GBT 44391-2024 用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带（片）磁致伸缩特性的方法标准立项发展报告

用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带（片）磁致伸缩特性的方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MethodforMeasuringMagnetostrictionCharacteristicsofGrain-OrientedElectricalSteelStrip(Sheet)UsingaSingleSheetTesterandOpticalSensor摘要随着我国电力工业的快速发展与"双碳"战略的深入推进，变压器等电力设备对低噪声、低损耗电工钢材料的需求日益迫切。晶粒取向电工钢带（片）作为变压器铁芯的核心功能材料，其磁致伸缩特性直接决定变压器运行时的振动与噪声水平，是衡量材料综合性能的关键技术指标。然而，长期以来我国在该领域缺乏统一的、与国际接轨的测量方法标准，制约了高端电工钢材料的研发、生产与应用评价。本标准《用单片测试仪和光学传感器测量晶粒取向电工钢带（片）磁致伸缩特性的方法》（GB/T44391-2024）的制定，系统规定了基于单片测试仪与光学传感器技术的磁致伸缩系数测量原理、测试装置要求、试样制备规程、测量程序及数据处理方法。标准通过光干涉测量原理实现了对材料微变形量的高分辨率、非接触式检测，有效克服了传统应变片法灵敏度低、接触式测量引入误差等局限，其测量分辨力可达纳米量级，能够精确捕捉磁致伸缩系数在\(10^{-7}\)至\(10^{-6}\)量级的微小变化。本报告的编制旨在全面梳理该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容及其行业应用前景，为相关领域技术人员提供系统性参考。关键词：晶粒取向电工钢；磁致伸缩；单片测试仪；光学传感器；标准化；变压器噪声；磁性测量AbstractWiththerapidadvancementofChina'spowerindustryandthedeepeningimplementationofthe"dualcarbon"strategy,thedemandforlow-noiseandlow-losselectricalsteelmaterialsinpowertransformershasbecomeincreasinglyurgent.Asthecorefunctionalmaterialoftransformercores,grain-orientedelectricalsteelstrip(sheet)exhibitsmagnetostrictivecharacteristicsthatdirectlydeterminethevibrationandnoiselevelsduringtransformeroperation,servingasakeytechnicalindicatorforevaluatingcomprehensivematerialperformance.However,foralongperiod,Chinahaslackedaunifiedmeasurementmethodstandardalignedwithinternationalpracticesinthisfield,whichhasconstrainedtheresearch,development,production,andapplicationevaluationofhigh-gradeelectricalsteelmaterials.Thedevelopmentofthisstandardestablishessystematicrequirementsforthemeasurementprinciple,testingapparatusspecifications,specimenpreparationprocedures,measurementprotocols,anddataprocessingmethodsbasedonsinglesheettesterandopticalsensortechnologies.Byemployingopticalinterferencemeasurementprinciples,thestandardachieveshigh-resolutionnon-contactdetectionofmaterialmicro-deformation,effectivelyovercomingthelimitationsoftraditionalstraingaugemethods,includinglowsensitivityanderrorsintroducedbycontactmeasurements.Themeasurementresolutionreachesnanometerlevels,enablingprecisecaptureofmagnetostrictioncoefficientvariationsatmagnitudesof\(10^{-7}\)to\(10^{-6}\).Thisreportaimstocomprehensivelyreviewtheprojectbackground,draftingprocess,coretechnicalcontents,andindustryapplicationprospectsofthisstandard,providingsystematicreferencefortechnicalprofessionalsandindustrymanagementpersonnel.Keywords:Grain-OrientedElectricalSteel;Magnetostriction;SingleSheetTester;OpticalSensor;Standardization;TransformerNoise;MagneticMeasurement一、引言1.1研究背景随着全球能源结构转型加速及我国"碳达峰、碳中和"战略的深入推进，电力系统的安全稳定运行与能效提升已成为国家重点关注的战略议题。变压器作为电力系统中电能传输与变换的核心设备，其运行噪声不仅影响人居环境质量，更在变电站选址、城市电网布局等环节构成重要约束条件。据研究表明，变压器本体噪声的主要来源之一即为铁芯硅钢片在交变磁场作用下的磁致伸缩效应——即磁性材料在磁化过程中发生微小尺寸变化的物理现象。晶粒取向电工钢带（片）因其优异的磁性能，被广泛用于制造变压器铁芯。其磁致伸缩特性直接决定了变压器铁芯的振动幅值与噪声水平。因此，准确、可靠地测量晶粒取向电工钢的磁致伸缩系数，对于指导低噪声变压器用材料的研发、优化生产工艺、完善质量评价体系具有至关重要的工程意义与学术价值。1.2国内外标准现状在国际标准层面，IEC60404-16《磁性材料—第16部分：用激光干涉仪测量电工钢带（片）磁致伸缩的测试方法》为各国提供了基于激光干涉原理的测量参考框架。日本工业标准JISC2560-1也对该类测量方法进行了规范。然而，国内长期以来缺乏与上述国际标准相匹配的自主国家标准，导致各生产企业和科研机构在磁致伸缩测量中各自为政，所获得的数据缺乏横向可比性，严重制约了行业技术交流与产品质控水平的提升。1.3标准立项的必要性本标准的制定具有以下三个层面的必要性：行业发展需求层面：我国是全球最大的电工钢生产国和消费国，2023年取向电工钢产量已突破180万吨。随着高端变压器能效等级不断提升（GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》已明确新一阶段能效指标），市场对低磁致伸缩材料的质量评价提出了更高的精度要求。技术升级需求层面：传统基于应变片法的接触式测量方式精度低、重复性差，已无法满足新一代高牌号取向电工钢（如23QH085等）的磁致伸缩评价需要。基于光学原理的非接触测量技术已成为国际主流趋势。标准体系完善层面：建立自主的磁致伸缩测量国家标准，是对GB/T10129《电工钢带（片）磁性能测量方法》体系的重要补充，有助于完善我国电工钢材料测试标准体系，增强我国在该领域的国际话语权。二、标准编制原则与依据2.1编制原则本标准在编制过程中严格遵循以下五项原则：科学性原则：以磁学基本原理和光学干涉测量理论为基础，确保测量方法的理论正确性和技术合理性。标准中涉及的物理模型、数学表达式均经过严格的学术论证与实验验证。先进性原则：积极跟踪国际电工委员会（IEC）在磁性测量领域的最新标准化成果，充分吸收IEC60404-16等国际标准的先进技术内容，使标准达到国际同类标准的先进水平。适用性原则：充分考虑我国电工钢生产企业和变压器制造企业的实际技术能力与设备条件，在确保测量精度的前提下，兼顾标准实施的可行性与经济性。标准中规定的测试装置技术指标经过验证，既具有先进性，又不脱离国内产业实际。协调性原则：与现行有效的GB/T10129、IEC60404-3等磁性材料测量标准保持协调一致，避免术语定义冲突和方法矛盾。标准中引用的规范性文件均为现行有效版本。规范性原则：严格执行GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定，确保标准结构的规范性、表述的准确性和体例的严谨性。2.2主要编制依据本标准的制定主要依据以下技术文件与法规：|序号|文件编号|文件名称||------|----------|----------||1|GB/T1.1-2020|标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则||2|GB/T10129|电工钢带（片）磁性能测量方法||3|IEC60404-16|磁性材料—第16部分：用激光干涉仪测量电工钢带（片）磁致伸缩的测试方法||4|IEC60404-3|磁性材料—第3部分：用单片测试仪测量电工钢带（片）磁性能的方法||5|GB20052-2020|电力变压器能效限定值及能效等级||6|GB/T3656-2008|电工钢带（片）的密度、电阻率和叠装系数测量方法|上述文件为本标准中涉及的术语定义、测量原理、试验条件控制和数据处理方法提供了重要的技术依据与规范参考。三、标准主要内容3.1范围本标准规定了用单片测试仪（SingleSheetTester,SST）和光学传感器测量晶粒取向电工钢带（片）磁致伸缩特性的方法，包括术语和定义、测量原理、测试装置、试样制备、测量程序、数据处理及测试报告等内容。本标准适用于公称厚度为0.23mm~0.35mm、频率为50Hz或60Hz条件下晶粒取向电工钢带（片）磁致伸缩特性的测量。在满足标准规定的条件时，也可用于其他类型电工钢材料的磁致伸缩特性测量。3.2规范性引用文件本标准规范性引用了以下文件，其条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。主要包括：-GB/T10129电工钢带（片）磁性能测量方法-GB/T3656电工钢带（片）的密度、电阻率和叠装系数测量方法-IEC60404-3磁性材料—第3部分：用单片测试仪测量电工钢带（片）磁性能的方法-IEC60404-16磁性材料—第16部分：用激光干涉仪测量电工钢带（片）磁致伸缩的测试方法3.3术语和定义本标准界定了以下核心术语和定义：磁致伸缩系数（MagnetostrictionCoefficient,λ）：磁性材料在外加磁场作用下，沿磁化方向发生的相对长度变化量，以\(\lambda=\DeltaL/L\)表示，其中\(L\)为试样初始长度，\(\DeltaL\)为磁化过程中的长度变化量。磁致伸缩系数分为饱和磁致伸缩系数（\(\lambda_s\)）和不同磁通密度峰值下的磁致伸缩系数（\(\lambda_{p-p}\)），其中\(\lambda_{p-p}\)为交变磁化一个周期内磁致伸缩应变的峰峰值，以\(10^{-6}\)为单位（即ppm）表示。单片测试仪（SingleSheetTester）：由励磁装置、磁化轭铁和测量线圈组成，用于对单片电工钢试样施加可控交变磁场的测试系统。其磁路结构应确保试样区域内磁场分布均匀，激励磁场波形满足标准规定的正弦条件。光学传感器（OpticalSensor）：基于激光干涉等光学原理的非接触式位移测量装置，用于检测试样在磁化过程中沿规定方向产生的微小形变量。该传感器的测量分辨力应不低于纳米量级。磁致伸缩峰峰值（Peak-to-PeakMagnetostriction,\(\lambda_{p-p}\)）：在规定的磁通密度峰值和频率条件下，试样在一个完整磁化周期内磁致伸缩应变最大值与最小值之差。励磁频率（MagnetizingFrequency）：施加于试样上的交变磁场的频率，本标准规定的标准测量频率为50Hz，可根据需要在45Hz~65Hz范围内进行其他频率测量。磁通密度峰值（PeakMagneticFluxDensity,\(B_m\)）：在规定的测量条件下，试样中磁通密度波形在一个周期内所达到的最大值，以特斯拉（T）为单位。退磁状态（DemagnetizedState）：试样在测量前通过逐渐减小交变磁场幅值至零所达到的稳定的磁中性状态。3.4测量原理本标准规定的磁致伸缩测量方法基于以下物理原理：当晶粒取向电工钢试样在交变磁场中被磁化时，由于磁畴的转动与畴壁的位移，试样沿轧制方向将发生微小的尺寸变化——即磁致伸缩效应。这一尺寸变化的量级通常为每米\(10^{-7}\)至\(10^{-6}\)米（即0.1~1μm/m），远小于传统机械测量手段的分辨能力，因而需要借助光学干涉测量原理来实现高精度检测。本方法的核心测量原理为光学干涉测量法。测试系统由单片测试仪（提供励磁磁场）和光学传感器（高分辨率位移检测）两大部分构成。其技术路线为：单片测试仪的励磁绕组在试样中产生交变磁通，使试样发生周期性的磁致伸缩变形；光学传感器发射激光束照射到试样表面的反射靶标上，基于干涉条纹的变化解算出试样沿测量方向的瞬时位移量；同步记录磁通密度波形与位移信号，经数据处理得到磁致伸缩系数。在具体光路设计中，光学传感器采用激光干涉光学系统，其光源为稳频激光器，波长稳定性不低于\(10^{-6}\)量级。由光源发射的激光经分光镜分为参考光束和测量光束。参考光束射向固定的参考反射镜，测量光束射向安装在试样端部的反射靶标。两束反射光在分光镜处汇合后形成干涉条纹。当试样因磁致伸缩产生微小位移时，测量光束的光程发生改变，引起干涉条纹相位移动。通过光电探测器将干涉信号转换为电信号，由相位解调电路实时解算出试样的位移量。该方法的理论分辨力可达纳米量级，能够精确捕捉磁致伸缩系数在\(10^{-7}\)量级的变化。为确保磁通密度波形的正弦性，本标准规定采用闭环反馈控制方式。控制系统的磁通密度反馈信号由绕制在试样上的B线圈（匝数\(N_B\)、截面积\(A_B\)）感应电压经积分器获得，通过比例-积分（PI）调节器实时调整功率放大器的输出电压，保证磁通密度波形为正弦波，其波形畸变率不超过2%。在满足波形控制的条件下，B线圈的感应电压经积分处理后作为磁通密度的实时测量信号。同时，H线圈（或通过等效磁路法）测量磁场强度波形，用于计算磁化功率等辅助参数。本标准的测量原理确保了对晶粒取向电工钢磁致伸缩特性的准确、可靠测量，测量结果的重复性（以标准偏差表征）应不超过平均值的3%，为材料评价和产品质检提供精确的数据支撑。3.5测试装置要求3.5.1单片测试仪构成单片测试仪主要由以下部件构成：-磁场均匀区：试样放置区域应保证磁通密度分布均匀性在±2%以内。该区域的有效范围应不小于试样测量区域面积的90%。-B线圈：紧密绕制在试样中部的测量线圈，用于感应试样中的磁通密度。B线圈的匝数误差应不超过±0.5%。-H线圈（可选）：用于直接测量试样表面的切向磁场强度，可采用扁平式线圈紧贴试样表面，或采用双H线圈法以消除位置误差。3.5.2光学传感器光学传感器的技术要求包括：-测量分辨力：应不低于1nm（纳米），确保能够捕捉\(10^{-7}\)量级的磁致伸缩变化。-测量范围：应不小于±10μm，适应不同牌号材料的磁致伸缩差异。-频率响应：应覆盖5Hz~1kHz范围，满足基波和主要谐波分量的测量需要。-线性度：传感器输出的位移电压信号与真实位移之间的非线性误差应不超过满量程的±0.1%。-环境抗扰度：应具备对环境振动、温度漂移等干扰因素的抑制能力，或通过差分测量等方式消除共模干扰。3.5.3测量夹具试样夹持装置应确保试样在测量过程中保持平整，且在磁化方向上能够自由伸缩。夹具的设计应避免对试样施加过大的夹持力而产生附加应力，同时应确保试样在垂直于测量方向的平面内不发生弯曲或屈曲。夹具与试样的接触方式推荐采用线接触或点接触，以减