量即可判定缺陷的存在 [20]。 圖 ACFM缺陷檢測(cè)原理示意圖 根據(jù)電磁感應(yīng)定律易知，當(dāng)工件表面無(wú)缺陷存在時(shí)，感應(yīng)電流均勻分布，分量 By 和 Bz的值為零，磁場(chǎng)在 X 軸方向均勻分布并與電流方向垂直。當(dāng)缺陷長(zhǎng)度方向也與電流方向垂直時(shí)， X分量的方向?qū)⑴c缺陷長(zhǎng)度方向平行。 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 7 ACFM 檢測(cè)原理概述 交變磁場(chǎng)測(cè)量法原理為： 由激勵(lì)探頭在待測(cè)工件表面感應(yīng)出均勻交變電流，當(dāng)工件中無(wú)缺陷或者遠(yuǎn)離缺陷時(shí)，工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)均勻；若有 缺陷存在，由于空氣和工件電阻率的差異，感 應(yīng)電流在缺陷的兩邊和底部繞過(guò)，引起表面電磁場(chǎng)擾動(dòng)，檢測(cè)探頭采集缺陷上方電磁場(chǎng)畸變信息并分析處理，可獲得描述缺陷狀態(tài)的尺寸信息，從而達(dá)到定量分析的目的。 圖 磁致伸縮效應(yīng)示意圖 如圖所示，當(dāng)物體溫度小于居里溫度時(shí)，鐵磁性材料內(nèi)部存在不規(guī)則的排列的磁疇，在每個(gè)磁疇中原子的磁矩有序排列，所以每個(gè)磁疇都有自己的方向，在沒有外磁場(chǎng)作用下磁疇之間沒有規(guī)律，物體對(duì)外不顯磁性。逆磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁性材料在外力諸如拉力，壓力或者扭轉(zhuǎn)力等其他力的作用下發(fā)生變形，其磁化強(qiáng)度（即磁導(dǎo)率、磁阻）將隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象 [19]。其中，引起物體長(zhǎng)度的變化叫做線磁致伸縮，引起物體體積變化叫做體積磁致伸縮。這是焦耳在 1942 年發(fā)現(xiàn)的，也叫焦耳效應(yīng)。在加上外磁場(chǎng)作用之后，物體內(nèi)部出現(xiàn)磁極，如 b） 所示，與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度方向相同的磁疇的體積會(huì)增大，當(dāng)應(yīng)力作用為壓應(yīng)力的時(shí)候，物體的彈性勢(shì)能增加，磁南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 6 化難度加劇。若要使被磁化的鐵磁體材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為零，就必須加上一個(gè)反向的磁場(chǎng)，當(dāng)反向磁場(chǎng)增加到一定大小，如圖中為 Hc 時(shí)候，材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 為該磁性材料的矯頑力。如圖 所示。飽和磁化階段，即技術(shù)磁化階段 物體內(nèi)部所有的磁疇的磁矩基本都轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)的方向。 南昌航空大學(xué) 2021 屆學(xué)士學(xué)位 論文 5 圖 鐵磁體的磁化過(guò)程 圖中在初始磁化階段只有磁疇壁的移動(dòng)體現(xiàn)了鐵磁體被磁化，階躍式磁化階段，即 barkhausen effect 產(chǎn)生的階段，這個(gè)階段的磁化是不連續(xù)的磁化，隨著外加磁場(chǎng)的增加磁疇壁位移加大，磁疇內(nèi)部結(jié)構(gòu)也就發(fā)生了改變。 鐵磁體在外磁場(chǎng)作用下的磁化過(guò)程與外磁場(chǎng)的大小不成正比，而是非線性的關(guān)系。 圖 鐵磁鐵內(nèi)部磁疇在外磁場(chǎng)下的動(dòng)作 如圖是一個(gè)關(guān)于磁疇在磁化過(guò)程中的示意圖，在其未被磁化的時(shí)候，內(nèi)部的各個(gè)磁疇是無(wú)規(guī)則的任意取向的，因此物體對(duì)外不顯示磁性。在每個(gè)磁疇中，所有 的 原子的磁矩已經(jīng)向同一個(gè)方向排列整齊了。通常情況下鐵磁性物質(zhì)的 λ 很小約百萬(wàn)分之一。磁致伸縮效應(yīng)一般用磁致伸縮系數(shù)來(lái)表示。如同物質(zhì)都有熱脹冷縮的現(xiàn)象一樣，電場(chǎng)和磁場(chǎng)也都會(huì)使物體的尺寸伸長(zhǎng)或縮短。 基于 ACFM 法鋼板應(yīng)力集中檢測(cè)，包括拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)平臺(tái)彎曲試驗(yàn)， 并將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析得出結(jié)論。所以本論文主要有以下研究?jī)?nèi)容： 對(duì) ACFM 檢測(cè)理論進(jìn)行了深入的研究。這種對(duì)鐵磁性材料早期預(yù)警式的診斷正在受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多學(xué)者關(guān)注，它的運(yùn)用前景一片光明。根據(jù)傳感信號(hào)的變化規(guī)律 , 提出了相應(yīng)的信號(hào)處理的方法 , 為 ACFM 方法用于焊縫跟蹤奠定了良好的基礎(chǔ)。湘潭大學(xué)李安強(qiáng)、洪波、屈岳波、尹力 [17]學(xué)者在根據(jù)交變磁場(chǎng)測(cè)量法(ACFM)的基本原理 , 設(shè)計(jì)了一種由激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成的交變磁場(chǎng)傳感器 , 可對(duì)空間“點(diǎn)”磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。 中國(guó)石油大學(xué)李偉、陳國(guó)民、齊玉良 [16]研究人員在交流電磁場(chǎng)裂紋檢測(cè)的仿真研究和信號(hào)分析的基礎(chǔ)上 , 給出了分析磁場(chǎng)信號(hào)分布的數(shù)學(xué)模型 , 確定了用于裂紋尺寸反演研究的信號(hào)特征量。南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任吉林 [15]等研究人員在交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用 ANSYS 軟件，建立交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù) (ACFM)數(shù)學(xué)模型，仿真分 析鐵磁性材料和非鐵磁性材料，在不同的激勵(lì)條件下，被檢材料的表面磁場(chǎng)分布。清華大學(xué)謝大吉教授 [13～ 14]利用自制的兩級(jí)式磁測(cè)量傳感器對(duì)鐵磁性材料在單向拉伸，單項(xiàng)壓縮，雙向拉伸和雙向壓縮時(shí)候，以及各種焊構(gòu)件殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)分析。王振山和劉樹橋 [11~12]等研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出了兩極磁測(cè)量傳感器輸出信號(hào)與主應(yīng)力及測(cè)量角度的關(guān)系。 我國(guó)學(xué)者對(duì)磁測(cè)量的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的研究起步比較晚，但是發(fā)展很快。在這種加載的環(huán)境下，鉆孔測(cè)試顯示只有在循環(huán)荷載方向的殘余應(yīng)力分量有顯著的衰減。在樣本表面噴丸產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱的雙軸殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。英國(guó)倫敦大學(xué)無(wú)損檢測(cè)中心在近期研究中提出了關(guān)于用交流電測(cè)量殘余應(yīng)力新的檢測(cè)方法 [10]。 [5]等研究人員對(duì)四足式磁檢測(cè)傳感器進(jìn)行了磁回路的理論分析，提出了各方向上的磁導(dǎo)率橢圓分布，并指出被測(cè)試件的磁阻與其受到的最大應(yīng)力成正比。 ACFM 法鋼板應(yīng)力檢測(cè)