CN110261469A - 一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，根据被测件的尺寸及材质，确定电磁混频传感器的磁场混频信号检测方向；选定某一信号采集位置，将传感器紧贴于铁磁构件表面，激励一高低频调制的正弦信号作为混合励磁信号，进行电磁混频检测；由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理；利用试件表面切向磁场和试件内磁通量密度绘制磁滞回线，计算电磁混频特征参量，得到电磁混频幂律系数随不同试件疲劳损伤程度变化的表征结果图。通过对电磁混频信号进行分析处理，利用电磁混频幂律系数表征材料硬度变化，可有效减弱基频噪声对表征参量的影响，有利于材料疲劳损伤的准确表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁磁材料早期损伤的表征方法，特别是基于电磁混频技术的铁磁性材料疲劳损伤表征方法。该方法适用于铁磁性材料早期疲劳损伤表征，属于无损检测领域。
背景技术
作为一种常见承载构件，铁磁性材料被广泛应用于航空航天、电力、铁路、压力容器等行业。这些构件在使用过程中，在疲劳载荷、内部工作介质或外部环境因素的作用下，易在结构的不均匀处、疏松区域、空洞及位错缺陷的集中区产生疲劳损伤，导致疲劳断裂，造成重大恶性安全事故。因此，对铁磁性构件的疲劳损伤严重区域进行及时、有效的检测，对于预防承载构件的断裂和防止重大安全事故的发生具有重要的意义。
现阶段，检测疲劳损伤的常用手段主要为红外热成像法、脉冲涡流热成像和声发射法。但这些方法对疲劳裂纹萌生前的早期损伤敏感度较低。由于循环载荷作用下的材料通常具有力学迟滞非线性效应，也有学者研究利用超声谐波法实现早期疲劳损伤的检测。但该技术易受系统非线性效应的干扰，检测结果误差往往较大。对于铁磁性材料，根据材料的磁致伸缩特性，有学者研究利用金属磁记忆检测法检测材料的疲劳损伤。但现阶段该方法主要应用于中后期疲劳损伤的检测。
当外加磁场作用于铁磁材料时，材料微观磁畴及磁畴壁的运动需不断克服材料内部的能量壁垒，这使得材料具有磁滞特性。这种磁滞特性表现为多种弱磁非线性效应，如磁畴旋转非线性效应，磁畴壁移动非线性效应和磁滞损耗非线性效应等[1]。当铁磁性材料的性能发生早期退化时，材料内部的微观损伤会影响能量壁垒，材料的弱磁非线性效应随之变化[2,3]。AA Samimi[4]利用磁畴壁移动非线性效应产生的巴克豪森噪声，实现了钢结构中残余应力的检测。HE Chen[5]分析了增量磁导率随材料力学性能变化的机理，并通过实验验证了增量磁导率表征碳钢塑性变形的有效性。SE Zirka[6]通过分析不同磁化条件材料的磁滞损耗非线性特性，利用脉宽调制信号励磁，建立了包含多个小磁滞回线的磁滞模型，有效证明了局部磁滞损耗的非线性特性。S Kobayashi[7,8]进一步研究了磁滞损耗与材料力学性能的关系，提出了利用局部磁滞损耗幂律系数表征材料力学性能变化的方法，实现了材料蠕变及辐照退化的表征。因此，利用电磁非线性效应的无损检测技术，对于铁磁性材料早期疲劳损伤的检测具有明显优势。
电磁混频无损检测是一种利用铁磁性材料弱非线性效应来反映其微损伤及性能变化的检测手段。在电磁混频检测中，铁磁材料通常处于高低频叠加的交变磁场中。其中，低频磁场强度大，可将构件磁化至近饱和状态，高频磁场强度小，仅在构件近表面形成弱扰动磁场[9]。在两磁场共同作用下，铁磁材料中磁畴的旋转与畴壁的移动将产生电磁混频效应，这种效应是铁磁材料微观磁滞损耗特性的非线性表现。基于电磁混频效应，H J Krause[10]研究了流体中金属粒子的检测，开发了金属离子的电磁混频检测装置，成功实现了水中铁粒子浓度的检测。I Teliban[11]研究利用多阶混频分量幅值表征涂层厚度的变化，解决了纳米级涂层厚度的测量问题。由此可知，现阶段电磁混频检测技术主要应用于流体纳米磁粒子及磁薄膜厚度的测量，检测混频信号具有高灵敏度和高信噪比的特点，但该技术在工业无损检测领域的研究鲜有报道。
针对铁磁性材料疲劳损伤检测问题，本研究发展一种电磁混频检测技术。基于磁滞模型，研究电磁混频效应，分析铁磁材料在混频磁化场中产生的混频分量与局部磁滞损耗的关系，提出用于材料疲劳损伤表征的电磁混频幂律系数，从而实现材料早期疲劳损伤的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁磁材料疲劳损伤表征方法，特别是基于电磁混频检测技术的方法。在背景磁场及系统非线性影响较小的条件下，该方法采用高低频交流正弦信号混合励磁，利用检测信号混频分量(和频与差频)幅值的变化，计算电磁混频非线性因子与电磁混频幂律系数，从而实现铁磁性材料疲劳损伤的表征。
本发明提出的一种用于铁磁性材料疲劳损伤表征的磁混频检测方法，其基本原理在于：
本方法提出的磁混频非线性检测技术，在高低频混合励磁条件下，低频磁化场频率较低，幅值较大，对铁磁性材料进行不可逆磁化，而高频磁化场由于频率较高，幅值较小，对材料进行可逆磁化。
当交流电场施加到励磁线圈上时，所产生的交变磁场可将铁磁材料磁化，该磁化场M表示为
式中，Ms表示饱和磁化场，m0表示磁矩，μ0表示磁导率，H(t)表示随时间变化的外加磁场，kB表示玻耳兹曼常数，T表示绝对温度，表示郎之万方程。若该励磁场H(t)为两不同频率磁场的混合场，表示为
H(t)＝A1sin(2πf1t+φ1)+A2sin(2πf2t+φ2) (2)
式中，f1和f2分别表示两激励电压的频率，且f1>f2，φ1和φ2分别表示两励磁电压的相位(如图1所示)。将外加混合磁场代入公式(1)，磁化场M(t)的泰勒级数展开式为
由公式(3)可知，两不同频率的磁场作用于铁磁材料时不仅会出现线性响应分量，由于两磁场的相互作用还会产生非线性分量，如谐波分量3f1和混频分量f1±2f2(如图2所示)。对公式(3)进行傅里叶变换，磁化场的频谱M(f)可表示为
式中，α＝m0μ0/kBT，δ表示单位冲激函数。检测信号中不仅出现了f1和f2的线性响应分量，还出现了非线性响应产生的谐波分量(如3f1、3f2)和混频分量(f1±2f2)。由于对称相消法则，检测信号中只存在多阶奇次谐波项和偶次混频项。因此，在频谱中非线性响应表现为两基频分量产生幅值递减的多阶奇次谐频分量和偶次混频分量。
对于铁磁性材料，当利用的混频励磁信号对材料进行周期磁化时，材料的磁滞回线是由低频磁化场作用下的主磁滞回线轮廓和高频磁化场作用的局部磁滞回线组成的，如图1所示。其中，局部磁滞回线所包围的面积表示材料的局部磁滞损耗，与磁化强度的混频非线性效应相关，因此利用局部磁滞回线计算的特征参数可用于表征材料的电磁非线性效应。
根据斯坦梅茨磁滞损耗理论，磁滞损耗与磁通量密度间的幂律关系同样适用于局部磁滞回线，表示为
式中，WF *为局部磁滞损耗，可由局部磁滞回线的面积表示。Ba *为最大磁通量密度，可由局部磁滞回线的磁通密度峰值计算，即Ba *＝|Bmax-Bmin|/2。Bs为主磁滞回线的饱和磁通量密度。nF为幂指数常数，铁基合金材料的幂指数通常为1.5或1.6。WF 0为局部磁滞损耗幂律系数，该系数对材料微观结构特性的变化十分敏感。
计算不同试件的电磁混频幂律系数，即可得到电磁混频效应随检测材料疲劳损伤的表征结果。通过检测的电磁混频特征参量表征材料疲劳损伤，可有效减弱基频噪声对混频分量的影响，同时避免了系统谐振频率非线性效应对材料混频非线性效应的影响。
本发明的技术方案如下：
本发明所采用的装置参见图2，包括计算机1、信号激励采集板卡2、功率放大器3和电磁混频传感器4。首先，计算机1与信号激励采集板卡相连后，用于控制磁混频信号的激发和检测信号的显示与分析处理。信号激励采集卡2的输出端口与功率放大器3的输入端口相连，用于将采集的激励信号放大。接着，将功率放大器3的输出端接入电磁混频传感器4的输入端，用于传感器对检测试件的磁化。同时，传感器4的输出端与激励采集板卡2的输入端相连，用于传输采集到的电磁混频信号。
本发明提出的一种用于铁磁性材料疲劳损伤表征的电磁混频检测方法是通过以下步骤实现的：
1)被测试件选取不同疲劳加载条件下的铁磁构件，各试件的尺寸一致，材料相同，疲劳加载周期不同，且表面平整不存在凹坑、孔洞和裂纹等缺陷。在被测试件表面中心位置作为传感器检测的数据采集点，不同被测试件的检测位置一致；
2)将电磁混频传感器置于被测试件表面中心检测位置，传感器内部磁敏元件的信号拾取方向与被测试件表面的切向平行。检测结果为被测试件表面切向磁场和试件内磁化场的磁感应强度。传感器与被测试件的提离距离小于1mm；
3)利用计算机控制激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁。高低频混频励磁的幅值比通常小于0.2，频率比大于102。启动功率放大器，当传感器位于传感器表面中心数据采集点时，检测到的电磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，保存该检测信号；
4)传感器的检测位置不变，保存多次重复采集的磁混频信号。更换被测试件，重复上述操作，完成不同疲劳下的被测试件电磁混频信号的采集；
5)由计算机对采集到的电磁混频信号进行处理。利用被测试件表面切向磁场和被测试件内磁通量密度绘制磁滞回线，根据局部磁滞损耗即公式(5)计算被测试件中心位置单次检测的电磁混频幂律系数WF 0；
6)统计同一被测试件同一位置多次检测结果的平均电磁混频幂律系数值，绘制平均电磁混频幂律系数随不同被测试件疲劳损伤程度变化的表征结果。根据电磁混频幂律系数变化表征被测试件的疲劳损伤程度；
本发明具有以下优点：(1)采用高低频调制信号励磁，避免了系统谐振频率非线性效应对材料非线性效应的影响，检测的材料电磁非线性效应对铁磁性材料微损伤较为敏感，可用于材料早期疲劳损伤的表征；(2)通过对磁混频信号进行分析处理，利用电磁混频幂律系数表征材料疲劳损伤程度变化，可有效减弱基频噪声对表征参量的影响，有利于材料早期疲劳损伤的准确表征。
附图说明
图1a典型混频励磁信号
图1b混频检测典型磁滞回线
图2检测装置系统图。
图中：1、计算机，2、激励采集板卡，3、功率放大器，4、电磁混频检测传感器。
图3疲劳试件尺寸图
表1检测试件材料参数表
图4无裂纹萌生不同疲劳程度试件
表2试件不同疲劳周期数表
图5a线圈检测信号
图5b霍尔元件检测信号
图6不同疲劳程度试件电磁混频检测磁滞回线
图7电磁混频幂律系数随材料疲劳周期变化曲线
具体实施方式
下面结合具体实验对本发明作进一步说明：
本实验实施过程包括以下步骤：
1、实验系统搭建：按照图2所示的检测装置系统图搭建实验系统，系统包括计算机1、信号激励采集板卡2、功率放大器3和电磁混频传感器4。首先，将计算机1与信号激励采集板卡相连，用于控制磁混频信号的激发和检测信号的显示与分析处理。信号激励采集卡2的输出端口与功率放大器的输入端口相连，用于激励信号的放大。接着，将功率放大器3的输出端接入电磁混频传感器4的输入端，用于传感器对检测试件的磁化。同时，传感器4的输出端与激励采集板卡2的输入端相连，用于传输采集到的电磁混频信号。
2、检测方式选择：被测试件选取8块尺寸相同的45#钢板。试件热处理工艺为830-850℃淬火，550-600℃回火，油冷。试件形状为标准拉伸试件，无预制缺陷，试件尺寸和材料性能参数分别如图3和表1所示。表中Rp0.2为屈服强度，Rm为抗拉强度，E为弹性模量。采用QBG-200型高频疲劳试验机进行高周疲劳实验。根据材料的力学性能，实验用疲劳应力水平为静载荷25.83kN，动载荷25.83kN，应力比为0。循环加载波形为正弦波，频率为125Hz。本研究所用45#钢在当前高频疲劳加载条件下的疲劳寿命约为40万次。基于此，为研究疲劳裂纹萌生前的早期疲劳状态，在上述疲劳加载条件下控制高频疲劳加载周期数，从而获得不同疲劳程度的试件，如图4所示，各试件均处于无微裂纹萌生的早期疲劳阶段，表2给出了各试件的疲劳周期数。分别在8个试件上表面选取中心位置作为传感器检测的数据采集点，各试件的数据采集位置一致。在每个试件上的数据采集位置重复检测3次，实验共采集24组数据。
3、传感器检测参数设定：将电磁混频传感器置于被测试件表面选定的检测位置，传感器的霍尔元件检测方向与被测试件表面的切向平行时，检测试件表面切向磁场；传感器的检测线圈绕于磁芯两磁极处，垂直于试件表面，用于检测试件内磁感应强度。传感器紧贴试件表面，提离距离小于0.5mm。利用计算机控制激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁。其高频频率为200Hz，高频幅值为1V，低频频率为1Hz，低频幅值为5V。
4、电磁混频检测实验：启动功率放大器，当传感器位于传感器表面某一数据采集位置时，检测到的电磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，保存该检测信号(如图5所示)。更换实验试件，检测位置不变，重复检测，存储24次实验采集磁混频信号；
5、信号分析与处理：由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理。以霍尔元件检测信号为横坐标，以线圈检测信号为纵坐标绘制电磁混频检测的磁滞回线，如图6所示。随材料疲劳程度的改变，主磁滞回线的形状无明显变化，局部磁滞回线包围面积具有减小的趋势，但变化同样不明显。根据公式(5)计算某一试件单次检测的电磁混频幂律系数。统计同一试件多次检测结果的平均值，绘制平均电磁混频幂律系数随不同试件疲劳周期变化的表征结果(如图7所示)。
对检测信号进行傅里叶变换，提取一阶和频(711Hz)与一阶差频(707Hz)混频分量与基频高频分量(709Hz)的幅值，根据公式(6)计算某一试件单一位置单次检测的磁混频非线性因子Q。统计同一试件不同位置多次检测结果的平均磁混频非线性因子，绘制平均磁混频非线性因子随不同试件硬度变化的表征结果(如图6所示)。；
6、实验结果分析：已知8块试件的疲劳加载周期不同，各试件的疲劳程度不同，且随疲劳加载周期的增大，疲劳程度呈逐渐增大趋势。由图7可知，电磁混频幂律系数，在试件疲劳程度增加的过程中单调递减。在疲劳周期小于2×105的初期，该系数变化平缓，当疲劳周期大于2×105时，幂律系数快速下降。由此可知，局部磁滞损耗幂律系数可用于表征试件的疲劳损伤，且相比于疲劳初期，该系数对疲劳周期大于2×105的疲劳损伤更加敏感。
表1
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。
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Claims (3)
1.一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的，
1)被测试件选取不同疲劳加载条件下的铁磁构件，各试件的尺寸一致，材料相同，疲劳加载周期不同，且表面平整不存在凹坑、孔洞和裂纹缺陷；在被测试件表面中心位置作为传感器检测的数据采集点，不同被测试件的检测位置一致；
2)将电磁混频传感器置于被测试件表面中心检测位置，传感器内部磁敏元件的信号拾取方向与被测试件表面的切向平行；检测结果为被测试件表面切向磁场和试件内磁化场的磁感应强度；传感器与被测试件的提离距离小于1mm；
3)利用计算机控制激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁；高低频混频励磁的幅值小于0.2，频率比大于102；启动功率放大器，当传感器位于传感器表面中心数据采集点时，检测到的电磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，保存该检测信号；
4)传感器的检测位置不变，保存多次重复采集的磁混频信号；更换被测试件，重复上述操作，完成不同疲劳下的被测试件电磁混频信号的采集；
5)由计算机对采集到的电磁混频信号进行处理；利用被测试件表面切向磁场和被测试件内磁通量密度绘制磁滞回线，根据局部磁滞损耗计算被测试件中心位置单次检测的电磁混频幂律系数WF 0；
6)统计同一被测试件同一位置多次检测结果的平均电磁混频幂律系数值，绘制平均电磁混频幂律系数随不同被测试件疲劳损伤程度变化的表征结果；根据电磁混频幂律系数变化表征被测试件的疲劳损伤程度。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，其特征在于：本方法提出的磁混频非线性检测，在高低频混合励磁条件下，低频磁化场频率较低，幅值较大，对铁磁性材料进行不可逆磁化，而高频磁化场由于频率较高，幅值较小，对材料进行可逆磁化；
当交流电场施加到励磁线圈上时，所产生的交变磁场将铁磁材料磁化，该磁化场M表示为
式中，Ms表示饱和磁化场，m0表示磁矩，μ0表示磁导率，H(t)表示随时间变化的外加磁场，kB表示玻耳兹曼常数，T表示绝对温度，表示郎之万方程；若该励磁场H(t)为两不同频率磁场的混合场，表示为
H(t)＝A1sin(2πf1t+φ1)+A2sin(2πf2t+φ2) (2)
式中，f1和f2分别表示两激励电压的频率，且f1>f2，φ1和φ2分别表示两励磁电压的相位；将外加混合磁场代入公式(1)，磁化场M(t)的泰勒级数展开式为
由公式(3)可知，两不同频率的磁场作用于铁磁材料时不仅会出现线性响应分量，由于两磁场的相互作用还会产生非线性分量；对公式(3)进行傅里叶变换，磁化场的频谱M(f)表示为
式中，α＝m0μ0/kBT，δ表示单位冲激函数；检测信号中不仅出现了f1和f2的线性响应分量，还出现了非线性响应产生的谐波分量和混频分量；由于对称相消法则，检测信号中只存在多阶奇次谐波项和偶次混频项；因此，在频谱中非线性响应表现为两基频分量产生幅值递减的多阶奇次谐频分量和偶次混频分量；
对于铁磁性材料，当利用的混频励磁信号对材料进行周期磁化时，材料的磁滞回线是由低频磁化场作用下的主磁滞回线轮廓和高频磁化场作用的局部磁滞回线组成的；其中，局部磁滞回线所包围的面积表示材料的局部磁滞损耗，与磁化强度的混频非线性效应相关，因此利用局部磁滞回线计算的特征参数可用于表征材料的电磁非线性效应；
根据斯坦梅茨磁滞损耗理论，磁滞损耗与磁通量密度间的幂律关系同样适用于局部磁滞回线，表示为
式中，WF *为局部磁滞损耗，可由局部磁滞回线的面积表示；Ba *为最大磁通量密度，由局部磁滞回线的磁通密度峰值计算，即Ba *＝|Bmax-Bmin|/2；Bs为主磁滞回线的饱和磁通量密度；nF为幂指数常数，铁基合金材料的幂指数为1.5或1.6；WF 0为局部磁滞损耗幂律系数；
计算不同被测试件的电磁混频幂律系数，即可得到电磁混频效应随检测材料疲劳损伤的表征结果；通过检测的电磁混频特征参量表征材料疲劳损伤，可有效减弱基频噪声对混频分量的影响，同时避免了系统谐振频率非线性效应对材料混频非线性效应的影响。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，其特征在于：实现该方法的装置包括计算机(1)、信号激励采集板卡(2)、功率放大器(3)和电磁混频传感器(4)；首先，计算机(1)与信号激励采集板卡相连后，用于控制磁混频信号的激发和检测信号的显示与分析处理；信号激励采集卡(2)的输出端口与功率放大器(3)的输入端口相连，用于将采集的激励信号放大；接着，将功率放大器(3)的输出端接入电磁混频传感器(4)的输入端，用于传感器对检测试件的磁化；同时，电磁混频传感器(4)的输出端与激励采集板卡(2)的输入端相连，用于传输采集到的电磁混频信号。
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