CN101551359B - 封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，采用巴克豪森磁噪声检测装置，向被测铁磁壳体施加变频电磁激励和旋转电磁激励，获取被测铁磁壳体内部不同深度的MBN、MAE信号，对MBN、MAE信号进行三维重建，最终检测出被测铁磁壳体内的三维应力和缺陷分布。本发明的有益技术效果是：可以对铁磁壳体内部应力和缺陷进行三维空间扫描和检测，该方法适用面广，操作时对人体无危害，操作简单易行。

Description

封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种材料内应力检测技术，尤其涉及一种封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法。

背景技术

将一个工件与一壳体装配，当该工件外型与壳体内部形状几乎相同时，工件与壳体紧密配合，形成封闭铁磁壳体。为了实现工件与壳体紧密配合，必须在装配过程中施加较大的作用力。由于任何一个工件都存在一定的尺寸加工误差，在生产装配时，容易在工件、壳体的接触面上产生局部应力集中、局部过热、偏载和配合欠紧密等问题，甚至造成材料内部的裂纹和损伤，造成损失或成为隐患引发事故。因此，研究壳体装配过程中狭缝间作用力的在线无损检测方法和相应的在线检测设备，对于保障产品质量具有重要意义。同时这种检测技术对于其它相类似的设备加工制造过程中的在线无损检测以及危险性较高的在役设备长期安全监测具有重大意义。

目前可以检测材料内应力或缺陷的无损检测方法有：超声检测、射线检测、红外检测以及磁检测。射线、红外、超声检测的优点是适用的材料种类广，磁检测往往只适用于磁性材料。

超声法具有体积小、重量轻、便于携带且对人体无害的特点。但是通常要求被测工件尺寸较大，因为实际操作中，超声波在金属中传播纵波速度为5000m/s左右，这样通过测量声速差检测应力，首先要求应力作用的声传播路径要有一定距离，至少要在100mm以上，即使这样检测的分辨率也很低。由于固体材料的声速不仅会受到应力的影响，它还与材料自身的性质及温度等有关，这在很大程度上限制了超声法的应用。并且超声波测量装置与试件之间的耦合因素严重影响检测的精度，所以超声法的现场应用发展缓慢，目前这种方法还仍处于试验研究阶段。

漏磁检测(磁检测的一种)的工作原理是利用激励磁场在导磁的被测件体内产生一个纵向磁场回路，如果工件内壁或外壁有缺陷，则磁通路变窄，磁力线发生变形，部分磁力线还将穿出工件壁之外而产生所谓漏磁，漏磁场被位于两磁极之间的、紧贴管壁的探头检测到。理论上材料形变也可以造成漏磁，但是对于大刚度的材料，外力作用下的形变极其微小，不可能通过测量形变而推导出应力。因此无法采用漏磁检测来检测封闭铁磁壳体狭缝间的作用力。

红外检测常用于高温或低温承压设备内部保温层状态的检测与评价，它也适用于各种设备的高应力集中和疲劳损伤部位的检测。设备上的高应力集中部位在大量疲劳载荷的作用下，出现的早期疲劳损伤会显示在热斑迹图像上。红外热成像可以及早发现壳体上存在的薄弱部位，为以后的重点检测提供依据；然而，目前针对红外检测的检测结果还无法定量分析应力大小。

射线检测主要针对壳厚小于12mm的设备内部缺陷，也可以测量内应力；射线法主要有X射线检测和中子衍射法两种，但X射线的穿透深度极浅，而在中子检测时，被测物体要根据中子源仪器条件受到一定限制，而且射线法成本高、危险性大，很难在实际装配过程中在线应用。

涡流检测(磁检测的一种)是针对导电材料的一种无损检测方法，涡流探伤法可以发现缺陷，但是无法测量应力。

巴克豪森检测法是从，Barkhausen于1919年发现的巴克豪森效应，逐步发展并成熟起来的，利用巴克豪森检测法不仅可以测到单轴向应力，而且能测较复杂的应力，但只能显示出应力的二维分布。

综上所述，能够检测铁磁性材料内部三维应力分布的检测方法研究，目前国内外尚未见有关成功研究的报道。

发明内容

本发明提出了一种封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，该方法采用巴克豪森磁噪声检测装置，向被测铁磁壳体施加变频电磁激励和旋转电磁激励，获取被测铁磁壳体内部不同深度的MBN、MAE信号，对MBN、MAE信号进行三维重建，最终检测出被测铁磁壳体内的三维应力和缺陷分布。

检测方法的具体步骤为：

1)预设多个不同磁场激励频率；

2)采用巴克豪森磁噪声检测装置，在每个磁场激励频率条件下分别扫描一次铁磁壳体表面；

3)步骤2)中扫描结果：如扫描结果无异常，则可判断铁磁壳体内部结构正常；如扫描结果出现异常，转步骤4)；

4)对扫描结果异常的铁磁壳体按如下方法进一步检测：

[1]预设多个磁场激励频率和多个检测位置；

[2]在同一检测位置，在某个起始磁场激励频率条件下，每检测一次就将检测装置旋转一相同角度继续检测，直到旋转360°为止；检测装置旋转了360°后，改变磁场激励频率，继续按“每检测一次就将检测装置旋转一相同角度，直到旋转360°为止”进行检测，直至每个磁场激励频率条件下，都完成了一次旋转检测为止；

[3]改变检测位置，重复步骤[2]，直至每个检测位置都检测完毕；

[4]接收到的检测信号，即MBN、MAE信号，经过调理电路后，送入计算机进行三维重建处理。

前述的方法步骤中，起始磁场激励频率选择频率最高的磁场激励频率；改变磁场激励频率的方式按从高频到低频进行。

根据下式确定得到的检测信号与铁磁材料表面深度的关系，

H(z)＝K×H₀e^-z/δ

式中：K为常数；H₀为样品的表面磁场强度；H(z)为距材料表面z处的磁场强度；δ为表面磁场经铁磁壳体衰减1/e处的深度，即衰减系数。

根据下式确定某一磁场激励频率f条件下，表面磁场经铁磁壳体衰减1/e处的深度δ，

$\mathrm{\δ}=1/\sqrt{\mathrm{\π\μ\σf}}$

式中：μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率。

本发明的有益技术效果是：可以对铁磁壳体内部应力和缺陷进行三维空间扫描和检测，该方法适用面广，操作时对人体无危害，操作简单易行。

附图说明

图1、巴克豪森噪声放大阶梯波形；

图2、巴克豪森磁噪声检测装置结构示意图；

图3、旋转扫描激励磁场和接收传感器一体化结构；

图4、控制磁场激励频率对铁磁材料纵深的逐层扫描示意；

图5、检测系统原理示意；

图中：“冂”型铁芯1、激励线圈2、MBN传感器3、MAE传感器4。

具体实施方式

铁磁材料的磁畴发生不可逆运动产生巴克豪森噪声(见图1，巴克豪森噪声表现在磁化曲线最陡区域是阶梯式变化)电信号的同时，由于磁致伸缩作用，导致材料内部激起的应力波，称为磁力声发射(Magnetomechanical Acoustic-Emission简称磁声发射MAE)，它的频率在超声波范围。磁声发射(MAE)是与巴克豪森效应(Magnetic Barkhausen Noises MBN)相对应的，巴氏效应是由于畴壁的不连续运动引起的电应脉冲，而MAE则是视为巴氏效应的力学效应。铁磁材料在磁化过程中引起磁畴壁运动，一般90°畴壁运动导致磁致伸缩是磁声发射的主要来源；180°畴壁运动是引起巴克豪森效应的主要因素。Kusanagi等证明该类声发射与应力有关，而且材料、磁场强度和声发射传感器的固有频率等对磁声发射信号强度也有影响。

磁声发射(MAE)技术应用于测定铁磁材料的表面应力，具有测量深度大、设备简单、方便等优点，但在高的拉应力下灵敏度下降，确定应力的方向也比较复杂。另外，MAE的测量精度除受磁化场强度限制外，还受试样磁化区域体积限制，要得到很高的磁化场强度，其磁化器不能做得太小，因此，其磁化区域体积就可能较大，对两个相邻的小区域应力变化就不可能分辨出来；而巴克豪森检测法的测量精度与磁化区域大小无关，只与接收线圈的面积有关，接收线圈可以制作得很小，测量精度相应可以提高。为了实现磁力线高度集中，提高测量精度，朱孝谦等提出采用局部磁化法。由此可见，MBN测量可以弥补MAE不足之处。鉴此，将MAE与MBN测量技术有机结合，对于铁磁体内应力的无损检测与其它方法相比具有检测速度快、定位精度高、测量准确等优点，具有明显优越性，是首选的铁磁材料应力测试技术方法。

正是基于MBN和MAE信号在铁磁材料应力测量中(以及多层结构)的这些突出的优点，发明人提出了本发明的封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，该方法在一维磁场激励基础上，增加二维旋转扫描机构(提供旋转电磁激励)，进一步结合趋肤效应变频(提供变频电磁激励)纵深逐层三维扫描方式，经过三维重建，能够构成类似“CT”的三维应力和缺陷图像。它能够检测铁磁壳体内的多层结构应力分布。

由于采用巴克豪森噪声和磁声发射同时检测，它能够实现从表面到较深铁磁体(数厘米)的设备应力分布的快速、高精度检测。这种检测方法解决了传统“磁场无损检测方法”无法检测材料内部三维应力分布的缺点，为工件的精密装配加工提供了一种在线监测手段，也适合于定期对各种在役设备进行原位无损检测，确保设备安全，在工业和国民经济等许多领域有非常重大意义。

本发明的方法中采用的装置是已经十分成熟的巴克豪森磁噪声检测装置，其结构主要由以下几个部件组成：“冂”型铁芯1(本文中简称铁芯)、激励线圈2、MBN传感器3、MAE传感器4；

参见图2，下面通过测量时，部件在待测壳体上的位置来说明各个部件间的连接关系：激励线圈2缠绕在“冂”型铁芯1中部的横梁上，“冂”型铁芯1下部(激励发射端)靠在待测壳体外表面，MBN传感器3设置在“冂”型铁芯1横梁在待测壳体外表面的正投影线上，MAE传感器4设置在此正投影线的延长线上，且MBN传感器3、MAE传感器4、铁芯三者位置相对固定；

初步检测时，预设多个不同磁场激励频率(通过激励线圈2来调整磁场激励频率)，在每个磁场激励频率条件下分别扫描一次铁磁壳体表面；发现检测结果异常后，进一步进行逐点精测，精测的步骤如下：

[1]预设多个磁场激励频率和多个检测位置；

[2]在同一检测位置，在某个起始磁场激励频率条件下，每检测一次就将检测装置旋转一相同角度继续检测，直到旋转360°为止；检测装置旋转了360°后，改变磁场激励频率，继续按“每检测一次就将检测装置旋转一相同角度，直到旋转360°为止”进行检测，直至每个磁场激励频率条件下，都完成了一次旋转检测为止；

[3]改变检测位置，重复步骤[2]，直至每个检测位置都检测完毕；

[4]接收到的检测信号，即MBN、MAE信号，经过调理电路后，送入计算机进行三维重建处理。

MBN检测信号与转角的关系如下式：

MBN_energy＝αcos²(θ-φ)+β

式中，θ为激励磁场与参考方向的夹角；φ为易磁化轴方向与参考方向的夹角；α参量表示的180°畴壁产生的MBN能量中各向异性成分，而180°畴壁导致易磁化角度，因此，该参量与MBN能量角度变化相关。β表示MBN能量中各向异性成分，这只与各向异性背景相关。从式中可知，与角度相关MBN测量的最大值就是样本的易磁化轴方向(φ)。这样，通过检测MBN信号在某一个转角方向的能量最大值即可以知道应力在二维断层的大小和方向。MAE检测信号与转角的关系与MBN检测信号相类似。

旋转扫描可以采用激励磁场铁芯和接收传感器构成一体化结构(如图3)，将MAE传感器4和MBN传感器3通过连接件与铁芯固定，然后由控制机构控制其旋转。在一些快速、且对于二维角度测量要求很高的场合，可以采用多组磁铁和磁开关组成受控依次旋转磁激励，接收传感器则采用全向或阵列传感器结构。

参见图3，旋转检测时，检测装置以“冂”型铁芯1的对称中心轴为旋转轴对被测铁磁壳体施加旋转激励，MBN传感器3和MAE传感器4跟随铁芯一起转动(即三者无相对位移)。

参见图5，通过计算机软件进行三维重建现今已是一门非常成熟的技术，其具体方法及其它的相关设备的连接结构如图所示，不再赘述。参见图4，磁场激励频率越高，其穿透深度就越浅，为了方便后期的信号处理及三维重建处理，起始磁场激励频率选择频率最高的磁场激励频率；改变磁场激励频率的方式按从高频到低频进行。

前面提到的磁场激励频率与穿透深度的关系可以通过下式来反应，

H(z)＝K×H₀e^-z/δ

式中：K为常数；H₀为样品的表面磁场强度；H(z)为距材料表面z处的磁场强度；δ为表面磁场经铁磁壳体衰减1/e处的深度，即衰减系数。

某一磁场激励频率f条件下，表面磁场经铁磁壳体衰减1/e处的深度δ，可由下式表征，

$\mathrm{\δ}=1/\sqrt{\mathrm{\π\μ\σf}}$

式中：μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率。

Claims (5)

1.一种封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，其特征在于：采用巴克豪森磁噪声检测装置，向被测铁磁壳体施加变频电磁激励和旋转电磁激励，获取被测铁磁壳体内部不同深度的MBN、MAE信号，对MBN、MAE信号进行三维重建，最终检测出被测铁磁壳体内的三维应力和缺陷分布。

2.根据权利要求1所述的封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，其特征在于：检测方法的步骤为：

1)预设多个不同磁场激励频率；

2)采用巴克豪森磁噪声检测装置，在每个磁场激励频率条件下分别扫描一次铁磁壳体表面；

3)步骤2)中扫描结果：如扫描结果无异常，则可判断铁磁壳体内部结构正常；如扫描结果出现异常，转步骤4)；

4)对扫描结果异常的铁磁壳体按如下方法进一步检测：

[1]预设多个磁场激励频率和多个检测位置；

[2]在同一检测位置，在某个起始磁场激励频率条件下，每检测一次就将检测装置旋转一相同角度继续检测，直到旋转360°为止；检测装置旋转了360°后，改变磁场激励频率，继续按“每检测一次就将检测装置旋转一相同角度，直到旋转360°为止”进行检测，直至每个磁场激励频率条件下，都完成了一次旋转检测为止；

[3]改变检测位置，重复步骤[2]，直至每个检测位置都检测完毕；

[4]接收到的检测信号，即MBN、MAE信号，经过调理电路后，送入计算机进行三维重建处理。

3.根据权利要求2所述的封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，其特征在于：起始磁场激励频率选择频率最高的磁场激励频率；改变磁场激励频率的方式按从高频到低频进行。

4.根据权利要求1所述的封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，其特征在于：根据下式确定电磁激励的磁场强度与铁磁材料表面深度的关系，

H(z)＝K×H₀e^-z/δ

式中：K为常数；H₀为样品的表面磁场强度；H(z)为距材料表面z处的磁场强度；δ为表面磁场经铁磁壳体衰减1/e处的深度，即衰减系数。

5.根据权利要求4所述的封闭铁磁壳体内部三维作用力在线检测方法，其特征在于：根据下式确定某一磁场激励频率f条件下，表面磁场经铁磁壳体衰减1/e处的深度δ，

式中：μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率。 

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