CN114740081B - 一种应力沿深度分布的微磁检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力沿深度分布的微磁检测方法，利用不同微磁参量的敏感深度随励磁频率变化的特性，结合微磁参量的敏感深度归类和应力的逐层反演方法，实现应力沿深度分布的微磁测量。首先，通过实验构建不同检测深度和微磁参量及其励磁频率的关系曲面，依据敏感深度不同，将不同励磁频率条件下的微磁参量进行归类，形成适用于不同敏感深度的独立微磁参量集；其次，标定不同励磁频率条件下各微磁参量和拉、压应力的关系曲线；最后，利用实测的微磁参量数值，基于两类实验标定结果，实现应力的逐层反演，得到应力沿深度的分布结果。本发明可以为铁磁性零部件表面的残余应力沿深度分布的测量提供一种有效的微磁检测手段。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，具体涉及一种应力沿深度分布的微磁检测方法，可实现在已知激励频率与微磁参特征参量值的情况下获得应力大小沿深度的分布。
背景技术
微磁信号(巴克豪森噪声、切向磁场、增量磁导率、涡流)对铁磁性材料的拉、压应力都有一定的表征能力，且对深度具有一定的敏感性，所以可以用来表征不同深度的应力。
目前的大部分研究，例如文献《R.Meyendorf.Nondestructive determination ofcase depth in surface hardened steels by combination of electromagnetic testmethods.PhD Thesis,University of Dayton,2011.》、《高铭,王平,黄凯,等.基于巴克豪森原理的Q235钢沿深度方向应力分布检测[J].无损检测,2015,37(11):22-25》、《KyprisO,Nlebedim I C,Jiles D C.A model for the Barkhausen frequency spectrum as afunction of applied stress[J].Journal of Applied Physics,2014,115(8):083906.》、《狄静宇,何存富,刘秀成,李永春.基于磁扰动状态下Q235钢应力梯度的无损表征[J].传感技术学报,2021,34(05):569-574.》、《Di J,He C,LeeYC,et al.Applicationof a New Inversion Algorithm Based on Multi-Layer Model Hypothesis forTesting Stress-Depth Profiles by Multi-Frequency EC Method[J].IEEETransactions on Magnetics,2021,PP(99):1-1.》等都只是基于单一微磁信号特征参量对应力沿深度进行表征。
在使用单一微磁参量时，多是使用巴克豪森噪声信号对应力沿深度进行表征，通过对巴克豪森噪声的频带分析，结合磁信号在沿深度传播的规律，通过分层的思想来表征不同深度的应力。但由于巴克豪森噪声信号可穿透的深度较浅，且没有明确的磁信号随深度衰减规律，所以在表征不同深度应力时还存在一定的问题。
针对现有方法的不足，本方法采用了多微磁信号对应力沿深度进行表征，根据不同微磁信号可检测的深度不同，且在不同激励频率下相同信号可检测的深度也不相同，使用不同的微磁信号特征参量来表征不同深度的应力，可以避免使用单微磁参量需涉及此信号不确定的衰减规律的问题，且可检测更深处的信号。
发明内容
本发明提出一种应力沿深度分布的微磁检测方法，其特征在于，利用同步测得的4种微磁信号(巴克豪森噪声、切向磁场、增量磁导率、涡流)的41项微磁参量在不同励磁频率条件下的敏感深度差异，结合微磁参量敏感深度归类和应力的逐层反演方法，实现应力沿深度分布的微磁测量，
针对本发明所涉及到的问题，所需要涉及到的装置有：厚度均匀变化的梯度试件、微磁检测仪器、防屈曲夹具、平板试件、万能试验机、四点弯曲装置。
具体采取如下技术方案：
(1)微磁参量敏感深度归类
a.在厚度渐变的斜楔形试件中以等步长平移传感器，共在N个不同位置进行检测，检测位置的厚度值为Pi(i＝1,2…N)，在每个检测位置测试不同励磁频率fj(j＝1，2…M)条件下的4种微磁信号，并提取41项微磁参量，绘制41项微磁参量的数值随试件厚度Pi的变化曲线，确定各磁参量的检测深度hij，构建微磁参量hij、励磁频率fj与检测深度Pi的关系曲面hij＝F(Pi，fj)；
b.利用关系曲面hij＝F(Pi，fj)，对具有不同检测深度Pi的微磁参量hij及其励磁频率fj进行归类，并去除在不同深度内同时出现的微磁参量，形成适用于不同敏感深度的独立微磁参量集HPi；
(2)应力和微磁参量关系标定
在安装有防屈曲夹具的平板试件中开展标定实验，获得不同敏感深度的独立微磁参量集HPi中各微磁参量和拉、压的关系曲线，基于多元线性回归模型建立HPi和应力σ的关系方程σ＝G(HPi)；
(3)应力的逐层反演
针对实际待测试试件，利用传感器测试HPi中包含的所有微磁参量的数值，首先将敏感深度为P1的独立微磁参量集HP1的数值代入σ＝G(HP1)，计算得到第1层的应力σ1；其次，将敏感深度为P2的独立微磁参量集HP2的数值代入σ＝G(HP2)，计算得到第1层和第2层的平均应力σ12，由此可计算得到第2层的应力为σ2＝2σ12-σ1；最后，依次类推进行应力的逐层反演，可以得到每层的应力值σi，也即得到了应力沿深度的分布结果。
附图说明
图1斜楔形试件扫查实验装置示意图。
图2扫查实验评估结果。
图3检测深度、微磁参量、励磁频率关系曲面示意图。
图4平板试件应力标定实验装置示意图。
图5应力沿深度反算模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。
图1所示为斜楔形试件扫查实验所需的仪器设备。将微磁传感器1垂直放置于斜楔形试件2表面，更换微磁传感器1不同的励磁频率，以等步长平移传感器对斜楔形试件进行扫查。
图2所示为不同励磁频率下微磁参量随深度的变化曲线，微磁参量值随着厚度Pi(i＝1,2…N)的增加呈现出一定的规律，确定微磁参量值不再随厚度发生改变的点如P1、P2、P3、P4，得到微磁参量不同励磁频率下的检测深度，从而建立如图3所示检测深度、微磁参量、励磁频率关系曲面示意图，在想将测某一深度Pi的信号时，同通过曲面关系图可以快速确定需要的励磁频率fj和微磁参量hij，以此构建适用于不同敏感深度的独立微磁参量集HPi。
图4所示为应力标定实验基本仪器。给平板试件3安装上防屈曲夹具4，微磁传感器1插入防屈曲夹具4垂直于平板试件3表面放置，万能试验机夹持在平板试件两端进行拉压，获得各微磁参量和拉、压应力的关系曲线，与图3获得的HPi与应力建立关系方程σ＝G(HPi)，即可推算不同深度内的应力值。
图5为应力沿深度反算模型，通过分层的思想将模型分为N层(d1、d2…dN)，每层对应的深度分别为Pi(i＝1,2…N)，每个深度对应参量集HPi，将HPi代入建立的关系方程σ＝G(HPi)，可以计算得到每个深度Pi内应力的均值，因此di层的应力值σi＝2σi-σi-1,以此方法可以得到应力沿深度分布的结果。
Claims (1)
1.一种应力沿深度分布的微磁检测方法，其特征在于，利用同步测得的4种微磁信号的41项微磁参量在不同励磁频率条件下的敏感深度差异，结合微磁参量敏感深度归类和应力的逐层反演方法，实现应力沿深度分布的微磁测量，具体步骤如下：
(1)微磁参量敏感深度归类
a.在厚度渐变的斜楔形试件中以等步长平移传感器，共在N个不同位置进行检测，检测位置的厚度值为Pi，在每个检测位置测试不同励磁频率fj条件下的4种微磁信号，并提取41项微磁参量，绘制41项微磁参量的数值随试件厚度Pi的变化曲线，确定各磁参量的检测深度hij，构建微磁参量hij、励磁频率fj与检测深度Pi的关系曲面hij＝F(Pi，fj)；
b.利用关系曲面hij＝F(Pi，fj)，对具有不同检测深度Pi的微磁参量hij及其励磁频率fj进行归类，并去除在不同深度内同时出现的微磁参量，形成适用于不同敏感深度的独立微磁参量集HPi；
(2)应力和微磁参量关系标定
在安装有防屈曲夹具的平板试件中开展标定实验，获得不同敏感深度的独立微磁参量集HPi中各微磁参量和拉、压的关系曲线，基于多元线性回归模型建立HPi和应力σ的关系方程σ＝G(HPi)；
(3)应力的逐层反演
针对实际待测试试件，利用传感器测试HPi中包含的所有微磁参量的数值，首先将敏感深度为P1的独立微磁参量集HP1的数值代入σ＝G(HP1)，计算得到第1层的应力σ1；其次，将敏感深度为P2的独立微磁参量集HP2的数值代入σ＝G(HP2)，计算得到第1层和第2层的平均应力σ12，由此计算得到第2层的应力为σ2＝2σ12-σ1；最后，依次类推进行应力的逐层反演，得到每层的应力值σi，也即得到应力沿深度的分布结果。
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