CN109738509A - 一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置。该检测装置包括由信号发生器、功率放大电路、激励线圈、激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励装置，由直流激励电源、直流磁化线圈以及直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场发生装置，由传感器、信号调理电路、数据采集卡和PC机构成的信号采集处理装置。在偏置直流磁化下，铁磁性部件内部缺陷会引起部件内部磁场发生变化，并导致缺陷处巴克豪森噪声信号幅值和形状发生变化，因此可利用该变化来表征部件内部缺陷。本发明主要应用于铁磁性部件的缺陷检测，在对部件进行弱磁化情况下即可实现较深内部埋藏缺陷的有效检测，检测灵敏度高、可靠性高，检测装置体积小、重量轻。

Description

一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及 装置

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，可实现对铁磁性部件埋藏较深的内部缺陷进行检测，检测灵敏度、可靠性高。

背景技术

铁磁性材料被广泛运用于铁路、锅炉、压力容器、管道、起重机械、桥梁等经济建设和基础设施建设工程中。在使用这些设施的过程中，常需要对其缺陷、应力等损伤进行检测，以便对其进行安全性评估和质量评价。对铁磁性材料的宏观缺陷检测方法有很多，如漏磁、超声、涡流、交流电磁场检测、X射线断层扫描等方法。

漏磁检测是应用较为广泛的缺陷检测方法，它先对部件进行磁化，在缺陷处激发出漏磁场，然后传感器拾取由缺陷引起的磁通量泄漏，进而实现缺陷检测。漏磁检测的效率高，对部件表面环境不敏感，但漏磁检测的性能主要取决于泄漏磁场的磁通线密度，当部件内表面出现较小的裂纹或者在检测速度较快的情况下，漏磁检测方法难以检测出缺陷信号；而且漏磁检测需要对试件进行强磁化，退磁处理比较困难。超声检测有多种方法可以用于缺陷检测，一种方式是利用超声衍射时差法来确定裂纹的位置和大小，但是由于反射系数和透射系数较低，超声衍射时差法在检测封闭或者半封闭缺陷时比较困难。近年来，有研究提出一种通过表面波传播与表面裂纹的相互作用来识别和表征缺陷的几何特征的方法，但该方法需要破坏检测位置的表面涂层来获得超声检测的耦合条件。涡流是另外一种常用的缺陷检测方法，它可以通过一个小探头确定缺陷的位置，但涡流检测对材料的导电性、渗透性以及探头的提离变化很敏感。为了减少提离效应的影响，有研究者提出了一种脉冲涡流检测方法，但涡流和脉冲涡流都存在很强的趋肤效应,对埋藏较深的缺陷识别能力较弱。交流电磁场检测方法是通过测量缺陷周围感应电流的扰动来识别和确定表面裂纹的尺寸，它是一种非接触式检测方法，可以实现高速检测，但交流电磁场检测也具有趋肤效应。X射线断层扫描法能扫描出裂纹的三维形貌，但裂纹形貌的质量又与缺陷的方向有关，而且X光辐射对操作人员的健康有很大的危害。

综上所述，现有的检测技术或方法对于埋藏缺陷的检测能力或检测灵敏度较差，或者对检测试件有一定损伤，亦或者对人的健康有危害。这些缺点还未能得到有效的改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，以解决现有技术对铁磁性部件的内部埋藏缺陷检出率和检测灵敏度低的问题。

针对本发明所要解决的技术问题，本发明提出的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其构成主要包括：由信号发生器、功率放大电路、激励线圈、激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励装置，由直流激励电源、直流磁化线圈以及直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场发生装置，由传感器、信号调理电路、数据采集卡和PC机构成的信号采集处理装置。其中信号发生器的输出连接功率放大电路的输入，功率放大电路的输出连接激励线圈，激励线圈缠绕在激励铁芯上，激励铁芯置于铁磁性部件表面，用于给部件施加变化的磁场，激发出巴克豪森噪声信号；直流激励电源给直流磁化线圈激励，直流磁化线圈缠绕于直流磁化铁芯上，直流磁化铁芯同样放置于铁磁性部件上，用于给部件施加一个偏置直流磁场；传感器安装于激励铁芯内部，铁磁性部件表面，用于采集磁巴克豪森噪声信号，传感器的输出连接信号调理电路的输入，信号调理电路的输出连接数据采集卡的输入，信号调理电路用于给采集到的磁巴克豪森信号进行信号放大和信号滤波处理，数据采集卡用于采集信号调理电路处理后的信号；数据采集卡的输出连接PC机，通过PC机对采集到的信号进行处理，得到评价部件内部埋藏缺陷的特征值，并通过图形的方式显示出来，从而实现铁磁性部件内部埋藏缺陷的检测。PC机同时对整个系统进行控制。

在上述的方案中，所述的直流磁化线圈可以是单股或者多股线绕制的，且线径不小于0.8mm。

在上述的方案中，所述的由直流磁化线圈和直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场磁化器与由激励线圈和激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励磁化器可以放在被测部件的同侧，也可放在被测部件的异侧。

在上述的方案中，所述的由激励线圈和激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励磁化器应放在由直流磁化线圈和直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场磁化器的内部或者磁化影响范围之内。

在上述的方案中，所述的直流激励电源可以是任何形式的可产生可调直流电流的装置。

在上述的方案中，所述的信号调理电路包括信号前置放大、信号滤波、信号后置放大模块，其中信号放大为微小信号放大模块，信号滤波为高通滤波或者带通滤波模块，用于信号的放大和滤波处理。

在上述的方案中，所述的数据采集卡最低采集频率不低于500k/s。

在上述的方案中，所述的铁芯最好采用高导磁材料制成，如A3钢、硅钢片或者铁氧体材料等。

在本发明提供的基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测装置中，可通过调节信号发生器的参数来改变激励的形状、幅值和频率，调节直流激励电源输出电流的大小来改变偏置直流磁场的大小，从而得到最好的参数以适应不同材料的检测，可用于评价不同铁磁性材料的内部埋藏缺陷。

本发明提供的基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，是基于发明人以下的认识与灵感完成的：对含有缺陷的铁磁性部件施加一个偏置直流磁场，其存在的缺陷会影响部件内部的磁场分布，造成埋藏缺陷上方区域磁通分布相对密集；而磁巴克豪森噪声现象是基于铁磁性材料磁畴的不连续偏转以及磁畴壁的运动而产生的，部件内存在的不同的磁场分布会不同程度地影响磁畴的偏转以及磁畴壁的运动过程，从而使得巴克豪森信号幅值或形状发生不同变化；因此，结合上述原理，对部件进行偏置直流磁化，铁磁性部件内部缺陷会引起部件内部磁场分布发生变化，并导致缺陷处巴克豪森噪声信号幅值和形状发生变化，采集出该巴克豪森噪声信号并利用该信号的变化即可实现部件内部缺陷的有效检测。

本发明提供的基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测装置，其具有以下十分突出的优点：

1.仅需对铁磁性部件进行弱磁化即可实现缺陷的有效检测，从而消除了传统强磁化方法产生的剩磁影响，对需要部件进行退磁的场合十分友好。

2.检测灵敏度高，磁巴克豪森信号对于材料内部的磁场变化十分敏感，材料内部较小的磁场变化，往往就能引起巴克豪森噪声信号的急剧变化。

3. 整个检测装置体积小、重量轻。

附图说明

图1为一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测装置结构示意图（异侧）。

图2为一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测装置结构示意图（同侧）。

图3为带缺陷的铁磁性部件在外加偏置直流磁场作用下的内部磁场分布图。

图4为含有内部缺陷的铁磁性部件表面不同位置处巴克豪森噪声信号的周期均方根值图。

上述附图中的各图示标号表示对象分别为：1-信号发生器；2-功率放大电路；3-激励线圈；4-激励铁芯；5-直流磁化铁芯；6-直流磁化线圈；7-直流激励电源；8-缺陷；9-传感器；10-信号调理电路；11-数据采集卡；12-PC机；13-铁磁性部件；14-缺陷；15-埋藏缺陷附近区域；16-埋藏缺陷上方区域；17-铁氧体铁芯；18-传感器线圈。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，并通过具体实施方式对本发明的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置作进一步的说明。显然，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在下面所述具体实施方式中所提到的方向位置用语，例如：上、下、左、右、前、后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语仅仅是为了便于说明本发明，并非用来限制本发明。

本实施例的基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其结构如图1所示，其构成包括：由信号发生器1、功率放大电路2、激励线圈3、激励铁芯4构成的巴克豪森噪声激励装置，由直流激励电源7、直流磁化线圈6以及直流磁化铁芯5构成的偏置直流磁场生成装置，由传感器9、信号调理电路10、数据采集卡11和PC机12构成的信号采集处理装置，其中偏置直流磁场生成装置与巴克豪森噪声激励装置处于铁磁性部件13的两侧。具体是信号发生器1的输出连接功率放大电路2的输入，功率放大电路2的输出连接激励线圈3，激励线圈3缠绕在激励铁芯4上，激励铁芯4置于铁磁性部件13表面，用于给部件施加变化的磁场，激发出巴克豪森噪声信号；直流激励电源7给直流磁化线圈6激励，直流磁化线圈6缠绕于直流磁化铁芯5上，直流磁化铁芯5放置于铁磁性部件13上、激励铁芯4异侧，用于给部件施加一个偏置直流磁场；传感器9安装于激励铁芯4内部、铁磁性部件13表面，用于采集磁巴克豪森噪声信号，传感器9的输出连接信号调理电路10的输入，信号调理电路10的输出连接数据采集卡11的输入，信号调理电路10用于给采集到的磁巴克豪森信号进行信号放大和滤波处理，数据采集卡11用于采集处理后的信号；数据采集卡11的输出连接PC机12，通过PC机12对采集到的信号进行存储及处理，得到评价试件13内部埋藏缺陷8的特征值，并通过图形的方式显示出来。PC机12同时对整个系统进行控制。激励装置和偏置磁场生成装置也可以放在试件同一侧，如图2所示。

采用本发明中的装置检测由铁磁性材料构成的部件，其内部埋藏缺陷8被检测出的基本原理是：直流激励电源7给直流磁化线圈6激励后，直流磁化线圈6在直流磁化铁芯5内产生恒定偏置直流磁场，直流磁化铁芯5又与带有缺陷的铁磁性部件13形成磁回路，铁磁性部件13内部由于缺陷8的存在，会造成其内部的磁场分布不均，其具体分布情况如图3所示。可以发现在缺陷14的附近区域15，磁场分布相对稀疏，在缺陷区域16，磁场分布相对密集。磁场分布的差异会不同程度限制磁畴的翻转以及磁畴壁的运动，而磁巴克豪森噪声是基于磁畴的不连续翻转和磁畴壁的运动而产生的。当一个偏置直流磁场限制了一部分磁畴的翻转以及磁畴壁的运动时，磁巴克豪森噪声信号也会出现相应的变化。因此，通过信号发生器1产生一个激励信号，并将该信号通过功率放大器2连接到激励线圈3，驱动激励线圈3产生激励磁场并施加给一个加了偏置直流磁场的带缺陷的铁磁性部件13，激发出部件13的巴克豪森噪声信号。然后移动传感器9采集缺陷不同位置处的磁巴克豪森噪声信号，并将信号通过信号调理电路10进行放大和滤波处理，然后通过数据采集卡11采集处理后的信号，最后通过PC机12保存信号并提取出信号的特征值。如图4所示，通过PC机12提取出带缺陷部件不同位置处巴克豪森信号的周期均方根值，根据信号在不同位置的周期均方根值的不同即可表征出缺陷8的位置、大小等信息，从而实现部件内部埋藏缺陷的检测。

Claims (10)

1.一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，包括：由信号发生器、功率放大电路、激励线圈、激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励装置，由直流激励电源、直流磁化线圈以及直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场发生装置，由传感器、信号调理电路、数据采集卡和PC机构成的信号采集处理装置；其中信号发生器的输出连接功率放大电路的输入，功率放大电路的输出连接激励线圈，激励线圈缠绕在激励铁芯上，激励铁芯置于铁磁性部件上；直流激励电源给直流磁化线圈激励，直流磁化线圈绕于直流磁化铁芯上，直流磁化铁芯同样置于铁磁性部件上；传感器安装于激励铁芯内部，铁磁性部件表面，传感器输出连接信号调理电路的输入，信号调理电路的输出连接数据采集卡的输入，数据采集卡的输出连接PC机。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，除传统巴克豪森检测装置外，新增偏置直流磁场发生装置用于施加偏置直流磁场使缺陷引起铁磁性部件内部磁场分布发生变化，并导致缺陷处巴克豪森噪声信号幅值和形状发生变化，从而实现部件内部缺陷检测。

3.根据权利要求1和2所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的直流磁化线圈可以是多股线绕制而成，也可是单股线绕制而成，且线径不小于0.8mm。

4.根据权利要求1至4所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的由直流磁化线圈和直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场磁化器与由激励线圈和激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励磁化器可以放在部件的同侧，也可放在部件的异侧。

5.根据权利要求1至5所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的由激励线圈和激励铁芯构成的巴克豪森噪声激励磁化器应放在由直流磁化线圈和直流磁化铁芯构成的偏置直流磁场磁化器内部或者磁化影响范围之内。

6.根据权利要求1所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的直流激励电源包括任何形式的可产生可调直流电流的装置。

7.根据权利要求1至7所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，偏置直流磁场发生装置应该使部件处于弱磁化状态，以使得缺陷产生明显差异的巴克豪森噪声信号幅值和形状变化。

8.根据权利要求1所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的信号调理电路包括信号前置放大、信号滤波、信号后置放大模块，其中信号放大为微小信号放大模块，信号滤波为高通滤波或者带通滤波模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的数据采集卡最低采集频率不低于500k/s。

10.根据权利要求1至10所述的一种基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置，其特征在于，所述的基于偏置直流磁化磁巴克豪森噪声的缺陷检测方法及装置可以增加任何形式的移动装置，以实现缺陷的连续检测。