CN111257407B - 铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法，利用铁磁性材料一阶反转磁化过程中宏、微观磁响应，构建由多维磁参量组成的基准磁矩阵，用于对不同深度材料的微观组分、宏观力学性能等目标指标的定量表征。利用2个电感线圈分别测试主磁通量变化和接收磁巴克豪森噪声信号；其次，以切向磁场强度响应为横轴、反转磁场强度响应为纵轴建立二维基准空间，从主磁通量变化和磁巴克豪森噪声信号中提取出对应基准空间的多维磁参量，构建基准磁矩阵；最后，针对具有不同目标指标的材料进行基准磁矩阵测试，通过分析基准矩阵中特征磁参量对目标性能指标的表征能力，确定有效的一阶反转磁化响应空间，并实现铁磁性材料性能的最优磁表征。

Description

铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法
技术领域
铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法属于微磁无损检测技术领域，该方法能对不同深度材料的微观组分、宏观力学性能等目标指标进行定量表征，其无损表征效果能达到最优。
背景技术
传统的微磁无损检测技术，主要采用等幅的多周期正弦波磁场对待测铁磁性材料进行饱和或近饱和磁化，利用多个周期的检测信号进行平均后，提取固定磁化条件下的磁参量进行力学性能表征。例如北京工业大学蔡燕超利用频率12Hz、峰峰值8V的正弦波对具有不同表面硬度的S136试件进行磁化，通过采集巴克豪森噪声信号和切向磁场强度信号得到蝶形曲线，从中提取蝶形曲线峰值Mmax、峰值对应的切向磁场强度Hcm、半峰宽DH50M等磁参量用于硬度表征；国外学者利用0.5Hz的正弦波对具有不同微观组分的SAE1020和1045钢进行磁化，通过采集磁感应强度信号和切向磁场强度信号得到磁滞回线，从中提取矫顽力和微分磁导率来表征不同的微观组分。
由于磁畴运动特性直接决定了微磁信号对力学性能的检测灵敏度。饱和或近饱和磁化无法调控磁畴运动特性，只能获得一种磁化状态下的微磁信号，往往无法实现全局(磁化状态)条件下力学性能的最优表征。另外，等幅磁场可磁化的最大深度是固定的，无法再获得检测范围内不同深度的微磁信号，也即不具备对不同深度材料力学性能进行评价的潜力。针对上述问题，本发明专利提出利用负极性幅值线性调制的多周期正弦波磁场对待测铁磁性材料进行一阶反转磁化，获得不同磁化条件(强度、变化率)下的微磁信号，并构建多维基准磁矩阵，用于对不同深度材料的微观组分、宏观力学性能等目标指标进行最优无损表征。
发明内容
本发明的目的是提出一种铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法，利用铁磁性材料一阶反转磁化过程中宏、微观磁响应，构建由多维磁参量组成的基准磁矩阵，用于对不同深度材料的微观组分、宏观力学性能等目标指标的定量表征。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
首先，利用负极性幅值线性调制的N(5≤N≤50)个周期正弦波磁场H对待测铁磁性材料进行一阶反转磁化，利用霍尔元件测试材料表面的切向磁场强度，绕制于U型磁芯的感应线圈测试主磁通量变化巴克豪森噪声检测线圈接收磁巴克豪森噪声信号。将第i(i＝1,2,3,…,N)个磁化周期内从反转场Hr至正向磁饱和场Hsat的切向磁场强度响应信号均匀插值离散成具有(M-N+i)个元素的一维矩阵E，对矩阵左侧进行N-i次补零操作，形成长度为M的一维矩阵P，再将N个磁化周期形成的一维矩阵P依序排列构建一阶反转磁化的二维基准空间矩阵Q，行列数分别为N和M；
其次，将主磁通量变化引起的线圈输出电压经过积分换算后，得到磁感应强度B，或进一步计算得到微分磁导率μ＝B/H，映射到二维基准空间矩阵Q，形成磁感应强度和微分磁导率基准磁矩阵；或计算磁巴克豪森噪声信号的均方根值曲线，映射到二维基准空间矩阵Q，形成磁巴克豪森噪声基准磁矩阵；
针对具有不同目标指标的材料进行基准磁矩阵测试，以二维基准空间矩阵中的元素位置为单元，逐点分析此单元内特征磁参量(磁感应强度、微分磁导率、磁巴克豪森噪声均方根值等)与目标指标(微观组分、宏观力学性能)的关系，采用直线方程、抛物线方程或指数方程拟合目标指标对特征磁参量的依赖关系，如果曲线拟合确定系数R2>0.85，则认为分析单元内特征磁参量对目标指标敏感，所有具有敏感特性的单元构成有效的一阶反转磁化响应空间；
最后，对拟合得到的抛物线或指数方程进行线性化处理，线性化方程的斜率即表示特征磁参量对目标指标的检测灵敏度k，在有效的一阶反转磁化响应空间内，k值最高的单元内特征磁参量对材料目标指标的无损表征效果最优。
铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法可用于对不同深度材料的微观组分、宏观力学性能等目标指标的定量表征。如附图2所示，在已构建的基准磁矩阵中反转磁场单元内的特征磁参量可以反映不同深度材料的目标指标信息，反转磁场越弱的单元，特征磁参量主要对浅层材料目标指标变化敏感；反转磁场越强的单元，特征磁参量对深层材料的目标指标变化敏感。
附图说明
图1检测装置示意图
图2基准磁矩阵与不同深度材料的目标指标的关系
图3不同目标指标的基准磁矩阵
图4目标指标与特征磁参量的拟合曲线
图5线性化方程曲线
图6有效的一阶反转磁化响应空间
图7不同灵敏度下磁感应强度与硬度的关系
图中：1-U型磁芯，2-励磁线圈，3-感应线圈，4-霍尔元件，5-巴克豪森噪声检测线圈，6-待测铁磁性材料
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
如附图1所示，NI-PXIe激励板卡产生负极性幅值线性调制的多周期正弦波经功率放大器通入标准微磁探头的励磁线圈2，以提供交变磁场对待测铁磁性材料6(以不同硬度的钢板试件为例)进行一阶反转磁化，采用霍尔元件4测试材料表面的切向磁场强度响应，绕制于U型磁芯1的感应线圈3测试主磁通量变化，巴克豪森噪声检测线圈5接收磁巴克豪森噪声信号。
构建行列数分别为20和80的二维基准空间矩阵Q，提取出对应基准空间的磁参量(如磁感应强度)，将其映射到二维基准空间矩阵Q，形成磁感应强度基准磁矩阵；针对具有不同目标指标的材料进行基准磁矩阵测试，图2示意了不同目标指标(T＝T1，T2，T3)下的基准磁矩阵，以二维基准空间矩阵中的元素位置为单元，逐点分析此单元内特征磁参量与目标指标的关系(如A、B、C三点)，采用直线方程、抛物线方程或指数方程拟合A、B、C三点，如图3所示。图4展现了拟合得到的抛物线或指数方程进行线性化处理后的结果，线性化方程的斜率即表示特征磁参量对目标指标的检测灵敏度k。这里采用直线方程来拟合硬度对磁感应强度的依赖关系。规定硬度与磁感应强度拟合曲线的拟合确定系数R2>0.85所对应的单元构成了有效的一阶反转磁化响应空间，如附图5所示。
在有效的一阶反转磁化响应空间内，提取直线方程的斜率k，如附图6所示，k值最高的单元内磁感应强度对材料硬度的无损表征效果最优。

Claims (3)

1.铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法，其特征在于，利用负极性幅值线性调制的N个周期正弦波磁场H对待测铁磁性材料进行一阶反转磁化，5≤N≤50，利用一阶反转磁化过程中材料自身的宏、微观磁响应，构建由多维磁参量组成的基准磁矩阵，对不同深度材料的微观组分、宏观力学性能目标指标进行无损表征，具体的实施步骤如下：
(1)一阶反转磁化响应采集及二维基准空间构建，采用霍尔元件测试材料表面的切向磁场强度响应，利用2个电感线圈分别测试主磁通量变化和接收磁巴克豪森噪声信号，将第i个磁化周期内从反转场Hr至正向磁饱和场Hsat的切向磁场强度响应信号均匀插值离散成具有(M-N+i)个元素的一维矩阵E，i＝1,2,3,…,N，对矩阵左侧进行N-i次补零操作，形成长度为M的一维矩阵P，再将N个磁化周期形成的一维矩阵P依序排列构建一阶反转磁化的二维基准空间矩阵Q，行列数分别为N和M；
(2)将主磁通量变化引起的线圈输出电压经过积分换算后，得到磁感应强度B，或进一步计算得到微分磁导率μ＝B/H，映射到二维基准空间矩阵Q，形成磁感应强度或微分磁导率基准磁矩阵；或计算磁巴克豪森噪声信号的均方根值曲线，映射到二维基准空间矩阵Q，形成磁巴克豪森噪声基准磁矩阵；
(3)针对具有不同目标指标的材料进行基准磁矩阵测试，以二维基准空间矩阵中的元素位置为单元，逐点分析此单元内特征磁参量与目标指标的关系，采用直线方程、抛物线方程或指数方程拟合目标指标对特征磁参量的依赖关系，如果曲线拟合确定系数R2>0.85，则分析单元内特征磁参量对目标指标敏感，具有敏感特性的单元构成有效的一阶反转磁化响应空间；
(4)对拟合得到的抛物线或指数方程进行线性化处理，线性化方程的斜率即表示特征磁参量对目标指标的检测灵敏度k，在一阶反转磁化响应空间内，k值最高的单元内特征磁参量对材料目标指标的无损表征效果最优。
2.根据权利要求1所述的铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法，其特征在于，反转磁场单元内的特征磁参量反映不同深度材料的目标指标信息，反转磁场越弱的单元，特征磁参量对浅层材料目标指标变化敏感；反转磁场越强的单元，特征磁参量对深层材料的目标指标变化敏感。
3.根据权利要求1所述的铁磁性材料性能的一阶反转磁化响应矩阵表征方法，其特征在于，特征磁参量包括磁感应强度、微分磁导率、磁巴克豪森噪声均方根值，目标指标包括微观组分、宏观力学性能。
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