CN105866234A - 电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器和方法 - Google Patents
电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器和方法，包括：信号发生模块、功率放大模块、传感器模块、信号调理模块、数据采集模块、数据处理设备及无损检测软件系统；其特征在于：传感器模块采集被测对象的数据，将传感器采集的信号输出到信号调理模块；信号调理模块将信号进行滤波、放大，转换为电压信号输出到数据采集模块；数据采集模块将收到的信号进行A/D转换；传感器可以同时接收低频电涡流信号和高频巴克豪森信号，滤波后将低频信号和高频信号分离，从不同角度分析同一试件的损伤情况；本发明可在线、离线进行铁磁材料无损检测，通过传感器对被测机械设备的信号采样，并通过数据处理设备对信号做进一步的分析以获得试样的损伤情况；可广泛应用于工业和实验室铁磁材料无损检测中。
Description
技术领域：
本发明涉及铁磁材料无损检测仪器和方法，具体涉及电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器和方法。
技术背景：
传统的铁磁材料无损检测仪器，主要有超声波检测，射线检测，渗透检测，磁粉检测和涡流检测方法，但多使用单一信号，受到使用环境，试件形状，材料微观结构，晶粒度等影响较大，存在功能单一、仪器修改不方便、可扩展性差等缺点。
电涡流检测以电磁感应原理为理论基础。当通有交变电流的激励线圈靠近被测试件时，会在被测试件表面产生闭合回路的感应电流，感应电流与激励电流方向相反，频率相同，这个感应电流称为电涡流。电涡流的幅值、相位和路径受到被测试件各种自身因素的影响，涡流产生的磁场在检测线圈中感应出电压。通过感应电压的变化可以判断被测试件的状态和缺陷。
德国物理学家巴克豪森(H.Barkhausen)于1919年发现的巴克豪森噪声无损检测方法是铁磁材料无损检测技术的另一个重要发展分支。在外部交变磁场的作用下，铁磁材料内部磁畴随着磁场增强发生磁畴转动和畴壁位移，相邻两个磁畴的畴壁发生不可逆摩擦震动，发出噪声信号。这种现场称为巴克豪森效应(The Barkhauseneffect)，噪声信号称为磁巴克豪森噪声MBN(The MagneticBarkhausen noise)。
本专利提出利用同一个传感器探头实现电涡流和巴克豪森融合的无损检测方法，电涡流使用低频信号，随着涡流渗透深度增加，探伤深度增加，可以一定范围内反应金属材料内部缺陷；巴克豪森使用高频信号，可以用来检测形状结构复杂的试件，对于表面动态缺陷、微观裂纹更加敏感。本专利提出一种灵活性强、功能强大、经济实用、方便携带，又能高度集成测试功能的虚拟仪器，本专利在工业上可获得广泛的应用，在产业化的发展上具有良好的前景。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题提供电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器和方法。
为了解决上述问题，本发明的第一个技术方案是，电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器，包括信号发生模块、功率放大模块、传感器励磁模块、传感器接收模块、信号调理模块、数据采集模块和数据处理设备；
其特征在于：信号发生模块产生交变激励信号，经功率放大模块放大后，传给传感器励磁模块产生磁化磁场；被测试件接收传感器励磁模块产生的磁化磁场后，输出低频电涡流信号和高频巴克豪森信号到传感器接收模块，传感器接收模块将采集的信号输出到信号调理模块；信号调理模块将信号进行滤波，将低频信号和高频信号分离、放大后,并将放大的低频信号和高频信号输出到数据采集模块；数据采集模块将收到的低频信号和高频信号进行A/D转换后输出到数据处理设备；
数据处理设备中设置参数设置模块、系统控制模块、低通滤波模块、高通率波模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块以及特征量统计模块；
其中：参数设置模块用于对采样信号的参数进行设置，主要包括：激励信号幅值、激励信号频率、检测信号采样率、检测信号采样点数、检测信号采样最大值和最小值；
系统控制模块用于控制整个采集系统的开始、停止、回放功能；
存储模块用于存储数据采集模块传送的数据以及存储时域分析功能模块、频域分析功能模块和特征量统计模块分析后的数据；
低通滤波模块用于对数据进行低通滤波，电涡流信号；
高通率波模块用于对数据进行高通率波，得到巴克豪森信号；
时域分析功能模块用于对电涡流信号进行时域分析；
频域分析功能模块用于分别对电涡流信号和巴克豪森信号进行傅里叶变换，得到电涡流频谱和巴克豪森频谱以及巴克豪森功率谱；电涡流和巴克豪森信号频谱可以用来反映材料的性质和状态。频谱图中比较集中的地方反映了信号能量较为集中的地方，也就是说在这个频段产生的电涡流和巴克豪森信号最多，当被测材料的性质和状态发生改变时，频谱结构会发生改变。巴克豪森功率谱是功率谱密度函数的简称，它定义为单位频带内的信号功率，表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况，材料应力、缺陷的存在会改变功率密度在频域范围内的分布情况。
特征量统计模块用于统计电涡流信号和巴克豪森信号的特征值，以判断被测试件的损伤情况；
显示模块用于对数据进行显示。
本发明使用一体式机箱，将信号发生模块、功率放大模块、信号调理模块、数据采集模块、数据处理设备集成在一起，方便携带，并且不用过多的连线。只采用一个传感器探头同时接收低频电涡流信号和高频巴克豪森信号，滤波后将低频信号和高频信号分离，从不同角度分析被测试材料和结构的损伤情况。
本发明可在线、离线进行铁磁材料无损检测，通过传感器对被测机械设备的信号采样，并通过数据处理设备对信号做进一步的分析以获得试样的损伤信息。本发明克服了现有无损检测仪器功能单一、携带不方便、硬件式仪器修改不方便和测试仪器现场使用连线过多的不足。采用电涡流和巴克豪森相融合的方法可以使用一个传感器探头同时采集分析低频和高频信号，系统集成度高、功能完善，克服了测试现场连线过多的缺点；对采集到的信号进行处理由软件实现，只要更换不同传感器探头即可适用不同无损检测方法，适应性强，应用范围广；并可根据不同需求修改软件，以实现不同的功能，弥补了硬件式仪器不方便修改的缺点。本发明具有功能强大、硬件支持多样、测试方便等特点，能向用户提供强大的功能库，以适应用户的各种测试需求。
本发明的第二个技术方案是，电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：包括如下步骤
A、数据处理设备中设置参数设置模块、系统控制模块、低通滤波模块、高通率波模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块以及特征量统计模块；
B、将被测试件与传感器接收模块连接，传感器接收模块连接信号调理模块，信号调理模块连接数据采集模块，数据采集模块与数据处理设备连接；
C、将传感器励磁模块与功率放大模块连接，功率放大模块连接信号发生模块，信号发生模块连接数据处理设备；
D、通过参数设置模块对采样信号的参数进行设置；并通过系统控制模块向数据采集模块发出控制指令；
E、信号发生模块产生交变激励信号，经功率放大模块放大后，传给传感器励磁模块产生磁化磁场；被测试件接收传感器励磁模块产生的磁化磁场后，输出低频电涡流信号和高频巴克豪森信号到传感器接收模块，传感器接收模块将采集的信号输出到信号调理模块；信号调理模块将信号进行滤波，将低频信号和高频信号分离、放大后,并将放大的低频信号和高频信号输出到数据采集模块；数据采集模块将收到的低频信号和高频信号进行A/D转换后输出到数据处理设备；
F\数据处理设备对数据进行处理，其中：
存储模块将收到的数据存储；同时对时域分析功能模块、频域分析功能模块和特征量统计模块分析后的数据进行存储；
显示模块对数据进行显示；
低通滤波模块用于对数据进行低通滤波，得到电涡流信号；
高通率波模块用于对数据进行高通率波，得到巴克豪森信号；
当需进行时域分析时，由时域分析功能模块对电涡流信号进行时域分析；当需进行频域分析时，频域分析功能模块分别对电涡流信号和巴克豪森信号进行傅里叶变换，得到电涡流频谱和巴克豪森频谱以及巴克豪森功率谱；
当需进行特征量统计时，特征量统计模块统计电涡流信号和巴克豪森信号的特征值，以判断被测试件的损伤情况。
根据本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法的优选方案，所述频域分析功能模块进行频域分析的方法为：
E11、读取数据，对数据初始化处理；
E12、进行傅立叶变换；
E13、调用E12步的结果,并显示结果数据。
根据本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法的优选方案，时域分析功能模块对电涡流信号进行时域分析，包括阻抗分析、阻抗平面图分析和场量分析。阻抗分析是电涡流分析中应用最广泛的一种方法，阻抗值完全取决于被测试件的厚度、镀层情况、电导率、磁导率、提离等参数的影响，当保证只改变其中一个参数，根据测出的阻抗值就可以确定该参数的变化情况。阻抗分析方法只能对阻抗的幅值加以分析和处理，而阻抗平面图分析法可以对阻抗的相位进行解读，从错综复杂的信号中提取相关信息，提高电涡流检测的准确性和可靠性。除了阻抗信号外，扰动磁场的大小和分布也能反映被测试件的状态，场量分析就是对扰动磁场进行分析的方法。
根据本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法的优选方案，电涡流信号的特征值统计包括最大值、最小值、峰值、平均值、均方差、有效值、方根幅值和峭度。
根据本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法的优选方案，巴克豪森信号的特征值统计包括最大值、振铃数、峰峰值、均方根、峰宽比、平均值和包络线。
本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法的有益效果是：本发明可在线、离线进行铁磁材料无损检测，通过传感器对被测机械设备的信号采样，并通过数据处理设备对信号做进一步的分析以获得试样的损伤信息。本发明克服了现有无损检测仪器功能单一、携带不方便、硬件式仪器修改不方便和测试仪器现场使用连线过多的不足。采用电涡流和巴克豪森方法可用一个传感器探头同时采集分析低频和高频信号，系统集成度高、功能完善，克服了测试现场连线过多的缺点；对采集到的信号进行处理由软件实现，只要更换不同传感器探头即可适用不同无损检测方法，适应性强，应用范围广；并可根据不同需求修改软件，以实现不同的功能，弥补了硬件式仪器不方便修改的缺点。本发明具有功能强、硬件支持多样、测试方便等特点，能向用户提供强大的功能库，以适应用户的各种测试需求；可广泛应用于铁磁材料无损检测中。
附图说明
图1是本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪的原理框图。
图2是本发明所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪的流程图。
图3是本发明中时域分析功能模块流程图。
图4是本发明中频域分析功能模块流程图。
图5是本发明中特征量统计功能模块流程图。
图6是本发明中数据处理系统框图。
具体实施方式
参见图1，电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器，包括信号发生模块3、功率放大模块2、传感器励磁模块1、传感器接收模块7、信号调理模块6、数据采集模块5和数据处理设备4；
其中，信号发生模块3产生交变激励信号，经功率放大模块2放大后，传给传感器励磁模块1产生磁化磁场；被测试件8接收传感器励磁模块1产生的磁化磁场后，输出低频电涡流信号和高频巴克豪森信号到传感器接收模块7，传感器接收模块7将采集的信号输出到信号调理模块6；信号调理模块6将信号进行滤波，将低频信号和高频信号分离、放大后,并将放大的低频信号和高频信号输出到数据采集模块5；数据采集模块5将收到的低频信号和高频信号进行A/D转换后输出到数据处理设备4；
参见图6，数据处理设备4中设置参数设置模块、系统控制模块、低通滤波模块、高通率波模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块以及特征量统计模块；
其中：参数设置模块用于对采样信号的参数进行设置；
系统控制模块用于控制整个采集系统的开始、停止、回放功能；
存储模块用于存储数据采集模块5传送的数据以及存储时域分析功能模块、频域分析功能模块和特征量统计模块分析后的数据；
低通滤波模块用于对数据进行低通滤波，得到电涡流信号；
高通率波模块用于对数据进行高通率波，得到巴克豪森信号；
时域分析功能模块用于对电涡流信号进行时域分析；
频域分析功能模块用于分别对电涡流信号和巴克豪森信号进行傅里叶变换，得到电涡流频谱和巴克豪森频谱以及巴克豪森功率谱；
特征量统计模块用于统计电涡流信号和巴克豪森信号的特征值，以判断被测试件的损伤情况；
显示模块用于对数据进行显示。
其中，传感器励磁模块和传感器接收模块设置在同一个探头内。
本发明采用一个传感器探头同时接收低频电涡流信号和高频巴克豪森信号，滤波后将低频信号和高频信号分离，从不同角度分析被测试材料和结构的损伤情况；
参见图2，电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：包括如下步骤
A、数据处理设备4中设置参数设置模块、系统控制模块、低通滤波模块、高通率波模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块以及特征量统计模块；
B、将被测试件8与传感器接收模块7连接，传感器接收模块7连接信号调理模块6，信号调理模块6连接数据采集模块5，数据采集模块5与数据处理设备4连接；
C、将传感器励磁模块1与功率放大模块2连接，功率放大模块2连接信号发生模块3，信号发生模块3连接数据处理设备4；
D、通过参数设置模块对采样信号的参数进行设置；并通过系统控制模块向数据采集模块发出控制指令；
E、信号发生模块3产生交变激励信号，经功率放大模块2放大后，传给传感器励磁模块1产生磁化磁场；被测试件8接收传感器励磁模块1产生的磁化磁场后，输出低频电涡流信号和高频巴克豪森信号到传感器接收模块7，传感器接收模块7将采集的信号输出到信号调理模块6；信号调理模块6将信号进行滤波，将低频信号和高频信号分离、放大后,并将放大的低频信号和高频信号输出到数据采集模块5；数据采集模块5将收到的低频信号和高频信号进行A/D转换后输出到数据处理设备4；
F\数据处理设备4对数据进行处理，其中：
存储模块将收到的数据存储；同时对时域分析功能模块、频域分析功能模块和特征量统计模块分析后的数据进行存储；
显示模块对数据进行显示；
低通滤波模块用于对数据进行低通滤波，电涡流信号；
高通率波模块用于对数据进行高通率波，得到巴克豪森信号；
当需进行时域分析时，由时域分析功能模块对电涡流信号进行时域分析；当需进行频域分析时，频域分析功能模块分别对电涡流信号和巴克豪森信号进行傅里叶变换，得到电涡流频谱和巴克豪森频谱以及巴克豪森功率谱；
当需进行特征量统计时，特征量统计模块统计电涡流信号和巴克豪森信号的特征值，以判断被测试件的损伤情况。
参见图4，所述频域分析功能模块进行频域分析的方法为：
E11、读取数据，对数据初始化处理；
E12、进行傅立叶变换；
E13、调用E12步的结果,并显示结果数据。
其中，傅里叶变换可以将连续的时间域函数变换成连续的频率域函数，从而观察信号的频率分布，同样也可以将频率域函数变换到时间域，观察信号的波形特征。
参见图3，时域分析功能模块对电涡流信号进行时域分析，包括阻抗分析、阻抗平面图分析和场量分析。
参见图5，电涡流信号的特征值统计包括最大值、最小值、峰值、平均值、均方差、有效值、方根幅值和峭度。巴克豪森信号的特征值统计包括最大值、振铃数、峰峰值、均方根、峰宽比、平均值和包络线。这些统计数据可做成图的形式，进行趋势分析，对被测材料和结构的损伤进行更好的检测。
电涡流的最大值、最小值和峰值反映实际缺陷的深度；均方差、有效值可以消除信号稳态误差，更为准确的反映缺陷深度，保证准确性；巴克豪森信号的最大值、峰峰值和平均值描述信号幅值和幅值变化情况，可以反映缺陷深度和大小；均方根值表征巴克豪森信号的能量和强度，反映应力与缺陷的大小；振铃数为一个完整的巴克豪森信号中幅值大于所设定信号阈值的脉冲信号数量，反映着材料的应力、微观结构和其他信息；提取特征值峰宽比的意义在于可以增加检测设备的分辨率；包络线反映了铁磁材料在激励信号上升或下降周期内MBN信号轮廓，用于评估被测试件内部的微观结构、应力集中等特征。
在仪器设计过程中，需要显示控件，对数据加以显示，以方便使用户直观、有效的了解仪器分析的记过。显示功能模块负责显示带有坐标的波形图、经过傅立叶变换解调后的频谱图。
Claims (6)
1.电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测仪器，包括信号发生模块(3)、功率放大模块(2)、传感器励磁模块(1)、传感器接收模块(7)、信号调理模块(6)、数据采集模块(5)和数据处理设备(4)；
其特征在于：信号发生模块(3)产生交变激励信号，经功率放大模块(2)放大后，传给传感器励磁模块(1)产生磁化磁场；被测试件(8)接收传感器励磁模块(1)产生的磁化磁场后，输出低频电涡流信号和高频巴克豪森信号到传感器接收模块(7)，传感器接收模块(7)将采集的信号输出到信号调理模块(6)；信号调理模块(6)将信号进行滤波，将低频信号和高频信号分离、放大后,并将放大的低频信号和高频信号输出到数据采集模块(5)；数据采集模块(5)将收到的低频信号和高频信号进行A/D转换后输出到数据处理设备(4)；
数据处理设备(4)中设置参数设置模块、系统控制模块、低通滤波模块、高通率波模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块以及特征量统计模块；
其中：参数设置模块用于对采样信号的参数进行设置；
系统控制模块用于控制整个采集系统的开始、停止、回放功能；
存储模块用于存储数据采集模块(5)传送的数据以及存储时域分析功能模块、频域分析功能模块和特征量统计模块分析后的数据；
低通滤波模块用于对数据进行低通滤波，得到电涡流信号；
高通率波模块用于对数据进行高通率波，得到巴克豪森信号；
时域分析功能模块用于对电涡流信号进行时域分析；
频域分析功能模块用于分别对电涡流信号和巴克豪森信号进行傅里叶变换，得到电涡流频谱和巴克豪森频谱以及巴克豪森功率谱；
特征量统计模块用于统计电涡流信号和巴克豪森信号的特征值，
显示模块用于对数据进行显示。
2.电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：包括如下步骤
A、数据处理设备(4)中设置参数设置模块、系统控制模块、低通滤波模块、高通率波模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块以及特征量统计模块；
B、将被测试件(8)与传感器接收模块(7)连接，传感器接收模块(7)连接信号调理模块(6)，信号调理模块(6)连接数据采集模块(5)，数据采集模块(5)与数据处理设备(4)连接；
C、将传感器励磁模块(1)与功率放大模块(2)连接，功率放大模块(2)连接信号发生模块(3)，信号发生模块(3)连接数据处理设备(4)；
D、通过参数设置模块对采样信号的参数进行设置；并通过系统控制模块向数据采集模块发出控制指令；
E、信号发生模块(3)产生交变激励信号，经功率放大模块(2)放大后，传给传感器励磁模块(1)产生磁化磁场；被测试件(8)接收传感器励磁模块(1)产生的磁化磁场后，输出低频电涡流信号和高频巴克豪森信号到传感器接收模块(7)，传感器接收模块(7)将采集的信号输出到信号调理模块(6)；信号调理模块(6)将信号进行滤波，将低频信号和高频信号分离、放大后,并将放大的低频信号和高频信号输出到数据采集模块(5)；数据采集模块(5)将收到的低频信号和高频信号进行A/D转换后输出到数据处理设备(4)；
F、数据处理设备(4)对数据进行处理，其中：
存储模块将收到的数据存储；同时对时域分析功能模块、频域分析功能模块和特征量统计模块分析后的数据进行存储；
显示模块对数据进行显示；
低通滤波模块用于对数据进行低通滤波，电涡流信号；
高通率波模块用于对数据进行高通率波，得到巴克豪森信号；
当需进行时域分析时，由时域分析功能模块对电涡流信号进行时域分析；当需进行频域分析时，频域分析功能模块分别对电涡流信号和巴克豪森信号进行傅里叶变换，得到电涡流频谱和巴克豪森频谱以及巴克豪森功率谱；
当需进行特征量统计时，特征量统计模块统计电涡流信号和巴克豪森信号的特征值。
3.根据权利要求2所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：所述频域分析功能模块进行频域分析的方法包括：
E11、读取数据，对数据初始化处理；
E12、进行傅立叶变换解调；
E13、调用E11步的结果,并显示结果数据。
4.根据权利要求2或3所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：时域分析功能模块对电涡流信号进行时域分析，包括阻抗分析、阻抗平面图分析和场量分析。
5.根据权利要求4所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：电涡流信号的特征值统计包括最大值、最小值、峰值、平均值、均方差、有效值、方根幅值和峭度。
6.根据权利要求5所述的电涡流和巴克豪森相融合的铁磁材料无损检测方法，其特征在于：巴克豪森信号的特征值统计包括最大值、振铃数、峰峰值、均方根、峰宽比、平均值和包络线。
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