IEC 60404-172021 磁性材料.第17部分用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带和薄板磁致伸缩特性的方法标准立项发展报告

磁性材料第17部分：用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带和薄板磁致伸缩特性的方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MagneticMaterials–Part17:MethodsofMeasurementoftheMagnetostrictionCharacteristicsofGrain-OrientedElectricalSteelStripandSheetbyMeansofaSingleSheetTesterandanOpticalSensor摘要磁性材料是电力电子、新能源装备和智能制造领域的核心功能材料，其磁致伸缩特性直接关系到变压器、电机等电工装备的振动与噪声水平。随着全球能源转型战略的深入推进和用户对电力设备低噪声、高可靠性要求的不断提升，建立统一、精确、可重复的磁致伸缩测量方法已成为国际标准化工作的重要议题。IEC60404-17:2021《磁性材料第17部分：用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带和薄板磁致伸缩特性的方法》由国际电工委员会（IEC）于2021年11月正式发布，是IEC60404系列标准框架下专门针对磁致伸缩测量方法的重要补充和完善。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容框架、关键测量原理与方法要点，详细介绍了标准制定过程中主要参与单位的贡献，并对该标准的技术特征、工程应用价值和未来发展趋势进行了深入分析。报告指出，该标准的发布填补了国际电工领域在晶粒取向电工钢磁致伸缩特性标准化测量方面的空白，对推动高性能电工钢材料研发、优化电工装备设计与降低变压器噪声具有重要的指导意义。关键词：磁性材料；晶粒取向电工钢；磁致伸缩；单片测试仪；光学传感器；IEC标准Keywords:Magneticmaterials;Grain-orientedelectricalsteel;Magnetostriction;Singlesheettester;Opticalsensor;IECstandard一、引言1.1立项背景与意义电工钢作为电力工业和电子工业中不可或缺的软磁材料，其性能优劣直接决定着变压器、发电机、电动机等电工装备的能效水平和运行品质。其中，晶粒取向电工钢因其优异的磁性能被广泛应用于电力变压器铁心制造。随着电力用户对电网质量和设备运行舒适度要求的不断提高，变压器振动与噪声问题日益受到关注，而这一问题的核心根源之一即在于铁心硅钢片的磁致伸缩效应——材料在交变磁化过程中发生周期性的尺寸微小变化，进而引发铁心振动并辐射噪声。已有研究表明，磁致伸缩不仅是变压器铁心噪声的主要来源，还影响材料的损耗特性和磁性能稳定性。然而，由于磁致伸缩量级极小（通常在ppm量级，即每米微米级），其精确测量对测试装置、传感器灵敏度和测量环境的稳定性均提出了很高要求。长期以来，不同实验室和制造商之间的磁致伸缩测量结果存在较大离散性，严重制约了材料性能的评价、工艺改进和产品国际间贸易与比较。因此，制定统一的磁致伸缩测量国际标准具有十分迫切的需求。1.2标准体系框架IEC60404系列标准是国际电工委员会下设的TC68“磁性合金和钢”技术委员会负责制定的磁性材料领域的核心标准体系，涵盖磁性材料分类、磁性能测量方法、几何特性测定等多个方面。其中，第1至第3部分为总则和分类，第4部分为软磁材料直流磁性能测量方法，第6部分为软磁金属和粉末冶金材料的测量方法，第8部分为中频磁性能测量方法，第10部分为中频磁性能测量方法等。本报告所涉IEC60404-17:2021作为该系列的第17部分，针对晶粒取向电工钢带和薄板的磁致伸缩特性测量方法做出了专门规定，进一步完善了IEC60404标准体系在电工钢力学-磁学耦合特性测量领域的技术覆盖。1.3标准基本信息IEC60404-17:2021由国际电工委员会（IEC）于2021年11月4日正式发布，标准状态为现行有效，语言版本为英语和法语，归属分类为磁性材料。该标准替代了此前基于传统应变计法的相关测量规范，引入单片测试仪和光学传感器的组合测量方案，代表了当前磁致伸缩精密测量技术的先进水平。二、标准主要技术内容2.1标准适用范围IEC60404-17:2021规定了使用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带和薄板磁致伸缩特性的通用方法。标准适用于取向性硅钢（即晶粒取向电工钢）带材和薄板在交变磁化条件下的磁致伸缩系数（λp-p）测量。其适用范围涵盖厚度为0.15mm至0.50mm的常规晶粒取向电工钢产品，也适用于高磁感取向电工钢（Hi-B钢）等高性能牌号。值得注意的是，该标准同时规定了磁致伸缩特性测量所用试样的制备方法、测量装置的技术要求、测量程序及试验报告内容，形成了从试样到数据报告的完整方法闭环。2.2测量原理磁致伸缩的物理本质是铁磁性材料在磁化过程中，磁畴的重新取向和畴壁位移导致晶体尺寸在磁化方向上发生微小变化。对晶粒取向电工钢而言，其磁致伸缩系数通常定义为单位长度在磁化方向的弹性形变量，测量中以峰-峰值磁致伸缩系数λp-p作为主要表征参数。本标准的测量原理基于以下几点：首先，通过单片测试仪在被测试样中建立已知且均匀的交变磁通密度，使试样在轧制方向（即易磁化方向）受到正弦交变磁化；其次，利用高灵敏度光学传感器（如激光位移传感器或激光干涉仪）非接触式地测量试样在磁化方向上的形变位移量，从而计算出磁致伸缩系数；最后，将磁致伸缩系数与磁通密度峰值相关联，绘制λp-p-B曲线以及特定磁通密度下的λp-p数值。相比传统的电阻应变计方法，光学传感器测量方法具有无可比拟的显著优势。其一，光学测量为非接触式测量，彻底消除了应变计粘贴对试样表面造成的附加约束和附加质量效应，避免了因粘贴工艺差异导致的人为误差，数据重复性更高。其二，光学传感器的分辨率可达纳米量级，远优于电阻应变计的分辨率，特别适合磁致伸缩这类微形变的精确捕捉。其三，该方法不受试样表面弯曲和应变计零点漂移的干扰，测量系统稳定性更好。2.3测量装置与试样要求标准对测量装置做出了明确而详尽的技术规定。单片测试仪部分，标准规定了励磁装置的结构、磁路参数要求以及磁通密度的控制方式。励磁绕组应能在试样中建立频率范围通常为50Hz至1000Hz（测试频率可根据材料应用需求设定，典型值为50Hz）的可控正弦磁通波形，磁通密度峰值调节范围应覆盖材料的正常使用区间（通常为0.5T至1.9T）。测量线圈的绕制方式和匝数比亦需严格遵循标准规定，以确保磁通测量的准确性。光学传感器方面，标准规定了传感器的工作距离、分辨率、线性度等技术指标，要求传感器在测量范围内具有足够的带宽和灵敏度，且测量系统在长时间运行条件下的漂移须控制在可接受范围内。此外，标准还对振动隔离装置提出了要求，以避免环境振动对测量精度的干扰。试样制备方面，标准规定了试样的尺寸公差、裁切方向和表面状态要求。试样宽度一般选取为100mm或60mm，长度需保证在励磁区域内建立均匀磁通分布，需强调的是试样的裁切方向必须严格沿着轧制方向，且加工过程中应避免应力引入和边缘毛刺的产生，以防对磁致伸缩测量带来干扰。标准同时规定了试样退磁处理的要求，确保测量前试样处于磁中性状态。2.4测量程序与结果表达在测量程序方面，标准规定了完整的测量流程：样品预处理→系统标定→磁化设置→数据采集→数据处理与报告生成。其中，系统标定环节要求使用标准试样或标准物质对光学传感器进行校准，确保整个测量链的准确性。数据采集过程中，需同步采集磁通密度信号和位移信号，并通过适当的信号处理手段（如傅里叶滤波或数字滤波）去除干扰，获得可靠的λp-p值。标准规定了测量结果至少以λp-p-B曲线和特定磁通密度峰值下磁致伸缩峰-峰值列表两种形式进行出具。同时标准要求报告测量条件（磁化频率、磁通密度峰值、试样温度等），以便不同实验室间数据的比较和结果复现。三、关键技术要点与标准创新3.1非接触光学测量技术的引入该标准的创新性贡献在于将高精度光学传感器与单片测试仪进行有效组合，实现了磁致伸缩的精确非接触测量。这一技术路线的确立大幅提升了测量准确度和重复性，同时为未来更高精度测量需求的扩展奠定了技术框架。3.2测量不确定度的系统性规定标准各关键条款中贯穿着测量不确定度的控制要求，对装置校准、环境影响、信号采集与处理等各环节所带来的测量不确定度进行了系统考虑，确保了测量结果的可比性和互认性。3.3与损耗测量的协同性该标准的方法框架在试样制备、磁化条件和测量环境控制等方面与IEC60404-3（单片测试仪测量磁性能的方法）保持了高度协调，使得磁致伸缩测量可与比总损耗、磁极化强度等参数在同一或等效试样条件下进行联合测量，为材料综合性能评价提供了更为丰富的数据支撑。四、主要参与单位介绍4.1国际电工委员会TC68技术委员会IEC60404-17:2021由国际电工委员会磁性合金和钢技术委员会（IEC/TC68）组织制定。TC68成立于20世纪50年代，是IEC内部负责磁性材料领域标准制定的专业技术委员会，其工作范围涵盖磁性材料的分类、术语定义、磁性能测量方法、几何特性测定及交付技术条件等方面。TC68由来自全球主要工业国家的标准化专家组成，目前设有多个工作组（WorkingGroup）分别承担不同子领域标准的制修订工作。其中，负责磁致伸缩测量方法标准的制定工作由相关工作组牵头，汇聚了来自中国、日本、德国、韩国、意大利等电工钢生产和使用大国的技术专家。4.2中国参与单位——宝山钢铁股份有限公司在中国，IEC/TC68的国内技术对口单位组织的专家深度参与了本标准的制定过程。其中，宝山钢铁股份有限公司（以下简称“宝钢”）作为国内电工钢材料研发和生产的龙头企业，深度参与了该标准的制定工作，为本标准的编制提供了大量试验数据和实验验证结果。宝钢是全球最大的电工钢制造商之一，拥有从取向硅钢到无取向硅钢的完整产品系列。宝钢自20世纪90年代开始电工钢产品的自主研发，现已形成了覆盖高磁感取向硅钢（Hi-B钢）、普通取向硅钢和无取向硅钢等多品种、多规格的产品体系。近年来，宝钢在高性能电工钢的磁致伸缩机理和低噪声取向硅钢产品开发领域投入了大量研发资源，积累了丰富的测试经验和数据基础。在本标准制定过程中，宝钢的主要贡献包括：一是提供了大量不同牌号、不同厚度规格晶粒取向电工钢的磁致伸缩特性试验数据，为标准中测量方法的验证和适用范围界定提供了重要的实验支撑；二是参与了光学传感器测量系统的比对试验和实验室间验证活动；三是配合中国标准化机构完成了标准草案在国内的技术评审和意见反馈工作，保证了标准技术内容在产业界的适用性和可操作性。宝钢的技术专家长期担任IEC/TC68注册专家，深度参与了IEC60404系列多项标准的制修订工作，为磁性材料国际标准化贡献了中国智慧和中国方案。五、结论与展望5.1主要结论IEC60404-17:2021的发布是电工钢磁致伸缩测量技术发展和国际标准化工作的重要里程碑。该标准首次在国际层面系统建立了基于单片测试仪和光学传感器的磁致伸缩测量方法规范，具有以下突出特点：第一，该标准确立了以非接触光学测量为核心的磁致伸缩测试方法框架，大幅提升了测量的灵敏度和重复性，有效克服了传统应变计法在测量精度和操作便捷性方面的局限性。第二，该标准在试样制备、磁路设计、传感器要求、测量程序和数据处理等方面均给出了系统而细化的技术规定，为各国实验室提供了一份可直接操作的技术依据，有助于全球范围内测量结果的一致性。第三，该标准充分协调了磁致伸缩测量与磁性能测量的有机衔接，为电工钢材料综合评价体系的建立提供了标准基础。5.2未来展望随着全球电力需求的持续增长和电网装备向高电压、大容量、低噪声方向的快速发展，晶粒取向电工钢的磁致伸缩特性将在材料研发和装备设计中占据更加重要的地位。展望未来，IEC60404-17:2021的应用和深化可从以下方向持续推动：测量技术的进一步升级。随着光学测量技术的持续进步，更高分辨率、更宽频率响应范围的新型光学传感器将不断涌现，有望推动磁致伸缩测量从实验室环境向生产线在线检测场景拓展。多物理场耦合测量的标准化。磁致伸缩与磁损耗、磁化过程之间存在复杂的耦合关系，未来标准可能向多参数同步测量和耦合分析的集成化方向发展。应用领域的不断扩展。当前标准主要面向电力频率下的磁致伸缩测量，随着电力电子变压器和高速电机等新型装备的发展，面向中高频工况下磁致伸缩特性的测量方法标准化需求将逐步显现。新材料体系的标准化覆盖。随着非晶合金、纳米晶合金等新型软磁材料的应用推广，将推动磁致伸缩测量标准的对象从传统晶粒取向电工钢向更广泛的软磁材料体系扩展。综上所述，IEC60404-17:2021标准为电工钢磁致伸缩特性的科学评价和规范化测量提供了权威依据，为低噪声变压器和高品质电工钢产品的开发提供了计量基础。可以预见，该标准将在全球电工钢产业的材料创新、装备设计和质量评价中发挥日益重要的基础性支撑作用。参考文献[1]IEC60404-17:2021,Magneticmaterials–Part17:Methodsofmeasurementofthemagnetostrictioncharacteristicsofgrain-orientedelectricalsteelstripandsheetbymeansofasin