1、 传感器和执行器A 135（2007）381-387 剩余磁场传感的应力测量 约翰W威尔逊，桂云天*，西蒙Barrans哈德斯菲尔德大学，计算与工程专业，昆斯盖特，哈德斯菲尔德HD13DH，2006年4月6日，英国学校收录;2006年7月27日收到在修订后的表格;2006年8月6日接受2006年9月20日可在线查阅。摘要：在工程结构均采用残余应力进行评估应力状态，并判断最终失效的早期迹象的研究方法是非破坏性测试快速发展的研究领域。最近几年在磁应力测量的发展领域使用外加磁场并监控材料改变的磁性质已经做了很多工作，例如研究铁磁材料的磁滞曲线或巴克豪森发射的变化。但被动实地测量的方向相对来说并未开发
2、多少。当磁性金属产生应变时，它们从非磁性状态转变到不可逆磁性状态，这被称为金属磁存储器（MMM）或残余磁场（RMF）。本文研究了在不同情况下的现象，并应用剩余磁场技术进行应力测量。一个三轴磁阻磁场传感器来测量残余的磁场平行材料表面（Bx的），并垂直于材料表面（BZ）的应力，由磁发生机械产生无需外部场感应的磁场区域，并使钢试样处于这个磁场内。测试结果表明，在不使用外加磁场，所述样品中的应力可以用磁场感应的强度来等效的测量出，以Bx的表示特别好的相关性。这项工作的结论是，新无源场技术包括磁场图案与磁场变化率的分析，将证明在某些有利的情况下，例如在役检查复杂几何形状的结构。进一步的研究方向也被突出显
3、示。 关键词：压力测试;剩磁场;金属磁记忆;磁耦合1.简介工程结构提供残余应力特性用来判断最终失效的早期迹象是一种非破坏性测试快速发展的研究领域。此刻使用的检测方法是：剩磁检测 X射线衍射技术1 。基于该测量晶格间距为应变计， X射线衍射技术允许用户宏观和区分微应力，但只对测量表面应力和要求的表面处理。 超声波技术 2 。根据超声波在不同材料介质中速度的变化，超声波检测是具有更大的穿透深度检测技术，但通常需要表面处理和使用的耦合介质。粗糙，形状不规则的，非常小，特别薄或不均匀的材料是很难检查.涡流技术3。基于所测量材料的电磁线圈的阻抗的变化，因为只覆盖导电材料的表面上。涡流技术的缺点是有限的穿
4、透深度，尤其是在铁磁材料。主动磁技术4,5。现场在材料上施加磁场然后检测材料参数的变化，磁滞后和磁巴克豪森排放是用于绘制有关材料特性的理论依据。主动磁技术通常采用高强度，低频率场驱动材料达到磁饱和状态从而提供相对较大的渗透深度。被动磁技术。磁场强度在该材料的表面进行测量，而不事先施加磁场。如被动式磁技术金属磁记忆（MMM）利用变化的自漏磁场的铁磁材料（SMFL）由于几何不连续性，如裂纹和高密度的位错，形成不同于周围的磁特性，如地球磁场领域。这些变化反映该材料的应力历史。本文研究应力测量，包括应用并使用剩余磁场的残余应力（RMF）变异和它的分布图案和磁场周围分布的焊接裂纹。引进后，本文的结构如下
5、。第2节介绍应力测量的背景使用无源磁场和链接的理论磁压力;第3节调查的关系间的剩余磁场变化和施加的压力;第4节报告剩余磁场分布不同的残余应力的不同状态和第5节着眼于场分布周围的焊接样品中的裂缝。本文完成与结论和进一步的工作大纲。2.背景和理论近年来在有应力的磁性材料与外部的结构中现场施加外来磁场相关的的工作已经完成了很多。早在1949年，布朗6预测使用该技术涉及磁化应力曲线与等效替换字段所施加的应力，施加的作为等效施加的磁畴壁的相同的压力下压力。中所示的“真实世界”的压力，磁化曲线图.1用实验方法通过克雷克和生产木7使用金属条带卷绕有线圈的应用恒定磁场和搜索线圈现场测量.该装置被装在一个用金属
6、钼制的盒子里用于屏蔽外来磁场和用杠杆施加的张力或压缩。在克雷克和伍德实验结果中强调了磁滞曲线的非对称性质，相同磁化的变化张力比压力会大得多。在该领域的最新进展中，包括俄罗斯和中国8-11金属磁记忆技术。该技术依赖于铁磁性的自磁化工程结构受环境领域，如地球磁场。这种自我磁化往往被视为铁磁产生负面影响结构和大量的工作是为了抵消它的影响，尤其是在如造船，电力工程行业。被动应力测量技术利用这种现象，通过研究已建立了磁样品随着时间的推移的模型以获得与样品有关应力历史信息，在地球磁场的影响下该技术具有识别多个潜在关注的不同方面，包括：图. 1.实验应力磁化曲线用于使用软钢试样三个不同层次的应用磁学，通过克
7、雷克和木制作。图.2循环加载上的一个铁磁残留磁化 （一）效果样品; （二）磁通量泄漏的几何不连续性的存在。材料的循环加载;作为应力诱发磁化结构的变化包括可逆和不可逆组件，每个应力周期改变磁化级别，导致增加在磁领域中遇到循环加载（图2a）。几何不连续性;在材料中的缺陷会造成磁场漏出的材料而进入空气（图2b）。这种漏磁可以通过现场传感器来检测。应力集中区（SCZ）;最大磁场区域电阻反应残余应力集中在该材料中，铁磁性材料在制造过程中形成的产品由于热处理或机械处理，即在钢材焊接接头都可能会存在。在接头冷却时地球的磁场，磁纹理形成在材料中。应力集中区发生的地区如最大晶格畸变，即错位集群，能反映弱点和安全
8、至关重要的结构区域潜在的灾难性的缺陷。该字段围绕一个SCZ分布将具有图10的形式。 3 9，与Bx的表现出峰值磁场强度为中心的SCZ和BZ参展极性开关为中心的SCZ。 这种方法，是用以检测多种潜在的缺陷区域比其它技术有明显的优势。另一个优点是，不需要磁化设备只要使系统处于地球的磁场的磁场中。应力测量系统，如磁巴克豪森技术依靠驱使材料进入饱和磁化状态;这需要高功率电磁而这类设备都是昂贵和笨重的，便携性限制了这种系统应用的领域发展。该技术具有很大的潜力进行结构的总体检查，以检查使用更传统的方法关注的领域。一个样品的磁特性之间的关系和施加的应力通过磁致伸缩现象说明;材料的物理尺寸的变化响应于所施加的
9、磁化。相反的效果是磁力作用12-14，其中应力施加到材料变化的磁和磁特性样本。描述磁场变化的方程式（M）与施加的应力（），通过Jiles开发12： 图 3.理论场分布为Bx的（a）和BZ （二）周围的应力集中区 其中c和是常数。式。 （1 ）描述的依赖上不仅应力的材料的磁化，而且还非磁滞磁化曼（理想或无损磁化的材料制成的曲线）和MIRR不可逆组分的磁化。在应力的另一个重要等式/磁耦合是的应力能量（ E ）诱导外部应力（ ），这是计算公式如下：等式突出E对的依赖，角度施加的应力和磁化场和S，所述间饱和磁致伸缩，由最大伸长确定由于磁致伸缩经历的材料时暴露于外部磁场。3.调查剩余磁场中外加拉伸应力调
10、查无源磁性之间的关系场和外加应力的不同级别，显示实验图。4设置使用三个平拉钢样品测量2毫米*30毫米*200毫米。所有的样品都来自单个工件切一块钢板。磁场中的样品中降低到可能的最低水平之前每个测试使用一个手持退磁器。一个HMC1023各向异性磁阻传感器附着到样品以测量的磁场强度中垂直于材料表面（BZ）和平行于材料表面和所施加的力（Bx的）。一菲尔德材料试验机用于拉伸申请从0到200MPa的纵向应力中试样的磁场强度，如由传感器测得的，被连续记录。重复测试与传感器中的两个位置中的钳口之间的试验机。先前的测试结果表明，最大施加到材料中的应力为材料弹性极限范围内，从图中可以看出。 5.从两个传感器的检
11、测结果得出在不同位置处的绝对磁场强度取决于具体施加应力，但其变化率是稳定的，特别是Bx的具有迄今为止与外加应力最好的相关性。 Bx的主动应力测量的优越性可以通过考虑该领域发展的沿着样品的测试过程中的整个长度来解释。它也可从图看出， 5，最初有很少增加，甚至小幅下降的Bx的越来越大的压力施加到材料中。这可以通过理论来解释由Jiles 12开发了磁力的效果。根据这个理论“在一个不断变化的应用压力恒定磁场场时，磁化强度的变化，使得它接近非磁滞磁化“。因此，该理论预测，当将样品处于具有应力状态时，磁不会简单地增加随着增加的压力，但将头朝向非磁滞磁化曲线（理想或无损磁化的材料制成的曲线）。因此，如果在样
12、品中的磁化实际上不是由非磁滞预测更大的磁化磁化曲线，磁化将降低外加应力。作为可用的退磁工序的测试不完善，样品都开始有一定程度的残留磁化，所以重复取一定量的时间收敛。图6. Bx的（a）和BZ （ b）以扁平拉钢样品前和拉伸应力在200MPa的涂布后的强调区域。图6示出了强调的磁场分布与尺寸相同的扁平拉钢样品的面积图4B ，应用程序之前，在200MPa释放后的拉伸应力。图。图6示出的Bx应该表现出类似加大无论身在何处，在强调区域被测量，而BZ也显示增加，减少或没有变化，不同的地方在强调区域也被测量。图五证实了这一点，随着的Bx在显示领域的相当均匀增加实力在这两个传感器位置和BZ呈现出相关性较差与
13、施加的压力，特别是在传感器位置2 ，靠近中心强调区域。它被认为是场分布周围的强调区域将按照所预测的场图形围绕一个SCZ如图。 3 ，在Bx的峰值比强调区和中BZ的极性的开关围绕所述强调区域。加工应激后剩余4场分布在图中所示的试验。 7成立检查的效果引入加工应力的样品中的字段。应力是由一个夹具的瞬时应用引入到样品，从而导致一些压缩应力和一些表面损坏。 BX和BZ测定采用5mm格在拉伸钢样品的表面之前和施用后的压力。图8示出沿其长度的剩余场分布样品之前和应力的使用的应用程序之后夹子和在磁场的变化（BX和BZ）以上样品的表面上。它从图中可以看出。图8a和b是两者的Bx和BZ表示从初始场更大的偏差在强
14、调区，Bx的表现增加沿最夹紧区域和BZ显示增加在该领域梯度，在强调区，其余的无应力区域相对不变。的最大变化的位置在Bx的具有与夹具的位置很强的相关性标记。经过测试样品的检验结果表明麻点从与夹具接触是最明显的之间的区域10毫米和30毫米，对应于字段的最大变化强度。为Bx的磁场强度的峰值，并在开关极性BZ中所示。图8c和d形式的那将围绕SCZ预期的特性可以用来识别使用特征提取强调区技术。图。 8. Bx的（a）和BZ （b）该磁场沿样品的长度的前和应力的应用，并在磁性变化后的组件场， Bx的（c）和BZ （ d）中，在样品为应力的应用的表面上。绕了一条缝5.剩余磁场分布焊接钢管样品进行实验设置，以
15、确定场分布在焊接样品中的裂纹的直接的区域。该在图中所示的样品。 9由两个钢板的测量300 180毫米 12毫米焊接在一起倒最长两侧。将样品研磨下来的相反侧焊缝检验提供一个平坦的表面。有几个大的裂缝，在焊接区;这些中的一个，其宽度的0.5mm左右被选作检查。将样品扫描以1mm的增量在30毫米路径穿过切割裂缝用HMC1023磁场传感器接口到PC，设置测量磁场的BX和BZ组件场。图10示出在裂纹区的两个场分量。它可以从Bx的分布有情节可以看出在磁场强度的（反转）的峰值，最大的形式在裂纹的中心。 BZ在现场交换机的形式极性的区域，围绕裂纹，以最小的字段强度裂纹中心（略有误差可以通过解释所述传感器元件的传感器组件内的定位）。领域中的裂纹面积的分布是相同的形式的周围的缺陷在一个磁通量泄漏测量（MFL）系统15使用有源磁化并类似于一个应力采用被动式磁场测量集中区。它可以从图中可以看出，一个裂缝的存在在传感器的扫描路径将引起可识别的信号在所测量两者的Bx和BZ部
