基于磁巴克豪森技术的铁磁材料应力无损检测系统研究.pdf

科学技术创新 2023.23基于磁巴克豪森技术的铁磁材料应力无损检测系统研究王杰，冯家俊，杨超林，张亮亮，李思诚（南京工程学院，江苏 南京）引言随着我国工业不断发展，铁磁材料和机械零件的应力检测是船舶、航空、国防等机械行业中急需解决的问题。机械零件在需要承受应力的环境下长时间服役，会减少零件寿命，甚至出现应力集中现象1。机械零件所受载荷超出安全范围的隐患不易察觉。为保证设备正常运转，对零件应力的检测十分重要。目前，测试应力的无损检测方法有 X 射线法2、超声波法3、应变片法4。X 射线法是通过金属晶格畸变检测应力，但检测深度浅、设备昂贵；超声波法受限于超声波耦合，无法满足高精度应力检测；应变片法只能检测产生变形的零件。仍需要开发新型铁磁材料无损检测系统，以满足机械零件精确、快速检测的要求。1919 年德国科学家 H.Barkhausen5首次发现磁巴克豪森噪声，确立了磁畴理论的正确性。Tiitto 等6学者检测铁磁材料应力时对比 MBN 技术、钻孔法、X 射线法，发现三种方法都能表征应力。Durin G 等7使用频谱分析 MBN 信号特征值，成功表征试样应力。Jiles等8学者推导出趋肤深度公式，并建立了应力梯度数学模型。本文提出了一种磁巴克豪森检测系统，利用高熵合金磁芯搭建的磁噪声探头检测 45 钢试样，评估其受到的拉伸应力。对系统硬件模块单元选型，利用虚拟仪器 Labview 成功模拟出电压放大器、带通滤波器；使用检测系统的 MBN 信号特征值表征试样所受应力。1MBN 检测系统搭建本文提出的优化磁巴克豪森检测系统原理如图 1所示，该系统由信号发生模块、检测探头模块、数据处理模块组成。图 1磁巴克豪森检测系统原理1.1信号发生模块信号发生模块由信号发生器、功率放大器、电阻元件组成。信号发生器选择 RIGOL DG1022，内置正弦波、三角波等 60 种任意波形，最高输出频率 25 MHz，采样率高达 200 MSa/s，满足 MBN 检测系统的激励信号参数要求。功率放大器选用 Aigtek ATA-309，最大输出 810摘要：我国工业化程度越来越高，大量机械零件长期服役，对机械结构件应力无损检测的需求增大。本文基于磁巴克豪森噪声（Magnetic Barkhausen noise，MBN）技术，搭建用于评估拉伸应力的优化无损检测系统；检测系统将电压放大器和带通滤波器由虚拟仪器 Labview 模拟代替，避免元器件对 MBN 信号的噪声干扰；通过实验分别拟合拉伸应力与 MBN 信号特征值均方根、波形因子、重心频率的函数关系，结果表明均方根值具有较高的置信度。关键词：磁巴克豪森噪声；无损检测；系统优化；应力评估中图分类号院TB302.5文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤23-0174-04作者简介院王杰（1998-），男，研究生，研究方向：无损检测。174-2023.23 科学技术创新W 功率，可以驱动功率型负载，且输出稳定。系统电路中，励磁线圈会对电路产生阻碍作用，其感抗由于交流电频率较低而较低，在功率器放大电信号时，会产生一个较大的电流，容易对功率放大器造成损坏，在励磁线圈和功率放大器之间串联一个电阻元件来保护检测系统设备不受冲击。1.2检测探头模块检测探头模块包含 U 型磁轭、激励线圈、磁敏传感器。U 型磁轭长 80 mm，宽 30 mm，脚柱横截面为 22mm*30 mm 的矩形，励磁线圈缠绕在 U 型磁轭顶部，约 500 匝，线圈横截面积为 0.38 mm2。磁敏传感器置于 U 型磁轭两极之间，由检测线圈和磁芯构成。其中 1000 匝直径 0.35 mm 的检测线圈缠绕在磁芯上。磁芯选用高熵合金 FeCoNi(MnAl)0.25，其具有高饱和磁化强度、低矫顽力等优异软磁性能，可以达到力学性能和磁性能的平衡，在无损检测、电磁屏蔽等领域都具有巨大的应用潜力9。1.3数据处理模块数据处理模块包括数据采集卡、上位机。数据采集卡选用 NI 信号采集卡，NI6356 采样频率达到 500 KHz，满足 MBN 高频信号输出要求。由于 MBN 技术在磁化试样过程中会产生一个磁场，当电压放大器周围存在复杂电磁场时，电压放大器的输入电路或某些重要元件容易被杂散磁场干扰，而出现噪声电压。本文 MBN 检测系统传统电压放大器和带通滤波器由虚拟仪器 Labview 模拟，可以避免元器件对信号的噪声干扰。在虚拟仪器 Labview 内置的电压放大器和滤波器进行电压放大和滤波。电压放大增益为 500dB，滤波类型采用带通滤波，设置最低截止频率为 1kHz，最高截止频率为 100 kHz。磁巴克豪森信号通过Labview 虚拟仪器显示并保存至上位机。2实验2.1试样准备采用真空电弧熔炼法制备 FeCoNi(MnAl)0.25高熵合金磁芯。将熔炼炉抽至真空，炉内表压为-0.05 MPa。使用粉末熔炼，期间合金锭翻转熔炼 6 次，每次持续时间为 5 分钟，并开启电磁搅拌进行混合。熔炼完成后，将合金铸锭切割成直径 10 mm，高 20 mm 的高熵合金磁芯。拉伸试样选用 45 钢，试样未受拉力前的规格为255 mm*25 mm*3 mm，实验前对试样进行 600 益，4 h 去应力退火以及除锈剂去除表面氧化层处理。2.2拉伸试验在 0 MPa210 MPa 范围内，试样在拉伸试验机每隔 10 MPa 做一次拉伸试验，夹具加紧试样后，STM32 单片机精确控制伺服电机运动加上闭环反馈系统，保证试样受到拉伸应力的精度误差不超过 0.1MPa，拉伸试验机对试样施加一个持续增加的力，达到设定的应力后停止。每次试验完成后卸载试样，以模拟机械零件在工作中受到的拉伸应力，对初始状态以及每次拉伸试验后的试样使用搭建的 MBN 应力检测系统进行检测实验。2.3应力检测由信号发生器提供一个 4 Hz、6 V 的正弦激励信号，信号经过功率放大器放大，使激励线圈产生一个交变的磁场。45 钢试样在磁化过程中，畴壁翻转产生MBN 信号，信号通过磁敏传感器传输至上位机。虚拟软件 Labview 对信号放大并滤波，每个应力测试十组1s 的信号。均方根是常见的特征值，用于评估信号强度。在一定周期内，MBN 信号均方根计算公式：(1)提取 MBN 信号特征值波形因子，其计算公式如下：(2)(3)对 MBN 信号傅里叶变换后，提取频域特征值重心频率：(4)3实验结果初始 45 钢试样测得的 MBN 信号和频域振幅谱如图 2 所示。175-科学技术创新 2023.23 (a)MBN 信号和激励电压(b)频域振幅谱图 2检测系统测得的 MBN 信号和频域振幅谱图2（a）中一个激励周期出现两个峰，MBN信号峰值总是在激励电压梯度最大时出现。将MBN信号傅里叶变换处理后，得到振幅谱如图 2（b），信号振幅谱的包络线整体呈现出正态分布，振幅谱峰值出现在频率11 KHz时。提取MBN信号特征值均方根、波形因子以及MBN信号振幅谱特征值重心频率，作变化关系图,并计算 95%置信区间和95%预测区间得到结果如图3所示。(a)均方根(b)波形因子(c)重心频率图 3不同特征值与拉伸应力的拟合曲线、置信区间和预测区间图 3 特征值中均方根和波形因子随着拉伸应力的增大而增大，重心频率随着拉伸应力的增大而减小。拉伸应力从 0 MPa 增加到 210 MPa 的过程中，RMS 从0.156 V 增加到 0.187 V，波形因子从 1.627 增加到1.906，重心频率从 10 846.12 减少到 10 814.57。比较其拟合的决定系数 R-square 以及校正决定系数AdjustedR-square，如表 1 所示。表 1拟合系数特征值均方根的拟合系数 0.998 12 更接近 1，是三个特征值中拟合度最高的，其置信区间、预测区间小，与拟合函数吻合度高，可以建立与拉伸应力的关系；其次是特征值波形因子，置信度略低于均方根，不建议表征拉伸应力；特征值重心频率的变化趋势与其他特征值不同，其置信区间和预测区间大于其他特征 均方根 波形因子 重心频率 R-square 0.99812 0.99573 0.98604 Adjusted R-square 0.99793 0.99528 0.98457 176-2023.23 科学技术创新值，且离散度较高，难以表征拉伸应力。4结论本文基于 MBN 技术搭建应力无损检测系统，该系统用于评估铁磁性试样所受拉伸应力大小；MBN 检测系统将电压放大器和带通滤波器由虚拟仪器Labview 模拟代替，以减少干扰；MBN 探头磁芯采用高熵合金 FeCoNi(MnAl)0.25 代替传统镍锌铁氧体磁芯；使用均方根、波形因子、重心频率三个 MBN 信号特征值表征试样所受拉伸应力，均方根与拉伸应力的拟合95%置信区间和 95%预测区间最小，拟合误差小，适于表征铁磁材料所受拉伸应力。参考文献1徐滨士,夏丹,谭君洋,等.中国智能再制造的现状与发展J.中国表面工程,2018,31(5):1-13.2Yu L.G.Journal Applied CrystallographyJ.1994,27(8):863-867.3王彦龙.LCR 超声波应力仪的研制J.仪表技术与传感器，2006（9）：13-14，21.4W.P.Mason.Semiconductors in Strain GaugesJ.BellLaboratory Record,1959,37:7-9.5Barkhausen H.PhysicsN,1919.6Kirsti,Tiitto.Residual Stress in Design J.Processand Material Selection,1987,74(4)：130-134.7Durin G,Zapperi S.On the power spectrum ofmagnetization noiseJ.JournalofMagnetism andMagnetic Materials,2002,245(2):1085-1088.8MierczakLP,MelikhovY,JilesDC.DeterminingresidualstressdepthprofilesusingthemagneticBarkhausen effect J.IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(10):1-5.9PanpanLi,AndingWang,C.T.Liu.A ductile high en原tropyalloywithattractivemagneticproperties J.Journal of Alloys and Compounds,2017,694.Research on Stress Nondestructive TestingSystem of Ferromagnetic Materials Basedon Magnetic Barkhausen TechnologyWang Jie,Feng Jiajun,Yang Chaolin,Zhang Liangliang,Li Sicheng（Nanjing Institute of Technology,Nanjing,China）Abstract:The degree of industrialization in China is getting higher and higher,and a large number ofmechanical parts have been in service for a long time,so the demand for stress nondestructive testing of me原chanical structural parts is increasing.Based on Magnetic Barkhausen noise(MBN)technology,an optimizednondestructive testing system for evaluating the tensile stress was constructed.In the detection system,thevoltage amplifier and bandpass filter are simulated by the virtual instrument Labview,which avoids the noiseinterference of the components to the MBN signal.The functional relationship between tensile stress and MBNsignal characteristic value root mean square,waveform factor and center of gravity frequency is fitted by ex原periments,and theresults show that the root mean square value has high confidence.Key words:Magnetic Barkhausen noise;non-destructive testing;system optimization;stress assessment177-