CN109142057A - 铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量方法与系统，利用硬盘磁头检测铁磁性材料周期磁化过程中的巴克豪森噪声信号，将提取的多项磁参量输入预先建立的力‑磁参量映射关系神经网络模型，定量预测出应力或应变大小；磁芯末端空气气隙小于1μm的硬盘磁头由三轴运动平台搭载沿被测材料局域范围扫查，巴克豪森噪声检测装置同步检测巴克豪森噪声信号，神经网络模型预测扫查点的应力或应变大小，扫查完成后得到材料局域范围的应力场或应变场。由此标定出铁磁性材料中巴克豪森噪声信号与应力、应变的关系，对局域应力和应变场进行快速、无损定量检测。
Description
技术领域
本发明属于实验力学领域，利用铁磁性材料中巴克豪森噪声信号与应力、应变的标定关系，对局域应力和应变场进行快速、无损定量检测。
背景技术
铁磁性材料的应力、应变场无损测量是实验力学的重要内容。例如数字图像相关或云纹干涉法可以实现应变场的高精度测量，但进行测量前需对材料表面进行特殊处理，以预制散斑图或试件栅；X射线衍射法可以无损测量残余应力，但单点检测耗时长，进行应力场测试时效率低。巴克豪森噪声可以对应力、应变进行无损评价，检测速度快且无需对材料表面进行特殊处理。但目前的巴克豪森噪声检测系统横向分辨率低，不具备扫查功能，无法对材料局域应力场和应变场进行检测。因此，本发明提供了一种基于硬盘磁头的高分辨率巴克豪森噪声扫查系统，并提供了利用神经网络模型建立应力(或应变)与巴克豪森噪声信号特征磁参量的映射关系的方法，可以用于铁磁性材料局域范围内的应力、应变场快速、无损检测。
发明内容
本发明公布了一种铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损评价方法与装置，目的在于利用硬盘磁头检测铁磁性材料周期磁化过程中的巴克豪森噪声信号，将提取的多项磁参量输入预先建立的力-磁参量映射关系神经网络模型，定量预测出应力或应变大小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量方法与系统，其基本原理是：利用硬盘磁头检测铁磁性材料周期磁化过程中的巴克豪森噪声信号，将提取的多项磁参量输入预先建立的力-磁参量映射关系神经网络模型，定量预测出应力或应变大小；磁芯19末端空气气隙小于1μm的硬盘磁头由三轴运动平台4搭载沿被测材料局域范围扫查，巴克豪森噪声检测装置同步检测巴克豪森噪声信号，神经网络模型预测扫查点的应力或应变大小，扫查完成后得到材料局域范围的应力场或应变场。
首先搭建测量系统：
任意函数发生器1与脉冲功率放大器2连接，励磁线圈22缠绕在励磁磁芯21上并连接至脉冲功率放大器2，被测试件13由夹具20夹持固定于微型拉伸装置14，微型拉伸装置14安装底座与三轴运动平台4通过连接件5固定，巴克豪森噪声检测传感器12主要由磁芯19、检测线圈16、弹簧17和传感器外壳18组成，弹簧17和磁头19安装在传感器外壳18的中间，磁芯19位于弹簧17的下方，磁芯19为不闭合的框架结构，框架结构的不闭合处设有外凸的对称钩状结构，两钩状结构的尖端间存在小于1μm的空气气隙。检测线圈16缠绕于磁芯19并与信号调整电路7连接，巴克豪森噪声检测传感器12的励磁磁路嵌入微型拉伸装置14安装底座，并与被测材料下表面耦合，巴克豪森噪声检测传感器12固定安装于三轴运动平台4的Z轴末端与被测试件13的上表面贴合，同时与信号调整电路7连接，多通道数据采集卡8与信号调整电路7连接，运动平台控制卡10和拉伸装置控制箱11分别连接到三轴运动平台4和微型拉伸装置14，最后把多通道数据采集卡8、运动平台控制卡10和拉伸装置控制箱11同时连接到上位机9。
三轴运动平台4竖直方向通过Z轴滑台3进行调整；微型拉伸装置14上设有力传感器6和光栅尺15；
神经网络模型建立的步骤为：在检测的应力和应变范围内设置多级加载方案，采用微型拉伸装置14对试件进行逐级加载，利用微型拉伸装置14的力传感器和光栅尺15分别测量力和位移，换算得到被测试件13的材料应力和或应变，利用巴克豪森噪声检测装置检测巴克豪森噪声，并由上位机9对信号进行特征参量提取，将测量得到的巴克豪森噪声特征参量、应力或应变分别作为神经网络模型的输入层和输出层，通过特定算法建立输入和输出之间的非线性关系，得到确定的模型，之后对待测试样进行巴克豪森噪声扫查实验，提取新的特征值带入模型，获得对待测指标的定量预测结果；应力和巴克豪森噪声特征参量的检测还能够采用下述步骤：采用X射线残余应力测量方法对待测区域内多个标记位置进行应力测量，上位机9控制巴克豪森噪声检测装置和三轴运动平台4，对所有标记点进行巴克豪森噪声信号检测，并由上位机9对信号进行特征参量提取。
本发明通过以上技术方案能够标定出铁磁性材料中巴克豪森噪声信号与应力、应变的关系，对局域应力和应变场进行快速、无损定量检测。
附图说明
图1铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量系统示意图；
图2检测原理示意图；
图3利用神经网络标定流程；
图4巴克豪森噪声包络线峰值与应力的关系示意图；
图5试件应力或应变扫查成像结果；
图中：1-任意函数发生器 2-脉冲功率放大器 3-Z轴滑台 4-三轴运动平台 5-连接件 6-力传感器 7-信号调整电路 8-多通道数据采集卡 9-上位机 10-运动平台控制卡11-拉伸装置控制箱 12-巴克豪森噪声检测传感器 13-被测试件 14-微型拉伸装置 15-光栅尺 16-检测线圈 17-弹簧 18-传感器外壳 19-磁芯 20-夹具 21-U型轭铁 22-励磁线圈23-电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。
S1.任意函数发生器1与脉冲功率放大器2连接，励磁线圈22缠绕在励磁磁芯21上并连接至脉冲功率放大器2，被测材料由夹具20夹持固定于微型拉伸装置14，微型拉伸装置14安装底座与三轴运动平台4通过连接件5固定，巴克豪森噪声检测传感器12主要由磁芯19、检测线圈16、弹簧17和传感器外壳18组成，检测线圈16缠绕于磁芯19并与信号调整电路7连接，巴克豪森噪声检测传感器12的励磁磁路嵌入微型拉伸装置14安装底座，并与被测材料下表面耦合，巴克豪森噪声检测传感器12固定安装于三轴运动平台4Z轴末端与被测材料上表面贴合，同时与信号调整电路7连接，多通道数据采集卡8与信号调整电路7连接，运动平台控制卡10和拉伸装置控制箱11分别连接到三轴运动平台4和微型拉伸装置14，最后把多通道数据采集卡8、运动平台控制卡10和拉伸装置控制箱11同时连接到上位机9。
S2.上位机9发送命令到拉伸装置控制箱11，驱动电机23，使微型拉伸装置14对被测试件13施加应力，被测试件13产生弹性或塑性变形。
S3.任意函数发生器1产生低频正弦励磁信号(0.5-200Hz)，经过脉冲功率放大器2输出至励磁线圈22，产生的交变磁场经U型轭铁21耦合到被测试件13表面，上位机9发送命令到运动平台控制卡10，三轴运动平台4携带研制的新型巴克豪森噪声检测传感器12进行平面扫描运动，以检测试样某一区域的巴克豪森噪声信号，信号经磁芯19的末端空气气隙被检测线圈16接收。
S4.信号调整电路7对检测信号进行滤波处理和前置放大，利用多通道数据采集卡11对检测信号进行采集。
S5.在检测的应力和应变范围内设置多级加载方案，采用微型拉伸装置14对被测试件13进行逐级加载，利用微型拉伸装置14的力传感器6和光栅尺15分别测量力和位移，换算得到材料应力和应变，利用巴克豪森噪声检测装置检测巴克豪森噪声，并由上位机9对信号进行特征参量提取；
S6.如图3所示，巴克豪森噪声特征参量、应力(或应变)分别作为神经网络模型的输入和输出，进行训练，得到确定的模型；
S7.应力和巴克豪森噪声特征参量的检测还可采用下述步骤：采用X射线残余应力测量方法对待测区域内多个标记位置进行应力测量，上位机9控制巴克豪森噪声检测装置和三轴运动平台4，对所有标记点进行巴克豪森噪声信号检测，并由上位机9对信号进行特征参量提取，图4展示出了巴克豪森噪声包络线峰值与应力的关系呈线性变化，图5展现了经过激光淬火处理的50CrMo4的巴克豪森噪声扫描结果，从中可以明显分辨出淬硬区和热影响区。
Claims (4)
1.铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量系统，其特征在于：任意函数发生器(1)与脉冲功率放大器(2)连接，励磁线圈(22)缠绕在励磁磁芯(21)上并连接至脉冲功率放大器(2)，被测试件(13)由夹具(20)夹持固定于微型拉伸装置(14)，微型拉伸装置(14)安装底座与三轴运动平台(4)通过连接件(5)固定，巴克豪森噪声检测传感器(12)由磁芯(19)、检测线圈(16)、弹簧(17)和传感器外壳(18)组成，弹簧(17)和磁芯(19)安装在传感器外壳(18)的中间，磁芯(19)位于弹簧(17)的下方，磁芯(19)为不闭合的框架结构，框架结构的不闭合处设有外凸的对称钩状结构，两钩状结构的尖端间存在小于1μm的空气气隙；检测线圈(16)缠绕于磁芯(19)并与信号调整电路(7)连接，巴克豪森噪声检测传感器(12)的励磁磁路嵌入微型拉伸装置(14)安装底座，并与被测试件(13)的下表面耦合，巴克豪森噪声检测传感器(12)固定安装于三轴运动平台(4)Z轴末端与被测试件(13)的上表面贴合，同时与信号调整电路(7)连接，多通道数据采集卡(8)与信号调整电路(7)连接，运动平台控制卡(10)和拉伸装置控制箱(11)分别连接到三轴运动平台(4)和微型拉伸装置(14)，最后把多通道数据采集卡(8)、运动平台控制卡(10)和拉伸装置控制箱(11)同时连接到上位机(9)；
三轴运动平台(4)竖直方向通过Z轴滑台(3)进行调整；微型拉伸装置(14)上设有力传感器(6)和光栅尺(15)。
2.根据权利要求1所述的铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量系统，其特征在于：利用硬盘磁头检测铁磁性材料周期磁化过程中的巴克豪森噪声信号，将提取的多项磁参量输入预先建立的力-磁参量映射关系神经网络模型，定量预测出应力或应变大小；磁芯(19)末端空气气隙小于1μm的硬盘磁头由三轴运动平台(4)搭载沿被测材料局域范围扫查，巴克豪森噪声检测装置同步检测巴克豪森噪声信号，神经网络模型预测扫查点的应力或应变大小，扫查完成后得到材料局域范围的应力场或应变场。
3.根据权利要求2所述的铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量系统，其特征在于：
神经网络模型建立的步骤为：在检测的应力和应变范围内设置多级加载方案，采用微型拉伸装置(14)对试件进行逐级加载，利用微型拉伸装置(14)的力传感器和光栅尺(15)分别测量力和位移，换算得到被测试件(13)的材料应力和或应变，利用巴克豪森噪声检测装置检测巴克豪森噪声，并由上位机(9)对信号进行特征参量提取，将测量得到的巴克豪森噪声特征参量、应力或应变分别作为神经网络模型的输入层和输出层，通过特定算法建立输入和输出之间的非线性关系，得到确定的模型，之后对待测试样进行巴克豪森噪声扫查实验，提取新的特征值带入模型，获得对待测指标的定量预测结果；应力和巴克豪森噪声特征参量的检测还能够采用下述步骤：采用X射线残余应力测量方法对待测区域内多个标记位置进行应力测量，上位机(9)控制巴克豪森噪声检测装置和三轴运动平台(4)，对所有标记点进行巴克豪森噪声信号检测，并由上位机(9)对信号进行特征参量提取。
4.利用权利要求1所述系统进行的铁磁性材料局域应力和应变场的巴克豪森噪声无损测量方法，其特征在于：
S1.任意函数发生器(1)与脉冲功率放大器(2)连接，励磁线圈(22)缠绕在励磁磁芯(21)上并连接至脉冲功率放大器(2)，被测材料由夹具(20)夹持固定于微型拉伸装置(14)，微型拉伸装置(14)安装底座与三轴运动平台(4)通过连接件(5)固定，巴克豪森噪声检测传感器(12)主要由磁芯(19)、检测线圈(16)、弹簧(17)和传感器外壳(18)组成，检测线圈(16)缠绕于磁芯(19)并与信号调整电路(7)连接，巴克豪森噪声检测传感器(12)的励磁磁路嵌入微型拉伸装置(14)安装底座，并与被测试件(13)的下表面耦合，巴克豪森噪声检测传感器(12)固定安装于三轴运动平台(4)Z轴末端与被测试件(13)的上表面贴合，同时与信号调整电路(7)连接，多通道数据采集卡(8)与信号调整电路(7)连接，运动平台控制卡(10)和拉伸装置控制箱(11)分别连接到三轴运动平台(4)和微型拉伸装置(14)，最后把多通道数据采集卡(8)、运动平台控制卡(10)和拉伸装置控制箱(11)同时连接到上位机(9)；
S2.上位机(9)发送命令到拉伸装置控制箱(11)，驱动电机(23)，使微型拉伸装置(14)对被测试件(13)施加应力，被测试件(13)产生弹性或塑性变形；
S3.任意函数发生器(1)产生低频正弦励磁信号0.5-200Hz，经过脉冲功率放大器(2)输出至励磁线圈(22)，产生的交变磁场经U型轭铁(21)耦合到被测试件(13)表面，上位机(9)发送命令到运动平台控制卡(10)，三轴运动平台(4)携带巴克豪森噪声检测传感器(12)进行平面扫描运动，以检测试样某一区域的巴克豪森噪声信号，信号经磁芯(19)的末端空气气隙被检测线圈(16)接收；
S4.信号调整电路(7)对检测信号进行滤波处理和前置放大，利用多通道数据采集卡(8)对检测信号进行采集；
S5.在检测的应力和应变范围内设置多级加载方案，采用微型拉伸装置(14)对被测试件(13)进行逐级加载，利用微型拉伸装置(14)上的力传感器(6)和光栅尺(15)分别测量力和位移，换算得到材料应力和应变，利用巴克豪森噪声检测装置检测巴克豪森噪声，并由上位机(9)对信号进行特征参量提取；
S6.巴克豪森噪声特征参量、应力或应变分别作为神经网络模型的输入和输出，进行训练，得到确定的模型；
S7.应力和巴克豪森噪声特征参量的检测还能采用下述步骤：采用X射线残余应力测量方法对待测区域内多个标记位置进行应力测量，上位机(9)控制巴克豪森噪声检测装置和三轴运动平台(4)，对所有标记点进行巴克豪森噪声信号检测，并由上位机(9)对信号进行特征参量提取，并分辨出淬硬区和热影响区。
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