CN110749846A - 一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法 - Google Patents

一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，包括：用单片机或DSP或ARM或FPGA控制数模转换DA芯片产生线性调频信号；线性调频信号经过功率放大器放大后，施加于激励线圈，产生交变的磁场；用检测线圈检测巴克豪森信号，经过滤波放大后，用采集卡或者高速A/D芯片采集放大后的巴克豪森信号；对巴克豪森信号进行特征提取，分析巴克豪森特征与渗碳层深度、应力随深度变化的关系，建立巴克豪森信号特征与渗碳层深度、应力随深度变化的测量模型。本发明无需手动更改频率，有效保持传感器提离和测试点固定，保证测量的准确性与高效性。具备自动测量材料的渗碳层深度和应力随深度变化状态的功能；线性调频激励发生模块频率范围、幅值可调。

Description

一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法
技术领域
本发明涉及巴克豪森信号检测方法，特别涉及一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法。
背景技术
目前，针对巴克豪森信号的采集方法，传统的方法是：将激励线圈绕制在U型磁轭上，通过对激励线圈两端施加恒定频率的交变的电压信号，使线圈产生交变的磁场，磁场通过U型磁轭和铁磁材料试件组成闭合磁路，从而对材料反复进行加磁与退磁，在此过程中铁磁材料的磁畴会来回翻转，产生巴克豪森信号。但是在检测材料的渗碳层深度和应力随深度变化情况时，需要技术人员手动调整激励频率，该方法不仅耗时费力，且精度难以保证。针对此问题，目前尚未有成熟有效的解决方案。
此外，传统的巴克豪森信号采集方法，是对激励线圈施加恒定频率的三角波或者正弦波，如果需要测量铁磁材料的渗碳层深度，则需要进行多次的激励频率调整，再进行多次的测量，该方法有如下缺点：(1)多次实验的传感器提离难以保持一致；(2)多次实验的传感器测试点难以保持一致；(3)手动调整激励频率耗时费力，精度难以保证。本发明设计的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，能否克服以上缺点，快捷准确地检测巴克豪森信号，从而更精确地测量铁磁材料的渗碳层深度和应力随深度的变化情况。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种具备自动测量铁磁材料的渗碳层深度和应力随深度变化状态的功能的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法。
技术方案：本发明提供一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，包括如下步骤：
(1)产生线性调频信号：用单片机或DSP或ARM或FPGA控制数模转换DA芯片产生线性调频信号；
(2)产生交变的磁场：线性调频信号经过功率放大器放大后，施加于激励线圈，产生交变的磁场；
(3)采集巴克豪森信号：用检测线圈可以感应到巴克豪森信号，但是由于信号微弱，所以需要经过滤波放大后，用采集卡或者高速A/D芯片采集放大后的巴克豪森信号；
(4)信号分析与处理：对巴克豪森信号进行特征提取，分析巴克豪森特征与渗碳层深度、应力随深度变化的关系，建立巴克豪森信号特征与渗碳层深度、应力随深度变化的测量模型。
进一步地，所述步骤(1)中线性调频信号为三角波或者正弦波。
进一步地，所述步骤(1)中线性调频信号的频率范围为0.1Hz～200Hz。
进一步地，所述DA芯片输出的正弦波的电压值计算公式如下：
Figure BDA0002216127060000021
其中，DAval是DA芯片输出的电压值；A为输出电压峰值；f为信号频率；xn为1～N-1的序列；N为输出信号点数；
Figure BDA0002216127060000022
为信号的相位。
进一步地，所述DA芯片输出的三角波的电压值计算公式如下：
Figure BDA0002216127060000023
其中，DAval是DA芯片输出的电压值；A为输出电压峰值；N为输出信号点数；xn1为0～(N-1)/2的序列；xn2为(N-1)/2～N的序列。
进一步地，所述步骤(2)中功率放大器具有恒流和恒压两种模式：恒压模式中经过放大的激励信号幅值为3V～30V；恒流模式中经过放大的激励信号的电流为10mA～30A。
进一步地，所述恒流和恒压两种模式通过继电器来切换。
进一步地，所述步骤(4)中巴克豪森信号的检测深度通过如下公式计算获得：
Figure BDA0002216127060000024
式中：μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率；f为激励磁场频率。渗碳层深度越深，即沿着深度方向的材料含碳量越大，使得巴克豪森信号的幅值衰减，根据此特性可以检测材料的渗碳层深度。由于拉应力会使得巴克豪森信号的幅值增加，压应力会使得巴克豪森信号的幅值减小，根据此特性可以检测材料的应力随深度变化的情况。
有益效果：本发明相比传统的单一频率激励的方式，具备自动测量材料的渗碳层深度和应力随深度变化状态的功能；本发明的线性调频激励发生模块具有频率范围可调，幅值可调的功能；本发明的线性调频激励发生模块可以产生三角波和正弦波的信号；本发明的功率放大模块具有恒流和恒压两种模式；在巴克豪森信号测量中，本发明的检测方法无需手动更改频率，可以有效地保持传感器提离和测试点固定，保证测量的准确性与高效性。
附图说明
图1是基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法流程图；
图2是线性调频的正弦波激励信号图；
图3是线性调频的三角波激励信号图；
图4是采集的基于线性调频激励的巴克豪森信号。
具体实施方式
通常巴克豪森信号检测的有效深度在0.01mm和1mm之间，为了获取材料表面以下的信息，一种方法是减小激励磁场频率，可以使用以下公式估计巴克豪森信号的检测深度：
Figure BDA0002216127060000031
式中：δ为巴克豪森信号的检测深度；μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率；f为激励磁场频率。渗碳层深度越深，即沿着深度方向的材料含碳量越大，使得巴克豪森信号的幅值衰减，根据此特性可以检测材料的渗碳层深度。由于拉应力会使得巴克豪森信号的幅值增加，压应力会使得巴克豪森信号的幅值减小，根据此特性可以检测材料的应力随深度变化的情况。所以可以通过调整激励磁场的频率，得到不同励磁频率下的巴克豪森信号，通过分析巴克豪森信号来研究材料沿深度方向应力分布情况和渗碳层深度。
如图1所示，基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，包括如下步骤：
步骤1：用单片机或DSP或ARM或FPGA控制数模转换(DA)芯片产生线性调频信号，信号的频率和幅值均可控，信号的频率范围一般为0.1Hz～200Hz之间；线性调频信号可以设置为正弦波或者三角波，线性调频的正弦波激励信号图如图2所示，线性调频的三角波激励信号图如图3所示。
步骤2：将线性调频信号经过功率放大器放大后，施加于激励线圈，从而产生交变的磁场，该模块具有恒流和恒压两种模式；恒压模式中经过放大的激励信号幅值一般为3V～30V；恒流模式中经过放大的激励信号的电流一般为10mA～30A；恒流和恒压两种模式通过继电器来切换。
步骤3：用检测线圈检测巴克豪森信号，经过滤波放大后，用采集卡或者高速A/D芯片采集放大后的巴克豪森信号；其中采集卡或者高速A/D芯片的采样带宽要求为10MHz以上。采集到的基于线性调频激励的巴克豪森信号如图4所示。
步骤4：信号分析与处理：对巴克豪森信号进行特征提取，分析巴克豪森特征与渗碳层深度、应力随深度变化的关系，建立巴克豪森信号特征与渗碳层深度、应力随深度变化的测量模型。

Claims (8)

1.一种基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)产生线性调频信号：用单片机或DSP或ARM或FPGA控制数模转换DA芯片产生线性调频信号；
(2)产生交变的磁场：线性调频信号经过功率放大器放大后，施加于激励线圈，产生交变的磁场；
(3)采集巴克豪森信号：用检测线圈检测巴克豪森信号，信号经过滤波放大后，用采集卡或者高速A/D芯片采集放大后的巴克豪森信号；
(4)信号分析与处理：对巴克豪森信号进行特征提取，分析巴克豪森特征与渗碳层深度、应力随深度变化的关系，建立巴克豪森信号特征与渗碳层深度、应力随深度变化的测量模型。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中线性调频信号为三角波或者正弦波。
3.根据权利要求1所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中线性调频信号的频率范围为0.1Hz～200Hz。
4.根据权利要求1所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中DA芯片输出的正弦波信号的电压值计算公式如下：
Figure FDA0002216127050000011
其中，DAval是DA芯片输出的电压值；A为输出电压峰值；f为信号频率；xn为0～N-1的序列；N为输出信号点数；
Figure FDA0002216127050000012
为信号的相位。
5.根据权利要求1所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中DA芯片输出的三角波的电压值计算公式如下：
其中，DAval是DA芯片输出的电压值；A为输出电压峰值；N为输出信号点数；xn1为0～(N-1)/2的序列；xn2为(N-1)/2～N的序列。
6.根据权利要求1所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中功率放大器具有恒流和恒压两种模式：恒压模式中经过放大的激励信号幅值为3V～30V；恒流模式中经过放大的激励信号的电流为10mA～30A。
7.根据权利要求6所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述恒流和恒压两种模式通过继电器来切换。
8.根据权利要求1所述的基于线性调频激励的巴克豪森信号检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中巴克豪森信号的检测深度通过如下公式计算获得：
Figure FDA0002216127050000021
式中：δ为巴克豪森信号的检测深度；μ为材料的磁导率；σ为材料的电导率；f为激励磁场频率。
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