CN201464420U

CN201464420U - 铁磁材料磁弹波应力检测系统

Info

Publication number: CN201464420U
Application number: CN2008201243867U
Authority: CN
Inventors: 祁欣; 王皞; 陈娟; 侯志灵
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2018-12-12

Abstract

本实用新型涉及一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，该系统由信号源、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、A/D转换记录显示系统、电源系统构成。该系统电路先后通过高通滤波、低通滤波、带通滤波和选频放大，分七级抑制、放大，一步一步压缩频带，防止了噪声干扰。检波电路对磁弹噪讯的正半周取包络，输出后的模拟信号经A/D转换为数字信号，经用拉格朗日插值方法编制的软件对数据进行采集、处理，最后与标准试件的标定曲线数据进行对比，从而可对铁磁材料构件的结构、组织状态、应力状态进行在线、瞬间、定点测试，便于对现场设备的检测。

Description

铁磁材料磁弹波应力检测系统

技术领域

本实用新型属于应用磁弹波技术的新型无损检测技术范畴，涉及一种铁磁材料磁弹波应力检测系统。

背景技术

随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术已成为确保产品质量以及设备安全运行的重要手段，并且已经形成一门新兴独立的综合性应用科学技术。无损检测是在不破坏被检材料或构件的情况下采用物理、化学等方法和手段，探测被检对象内部和表面的各种缺陷及某些物理性能。

开展对铁磁构件服役应力，疲劳寿命的在线、快速、瞬态或跟踪检测，一直是受人们重视的一个无损检测难题。因为铁磁材料加工制造的机械构件，在使役的过程中，受外力的作用，热温度变化的影响，在其内部产生的局部应力集中或松弛，会引起构件局部或全部的塑性扭曲，变形，造成构件整体强度降低，特别是疲劳强度的降低，使设备运行不安全或破损，如压力容器焊接构件残余应力检测及服役应力跟踪检测，扭杆、大型构件的应力及疲劳检测，大型结构钢架的应力平衡检测，桥梁铁索、钢丝绳的应力疲劳检测，凸轮车轴、转子的扭矩检测，船体结构应力的完好性评价等等。这是仅举的典型检测难题，也是机械，石油化工，航空，铁路，国防工业急需解决的无损检测难题。

传统的应力检测方法有X射线法，超声波法和应变片法。X射线法是通过晶格形变检测应力，深度仅达数μm，设备复杂，现场工程检测不方便；超声波法检测应力由于受耦合因素，严重影响检测的精度；应变片法，是靠贴在构件表面的电阻丝栅随构件发生弹性形变来检测应力，若构件固定不产生形变，则无法检测材料内部应力。

因此，从材料检测，寿命检测的角度，迫切需要一种既能检测铁磁材料残余应力，服役内应力的大小及分布、疲劳及寿命，又不需测应变，并能瞬间定点、在线进行检测的方法，用于指导现场设备的运行安全及维修。

铁磁材料被交变磁场局部磁化以后，材料内部的磁畴发生错动，实验发现磁畴的不可逆运动和畴壁的不可逆跳跃式位移，使材料表面释放连续的超声波和连续的高频脉冲电压，称为巴克豪森效应(跳跃)，利用法拉第电磁感应原理，铁磁材料表面的接收线圈会接收到磁畴错动释放的抖动脉冲电压和噪音，经信号处理，形成特征噪讯。该现象是1919年德国物理学家H.Barkhausen发现的，故命名为巴克豪森噪讯。由于该噪讯是磁畴在弹性限度内受力释放的，故称为磁弹噪讯(Magnetoelasticity Noise)记为MEN。利用铁磁材料被局部磁化以后、受力释放的磁弹噪讯可以对铁磁构件结构、组织状态、应力状态实施检测。

实用新型内容

鉴于上述研究背景，本实用新型提出了一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，可广泛用于机械构件设备使役过程中内部产生的局部松弛，塑性扭曲变形产生的应力检测及疲劳寿命检测.

本实用新型的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、与检波系统连接示波器、A/D转换、数据采集及数据显示系统和电源系统构成；所述传感器由磁化器、磁弹波接收器、前置电压放大器三部分构成；所述的主放大系统为由低噪声的系列放大器构成的高输入阻抗放大器，所述的系列放大器依次为高通滤波、低通滤波、带通滤波和选频放大；系统的信号连接为：信号发生器输出可调频正弦波，经功率放大器对信号放大，提供磁化器对铁磁构件表面进行交变磁化所需电压，铁磁材料内磁畴在交变磁场的作用下发生位错释放磁弹噪讯，由磁弹波接收系统接收，经前置电压放大器、主放大系统和检波系统，输出构件内部反映状态的磁弹噪讯，检波系统对磁弹噪讯的正半周取包络，示波器用于显示检波信号，输出的检波信号经过A/D转换为数字信号，经用拉格朗日插值方法编制的软件程序对数据进行数据采集、处理、与标准试件的标定曲线数据对比，由数码管显示测量值，进行数据显示。

所述的信号发生器包括精确波形发生器芯片和外围元件，所述信号发生器为正弦波信号发生器，信号发生器采用1Hz～10Hz低频可调局部交流磁化技术，正弦波发生器的频率范围在1Hz～10Hz之间任意可调，正弦波的失真度小于1％，其相应的应力检测深度为mm量级。

所述的功率放大器是为了把正弦波信号发生器输出的信号进行功率放大，其相应的输出功率为18w～20w。电路具有输出功率大，静态电流小(15mA以下)，动态电流大(5A负载电流)，噪声低，信噪比高，工作频带宽，可靠性高，体积小等优点。

所述的磁化器由厚度0.2mm的U型硅钢片压制而成，压制成的磁化器铁芯为10mm，根据设计指标，按照铁磁材料应力确定磁化提升力，计算磁化电流，确定铁芯截面积，计算导线直径，确定磁通量。经计算，磁化器的磁化提升力为1N。

所述的磁弹波接收器为由磁芯和缠绕在其上的线圈构成；所述的磁芯是用分子插层技术合成的CoMn铁氧体，SRD测试该磁芯具有明显的尖晶石铁氧体特征。磁芯的介电特性ε_r和磁化特性μ_r均在1KHz～1MHz范围随频率变化稳定，接收磁弹波频率为50KHz～650KHz。利用法拉第电磁感应原理，在磁芯上缠绕线圈制作成MEN接收器。

所述的前置电压放大器由系列放大器构成，优选低噪声系列放大器，分两级放大，并具有高通滤波性能，放大倍数100倍(40dB)，即前置电压放大器将传输给主放大系统的磁弹波信号放大100倍。

所述的主放大系统为由系列放大器构成的高输入阻抗放大器，优选低噪声的系列放大器。所述的系列放大器依次为高通滤波、低通滤波、带通滤波和选频放大，其先后设置共分七级抑制、放大，一步一步压缩频带，防止噪声干扰。其中低通滤波上限为650KHz，高通滤波下限为48KHz，主放大系统的放大倍数为10000倍(约80dB)，检波系统对磁弹噪讯的正半周取包络。

所述的A/D转换记录显示系统采用12bit的A/D芯片，转换电压范围为0V～5V，转换精度为0.005％。系统采用的芯片是逐次逼近式的，工作原理与机械天平称重过程类似。输入的模拟电压相当于天平的被测物体质量，基础电压相应于砝码，电压比较相当于重量比较，经A/D转换为可处理的数字信号。此时，为了满足检测系统的要求可编制相应的软件程序，并采用拉格朗日插值算法，取20个磁弹噪讯信号的包络编制相应的软件流程图。

所述的电源系统为15V蓄电池供电系统。

本实用新型能够对铁磁构件在无需测应变的情况下对其服役应力、疲劳寿命进行在线、快速、瞬态以及跟踪检测。

附图说明：

图1本实用新型提出的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统的结构原理框图。

图2本实用新型检测系统的软件程序流程图。

图3本实用新型检测系统的主放大系统原理图。图中2、3、4、6、7均为管脚。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步说明。

如图1所示，本实用新型的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、与检波系统连接示波器、A/D转换、数据采集及数据显示系统和电源系统构成。

信号发生器包括精确波形发生器芯片和外围元件，所述信号发生器为正弦波信号发生器，信号发生器采用1Hz～10Hz低频可调局部交流磁化技术，正弦波发生器的频率范围在1Hz～10Hz之间，正弦波的失真度小于1％。

功率放大器的输出功率为18w～20w。电路输出功率大，静态电流在15mA以下，动态负载电流为5A。

传感器由磁化器、磁弹波接收器、前置电压放大器三部分构成。

磁化器由厚度0.2mm的U型硅钢片压制而成，压制成的磁化器铁芯为10mm，磁化器的磁化提升力为1N。

磁弹波接收器由磁芯和缠绕在其上的线圈构成；磁芯为用分子插层技术合成的CoMn铁氧体，SRD测试该磁芯具有明显的尖晶石铁氧体特征。磁芯的介电特性ε_r和磁化特性μ_r均在1KHz～1MHz范围随频率变化稳定，接收磁弹波频率为50KHz～650KHz。

前置电压放大器由低噪声的系列放大器构成，分两级放大，并具有高通滤波性能，放大倍数为100倍(40dB)。

A/D转换记录显示系统采用12bit的A/D芯片，转换电压范围为0V～5V，转换精度为0.005％。采用拉格朗日插值算法，取20个磁弹噪讯信号的包络编制相应的流程图，如图2所示。

如图3所示，主放大系统为由低噪声的系列放大器构成的高输入阻抗放大器。系列放大器依次为高通滤波、低通滤波、带通滤波和选频放大，其先后设置并分七级抑制、放大，一步一步压缩频带，防止噪声干扰。其中低通滤波上限为650KHz，高通滤波下限为48KHz，主放大系统的放大倍数为10000倍。图中2、3、4、6、7均为管脚。

如图1所示，检测系统的信号发生器输出1-10Hz可调的正弦波，经功率放大器对正弦波信号放大，供磁化器对铁磁构件表面进行交变磁化所需电压。

铁磁材料内磁畴在交变磁场的作用下发生位错释放磁弹噪讯，由磁弹波接收系统接收.经前置电压放大器(简称“前放”，见图1)，主放大器(简称“主放”，见图1)，选择放大(简称“选放”，见图1)系统和检波系统.输出构件内部反映状态的磁弹噪讯.该电路系统在前放，主放，选放中先后使用了高通滤波，带通滤波和选频放大.共分七级抑制，放大，一步一步压缩频带，目的为防止噪声干扰.检波系统对磁弹噪讯的正半周取包络，示波器用于显示检波信号，输出的检波信号经8098单片机的A/D转换为数字信号，经用拉格朗日插值方法编制的软件程序对数据进行数据采集、处理、与标准试件的标定曲线数据对比，由仪器面板上的数码管显示测量值，进行数据显示.该仪器可对铁磁构件的结构、组织状态、应力状态实施在线、瞬间、定点测试，单点测量时间为5秒.

检波系统对磁弹噪讯的正半周取包络。

电源系统采用15V蓄电池供电系统。

以上实施例仅用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围，有关本领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案均属于本实用新型的保护范畴，本实用新型的专利保护范围应由各项权利要求所限定。

Claims

1.一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述系统由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、与检波系统连接示波器、A/D转换、数据采集及数据显示系统和电源系统构成；所述传感器由磁化器、磁弹波接收器、前置电压放大器三部分构成，所述的主放大系统为由低噪声的系列放大器构成的高输入阻抗放大器，所述的系列放大器依次为高通滤波、低通滤波、带通滤波和选频放大；系统的信号连接为：信号发生器输出可调频正弦波，经功率放大器对信号放大，提供磁化器对铁磁构件表面进行交变磁化所需电压，铁磁材料内磁畴在交变磁场的作用下发生位错释放磁弹噪讯，由磁弹波接收系统接收，经前置电压放大器、主放大系统和检波系统，输出构件内部反映状态的磁弹噪讯，检波系统对磁弹噪讯的正半周取包络，示波器用于显示检波信号，输出的检波信号经过A/D转换为数字信号，经用拉格朗日插值方法编制的软件程序对数据进行数据采集、处理、与标准试件的标定曲线数据对比，由数码管显示测量值，进行数据显示。

2.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的信号发生器包括精确波形发生器芯片和外围元件，所述信号发生器为正弦波信号发生器，信号发生器采用1Hz～10Hz低频可调局部交流磁化技术，正弦波发生器的频率范围为1Hz～10Hz，正弦波失真度小于1％，应力检测深度为mm量级。

3.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的功率放大器的输出功率为18w～20w，静态电流在15mA以下，动态负载电流为5A。

4.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的磁化器由厚度0.2mm的U型硅钢片压制而成，压制成的磁化器铁芯为10mm，磁化器的磁化提升力为1N。

5.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的磁弹波接收器为由磁芯和缠绕在其上的线圈构成；所述的磁芯为用分子插层技术合成的CoMn铁氧体，所述的磁芯的介电特性ε_r和磁化特性μ_r均在1KHz～1MHz范围随频率变化稳定，接收磁弹波频率为50KHz～650KHz。

6.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的前置电压放大器由低噪声系列放大器构成，分两级放大。

7.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的主放大系统中低通滤波上限为650KHz，高通滤波下限为48KHz；主放大系统的放大倍数为10000倍。

8.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的A/D转换记录显示系统采用12bit的A/D芯片，转换电压为0V～5V，转换精度为0.005％。

9.根据权利要求1所述的一种铁磁材料磁弹波应力检测系统，其特征在于：所述的电源系统为15V蓄电池供电系统。