CN113348755B

CN113348755B - 基于磁梯度张量的金属磁记忆缺陷定位方法

Info

Publication number: CN113348755B
Application number: CN201518006591.9A
Authority: CN
Inventors: 王长龙; 陈海龙; 马晓琳; 陈建泗; 王永川; 胡永江; 朱红运
Original assignee: Army Engineering University of PLA
Current assignee: Army Engineering University of PLA
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2035-10-30

Abstract

本发明公开了一种基于磁梯度张量的磁记忆缺陷定位方法，特别是涉及一种用梯度张量模量的极大值点判断应力集中的边界，用梯度局部波数极值点判断应力集中中心位置的方法。所述方法采用2个平行移动的3分量传感器组成的张量测量系统获取磁场梯度信息，以磁梯度张量的模量和梯度局部波数为判别依据，确定构件损伤边界及中心位置。本发明对应力集中或缺陷定位准确性高，且受检测方向影响较小。

Description

基于磁梯度张量的金属磁记忆缺陷定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于磁梯度张量的磁记忆缺陷定位方法，特别是涉及一种用梯度张量模量极大值点判断应力集中的边界，用梯度局部波数极值点判断应力集中中心位置的方法。属于无损检测技术中的金属磁记忆检测领域。

背景技术

金属磁记忆(MMM)检测技术是由俄罗斯Doubov教授提出，指利用缺陷或缺陷形成之前的微区在地磁场作用下引起的磁场变化信息，间接的判断铁磁构件是否存在缺陷或者应力集中区的一种早期无损检测方法。在利用磁记忆检测技术对铁磁构件应力集中程度和缺陷进行诊断之前，首先必须找到能够表征应力集中的信号特征。目前被提出并认为可做磁记忆信号特征的方法有以下几种：1)切向信号Hp(y)过零点或法向信号极性发生变化；2)切向信号Hp(y)梯度极值法(K＝dHp(y)/dx)；3)区域信号极大值与极小值之差(σ＝max(Hp(y))-min(Hp(y)))；4)Lipschitz指数法；5)磁记忆信号分形维数法；6)法向和切向信号联合检测的李萨如图法。由于切向信号过零点和梯度现极值的这一特征，计算相对简单且描述较为直观，现有的磁记忆检测仪器及检测方法一般采用此特征作为应力集中部位及应力集中大致的危险程度判断的标准。磁记忆检测技术本质上检测的是试件表面自有漏磁场(SMLF)，是一个矢量场信号。除了李萨如图法外，现有的缺陷判断特征方法都是利用单一方向上磁场信号特征进行判断，这样割裂了各个方向上磁场信息之间的联系，造成了磁记忆信号的矢量特征信息丢失和浪费，而且微弱的磁记忆检测信号极易受到各种因素干扰，进一步降低了检测的可靠性。李萨如图法对法向和切向分量进行联合分析，将法向分量和切向分量微分后合成的李萨如图，根据封闭区域面积的大小来判断应力集中程度，再根据信号分量的梯度K曲线图，判断构件的损伤位置。因为裂纹、应力集中线等的走向无法提前知晓，而实际检测移动方向多数是根据被测试件的形状情况确定，当检测方向与裂纹等走向的夹角变化时，法向和切向检测分量随之会发生变化，李萨如图法封闭区域的面积也会发生变化，这就影响了损伤程度判断的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁梯度张量的金属磁记忆缺陷定位方法，用磁梯度张量模量和梯度局部波数表征构件损伤边界及中心位置，且受检测方向影响较小，从而提高损伤判断的可靠性。

为解决上述问题本发明采用以下技术方案：

处于地磁场环境下的铁磁构件因受载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向或不可逆的重新取向，从而导致应力或应变集中区域表面的漏磁场H发生改变，出现切向分量H(x)具有峰值及法向分量H(y)过零点的现象。因此，通过分析切向和法向分量及其梯度信息，可推断该工件的应力集中部位及预损伤区缺陷的特征。

假设被测工件表面的漏磁场在(x，y，z)三个方向上磁场分量分别为H(x)、H(y)、H(z)。则三个分量在空间三个方向(x，y，z)的变化率构成了一个张量，即磁梯度张量，共包括9个要素，记为G，表示如下：

G为对称矩阵，其迹为0，H_ij(i＝x，y，z；j＝x，y，z)为磁场强度H对i、j求导，磁场全张量G的9个元素中只有5个是相互独立的，可以将式(1)简化为

一种基于磁梯度张量的金属磁记忆缺陷定位方法，其检测步骤为：

1)梯度张量测试及计算

为获得完整的磁梯度张量信息，至少需要知道两个方向上磁场的梯度信息。根据磁记忆检测探头平行移动的特点，提出2个3分量传感器组成的张量测量系统，传感器布局如图1所示。

图1中1、2分别为2个3分量磁场传感器，其各敏感轴相互平行放置。假设同一条检测迹线上的相邻检测点分别为p(n)、p(n+1)，它们之间的距离为Δx，传感器之间距离为Δy，当相邻采样点距离Δx、和两个传感器之间距离Δy值较小时，传感器1、2检测的磁场强度H在(x，y，z)三个方向上磁场分量分别为H₁(x)、H₁(y)、H₁(z)和H₂(x)、H₂(y)、H₂(z)，则p(n)点处的磁梯度张量可根据传感器测量值表示为

式中*所表示的要素可由对称矩阵关系求解得到。

2)梯度张量模量计算

被测试件存在应力集中或者缺陷时，该区域的漏磁场强度和磁性会发生变化，通过该区域磁场变化情况可以对应力集中进行判断。磁梯度张量可以提供丰富的判断缺陷的信息，磁场各个方向的梯度都可以一定程度上反映出磁场变化情况，但单个方向的磁场梯度容易受到测试背景磁场以及检测方向影响，而且，得到梯度后，无论是利用梯度分布图，还是利用软件算法判断都会很繁琐，不利于提高检测系统的实时性能。磁场张量模量可以不受测量总场的影响，与磁源边界有着很好的对应关系。因此可以将磁场张量的模量的极大值点作为应力集中边界的判断条件。根据磁张量表达式G，可以得到张量模量C为

将G矩阵中的5个独立元素换算成了一个标量C，可以提高系统处理数据的效率。同时，由于C是一个标量，没有方向，当检测迹线相对于被测试件的方向改变时，对梯度矢量G的测量会带来影响，但对C值的影响却很小。

3)梯度局部波数计算

局部波数是一种磁异常解释方法，可以根据局部波数的极大值确定磁场源的位置。将局部波数推广到磁梯度张量数据分析，利用梯度局部波数来确定应力集中的中心位置。根据局部波数分析方法，梯度局部相位β定义为

对式(5)进行微分处理，得到其在x轴方向的局部波数k_x为

式中，

4)根据张量模量和梯度局部波数进行缺陷定位

由于张量模量在磁场边缘处取极大值，整体呈“双驼峰”式分布，“驼峰”处漏磁场梯度变化最大位置为应力集中边界，用“峰峰”距离表征缺陷宽度；梯度局部波数与磁场源位置有关，在缺陷的中心位置处取极值，所以用梯度局部波数极值点判断应力集中中心位置。

本发明所提出的基于磁梯度张量的金属磁记忆缺陷定位方法，用梯度张量模量极大值点位置判断应力集中的边界，用梯度局部波数极值点判断应力集中中心位置，相比于其他测量方法，具有包含磁场信息丰富、受环境磁场及检测方向影响小等优点，可有效判别缺陷特征。

附图说明

图1张量测试示意图

图2检测方向示意图

图3不同方向下磁场分量曲线

图4不同方向下张量模及局部波数曲线

具体实施方式

以下将结合说明书附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

选用C45钢制成板状试件拉伸进行应力拉伸和裂纹检测实验。为消除机械加工等因素对试件应力及磁信号的影响，用退磁机对试件进行退磁处理。拉伸试验在RGW-2030型电子式万能试验机上进行。为了更加详细的了解试件的力学性能，取同一批制的试件A0进行拉断实验，得到完整的力学曲线。根据拉断试件的力学数据，分别将试件A1～A4拉伸至无明显屈服、屈服点、刚过屈服点及明显屈服点四个阶段，同时，利用挤压的方法制作一个裂纹试件。

在三维移动平台上进行磁记忆信号数据的采集，测量探头使用的是Honeywell公司的HMC5883L型号磁敏传感器(量程±8Gs，分辨率5mGs)。信号水平方向采样间隔设置为0.2mm，垂直方向提离值高度分别为1mm和2mm。对不同载荷拉伸后的试件进行磁场检测，并利用张量模和局部波数的分析方法对试件表面漏磁场进行分析。实验表明，处于弹性阶段的试件，表面磁场变化较为复杂，磁梯度张量模量和局部波数但取值较小，在多个位置出现极值点。随着载荷的逐步增大，试件拉伸至塑形阶段后，张量模量和局部波数的取值都有所增大，在缺口处两侧处磁梯度张量模量出现波峰、缺口中心位置梯度局部波数出现峰值的应力集中的特征逐渐明显。

使检测方向与裂纹分别成90°、75°和105°对试件进行检测，如图2所示，不同方向下磁场分量曲线如图3所示，不同方向下张量模及局部波数曲线如图4所示。实验表明，由于不同检测方向下，检测点的位置及与磁场夹角都发生改变，不同检测方向下的磁场分量都会发生较大的变化，而检测方向的改变对裂纹处张量的模和局部波数极值的位置及大小影响很小。

以上是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于磁梯度张量的磁记忆缺陷定位方法，其特征在于：用磁梯度张量模量的极大值点判断应力集中的边界，用梯度局部波数极值点判断应力集中中心位置，通过采用2个平行移动的3分量磁场传感器组成张量测量系统获取磁场梯度信息，以磁梯度张量的模量和梯度局部波数为判别依据，确定构件损伤边界及中心位置，具体过程为：

1)磁梯度张量测试及计算

2个3分量磁场传感器，其各敏感轴相互平行放置，假设同一条检测迹线上的相邻检测点分别为p(n)、p(n+1)，它们之间的距离为Δx，传感器之间距离为Δy，当相邻采样点距离Δx、和两个传感器之间距离Δy值较小时，传感器1、2检测的磁场强度H在x，y，z三个方向上磁场分量分别为H₁(x)、H₁(y)、H₁(z)和H₂(x)、H₂(y)、H₂(z)，则p(n)点处的磁梯度张量根据传感器测量值表示为

式中*所表示的要素根据对称矩阵关系求解得到H_ij，H_ij为磁场强度H对i、j求导，其中i＝x，y，z；j＝x，y，z；

2)磁梯度张量模量计算

将磁梯度张量模量的极大值点作为应力集中边界的判断条件，根据磁梯度张量表达式G，得到磁梯度张量模量C为

其中i＝x，y，z；j＝x，y，z，将G矩阵中的5个独立元素换算成一个标量C，用以提高系统处理数据的效率，同时，减小检测迹线相对于被测试件的方向改变时，对磁梯度张量G的测量影响，将磁梯度张量模量的极大值点出现的位置作为应力集中边界的判断依据；

3)梯度局部波数计算

梯度局部相位β定义为

对式(3)进行微分处理，得到其在x轴方向的局部波数k_x为

式中，

4)根据磁梯度张量模量和梯度局部波数判别缺陷特征

由于磁梯度张量模量在磁场边缘处取极值，整体呈“双驼峰”式分布，“驼峰”处漏磁场梯度变化最大位置为应力集中边界，用“峰峰”距离表征缺陷宽度；梯度局部波数与磁场源位置有关，在缺陷的中心位置处取极值，所以用梯度局部波数极值点判断应力集中的中心位置。