CN115031876A - 一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，包括如下步骤，步骤1：信号发生器产生方波交变激励信号；步骤2：放大激励信号后，施加在磁化线圈的两端，产生交替的脉冲形式的瞬变磁场；步骤3：交变磁场对被测铁磁材料进行局部磁化，产生并采集巴氏噪声信号；步骤4：对采集的巴氏噪声信号进行放大、带通滤波，去除干扰信号，并去除激励电源在采集线圈中感应产生的脉冲信号，截取低畴壁能磁畴运动所产生的巴氏噪声信号；步骤5：进行特征值提取，对特征值进行均方根和归一处理。本发明解决巴氏噪声信号受到励磁电源频率的显著影响和提取的巴氏噪声信号特征值重复性低的难题，效果显著，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于图像处理和人工智能辅助检测疾病领域，具体涉及一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法。
背景技术
铁磁性材料中存在磁畴结构，当施加交变磁场时磁畴壁在移动过程中克服晶界或微观缺陷等钉扎点时会产生电磁脉冲信号，这一现象称为巴克豪森效应。
巴克豪森效应的本质是磁畴壁运动被材料微观结构影响，而应力会影响材料的微观结构，因而逻辑上测量巴氏噪声信号即可反映材料中的应力变化，对应力进行无损检测。
目前巴克豪森励磁电源都是采用正弦波或者三角波激流形式，此类激励信号的共同特点是：激励幅值随时间在不断变化。根据磁场强度H计算公式为：
其中，N为励磁线圈匝数，I为励磁电流，l_e是有效磁路总长。
可见，用于产生巴氏噪声的外加磁场与实际励磁电流成正比。当激励频率改变时，同时也改变了励磁电流I的变化率，相应地也改变了磁场强度的变化率，导致的结果是：
激励电源频率变化对巴氏噪声信号影响显著，以正弦波为例，三角波类似，如图2所示，图2(a)是2Hz正弦波激励下的巴氏噪声信号波形，图2(b)是2Hz三角波激励下的巴氏噪声信号波形，图2(c)5Hz正弦波激励下的巴氏噪声信号波形，图2(d)是5Hz三角波激励下的巴氏噪声信号波形。随着激励频率增加，巴氏噪声的幅值略有增大，更主要的变化是巴氏噪音信号相对于激励信号的相位偏差越来越明显，即图中巴氏噪音信号峰值位置与激励过零点的相对位置。由此带来的结果是对巴氏噪音信号进行特征提取所得特征值(当前主要使用均方根作为特征值)和激励频率有着明显的相关关系。
另外，由于巴氏噪声信号本质上是磁畴壁运动过程中产生的随机电磁脉冲信号，因而具有随机性特点，其特征值均方根(RMS)也存在一定的随机误差。在实际测量中造成检测结果的重复性较差，是影响应力检测的另一个重要原因。
综上所述，基于巴克豪森效应的应力检测仪器的应用推广面临两大难题：
问题(1)：巴氏噪声信号受到励磁电源频率的显著影响；
问题(2)：提取的巴氏噪声信号特征值重复性低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，通过创造性的提出改变励磁方式为方波激励，并且提出创新的信号预处理和特征提取方法，解决基于巴克豪森效应的应力检测仪器的应用推广面临的巴氏噪声信号受到励磁电源频率的显著影响和提取的巴氏噪声信号特征值重复性低的两大难题，效果显著，实用性强，利于应力检测技术应用和推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，包括如下步骤：
步骤1：信号发生器产生方波交变激励信号；
步骤2：放大激励信号后，施加在磁化线圈的两端，使磁化线圈产生交替的脉冲形式的瞬变磁场；
步骤3：交变磁场对被测铁磁材料进行局部磁化，从而在被测试件的磁化部分激励出巴氏噪声信号，采集巴氏噪声信号；
步骤4：对采集的巴氏噪声信号进行放大、带通滤波，去除干扰信号，同时，去除激励电源在采集线圈中感应产生的脉冲信号，截取低畴壁能磁畴运动所产生的巴氏噪声信号作为有效的巴氏噪声信号；
步骤5：对有效的巴氏噪声信号进行特征值提取，对特征值进行均方根和归一处理。
优选的，步骤4中滤波选择带通滤波器，滤波的频率范围为4kHz-10kHz。
进一步的，步骤4中去除激励电源在采集线圈中感应产生的脉冲信号包括如下步骤：使用巴氏噪声检测系统，将激励磁轭和信号采集线圈下的被测试件移除，施加激励电源读取检测线圈中的信号，该信号即为电源感应信号；该信号持续时间即为需从巴氏响应信号中剔除的信号范围。
优选的，步骤4截取低畴壁能磁畴运动所产生的巴氏噪声信号的具体步骤为：从激励信号过零点开始，先剔除N毫秒的无效信号，再选择20-N毫秒内的作为有效信号。
优选的方波的激励频率为15Hz,N＝2.3。
进一步的，步骤5具体包括如下步骤：
步骤A：计算巴氏噪音信号特征值的均方根，克服正负信号的影响
其中，RMSi为第i个加载条件下提取的巴氏噪音信号的均方根，n为采样点个数，xij为第i个加载条件下第j个采样点的巴氏噪音信号；
步骤B：对巴氏噪音信号的均方根进行归一处理，便于比较不同加载条件下均方根的变化规律，
Ni＝RMSi/RMSMax
其中，Ni表示处理后的巴氏噪音信号的均方根，RMSMax是所有加载条件下所得巴氏信号均方根中的最大值。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，通过创造性的提出改变励磁方式为方波激励，并且提出创新的信号预处理和特征提取方法，解决基于巴克豪森效应的应力检测仪器的应用推广面临的巴氏噪声信号受到励磁电源频率的显著影响和提取的巴氏噪声信号特征值重复性低的两大难题，效果显著，实用性强，利于应力检测技术应用和推广。
1、本发明采用方波激励形式，应用于应力和微观结构无损检测与评估，保证了巴氏噪声信号的波形基本与激励频率无关，电流变化率与频率无关，施加在被测材料表面的磁场变化率也与激励频率无关。并且，与现有正弦波和三角波激励相比，方波激励拥有更大的斜率从而产生更强的外加磁场，有利于加速铁磁性材料的磁化过程，提高激励频率。正弦波和三角波激励当频率增加时，其电压变化率随着频率也在改变，从而导致施加在材料表面的磁场强度也随激励频率变化。方波激励电压跳变过程很短，因而不同激励频率产生的磁场仅有频率变化而强度保持不变；同时，由于方波激励下的磁场强度高，磁畴翻转速度更快(巴氏信号持续时间更短)，所以提高激励频率对巴氏噪声基本没有影响，即巴氏信号本身的频率稳定性更高。
2、本发明采用创新的数据处理方法，面对完全不同巴氏噪音信号波形，使得检测系统可以显著提高激励频率增加采样时间内的有效巴氏噪声数量，从而提高巴氏噪音信号特征值的稳定性，实现改善应力检测结果重复性的目的。首先，本发明信号预处理阶段不仅需要带通滤波，还需要删除激励电源在采集线圈中感应产生的强脉冲信号(非巴氏噪声信号)，方法为采集线圈(或其他类型传感器)以空气为介质拾取电磁脉冲信号。其次，本发明截取方波激励下巴氏噪声信号中低能级畴壁移动产生的部分进行特征提取，提高检测系统响应速度，有利于进一步提高激励频率和检测重复性指标。剔除电源感应脉冲后，截取低能级磁畴壁运动所产生的电磁脉冲信号进行特征提取，可以进一步缩短响应时间，利于提高激励频率。本发明提高检测时的激励频率，其结果是在一定检测时间内获取更多的巴氏噪声信号，对其求取均方根将获得更加稳定的结果，即用本发明所述方法检测应力可获得良好的重复性。
附图说明
图1是本发明基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法的步骤流程图；
图2是现有激励电源频率变化对巴氏噪声信号影响图；
图3是本发明基于方波激励的电源频率变化对巴氏噪声信号影响图；
图4是本发明基于空气、铝板、钢板三种材质中噪声信号对比图；
图5是现有基于巴克豪森效应的应力检测系统；
图6是本发明方波激励下巴氏噪声均方根特征值与正弦波和三角波的比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步地说明。
为了解决问题(1)，需要找到一种方式使得当激励频率变化时，施加在被测材料上的磁场强度的变化基本保持不变；而针对问题(2)，巴氏噪声的本质无法改变，则需要从信号处理方面入手，尽可能采集多个周期的巴氏噪声信号，利用平均效应减小检测结果的随机性，从而提高检测结果的重复性。
本发明采用方波激励形式，首先保证了巴氏噪声信号的波形基本与激励频率无关；进而，面对完全不同巴氏信号波形，采用创新的数据处理方法，使得检测系统可以显著提高激励频率增加采样时间内的有效巴氏噪声数量，从而提高巴氏信号特征值RMS的稳定性，实现改善应力检测结果重复性的目的。
市场上现有基于巴克豪森效应的应力检测系统一般都采用图5的系统，信号发生器产生的交变激励信号(目前不论是科学研究还是仪器均采用正弦波或者三角波作为激励源)，经功率放大器放大后，施加在磁化线圈的两端，使磁化线圈产生交变磁场，对被测铁磁材料进行局部磁化，从而在被测试件的磁化部分激励出巴氏噪声信号。信号检测模块由带磁芯的圆柱形线圈(或霍尔传感器)构成，用来采集巴氏噪声信号。信号调理电路的作用是对检测线圈拾取的信号进行放大、滤波，抑制掉干扰信号之后，提取信号的特征值。数据采集卡(也可以用带存储功能的示波器替代)用来采集调理电路输出端的信号，并在PC机上进行信号处理和特征值提取。
本发明也是在现有系统的基础上进行方法的改进，改变励磁方式为方波激励，通过提出创新的信号预处理和特征提取方法，解决问题(1)和问题(2)，有利于应力检测技术应用和推广。
具体的，如图1所示，首先，从巴克豪森噪声技术原理来说，产生巴氏噪声需要施加交变磁场，为了解决问题(1)：巴氏噪声信号受到励磁电源频率的显著影响的问题，本发明采用方波信号作为激励源(频率可调，峰-峰值4V)，其电流变化率与频率无关，故而施加在被测材料表面的磁场变化率也与激励频率无关。
与正弦波和三角波激励相比，方波激励拥有更大的斜率从而产生更强的外加磁场，有利于加速铁磁性材料的磁化过程，提高激励频率。
正弦波和三角波激励当频率增加时，其电压变化率d_U/d_t随着频率也在改变，从而导致施加在材料表面的磁场强度也随激励频率变化。方波激励电压跳变过程很短，因而不同激励频率产生的磁场仅有频率变化而强度保持不变；同时，由于方波激励下的磁场强度高，磁畴翻转速度更快(巴氏信号持续时间更短)，所以提高激励频率对巴氏噪声基本没有影响，即巴氏信号本身的频率稳定性更高。
其次，考虑到巴氏噪声信号频率范围为1k-1MHz，系统需要对采集到的电磁噪声信号进行滤波。A3钢磁导率较高，所以选择带通滤波器的频率范围为4k～20kHz。分析方波激励下巴氏噪声波形特点，如图3所示，激励信号过零点处采集到的噪声信号均出现幅值很大的电磁脉、信号。由于该信号幅值过大，导致计算全部巴克豪森噪声信号均方根值几乎不随试件应力变化，因而丧失了应力检测能力，因此在解决问题(1)之后必须找到合适的信号处理方法，使信号的特征值与应力对应上。对方波激励下的电磁脉冲信号进一步分析发现，幅值显著大的响应信号与后续电磁脉冲信号并非连续信号，经与非铁磁性材料的采集信号对比分析，该信号判定为激励电源在采集线圈中感应产生的脉冲信号，空气、铝板、钢板三种材质中噪声信号对比如图4所示，右侧的框即为电源感应信号，该部分信号在进行后续特征提取前应予以剔除。具体步骤为：使用巴氏噪声检测系统，将激励磁轭和信号采集线圈下的被测试件移除，施加激励电源读取检测线圈中的信号，该信号即为电源感应信号；该信号持续时间(在本发明所用巴氏检测系统结构参数下为2.3毫秒)即为需从巴氏响应信号中剔除的信号范围。
本发明信号预处理阶段不仅需要带通滤波，还需要删除激励电源在采集线圈中感应产生的强脉冲信号(非巴氏噪声信号)，方法为采集线圈(或其他类型传感器)以空气为介质拾取电磁脉冲信号。
最后，深入分析应力与磁畴壁能量之间的关系发现：应力通过改变畴璧能从而导致巴氏噪声信号变化。而畴璧能的分布满足：自然分布的磁畴壁，能量越高的畴壁数量越少。从而本发明认为：方波激励过零点后短时间内被测铁磁性材料中低能级的磁畴壁首先产生壁移，因其数量众多所以形成巴氏噪声信号峰值；高能级磁畴壁将在材料内部磁化场逐步建立后再移动，从而形成“拖尾”信号(如图4中所示)。基于以上分析，为了提高巴氏噪声检测结果重复性，在提高激励频率基础上(提高激励频率对响应波形几乎没有影响，本发明中使用激励频率为15Hz)，本发明截取巴氏噪声部分信号，即低畴壁能磁畴运动所产生的巴氏噪声，进行特征提取。本发明所采用的信号截取方法是：从激励信号过零点开始，先剔除2.3毫秒的无效信号，再选择17.7毫秒(即从激励过零点起总计20毫秒)内的巴氏信号作为有效信号进行后续特征提取，并对特征值进行均方根和归一处理。
步骤A：计算巴氏噪音信号特征值的均方根，克服正负信号的影响
其中，RMSi为第i个加载条件下提取的巴氏噪音信号的均方根，n为采样点个数，xij为第i个加载条件下第j个采样点的巴氏噪音信号；
步骤B：对巴氏噪音信号的均方根进行归一处理，便于比较不同加载条件下均方根的变化规律，
Ni＝RMSi/RMSMax
其中，Ni表示处理后的巴氏噪音信号的均方根，RMSMax是所有加载条件下所得巴氏信号均方根中的最大值。
本发明截取方波激励下巴氏噪声信号中低能级畴壁移动产生的部分(即激励过零点后20毫秒以内的电磁脉冲信号，并且要剔除非巴氏噪声信号)进行特征提取，提高检测系统响应速度，有利于进一步提高激励频率和检测重复性指标。剔除电源感应脉冲后，截取低能级磁畴壁运动所产生的电磁脉冲信号进行特征提取，可以进一步缩短响应时间，利于提高激励频率。提高检测时的激励频率，其结果是在一定检测时间内获取更多的巴氏噪声信号，对其求取均方根将获得更加稳定的结果，即用本发明所述方法检测应力可获得良好的重复性。
将本发明应用于应力或材料微观结构无损检测与评估时，在不同加载条件下，即可将加载量与巴氏噪声特征值进行关联。
本发明首次采用方波激励产生巴氏信号用于应力检测，保证了激励频率对巴氏信号无影响；在此基础上通过信号对比和分析剔除非巴氏噪声信号，再截取低能级磁畴壁移动产生的信号进行特征提取，实现对不同应力(或微观结构)的无损检测与评估。与正弦波或三角波激励相比，方波激励下的均方根参数与应力有良好的对应关系(如图6所示)。
同时，由巴氏噪声产生机制可知，能够导致材料微观结构改变的加载量或者微观缺陷都将导致巴氏信号及其特征值变化，进而可以通过本发明所述技术方案实现对此类加载量或微观缺陷的无损检测与评估。
基于巴克豪森噪声产生原理的噪声数据采集有可代替本发明的硬件系统部分，对于噪声信号的激发方式和处理方法显然不止均方根这一种。但是以方波作为激励电源，依据采集线圈在空气介质中信号持续时间为依据剔除非巴氏噪声信号，截取低能级畴壁运动产生的部分巴氏信号进行均方根计算的特征提取方法具有创新性，以方波激励下的低能级磁畴壁响应部分的均方根作为参数具有特征值几乎不受激励频率影响和检测结果重复性高等显著优势。采用方波激励产生不受频率变化影响的磁场，并对其作用下产生的电磁噪声信号进行分离(识别巴氏噪声和非巴氏感应电压)和截取的预处理，计算处理后信号的均方根值作为应力表征的特征值，这一套激励加载和信号处理方法具有原创性，目前未见可替代方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：信号发生器产生方波交变激励信号；
步骤2：放大激励信号后，施加在磁化线圈的两端，使磁化线圈产生交替的脉冲形式的瞬变磁场；
步骤3：交变磁场对被测铁磁材料进行局部磁化，从而在被测试件的磁化部分激励出巴氏噪声信号，采集巴氏噪声信号；
步骤4：对采集的巴氏噪声信号进行放大、带通滤波，去除干扰信号，同时，去除激励电源在采集线圈中感应产生的脉冲信号，截取低畴壁能磁畴运动所产生的巴氏噪声信号作为有效的巴氏噪声信号；
步骤5：对有效的巴氏噪声信号进行特征值提取，对特征值进行均方根和归一处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，其特征在于：步骤4中滤波选择带通滤波器，滤波的频率范围为4kHz-10kHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，其特征在于，步骤4中去除激励电源在采集线圈中感应产生的脉冲信号包括如下步骤：使用巴氏噪声检测系统，将激励磁轭和信号采集线圈下的被测试件移除，施加激励电源读取检测线圈中的信号，该信号即为电源感应信号；该信号持续时间即为需从巴氏响应信号中剔除的信号范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，其特征在于，步骤4截取低畴壁能磁畴运动所产生的巴氏噪声信号的具体步骤为：从激励信号过零点开始，先剔除N毫秒的无效信号，再选择20-N毫秒内的作为有效信号。
5.根据权利要求5所述的一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，其特征在于：方波的激励频率为15Hz,N＝2.3。
6.根据权利要求1所述的一种基于方波激励的巴克豪森效应的应力检测方法，其特征在于，步骤5具体包括如下步骤：
步骤A：计算巴氏噪音信号特征值的均方根，克服正负信号的影响
其中，RMSi为第i个加载条件下提取的巴氏噪音信号的均方根，n为采样点个数，xij为第i个加载条件下第j个采样点的巴氏噪音信号；
步骤B：对巴氏噪音信号的均方根进行归一处理，便于比较不同加载条件下均方根的变化规律，
Ni＝RMSi/RMSMax
其中，Ni表示处理后的巴氏噪音信号的均方根，RMSMax是所有加载条件下所得巴氏信号均方根中的最大值。
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