CN111964817A

CN111964817A - 基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法及装置

Info

Publication number: CN111964817A
Application number: CN202010651087.4A
Authority: CN
Inventors: 郑阳
Original assignee: China Special Equipment Inspection and Research Institute
Current assignee: Zhongte Inspection Group Co ltd
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: CN111964817B

Abstract

本发明提供了一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法及装置，基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法包括：测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。本发明可以利用周向磁巴克豪森噪声精准地计算测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。

Description

基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法及装置

技术领域

本发明涉及材料的应力计算技术领域，具体涉及在材料制造过程中的残余应力检测与评估等技术领域，特别是涉及一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法及装置。

背景技术

现有工程制造技术领域中，关注的应力主要有制造导致的残余应力、服役过程中承受外载荷而产生的应力和缺陷导致的应力集中，对上述方面进行精准测量是工程检测的重要内容之一。制造过程中残余应力常因材料锻压、切削、焊接等加工而产生，其存在易使零部件发生变形而影响装配精度及整机性能，也会导致其在服役过程中加速腐蚀及蠕变，严重时将使部件出现裂纹等，常需对其进行检测，以确定残余应力消除水平。另外，设备服役过程中承压部件受外载荷产生的应力也为工程关注的重点，如管道、压力容器等承压设备是按照特定的压力进行设计，在设备运转过程中需要对部件的实际应力情况进行检测，判断其是否符合设计的许用应力值。在部件安装及使用过程中，还存在由装配应力、地基不均匀沉降、结构损失等原因而导致的局部过载，及早发现过载部位，可避免由结构失稳失效导致的安全事故。设备服役中也常因缺陷产生而导致的应力集中，如腐蚀、机械损伤、材料老化等缺陷产生时，即使是在缺陷产生早期，也会表现出明显的应力集中，检测并发现应力集中区，可以有效地发现缺陷。因此应力的检测与评估在工程实践中有巨大的应用需求。

目前工程中常用应力检测与评估方法有应变片法、钻孔法、超声法、X射线衍射法。应变片法测量最为准确，测量时应变片贴于被测部件表面，当材料受应力发生形变时，通过应变片的形变获取变化应力的大小，但其只能对粘贴部位应力进行检测，不便进行大面积区域应力分布的扫查。钻孔法通过在被测部件上钻取小孔释放应力，通过小孔的形变量获取应力大小，属于有损检测的方法，对于重要部件，所钻取小孔将是潜在的失效隐患。X射线衍射法是目前工程现场中应用最为广泛的应力检测方法，也是目前现场测量较为准确和可靠的方法，但X射线对人体有害且设备较为庞大，携带不便，安装耗时，一次安装只能检测一个点的应力，检测效率低。因此，工程中迫切需求便捷高效的应力检测与评估方法。

综上所述，对于工程而言，如何精准地测量出其主应力大小和主方向，进行实现应力状态的准确测量是目前工程界迫切需要解决的难题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法及装置，可以利用周向磁巴克豪森噪声精准地计算测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法，包括：

测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；

根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，生成所述磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型的步骤包括：

测量多个单轴拉压应力状态下所对应的多个测量点的周向磁巴克豪森噪声；

建立所述多个单轴拉压应力与所述多个测量点的周向磁巴克豪森噪声之间的对应关系，以生成所述关系模型。

一实施例中，建立所述多个单轴拉压应力与所述多个测量点的周向磁巴克豪森噪声之间的对应关系，以生成所述关系模型，包括：

利用拉压测试方法，根据所述特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、多个特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、利用神经网络建立多个特征值与对应平面应力之间的关系、利用深度学习算法建立多个特征值与对应平面应力之间的关系中至少之一，建立所述关系模型。

一实施例中，所述根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量，包括：

根据所述磁巴克豪森噪声特征值以及所述关系模型确定测量点的最大主应力值、最大主应力方向、最小主应力值以及最小主应力方向；

根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，所述根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量，包括：

利用弹性力学方法，根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向建立所述测量点的应力分析模型；

求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，所述根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量，还包括：

测量所述测量点的三个方向的周向磁巴克豪森噪声值，并分别计算三个方向的周向磁巴克豪森噪声的特征值；

根据所述特征值以及所述关系模型计算三个方向各自的应力值；

根据所述应力值，求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，所述特征值包括：所述周向磁巴克豪森噪声的均方根值、振铃数、峰宽比、峰值时间以及包络面积。

第二方面，本发明提供一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置，包括：

磁巴克豪森噪声测量单元，用于测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；

应力状态确定单元，用于根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置还包括：关系模型生成单元，用于生成磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，所述关系模型生成单元包括：

噪声测量模块，用于测量多个单轴拉压应力状态下所对应的多个测量点的周向磁巴克豪森噪声；

对应关系建立模块，用于建立所述多个单轴拉压应力与所述多个测量点的周向磁巴克豪森噪声之间的对应关系，以生成所述关系模型。

一实施例中，所述对应关系建立模块具体用于利用拉压测试方法，根据所述特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、多个特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、利用神经网络建立多个特征值与对应平面应力之间的关系、利用深度学习算法建立多个特征值与对应平面应力之间的关系中至少之一，建立所述关系模型。

一实施例中，所述应力状态确定单元包括：

最大及最小应力确定模块，用于根据所述磁巴克豪森噪声特征值以及所述关系模型确定测量点的最大主应力值、最大主应力方向、最小主应力值以及最小主应力方向；

应力状态确定模块，用于根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，所述应力状态确定模块包括：

分析模型建立模块，用于利用弹性力学方法，根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向建立所述测量点的应力分析模型；

分析模型求解模块，用于求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，所述应力状态确定单元还包括：

角度特征值计算模块，用于测量所述测量点的三个方向的周向磁巴克豪森噪声值，并分别计算三个方向的周向磁巴克豪森噪声的特征值；

应力值计算模块，用于根据所述特征值以及所述关系模型计算三个方向各自的应力值；

应力张量确定模块，用于根据所述应力值，求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的步骤。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法及装置，首先测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；接着，根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。本发明可以利用周向磁巴克豪森噪声精准地计算测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。进而可应用于铁磁性材料制设备设施，如钢轨、钢架、管道、压力容器、船舶等，制造过程中的焊接和机械加工残余应力检测，以及服役过程中关键部位应力集中检测，具有广泛的应用前景和巨大的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例中基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法流程示意图；

图2为本发明的实施例中动态磁化过程中产生巴克豪森磁性噪声过程中的磁畴示意图；

图3为本发明的实施例中动态磁化过程中产生巴克豪森磁性噪声过程中的磁化曲线示意图；

图4为本发明的实施例中动态磁化过程中产生巴克豪森磁性噪声过程中的磁滞回线示意图；

图5为本发明的实施例中生成所述磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型的流程示意图；

图6为本发明的实施例中步骤102的流程示意图；

图7为本发明的实施例中步骤200的流程示意图；

图8为本发明的实施例中步骤202的流程示意图；

图9为本发明的实施例中受力点应力状态描述示意图；

图10为本发明的具体应用实例中基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的流程示意图；

图11为本发明的具体应用实例中拉伸样品的形状和尺寸示意图；

图12为本发明的具体应用实例中拉伸样品的拉伸方向示意图；

图13为本发明的具体应用实例中样品表面加工导致的残余变形对周向MBN测量的影响(未抛光样品表面的微观结构)示意图；

图14为本发明的具体应用实例中样品表面加工导致的残余变形对周向MBN测量的影响(未抛光样品的表面自由状态测量的周向MBN分布)示意图；

图15为本发明的具体应用实例中样品表面加工导致的残余变形对周向MBN测量的影响(抛光样品表面的微观结构)示意图；

图16为本发明的具体应用实例中样品表面加工导致的残余变形对周向MBN测量的影响(抛光样品的表面自由状态测量的周向MBN分布)示意图；

图17为本发明的具体应用实例中实验仪器装置结构示意图；

图18为本发明的具体应用实例中MBN检测中的信号处理(激励信号)示意图；

图19为本发明的具体应用实例中MBN检测中的信号处理(接收到原始检测信号)示意图；

图20为本发明的具体应用实例中MBN检测中的信号处理(滤波后的检测信号)示意图；

图21为本发明的具体应用实例中RMS值与计算中使用的MBN波包数量之间的关系示意图；

图22为本发明的具体应用实例中MBN特征值RMS在无应力状态和应力状态下测量点的周向分布(无应力状态下)示意图；

图23为本发明的具体应用实例中MBN特征值RMS在无应力状态和应力状态下测量点的周向分布(应力状态下-沿90°的80MPa正应力)示意图；

图24为本发明的具体应用实例中应力和MBN-RMS的校准曲线示意图；

图25为本发明的具体应用实例中MBN圆周测量示意图；

图26为本发明的具体应用实例中测量180°和360°时的MBN-RMS比较示意图(50MPa)；

图27为本发明的具体应用实例中测量180°和360°时的MBN-RMS比较示意图(100MPa)；

图28为本发明的具体应用实例中不同应力状态下MBN-RMS值的分布示意图(在不同拉伸应力下样品中心的MBN-RMS周向分布)；

图29为本发明的具体应用实例中不同应力状态下MBN-RMS值的分布示意图(在不同激发角下，MBN-RMS在该方向上的法向应力变化曲线)；

图30为本发明的具体应用实例中10MPa，50MPa，100MPa，150MPa，200Mpa应力状态下拉伸试样中心点的MBN-RMS和应力分布示意图；

图31为本发明的具体应用实例中三点法求取应力方法示意图；

图32为本发明的具体应用实例中求解最大主应力结果示意图一；

图33为本发明的具体应用实例中求解最大主应力结果示意图二；

图34为本发明的具体应用实例中求解最大主应力与实际结果差值示意图一；

图35为本发明的具体应用实例中求解最大主应力与实际结果差值示意图二；

图36为本发明的具体应用实例中MBN-RMS直接求解平面应力时的理论值和测量值的对比示意图；

图37为本发明的实施例中基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置的结构框图一；

图38为本发明的实施例中基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置的结构框图二；

图39为本发明的具体应用实例中关系模型生成单元结构示意图；

图40为本发明的具体应用实例中应力状态确定单元结构示意图一；

图41为本发明的具体应用实例中应力状态确定模块结构示意图；

图42为本发明的具体应用实例中应力状态确定单元结构示意图二；

图43为本发明的实施例中的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，基于周向磁巴克豪森噪声测量平面应力均在某一测量方向上，采用此种方式得到的测量结果仅是材料所受应力在此方向的应力分量，若直接将此应力分量作为材料所受应力大小将发生极大偏差甚至错误。

具体地，固体材料的应力测量本质上是测量应力张量。众所周知，应力是一种体力，用二阶张量表征，含有三个正应力、三个剪应力共六个独立量，即使是平面应力状态时，也存在两个正应力和一个剪应力共三个独立变量。尽管应力存在于材料表面和内部，在工程实际中更关注材料表面的应力状态，这是因为一方面材料内部点的应力状态难以测量，而材料表面应力状态测量可归结为平面应力求解，使问题大大简化；另一方面材料表面上点的应力状态往往也能反映出整体的应力状态。然而现有的应变片法、小孔法、X射线衍射仪法、超声非线性方法、临界折射纵波法、磁巴克豪森噪声等方法并没有很好地解决结构表面平面应力的测量问题，它仍是一个充满挑战的科学难题。

以往的研究中，许多文献表明在单轴拉伸、压缩或弯曲加载时，磁巴克豪森噪声信号特征值与应力具有良好的线性对应关系。丁松等人的研究中提到磁巴克豪森噪声信号的均方根值随外加拉伸应力的增大而增大，随外加压缩应力的减小而减小。这与所熟知的规律相吻合。提出了一种新的磁巴克豪森的特征值，并对Q235钢试样进行了实验，其在一定应力范围内，与压应力和拉应力具有较好的对应性。MierczakL等人和Kypris O等人的研究表明应力与磁巴克豪森噪声信号峰值振幅的倒数之间存在良好的线性关系。Samimi A A等人在HY-80钢的单轴拉应力与磁巴克豪森噪声关系的研究中，发现不同应力状态(零应力、弹性阶段、塑性阶段)下，响应关系存在明显的差异，在弹性变形阶段，HY-80钢的MBN能量与拉伸应力呈线性关系。Freddy A.Franco Grijalb等人的研究表明试件表面不同的应力分布与MBN信号的不同分布呈现相同的规律。双轴应力对磁巴克豪森噪声的影响也得到了研究。

等对奥氏体AISI 301不锈钢在双轴应力状态下的应变诱发马氏体相变动力学进行了表征。ValeriyVengrinovich等人的主要结论有磁巴克豪森噪声MBN(MBN，MagneticBarkhausen Noise)相对于各向同性应变/应力张量的任何变化都不变的条件，后者仅受材料微观结构的影响。在应力引起磁巴克豪森噪声各向异性现象的研究中，Krause T W等人研究表明，施加的单轴应力会使材料的磁易轴向外加应力的方向偏移，各向异性随着拉应力的增大而增大，随压应力的增大而减小。A.Bükki-Deme等人也研究了相关问题，结果表明，各向异性的微观结构是导致磁巴克豪森噪声分布取向依赖的主要原因。而应力的存在会造成微观结构的各向异性，进而造成磁巴克豪森噪声分布的各向异性。前人对周向MBN分布的研究多集中在磁易轴、角依赖性方面，但均没有对于周向MBN分布的平面应力进行分析。

综上所述，磁巴克豪森噪声法在应力测量方面的研究多集中在MBN特征值的大小与单向拉压应力值的对应关系，如众所周知的磁巴克豪森噪声信号的均方根值随拉应力的增大而增大，随着压应力的增大而减少等。少数一些对于具体应力的测量的应用，多为一维角度或某方向上的测量，通常是先测定一条标定曲线，然后将测得的MBN值转换为相应的应力值进行测量。尚未有研究如何采用MBN实现平面应力张量测量的研究。事实上，对材料表面某一点处实际应力测量时，如果只是随意地在某一方向励磁，获得其MBN特征量大小后，就以此特征量的值和标定曲线反演出应力值，作为该测量点的应力，这做作法是盲目和错误的。因为实际上描述一点的应力状态，需要获得其应力张量，对于工程而言，更多的是需要测量出其主应力大小和主方向，才算是真正地实现了应力状态的测量。而这正是目前工程界迫切需要解决的难题，同时也是本申请所要解决的问题。

基于上述原因，本发明的实施例提供一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的具体实施方式，参见图1，该方法具体包括如下内容：

步骤100：测量测量点的周向磁巴克豪森噪声。

可以理解的是，磁巴克豪森噪声是铁磁性材料动态磁化过程中，因磁畴的不连续跳转而产生的一种信号。铁磁性材料内部相邻区域内，原子磁矩排列整齐、磁化方向一致的“小区域”称为磁畴，磁畴与磁畴之间的过渡区域称为磁畴壁，如图2所示。在对铁磁性材料进行动态磁化时，磁畴磁矩发生转动，磁畴壁发生移动，整个磁化过程可分为可逆磁化和不可逆磁化。如图3所示，在图3中，纵坐标(B)为磁感应强度，横坐标(H)为磁场强度。在I区时磁场强度H较低，当外加场强退回到零时，磁感应强度B也为零，此过程主要为磁畴壁的可逆移动；当磁场强度继续增加到II区时，磁化强度随磁场强度增加而快速增加，此过程发生不可逆畴壁移动，释放出磁巴克豪森信号；当磁场强度继续增加到III区时，主要发生磁矩转动；当场强继续增加，磁化强度随磁场强度增加不大，趋于饱和水平。在使用连续交变磁场磁化过程中，如图4磁滞回线所示(图4中Hm为饱和磁场强度、Bm为饱和磁感应强度、Br为剩磁强度以及Hc为矫顽力)，放大后可发现曲线为非光滑，呈阶梯状，这是磁巴克豪森所引起的。应力的存在将影响磁畴转动及畴壁移动的难易程度，已有的研究表明，拉伸应力将使磁巴克豪森噪声信号能量增加，而压应力则相反，且在弹性范围内，应力与磁巴克豪森信号具有良好的线性关联关系。

步骤100在实施时，可以通过对比材料测量点在无应力状态下与有应力状态下周向磁巴克豪森噪声的特征值来获取测量点的最大主应力、最大主应力方向、最小主应力以及最小主应力方向。因为磁巴克豪森噪声是铁磁性材料动态磁化时磁畴壁的不连续运动过程中产生的一种信号，对铁磁性材料中的应力和微观结构比较敏感。磁巴克豪森噪声技术作为铁磁材料应力表征和测量的一种潜在的无损评价方法，在微观结构和机械参数的无损测量中已经有一定的应用，如焊接区域以及齿轮零件制造过程中的残余应力测定，硬化层深度表征与磨削损伤的评估，疲劳评估。众多研究表明磁巴克豪森噪声用于应力检测具有快速、便捷、检测灵敏度和准确度高的突出优点，且易于对整个设备进行应力分布扫描检测。一般而言，由于传感器接收的磁巴克豪森噪声信号是动态磁化区中各磁畴共同作用的贡献，故它测量的是磁化区域中的平均应力水平，因此相较于X射线衍射仪晶格尺度的测量，其更能反映局部区域的应力状态，更具有统计代表意义。

步骤200：根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

具体地，获得周向磁巴克豪森噪声(MBN)特征值与单向正应力的关联关系(关系模型)，从而可以从测量得到MBN特征值，换算为平面应力状态以及应力张量。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法，首先测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；接着，根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。本发明可以利用周向磁巴克豪森噪声精准地计算测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。进而可应用于铁磁性材料制设备设施，如钢轨、钢架、管道、压力容器、船舶等，制造过程中的焊接和机械加工残余应力检测，以及服役过程中关键部位应力集中检测，具有广泛的应用前景和巨大的工程应用价值。

一实施例中，基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法还包括：生成所述磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，进一步地，参见图5，生成所述磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型具体包括：

步骤101：测量多个单轴拉压应力状态下所对应的多个测量点的周向磁巴克豪森噪声。

步骤102：建立所述多个单轴拉压应力与所述多个测量点的周向磁巴克豪森噪声之间的对应关系，以生成所述关系模型。

具体地，通过拉伸实验对特定材料的MBN特征值与平面应力的对应关系进行标定。例如：在小型拉伸机上，对试件进行拉伸，加载拉力，在不同拉力下测量沿拉伸方向上的MBN信号(拉伸过程控制在弹性形变范围内)，接着根据多个MBN信号以及各自对应的平面应力建立关系模型。

在步骤101至步骤102中，基于周向MBN的测量求解测量点平面应力状态以及应力张量。因为MBN信号能够与应力一一对应，基于此，在实际测量前，可以通过对其进行标定来确定MBN和应力的对应关系。

一实施例中，参见图6，步骤102进一步包括：

步骤1021：利用拉压测试方法，根据所述特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、多个特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、利用神经网络建立多个特征值与对应平面应力之间的关系、利用深度学习算法建立多个特征值与对应平面应力之间的关系中至少之一，建立所述关系模型。

具体地，利用拉压测试方法，并可采用单一特征值与相对应应力进行拟合得到关系曲线；也可以通过多个特征值与相对应应力进行线性回归得到关系曲线；或者可以通过多个特征值与相对应应力通过神经网络或者深度学习算法得到关系曲线。可以理解的是，依据步骤1032所阐述的方法建立的关系模型可以精准地计算测量点的最大主应力、最大主应力方向、最小主应力以及最小主应力方向(参照后续实验验证结果)。

一实施例中，参见图7，步骤200进一步包括：

步骤201：根据所述磁巴克豪森噪声特征值以及所述关系模型确定测量点的最大主应力值、最大主应力方向、最小主应力值以及最小主应力方向。

将待计算的测量点(注意，这里区别于历史测量点)的周向磁巴克豪森噪声的特征值输入至关系模型中，以获取该测量点的最大主应力、最大主应力方向、最小主应力以及最小主应力方向。需要说明的是，步骤201可以获得测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。

步骤202：根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

具体地，利用弹性力学方法，根据最大主应力、最大主应力方向、最小主应力以及最小主应力方向确定测量点的平面应力状态以及应力张量，可以理解的是步骤202中的平面应力状态以及应力张量是指测量点的应力分布状态。可以理解的是，步骤202克服了现有技术中，对材料表面某一点处实际应力测量时，仅是随意地在某一方向励磁，获得其MBN特征量大小后，就以此特征量的值和标定曲线反演出应力值，作为该测量点的应力，这做作法是盲目和错误的。因为实际上描述一点的应力状态，需要获得其应力张量，对于工程而言，更多的是需要测量出其主应力大小和主方向，才算是真正地实现了应力状态的测量。

一实施例中，参见图8，步骤202进一步包括：

步骤2021：利用弹性力学方法，根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向建立所述测量点的应力分析模型。

步骤2022：求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

在步骤2021至步骤2022中，可以理解的是，对一点应力状态进行这样的描述：在受力物体中取一个微小三角形单元，如图9所示，其中AB，AC与坐标y，x重合，而BC的外法线与x轴成θ角。取x′,y′坐标，使BC的外法线方向与x′方向重合。在这种情况下，如果σ_x，σ_y，τ_xy已给定，则BC面上的正应力σ_x′与切应力τ_x′y′可用已知量表示，由于θ角的任意性，则当BC面趋于点A时，便可以说求得了点A处的应力状态的表达式。此处所讨论的问题，是一点处不同方向的面上的应力的转换，即BC面无限趋于点A时，该面上的应力如何用与原坐标相平行的面上的应力来表示。在这种问题的分析中，可不必引入应力增量和体力，因为它们与应力相比属于小量。

假定BC的面积为1，则AB和AC的面积分别为cosθ与sinθ。于是，由平衡条件∑F_x＝0和∑F_y＝0，可得

p_x＝σ_x×cosθ+τ_xy×sinθ (1)

p_y＝τ_xy×cosθ+σ_y×sinθ (2)

其中，p_x，p_y为BC面上单位面积的力p在x，y方向的投影。把p_x，p_y投影到x′,y′坐标方向，得

σ_x′＝p_x×cosθ+p_y×sinθ (3)

τ_x′y′＝p_y×cosθ-p_x×sinθ (4)

将式(1)、(2)带入式(3)、(4)得

σ_x′＝σ_x×cos²θ+σ_y×sin²θ+2τ_xy×sinθ×cosθ (5)

τ_x′y′＝τ_xy×(cos²θ-sin²θ)+(σ_y-σ_x)×sinθ×cosθ (6)

或改写为

若某一斜面上切应力τ_x′y′＝0，则该斜面上的正应力σ_x′称为该点的一个主应力σ；

当τ_x′y′＝0时，有σ_x′＝σ，

求解得：

进而得到：

σ²-(σ_x+σ_y)×σ+(σ_x×σ_y-τ_xy)＝0 (10)

求解得：

可得，对于平面应力存在两个主应力，称之为最大、最小主应力，二者成90°角。

若已知最大、最小主应力σ₁，σ₂，以σ₁代入σ_x，σ₂代入σ_y，则式(7)、(8)可变形为：

σ_x′＝(σ₁-σ₂)×cos²θ+σ₂ (11)

在平面上，若已知某测试点的最大、最小应力，则可通过式(11)计算得到该测试点的应力分布状态。

可以理解的是，针对施工的便利性，往往在进行周向磁巴克豪森噪声值测量时，需要尽可能测量少一些，对此，一实施例中，步骤200还包括：

步骤20a：测量所述测量点的三个方向的周向磁巴克豪森噪声值，并分别计算三个方向的周向磁巴克豪森噪声的特征值。

在具体实施时，需先对被测材料进行标定实验，得到MBN特征值RMS与应力的标定曲线，例如图24。

步骤20b：根据所述特征值以及所述关系模型计算三个方向各自的应力值。

在步骤20a的基础上，测量被检材料的三个方向的MBN信号，得到其RMS值代入标定曲线得到所测三个方向的应力值。

步骤20c：根据所述应力值，求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

具体地，已知三个方向的应力值分别代表公式(15)中σ_x1′，σ_x2′，σ_x3′，其中σ₁、σ₂为平面最大最小主应力，θ₁是第一个测量方向与最大主应力方向的夹角，

第二个测量方向与第一个测量方向的夹角，

为第三个测量方向与第二个测量方向的夹角，

在测量过程中即可得到。式(15)包含σ₁、σ₂、θ三个未知量，通过求解式1即可得到最大、最小应力σ₁，σ₂，并得到θ₁，因σ_x1′的方向已知，故可求出最大主应力所在的方向。

优选地，参见图31，上述三个方向之间的夹角为60度。

为进一步地说明本方案，本发明以工程中常用的材料Q235为例，并建立相应的实验装置，来提供基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的具体应用实例，该具体应用实例具体包括如下内容，参见图10。

试样材料选取工程中常用的Q235，该材料在无应力状态具有良好的磁各向同性性质。按图11以及图12所示形状及尺寸如制备成拉伸试件：即长×宽×厚为340mm×40mm×10mm，作为标定和平面应力测量用试件。试件在进行拉伸前(黑色箭头指示拉伸方向)，对其进行随炉升温至550℃并恒温5小时后随炉冷却，进行了消除残余应力的热处理，随后对试件进行了除锈剂除锈及酸蚀处理以去除试件表面氧化层，以使试件在初始时处于无应力状态。值得指出的是，机加工完的试件表面一般会有朝向性的塑性变形残余，表面为在显微镜下有明显的线状条纹，它会严重影响测量结果，需要对试块进行打磨处理，以消除其影响。图13至图16显示了打磨前后，机加工残余的塑性变形对周向MBN测量的影响。因此，本具体应用实例采用砂纸旋转打磨的方法，对试件表面进行了打磨处理，以消除机加工塑性变形残余对实验的影响。

采用周向MBN分布测量平面应力张量的关键在于，首先利用应力导致的磁各向异性及应力与MBN特征量的单调对应关系，获得平面应力的最大和最小主应力值及其方向；然后在平面应力的条件下，利用已知的最大和最小主应力值及其方向，对各个方向上正应力和剪应力的求解，从而获得平面应力张量。在求解之前，需要明确该方法的四个条件：

条件一：MBN反映的是表层很薄厚度的应力状态，此厚度与磁化区域相比非常小，故可以按平面应力问题进行求解。这是因为：

(1)动态磁化中磁化的是材料的表层。常见的铁磁性材料的MBN信号频带集中在1kHz-500kHz之间，使得其穿透深度很有限(1mm)，还受到材料的传导率和渗透性的影响，因此巴克豪森信号的测量只能用于表征近表面区域。

(2)接收器接收的是表层的MBN信号，深层的信号被表层材料屏蔽。MBN测量深度主要取决于材料的渗透性，表面硬化部件的测量深度一般可达0.2mm。

条件二：MBN测量的可视作磁化区域中心点或两磁极间磁化区域内各点的应力。就本具体应用实例而言，测量的是周向MBN分布，一次测量中上述的区域为以MBN传感器中两个磁极间距为直径的圆形区域。这是因为：(1)就工程应用而言，更关注结构部位的应力分布水平，因此局部平均应力更具有代表性。(2)材料中的应力具有连续性，当磁化区域较小，在其中的应力变化不大时，可以认为区域内各点的应力状态是均匀的。

条件三：MBN平面应力测量方法研究中不考虑剪应力对MBN信号影响。这是因为已有的研究表明，弹性范围内，单轴作用下的拉压正应力与MBN特征值RMS具有很好的单调对应关系，且近似为线性。但就作者所知，目前没有关于剪应力对MBN信号影响的研究。存在两种可能性，一是剪应力对MBN影响很小或无影响，可忽略；二是剪应力对MBN有影响且需要建立其关联关系。应本研究而言，在测量平面应力状态时，解决思路是通过周向MBN的测量，获得最大、最小主应力值及其方向，然后再利用平面应力的理论求解各个方向上的应力状态。由于主应力方向上，剪应力为零，因此在本具体应用实例的求解方法中，无需用到剪应力对MBN的影响。值得指出的是，从本具体应用实例中的实验测量得到的周向MBN分布图及解调出的应力状态图的对应关系分析上，确实可以导出剪应力对MBN特征值RMS无影响或影响很小的结论。

条件四：考虑被测铁磁性材料本身磁晶各向同性或磁晶各向异性对本检测方法的影响。尽管本具体应用实例研究和后续的实验验证中，选择了磁各向同性材料，且通过控制检测参数，使其在无应力状态下，呈现磁各向同性的特征，来研究和验证周向MBN分布测量平面应力张量的方法。它对于磁晶各向异性材料同样适用，在考虑磁晶各向异性材料时，可把无应力状态时的周向MBN分布作为基准，有应力状态检测时，应力值通过MBN特征值的增量和标定曲线导出。

本具体应用实例的所提供的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的物理原理在于，一方面大量的研究已经证实在单轴拉伸时，MBN大小与平面应力有非常好的对应关系，且在弹性范围内近似为线性对应关系；另一方面，铁磁性材料受应力作用时会产生较强的磁各向异性，意味着主应力方向与磁各向异性有很强的关联关系，从而通过测量周向MBN的分布，有可能实现平面应力状态的测量。

在上述的四个条件前提下，采用周向MBN分布测量平面应力张量的具体方法如下：

S1：构建实验装置。

实验装置主要由信号发生器、功率放大器、前置放大器、数据采集器、PC端等模块组成。传感器为自行开发的U型磁轭式MBN传感器，主要由U型磁轭和接收器组成，U型磁轭由硅钢片缠绕漆包线制成，U型磁轭磁极端面为10mm×10mm的方形平面，两磁极中心点间距为20mm，因此实验中测量的应力可以认为是以20mm为直径的圆形区域内的平均应力。接收器由铁氧体磁芯缠绕漆包线制成。实验系统原理框图如图17所示。实验过程中用PC端控制信号发生器发出励磁信号，经功率放大器通入缠绕在U型磁轭上的激励线圈中对试件进行交流磁化，产生的MBN信号由缠绕在铁氧体上的接收线圈拾取得到，经前置放大器放大后由数据采集器进行采集，最终传回PC端。实验中采用频率为49.7699Hz的正弦波信号作为励磁信号，信号发生器输出的原始信号峰值为0.097V，功率放大器的增益为20dB，前置放大器的增益为40dB，采样频率为0.5MHz。测量中保持传感器U型磁轭与试件表面稳定良好接触。

另外，本具体应用实例采用RMS值作为MBN的信号特征值进行应力检测。信号处理方法如下所述，如图18至图20所示，图19为测量的无应力状态时的原始接收原始信号，经带通滤波后得到图20所示的MBN信号，这里只显示了5个波包，实际在计算RMS时采用1000个MBN波包信号。RMS值是对所有MBN信号采样点数据平方，求其均值，再开方，其计算公式为：

其中X_i为不同时刻的巴克豪森信号数据点。值得指出的是，确定RMS计算中MBN波包的个数需要充分考虑能够获得稳定的RMS值，同时保持较小的波包数以获得较高的检测效率。

图21中给出了本实验装置在文中测量条件下，RMS值与采用的MBN波包数的关系，可以看出，大于400个波包后，RMS值在0.06933-0.06940V范围内波动，波动很小，趋于稳定，因此本具体应用实例实验中，采用1000个MBN信号波包计算RMS值。

S2：测量标定曲线。

可以理解的是，基于周向MBN的测量求解测量点最大、最小主应力及其方向，MBN信号能够与应力一一对应。基于此，在实际测量前，可以通过对其进行标定来确定MBN和应力的对应关系。如图22可知试件在无应力状态时，MBN特征值RMS在周向分布上几乎处于同一半径的圆上(即RMS值相同)。由图23可知试件在某个方向上存在应力时，MBN特征值RMS在周向分布上呈现出椭圆状，且椭圆长轴(即RMS最大值)在有应力方向附近，最大RMS值出现的角度即为最大主应力方向。当获得MBN特征值RMS最大值后，通过应力标定曲线可以得到此状态时的最大主应力。最小主应力及其方向可通过同样方法获得。

具体地，通过拉伸实验对Q235材料的MBN特征量与正应力的对应关系进行标定。在小型拉伸机上，对试件进行拉伸，加载拉力，在不同拉力下测量沿拉伸方向上的MBN信号。拉伸过程控制在弹性形变范围内，本研究中试件中的应力范围为0～200MPa，间隔10MPa测量。一次拉伸测量过程中，为保证标定数据的准确性，这里在同一拉力下，进行5次测量并取其平均值作为某个应力下的MBN信号。同时重复拉伸5次，执行同样的测量，以5次拉伸过程的平均结果作为最终标定数据。

工程中需先对被测材料进行标定实验，实验测得如图24所示的标定曲线。图中实心点为实际测得的MBN-RMS值，空心点为25个MBN-RMS值的平均值，曲线为对不同应力状态下的MBN-RMS值的平均值按三次多项式进行拟合的曲线，拟合曲线表达式为：

Y＝2071362.717*x^3-546362.693*x^2+52411.771*x-1694.242 (14)

从图24中可得到以下信息：一是MBN特征值RMS与正应力大小有单调对应关系；二是非严格的线性，但因其单调性，拟合后可获得RMS值与应力的一一对应映射关系，从而可以从RMS值得到正应力的大小；三是应力测量的标定误差方面，在正应力从0～200MPa的变化中，MBN特征值RMS从0.0689V变化到了0.1078V。在测量的应力范围内，RMS值最大变动为0.0019V，最小变动为0.0008V，最大变动出现在0MPa应力值时，最小变动出现在110MPa应力值时，对应的应力标定最大误差为13MPa，最小误差为3.6MPa。

S3：周向MBN测量平面应力方法验证。

以拉伸试件单轴拉伸时中心点处的平面应力张量测量来验证基于MBN特征量RMS周向分布测量平面应力张量的方法和理论模型。主要是因为此种状态下试件只受单个方向的拉应力作用，试件上测量区的平面应力张量是确定的，即有明确的测量目标值，无需采用其它测量手段建立应力的参照值。

在小型拉伸机上，对试件进行拉伸，加载拉力，在不同拉力下测量沿拉伸方向上的MBN信号。拉伸过程控制在弹性形变范围内，以10MPa的间隔从0MPa开始不断拉伸到200MPa，在每个应力值下采用3.1中所述测量系统测量试件正中心点的周向磁巴克豪森噪声信号的分布。

周向磁巴克豪森噪声信号的分布测量时，实验设置如图25所示，在某一应力下，从0°位置开始测量，按图示旋转方向间隔5°旋转测量，得到0°～180°的磁巴克豪森噪声信号分布。由于U型磁轭励磁的对称性，180°～360°的磁巴克豪森噪声分布由0°～180°的测量结果对称得到。

为了验证这种对称操作的正确性，在50MPa和100MPa拉应力下测量了试件表面360°的磁巴克豪森噪声信号，同只测量180°的结果进行了对比，结果如图26以及图27所示。结果表明，测180°后利用对称性得到的周向分布图与测360°得到的图完全重合。因此可以通过只测量180°的磁巴克豪森噪声信号的方式来进行平面360°的磁巴克豪森噪声信号的分布研究。

S4：获取不同应力作用下周向MBN分布特征。

不同应力下的MBN-RMS值周向分布如图28以及图29所示。其中图28给出了0MPa、50MPa、100MPa、150MPa和200MPa时MBN特征值RMS的周向分布，拉伸的方向为90°和270°。由图28中可以看出，在无应力状态下，周向MBN分布几乎为一正圆，表明本具体应用实例中所测材料在无应力状态下有良好的磁各向同性。应力逐渐增大的过程中，周向MBN-RMS分布表现出明显的方向性，在最大正应力方向，即拉伸方向，MBN-RMS值增量最大；在垂直拉伸方向上，即最大剪应力方向，同时也是正应力为零的方向上，MBN-RMS值几乎没有发生变化。由于在90°和270°方向上的正应力增大过程中，0°和180°方向上的剪应力也随之增大，但0°和180°方向上的MBN-RMS值却几乎没有变化，这得到了一个重要的结论剪应力对MBN几乎没有影响。

测量被检材料的三个方向的MBN信号，得到其RMS值代入标定曲线得到所测三个方向的应力值。图29展示了45°、90°、135°励磁角度上MBN-RMS值随该方向上正应力大小的变化曲线。由图中可知，在各个角度上，MBN-RMS值与正应力关系曲线几乎重合，他们具有同样的变化规律，其变化规律也同标定曲线上MBN-RMS值与正应力完全一致。这充分表明，在各个角度上，MBN-RMS的值完全由正应力的大小决定，且它们都按同样的关系进行变化，同时也能进一步明确而MBN-RMS的值与剪应力大小无关。此外，还能得出MBN-RMS与正应力的关系是各种材料本身的特性的结论。

S5：利用解调主应力求解平面应力。

本步骤提供3中求解平面应力的方法，其中S51是利用解调主应力求解平面应力；S52是利用三个方向上的MBN-RMS值求解平面应力；S53是利用MBN-RMS直接求解平面应力，具体地：

S51：利用解调主应力求解平面应力。

首先，测量并绘制MBN特征值周向分布图，在本具体应用实例中即为MBN-RMS周向分布图。然后，确定主应力方向和最大、最小正应力值。方法为在MBN特征值周向分布图上，主应力方向即为MBN特征值最大的点所在角度，因此强烈的指向性，可以很容易地确定出。从材料MBN特征值与正应力关系的标定曲线上，可以确定出主应力方向上的正应力值，它也是最大正应力值。与主应力方向垂直的方向为最小正应力方向，同理可从材料MBN特征值与正应力关系的标定曲线确定最小正应力值。

(3)最后，利用主应力方向和最大、最小正应力值和公式(11)和(12)可以确定任意方向上的正应力和剪应力值，从而完全确定测量区的平面应力状态。

图30中示例地给出了10MPa、50MPa、100MPa、150MPa、200MPa拉应力下利用MBN-RMS求解平面应力的方法和步骤，并比较了测量值与理论值之间的误差。如图30中第一列(a3至a5)在测量获得MBN-RMS周向分布图后，可以很容易地确定最大正应力和最小正应力方向，并确定这两个方向上的MBN-RMS值，再进一步通过标定曲线即可确定正应力的大小。如图30中10MPa、50MPa、100MPa、150MPa、200MPa下，确定的主应力方向分别为135°、80°、90°、90°、100°，最大主应力分别为24MPa、55MPa、104MPa、153MPa、203MPa，最小主应力分别为9MPa、10MPa、15MPa、6MPa、2MPa。将主应力方向、最大正应力和最小正应力三个量代入公式(11)和(12)，即可求出任意方向上的正应力和剪应力大小，图中，(a)为测得的原始MBN-RMS圆周分布。外圈点表示MBN-RMS(单位：mm)。(b)为通过解调获得的测量点在各个方向上的正应力分布。外圈点表示解调值，内圈点表示理论值(单位：MPa)。(c)为通过解调获得的测量点在每个方向上的切应力分布。内圈点代表解调值，外圈代表理论值(单位：MPa)。(1)10MPa。(2)50MPa。(3)100MPa。(4)150MPa。(50)200兆帕。

分析图30中不同应力下测量值与理论值的误差，可以发现，当应力水平较小时，如10MPa时，测量得到的主应力方向与理论值偏转了45°，正应力和剪应力值与理论值的最大偏差分别为14MPa和2MPa，这是由于应力较小时，它引起的磁各向异性小，同时受制于MBN检测仪器的系统误差，标定曲线的误差已为±10MPa，因此微小应力时，测量误差大。在50MPa、100MPa、150MPa、200MPa时，测量得到的主应力方向与理论值偏转分别为10°、0°、0°、10°，测量的正应力与理论值最大偏差分别为5MPa、4MPa、3MPa、3MPa，测量的剪应力与理论值最大偏差分别为3MPa、6MPa、2MPa、1MPa。可以发现，当应力值较大时，主应力方向的测量误差大大减小，特别是大于50MPa时，测量误差明显变小，主应力方向最大偏差10°，正应力和剪应力值与理论值的最大偏差分别为5MPa和6MPa，且随着应力的增大正应力值和剪应力值的测量误差几乎不变，主要由系统误差决定。

S52：利用三个方向上的MBN-RMS值求解平面应力。

参见图31，三个方向的应力值分别代表公式(15)中σ_x1′，σ_x2′，σ_x3′，其中σ₁、σ₂为平面最大最小主应力，θ₁、

分别为已知应力σ_x1′，σ_x2′，σ_x3′与平面最大主应力的夹角，

在测量过程中即可得到。θ₁是第一个测量方向与最大主应力方向的夹角，

第二个测量方向与第一个测量方向的夹角，

为第三个测量方向与第二个测量方向的夹角，

在测量过程中即可得到

在公式(15)中，包含σ₁、σ₂、θ三个未知量，通过求解式即可得到最大、最小应力σ₁，σ₂，θ₁，因σ_x1′的方向已知，故可求出最大主应力所在的方向。例：测量不同应力状态下30°、90°、150°的RMS值，代入标定曲线得到应力值，利用上述公式求解，求解结果如图32至图35以及表1所示。

表1求解结果

S53：利用MBN-RMS直接求解平面应力。

由上述结论可以知道，MBN-RMS只与正应力相关，与剪应力不相关，且在平面应力状态下，各方向上正应力的大小与MBN-RMS的对应关系一样。因此，可以导出采用MBN-RMS周向分布图求解平面应力的另外一种方法，即在得到MBN-RMS周向分布图后，直接利用材料标定曲线上MBN-RMS与正应力的对应关系，将MBN-RMS值换算成正应力值，从而获得平面应力状态下测量点处各方向上的正应力分布，实现平面应力的测量。

如图36所示，在90°方向拉伸时，拉应力从10MPa增加到200MPa，步进10MPa测量得到的MBN-RMS直接求解平面应力时理论值与实测值对比组图，(外圈点代表测量值，内圈点代表理论值(单位：MPa)，a-t依次为10-200MPa)。表2中给出了各拉应力下，实验测量到的主应力方向与最大主应力值，可以发现，当应力水平较小时，如10MPa时，测量得到的主应力方向偏转了45°，20MPa、30MPa测量得到的主应力方向偏转了15°，当拉伸应力大于30MPa时，测量得到的主应力方向最多偏转10°。从各个方向平面应力测量值与理论值的对比中可以发现，0-200MPa整个应力区间内，MBN理论值与实测值在拉伸方向上具有较高的吻合性，误差很小，且相对稳定；在与拉伸方向呈60°角(55°-65°区间)吻合性相对较低，误差相对较大。即在拉伸方向，MBN理论值与实测值吻合性最好，随着与拉伸方向的夹角的增大，误差也在逐渐增大，在与拉伸方向呈60°角方向误差达到最大，后随着与拉伸方向的夹角的进一步增大，误差又呈现一定减小趋势，最大误差在37MPa左右。MBN理论值在拉伸方向左右两侧呈对称分布，而实际测得的应力值的分布呈现出一定规律性，在0-100MPa，在拉伸方向的左侧相对误差较大，在110-140MPa，相对误差的分布呈一定对称分布，在150-200MPa，在拉伸方向的右侧相对误差较大。随着拉伸应力的不断增加，拉伸方向测得的MBN理论值与实测值的误差无太大变化，在与拉伸方向呈60°角方向上测得的MBN理论值与实测值的误差逐渐增大。

上述分析表明，采用MBN-RMS直接求解平面应力在众多角度上，测量值和理论值会有较大的偏差。但在主方向判断和主应力大小确定上，当应力大于30MPa时，偏差很小。因此采用基于解调主应力求解方法更易获得较为准确的平面应力值。另外，就工程应用而言，考虑到实际检测中各种操作条件的影响，更容易获得主方向和主应力，采用基于解调主应力求解方法更容易实施。

表2.在不同的拉应力作用下，测量平面内的主应力方向和主应力大小

拉应力

10MPa

20MPa

30MPa

40MPa

50MPa

60MPa

70MPa

主方向

135°

115°

100°

90°

100°

最大主应力

24MPa

29MPa

38MPa

46MPa

55MPa

64MPa

75MPa

拉应力

80MPa

90MPa

100MPa

110MPa

120MPa

130MPa

140MPa

主方向

95°

90°

85°

最大主应力

83MPa

93MPa

104MPa

115MPa

123MPa

133MPa

144MPa

拉应力

150MPa

160MPa

170MPa

180MPa

190MPa

200MPa

主方向

90°

80°

85°

80°

最大主应力

153MPa

164MPa

174MPa

182MPa

191MPa

203MPa

本具体应用实例研究了基于周向磁巴克豪森噪声测量材料表面平面应力张量的问题，并建立了周向MBN测量平面应力张量的理论与测量方法。实验表明通过MBN测量得到的平面应力与通过经典弹性力学知识计算得到的结果能够很好地对应起来，误差在可接受的范围内，从而证明了该方法的有效性。该方法能够实现铁磁性材料平面应力的定量测量，但同时需注意，标定曲线对测试结果有着很大的影响，本具体应用实例实验系统MBN-应力标定曲线最大误差为13MPa，标定曲线依赖于被检材料，实际检测中需首先准确测得检测对象材料的标定曲线后才能获得良好的检测结果。在平面应力张量测量中，测量点各个方向上的正应力大小均与MBN特征值RMS呈现同样的对应关系。应力测量中，当主应力为10MPa时，测量得到的主应力方向与理论值偏转了45°，正应力和剪应力值与理论值的最大偏差分别为14MPa和2MPa，误差较大。但当主应力值增大时，特别是大于50MPa时，测量误差明显变小，主应力方向最大偏差10°，正应力和剪应力值与理论值的最大偏差分别为5MPa和6MPa。此外，该研究还表明MBN信号特征值RMS与正应力相关，与剪应力不相关。本具体应用实例建立的方法有效解决了铁磁性材料表面平面应力张量测量问题，在制造中残余应力检测与评估、工程结构实际应力分布检测、应力集中检测与损伤早期预警等方面有巨大的应用前景。

从上述描述可知，本申请创新性地提出了一种基于周向磁巴克豪森噪声分布定量测量材料表层平面应力张量的新方法。其有益效果表现在：该方法可以获得测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。相较于现有技术中利用X射线衍射仪测量材料表面应力的方法，采用磁巴克豪森噪声法具有仪器设备和传感器小巧，操作便捷，检测快捷高效的优点，本方法还可以与手动或扫查装置相结合，实现大型结构整体或其关键部位应力分布图的成像检测。本申请提供的平面应力测量方法，可用于铁磁性材料制设备设施，如钢轨、钢架、管道、压力容器、船舶等，制造过程中的焊接和机械加工残余应力检测，以及服役过程中关键部位应力集中检测，具有广泛的应用前景和巨大的工程应用价值。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例。由于基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置解决问题的原理与基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法相似，因此基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置的实施可以参见基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本发明的实施例提供一种能够实现基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置的具体实施方式，参见图37，基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置具体包括如下内容：

磁巴克豪森噪声测量单元10，用于测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；

应力状态确定单元20，用于根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，参见图38，基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置还包括：关系模型生成单元30，用于生成磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，参见图39，所述关系模型生成单元30包括：

噪声测量模块301，用于测量多个单轴拉压应力状态下所对应的多个测量点的周向磁巴克豪森噪声；

对应关系建立模块302，用于建立所述多个单轴拉压应力与所述多个测量点的周向磁巴克豪森噪声之间的对应关系，以生成所述关系模型。

一实施例中，所述对应关系建立模块302具体用于利用拉压测试方法，根据所述特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、多个特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、利用神经网络建立多个特征值与对应平面应力之间的关系、利用深度学习算法建立多个特征值与对应平面应力之间的关系中至少之一，建立所述关系模型。

一实施例中，参见图40，所述应力状态确定单元20包括：

最大及最小应力确定模块201，用于根据所述磁巴克豪森噪声特征值以及所述关系模型确定测量点的最大主应力值、最大主应力方向、最小主应力值以及最小主应力方向；

应力状态确定模块202，用于根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，参见图41，所述应力状态确定模块202包括：

分析模型建立模块2021，用于利用弹性力学方法，根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向建立所述测量点的应力分析模型；

分析模型求解模块2022，用于求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

一实施例中，参见图42，所述应力状态确定单元20还包括：

角度特征值计算模块20a，用于测量所述测量点的三个方向的周向磁巴克豪森噪声值，并分别计算三个方向的周向磁巴克豪森噪声的特征值；

应力值计算模块20b，用于根据所述特征值以及所述关系模型计算三个方向各自的应力值；

应力张量确定模块20c，用于根据所述应力值，求解所述应力分析模型，以确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。

从上述描述可知，本发明实施例提供的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置，首先测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；接着，根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量。本发明可以利用周向磁巴克豪森噪声精准地计算测量点的主应力大小及主方向，也可获得测量点各个方向上的正应力大小。进而可应用于铁磁性材料制设备设施，如钢轨、钢架、管道、压力容器、船舶等，制造过程中的焊接和机械加工残余应力检测，以及服役过程中关键部位应力集中检测，具有广泛的应用前景和巨大的工程应用价值。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图43，电子设备具体包括如下内容：

处理器(processor)1201、存储器(memory)1202、通信接口(CommunicationsInterface)1203和总线1204；

其中，处理器1201、存储器1202、通信接口1203通过总线1204完成相互间的通信；通信接口1203用于实现服务器端设备、振动传感器以及客户端设备等相关设备之间的信息传输。

处理器1201用于调用存储器1202中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法中的全部步骤，例如，处理器执行计算机程序时实现下述步骤：

步骤100：测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的全部步骤，例如，处理器执行计算机程序时实现下述步骤：

步骤100：测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法，其特征在于，包括：

测量测量点的周向磁巴克豪森噪声；

2.如权利要求1所述的平面应力确定方法，其特征在于，生成所述磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型的步骤包括：

3.如权利要求2所述的平面应力确定方法，其特征在于，所述建立所述多个单轴拉压应力与所述多个测量点的周向磁巴克豪森噪声之间的对应关系，以生成所述关系模型，包括：

4.如权利要求1所述的平面应力确定方法，其特征在于，所述根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量，包括：

5.如权利要求4所述的平面应力确定方法，其特征在于，所述根据所述最大主应力值、所述最大主应力方向、所述最小主应力值以及所述最小主应力方向确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量，包括：

6.如权利要求5所述的平面应力确定方法，其特征在于，所述根据所述周向磁巴克豪森噪声以及预生成的磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，确定所述测量点的平面应力状态以及应力张量，还包括：

7.如权利要求1所述的平面应力确定方法，其特征在于，所述特征值包括：所述周向磁巴克豪森噪声的均方根值、振铃数、峰宽比、峰值时间以及包络面积。

8.一种基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定装置，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的平面应力确定装置，其特征在于，还包括：关系模型生成单元，用于生成磁巴克豪森噪声特征值与平面应力的关系模型，所述关系模型生成单元包括：

10.如权利要求9所述的平面应力确定装置，其特征在于，所述对应关系建立模块具体用于利用拉压测试方法，根据所述特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、多个特征值与对应的平面应力之间的拟合关系、利用神经网络建立多个特征值与对应平面应力之间的关系、利用深度学习算法建立多个特征值与对应平面应力之间的关系中至少之一，建立所述关系模型。

11.如权利要求8所述的平面应力确定装置，其特征在于，所述应力状态确定单元包括：

12.如权利要求11所述的平面应力确定装置，其特征在于，所述应力状态确定模块包括：

13.如权利要求12所述的平面应力确定装置，其特征在于，所述应力状态确定单元还包括：

14.如权利要求8所述的平面应力确定装置，其特征在于，所述特征值包括：所述周向磁巴克豪森噪声的均方根值、振铃数、峰宽比、峰值时间以及包络面积。

15.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至7任一项所述基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的步骤。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述基于磁巴克豪森噪声的平面应力确定方法的步骤。