基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究

基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪 论 锅炉、压力容器、压力管道、汽轮机、铁路、桥梁及其他特种设备的安全直接影响国家的经济运行和人民的生命财产安全，采用无损检测 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，对这些设备进行质量鉴别、工作安全性和寿命评估，能够防止重大事故发生，具有重大的社会效益和经济效益。随着现代工业和科学技术的发展，无损检测的重要性越来越被各个部门所重视。在工业生产和 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 建设中多次发生的锅炉容器爆炸、桥梁断裂等重大安全安全事故对无损检测的技术进步和快速、便捷、准确的无损检测新技术的开发提出了迫切要求。近年来，随着电磁理论的不断发展，测量工艺和测量精度的不断提高，电磁无损检测技术取得了较快发展。而随着信号处理技术的发展，巴克豪森噪声检测方法为电磁无损检测领域提供了一个崭新的方向。本论文就巴克豪森噪声检测铁磁性材料的应力、材料特性进行研究。1.1 引言 无损检测技术是以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性以及某些物理性能的技术1。 无损检测技术可以对工程材料、零部件和结构件进行百分之百的检测，并根据检出缺陷的特性，依照常规力学或断裂力学的判据做出恰当的评价。所以无损检测技术是为了保证材料和构件在高质量、高性能以及安全可靠的基础上经济、节约的使用而提供依据的重要方法。它是工业生产中实现质量控制、节约原材料、改进工艺和提高劳动生产率的重要手段，也是设备安全运行的重要监测手段2。因此，近年来，无损检测技术受到工业界的普遍重视。 在工业生产检验中，目前应用最广泛的无损检测的方法主要有涡流检测34、液体渗透5、磁粉检测6、射线检测7和超声波检测8，它们被称为五大无损检测方法。这些传统的检测方法技术成熟，在质量控制、安全保障、事故预防等方面发挥了重要作用，但存在以下一些不足之处: (1)均是寻找已经存在的缺陷，不能发现和预测将要发生缺陷的部位，无法解决设备突发 性破坏问题; (2)需要对被检对象表面进行清理和一些预处理; (3)一般需要被检测对象停止工作; (4)检测易受工件形状、结构和检测人员技术水平等因素的制约，检测结果的可靠性受到 影响; (5)检测效率低。 1 基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究 设备的零部件和金属构件发生损坏的主要原因是各种微观和宏观机械应力集中。在应力集中区域，疲劳、腐蚀和蠕变过程的发展尤为剧烈;在微观缺陷区域，也往往存在较大的应力集中现象。因此，有效地评价应力变形状况，特别是导致损伤的临界应力变形状况，成为评价设备零部件结构强度、可靠性及寿命预测的一个重要依据9。传统的无损检测方法已广泛应用于工业非破坏性检测，但由于原理和工艺的局限性，传统方法仅能检测出已发展成形的缺陷，但是对于在役金属设备及构件的早期损伤，特别是尚未成形的隐性不连续性变化，难以实施有效的评价。针对这种情况，本文提出了基于巴克豪森噪声的应力检测系统。1.2 铁磁材料各种应力检测方法的特点 表 1.1 对几种无损检测方法进行了比较。在一系列应用于钢铁材料的无损检测方法中，磁测方法具有很大的优越性。总的说来，磁性能的变化更易测量，但由于磁测法在原理上比较复杂，因而许多方法并不完善。磁测法大体上可以解决二大类问题:缺陷检查和内禀性质如残余应力评价。 表 1.1 应力的几种检测方法的比较 方法 原理 检测尺度 检测深度 检测速度 有损/无损 X 射线法 力对晶格变形 微观 微米级 较慢 有损 电阻应变片法 应变电阻效应 宏观 表面 慢 无损 盲孔法 力对宏观变形 宏观 毫米厘米级 慢 破坏性 与传感器灵 金属磁记忆法 力对磁特性影响 宏观 快 无损 敏度有关 巴克豪森法 力对磁特 性影响 宏观 0.01-1mm 快 无损1.2.1 X 射线法 X 射线法是利用 X 射线穿透金属晶格时发生衍射的原理测量金属材料或构件的表面层由于晶格间距所产生的应变，从而计算出应力的一种方法。它可以无损地测量构件中的应力或残余应力，特别适宜于测量薄层和裂纹尖端的应力分布。其原理为当平行相干的 X 射线射到金属结晶面时，会发生衍射现象，测量衍射角的变化可以确定晶格间距的变化。测量应力时，通常只 o o o o要测量四、五个具有不同入射角一般取 0 、 30 、 45 、 60 的 X 射线的衍射角，做出分布曲线，用最小二乘法求出斜率，就可确定构件上一点在某一方向的表面应力 σ x 。用 X 射线测定应力时，其精度会受到许多因素的影响:如被测试件材料的结构，晶粒的精细程度，衍射面的选择，X 射线的波长，采用的测量方法，被测试件表面的平滑度和处理情况等。而且测量深度仅达 m 数量级，并且设备复杂，对于某些材料的焊接金属较大时，很难找到衍射面，在测内2 南京航空航天大学硕士学位论文部应力时必须剥层，这对于大型工件有一定困难，现场测试不方便。另外漫射的 X 射线对人体健康有一定影响，使得它在现场应用受到限制。1.2.2 电阻应变片法 导体或半导体在外界作用下产生机械变形时，应变导致其电阻值发生变化。应变片的工作原理基于导体“应变效应”及导体的电阻值随其本身伸长率的变化而变化的现象。当应变片粘贴在受测物件上后，随着物体受载而变形，电阻值将发生相应的变化，经应变仪组成的测量电桥使电阻值的变化转换成电压信号并加以放大，最后经指示器或记录器显示出与荷载成比例变化的曲线，通过标定就可以得到所需数据值的大小。这样，应变片就可以完成由载荷表示的机械量向电量的转变。 电阻应变传感器具有输出线性好，精度高等优点，并且耐久性好，体积小，质量轻，价格低廉，使用方便;适用温度范围宽，不仅能测量静态，而且对动态和冲击都有优良的响应性。但电阻应变片容易受环境如温度、湿度、化学腐蚀等影响、寿命短。此外，应变片在使用前，无一例外都要先进行粘结，粘结质量的高低取决于操作者的熟练程度，粘结剂的种类，粘结的牢固程度等等，这些都是影响测量结果的重要因素。粘结也费时费力，不利于提高生产效率，其应用受到一定程度的限制。1.2.3 盲孔法 测试时，在被测构件表面钻制一个直径与深度相当的盲孔一般为 3mm 左右，将表面残余应力释放，可以利用小孔周围粘贴的电阻应变片，用电阻应变仪测量出应力释放前后盲孔部位的应变量;也可以采用机械测长法、光弹覆膜法等，测得应力释放前后的应变量，从而计算得到该处的残余应力10。该方法测得的数值较准确，但因属于有损性测试，在实际应用中受到限制。1.2.4 金属磁记忆检测方法 20 世纪 90 年代中后期，以杜波夫教授为代表的俄罗斯学者率先提出一种崭新的金属诊断技术—金属?偶且浼觳猓?etal Magnetic Memory，MMM)1112。该方法的原理基于铁磁性工件在运行时，受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应力和变形集中区域内会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，而且这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关系。与其他无损检测方法相比，金属磁记忆检测技术主要有以下优点: (1)不仅能检测缺陷而且能反映出部件上的应力集中区域，从而通过早期诊断，较为准确地评价设备的安全性; 3 基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究 (2)实时地进行在线检测; (3)不需要对被测对象表面进行预处理，且探头采用非接触方法，探头最大提离高度为150mm; (4)提离效应影响小，检测灵敏度较高，测试结果重复性和可靠性好; (5)与漏磁检测相比，金属磁记忆检测利 用地球磁场，无需专门的磁化装置，检测设备体积小，重量轻，检测速度快，适合现场作业。1.2.5 巴克豪森噪声法 “巴克豪森效应”是德国科学家巴克豪森(Barkhausen)教授于 1919 年发现的一种铁磁材料具有的物理特性13。他发现在铁磁体内可诱发出可测噪声信号。 其机理表述如下:铁磁材料在外部交变磁场作用下，磁畴壁突然进行不可逆的运动，经历某一自由行程后遇到不被磁化的夹杂、缺陷等，被钉扎而停止运动，在经历积蓄足够磁场能之后，又突然脱离钉扎物再次进行不可逆的运动迄至再次被钉扎。每一次被钉扎和突然脱离钉扎时，被安置在铁磁材料表面的探测线圈中就产生一次电脉冲，此即巴克豪森噪声。一般认为，MBN 产生的主要机制是 1800 磁畴壁不可逆位移所致。 该现象随后于 20 世纪逐渐发展成一种新型无损检测技术，即巴克豪森噪声方法(BarkhausenNoise Analysis Method)。近几年已开始应用于汽车、航空航天和冶金机械设备等制造业的在线检测。该测试方法的精确度、灵敏度和可靠性均比传统的无损探伤方法优越。该方法可实际应用到: (1)评估工件如轴承零件，轧机轧辊等表面及次表面残余应力量值，以提供 2)评估工件显微组织状态; (3)检测在线生产控制其显微组织变化的能力; ( 工件表面缺陷(裂纹及磨削烧伤等)，以提供工件制造过程的优化工艺参数。1.3 巴克豪森噪声技术应用的研究状况及进展 国内科研工作者在利用巴克豪森噪声技术测量残余应力方面做了大量的工作。如华中理工大学的马咸尧等重点研究了钢铁件在平面应力状态下 MBN 强度随磁化方向改变呈周期性变化的规律，提出了利用巴克豪森效应测量钢铁件应力的方法，并利用回归分析法求出了 08 钢宽板试样拉伸时测量应力的经验公式14。哈尔滨工程大学的祁欣等研究了两种构件在不同应力状态下产生的磁巴克豪森噪声的强度，得出在交变磁化场作用下，材料受力对 MBN 频谱影响的规律，从时域和频域两方面来探讨磁 MBN 信号变化的规律性15。此后，他们在测量的基础上提出进一步分析应力和噪声关系的系统增益值法，在关系处理上取得一定成果16。陈娟等在研究了巴克豪森效应产生机理后，制作了巴克豪森检测传感器，对铁磁材料实施内应力检测17。4 南京航空航天大学硕士学位论文 国内学者的研究归纳起来有两点:(1)直接利用 MBN-应力关系曲线测量应力;(2)利用MBN 的第一峰值或第一谷值与应力之间的关系测量应力。 国外学者对巴克豪森效应也进行了深入的研究，并将其应用于应力及残余应力的无损检测。 在理论方面，Chennupati Jagadish 等研究发现 MBN 在单向拉力的作用下，其放大信号的平方均根随着拉力而增加，随着压力而减小。应力的变化引起 MBN 脉冲数量和脉冲高度分布的变化。他们对脉冲数量和高度进行了统计性分析，还对 MBN 信号进行了功率谱分析20。 Durin 而G 等的研究进一步把功率谱分析和统计分析相结合，以寻找应力和噪声之间的相互关系21。Leszek B Magalas 则把小波变换方式引入 MBN 分析，与时域及快速傅里叶变换处理下的频域分析作对比，从而改善对噪声的处理方法22。Gauthier J 等的研究则把所测得的 MBN 数据和盲孔法、X 射线衍射法测得的数据一一对比，来进一步说明 Barkhausen 测试在工程应用上的对比性和可用性23。 Lindgren M 等在试板上取得应力加载、卸载和 MBN 信号的对应关系。然后再测试实际应用板残余应力的 MBN 信号情况，与 X 射线衍射法实验数据比较，得出在一定范围内两者误差很小24。Stefanita C G 等在理论模型基础上，分析弹性和塑性状况下 MBN 信号的表现形式25。Dhar A 等把研究重点放在单轴晶体钢塑性形变时 MBN 信号发生的相应变化，建立 MBN 信号与塑性应变的对 应关系。其结果表明，塑性变形初始时，MBN 信号随着塑性应变的增加而增加。到达一定程度后，MBN 信号反而随着塑性应变的增加而减少。在达到一个极点之后，MBN信号基本与塑性应变变化无关26。Tiitto K 等分别用 MBN 法、X 射线法和钻孔应力驰豫法对残余应力进行了检测，发现三者有很好的一致性27。英国 Newcastle 大学的研究人员在巴克豪森噪声用于对铁磁性材料硬度即淬火深度的检测方面做了大量的研究，发现 MBN 信号包络线与材料的硬度具有较好的一致性2829。 目前巴克豪森效应研究的重点主要集中在残余应力测试、晶粒度测试、硬度检测、疲劳寿命预测及热处理缺陷检查等方面，而在利用 MBN 技术测量残余应力方面，国内的学者 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了MBN 检测传感器，建立了 MBN-应力关系曲线，对铁磁构件的残余应力测量做了大量的试验和工程应用，取得了一定的成功。国外的学者在研究 MBN 技术测量残余应力方面处于绝对领先地位，不仅对测量原理进行了深入地探讨，而且把该项技术同工程实践相结合，开发了实用的应力测量设备。其研究主要有: (1)MBN-应力关系曲线的建立; (2)将 RMS 和功率谱分析引入 MBN 3)从实际检测要求出发，建立各钢技术中，对 MBN 信号强度进行定量分析; ( 种对比试验图，为建立 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 提供有效的科学数据，并在此基础上建立工程应用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 5 基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究1.4 论文的主要研究内容 本论文主要研究内容是研究MBN信号产生的机理、铁磁性材料应力与微观组织等对MBN信号的影响机理及其影响关系、MBN信号的测试方法与处理技术。具体研究工作如下: (1)研究MBN信号产生的机理 通过对国内外的研究成果的学习，结合铁磁学理论进一步研究MBN信号产生的机理，探求MBN信号产生过程中对信号强弱的影响因素，研究得到适合于进行工程测量的MBN信号的方法与技术。研究MBN信号影响因素及其影响关系通过长期试验表明材料的两个重要物理特性会影响MBN信号强度:其一为材料内的应力和分布状态，其二为材料试样内的显微组织。利用磁畴理论，研究以上特性对MBN信号的影响机理与影响关系，从而得到MBN信号依赖于应力变化的条件，为测试仪器信号采集与处理提供理论依据; (2)MBN信号测试系统的开发 设计合适的激励电路及MBN信号处理及采集电路，并根据应力加载试验选择合适的数据处理方法，从MBN信号中提取均方根、平均值、振铃数以及包络线等特征值并用于应力和材料微观结构的检测; (3)利用MBN实现对应力以及材料微观结构的检测 通过加载试验，确定MBN特征信号与加载应力之间的关系，选取合适的特征值对应力进行检测，并得到MBN信号特征值与应力的对应关系; (4)基于MBN及MMM复合?挪庀低车纳杓?MBN检测技术与其他电磁无损检测方法如金属磁记忆检测技术的比较，结合MBN及MMM检测技术，为后续复合磁测系统的开发提供了理论支持; (5)MBN 检测系统的硬件检测电路的搭建 包括 MBN 信号采集模块电路和 DSP 数字信号处理模块电路的设计以及 PCB 的设计及调试。6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章 巴克豪森噪声检测的理论基础 o o 铁磁材料在交变磁场作用下产生磁畴壁运动，有 180 ， 90 畴壁位移及磁化矢量的转动， o o其中每种运动形式又有可逆和不可逆之分。H. Barkhausen 最先发现 180 和 90 畴壁的不可逆位移都引起不连续的磁化，即 Magnetic Barkhausen jump，它在探测线圈中所引起的噪声信号称为Magnetic Barkhausen Noise。它的收集原理为法拉第电磁感应定律，即畴壁运动时，在接受线圈中产生磁通量的变化，从而在其中产生感应电压信号。 本章从磁性物理的角度分析巴克豪森噪声产生的原因，给出 MBN 信 号的影响因素，并在此基础上根据检测材料的特性选择合适的测试系统参数。2.1 磁畴 铁磁材料的性能是由它的内部结构决定的。原子结构和晶体结构同磁性有着密切的关系，而铁磁质还有一种特有的结构，就是磁畴30。 假定铁磁质的内部可以分成无数个小“区域”，在各小区域内，原子或离子磁矩互相平行地整齐排列，故内部的磁化程度很高，形成了一个一个联合磁矩。由于各区域的磁矩分别取不同方向，对外作用互相抵消。因此，铁磁质在磁化以前，处于磁中性状态。这样的小区域，我们称为: “磁畴”。用金相显微镜能观察到磁畴的形状，其宽度约为 10-3cm，体积约为 10-9cm3。若把一个原子的体积计为 10-23cm3，则在一个磁畴内，包含百万亿个原子。图 2.1 是磁畴未磁化的结构示意图，箭头代表每一个“磁畴”的磁矩方向。 图 2.1 磁畴结构图 铁磁材料在磁化的过程中，外加磁场的作用只是把已经高度磁化的磁畴矩从各个不同的方向转到磁场的方向或接近磁场的方向，因而在磁场方向有磁化矢量，对外向显示磁强性。 由图 2.1 可见，磁畴的大小和形状以及相邻磁畴的关系与磁畴间过渡层，即畴壁有关，畴壁是磁畴结构的重要部分。 o o 按畴壁两侧磁矩方向可分为: 180 畴壁和 90 畴壁等。在铁磁质中每一个易磁化轴上有两个相反的易磁化方向。两个相邻磁畴的磁化方向恰恰相反的情况常常出现，这样构成两畴间的 o o畴壁称为 180 畴壁。如果两个相邻磁畴的磁化方向是垂直的，此畴壁称为 90 畴壁。畴壁是磁 7 基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究畴之间的过渡层，它有一定的厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不是突然转过一个大角度，而是经过畴壁的厚度逐步转向，从畴壁一边到另一边逐步转向的磁矩都保持同畴壁平行，这种过渡方式的畴壁称为布洛赫壁。2.2 磁化 磁化是外磁场把铁磁物质经自发磁化形成的各磁畴的磁矩从不同方向转到磁场方向或接近磁场方向，对外显示出磁性的过程。这种过程可以通过两种方式完成:(1)磁畴磁矩的一致转动;(2)磁畴壁的位移。 根据物质磁化后对磁场的影响，物质可以分为三大类:使磁场减弱的物质称为抗磁性物质，使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质，使磁场剧烈增加的物质称为铁磁性物质。表征铁磁性物质的基本特性的是铁磁性物质的磁化曲线与磁滞回线。2.2.1 磁化曲线 磁化曲线表征的是铁磁物质在外磁场的作用下所具有的磁化规律，又称技术磁化曲线31。磁化曲线就其特征来讲可以分为四个阶段，如图 2.2 所示: B ? ? ? ? H 图 2.2 铁磁性材料磁化曲线 (1)起始磁化区(图中?区):在弱磁场的作用下，磁感应强度 B 缓慢地增加; (2)剧烈磁化区(图中?区):在中等磁场的作用下，B 急剧增加，磁化率 χ 或磁导率出现最大值。其特征是磁化过程不可逆，伴随着不可逆磁化过程出现 Barkhausen 跳跃; (3)趋近饱和磁化区(图中?区):在强磁场作用下，随着外磁场的增加，B 缓慢上升，逐渐接近磁饱和程度，磁化曲线较为平缓; (4)饱和磁化区(图中?区):在更强磁场作用下，B 几乎不增加。2.2.2 磁滞回线 图 2.3 所示的磁滞回线是指最大磁滞回线32。最大磁滞回线与纵坐标的截距，通常称为剩余磁感应强度 Br ，当 B 0 时，回线与横坐标的截距相当于去掉剩磁所需要的反向外加磁场，8 南京航空航天大学硕士学位论文称为矫顽力 H c 。磁滞回线所包围的面积表示的是铁磁物质磁化一周的能量损耗，称为磁滞损失。 B -Hs -Hc Hc Hs H 图 2.3 铁磁性材料磁滞回线 从磁化曲线和磁滞回线可明显看出，铁磁物质的磁化不像抗磁或顺磁那样与外磁场成正比，而.