CN204228305U - 磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统 - Google Patents

磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种磁记忆-巴克豪森(MMM-MBN)融合检测应力系统，该系统由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、A/D转换系统、存储系统、ARM处理器、电源系统构成。采用自动控制技术切换MMM与MBN工作，先使用MMM技术快速非接触定位应力集中区，再用MMM-MBN方法融合定点检测应力；两套检测系统融合形成了MMM-MBN无损、快速检测应力，既提高了应力的检测速度，又提高了应力检测的精度。

Description

磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统
技术领域
本实用新型属于应用磁记忆-巴克豪森(MMM-MBN)融合技术的新型无损检测技术范畴，涉及一种铁磁材料融合检测应力系统。 
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，检测深度仅达数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，迫切需要一种既能快速准确定位应力集中区应力 分布和疲劳又能瞬间定点、定量、在线检测应力的方法，用于指导现场设备的运行安全及维修。 
发明内容
鉴于上述研究背景，本实用新型提出了一种MMM-MBN融合检测应力系统，可广泛用于机械铁磁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MMM-MBN融合检测应力系统，其特征在于：所述系统将MMM、MBN技术优点互补，缺点互锄，采用快速全线覆盖的融合检测方法利用融合检测算法检测铁磁材料应力。MBN主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和带通滤波后进入减法器，两路信号相减可以去掉现场工作时检测对象的本底噪声，和环境中的电磁干扰。最终得到清晰的MBN信号。此信号经主放大器和二次滤波后进入AD转换电路。MMM传感器由四个霍尔传感器组成，三个MMM主接收器和一个补偿接收器。三个MMM主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和低通滤波后进入减法器，补偿接收器用来接收地球磁场，经过减法器后的是检测对象的自有漏磁场，不再是自有漏磁场与地球磁场的叠加磁场。光电编码器用于测量传感器行走的距离。三路自有漏磁场信号经主放大器后进入多路AD转换电路。 
所述的融合检测方法，采用自动控制技术切换MMM与MBN工作，先使用MMM技术快速非接触定位应力集中区，再用MMM-MBN方法融合定点检测应力。两种检测技术融合形成了MMM-MBN无损、快速检测应力的方法，既提高了应力的检测速度，又提高了应力检测的精度。 
所述的融合检测算法是当铁磁材料受到磁化时释放MBN信号，但铁磁材料在地球磁场的作用下存在自有漏磁场，这个磁场会与激励磁场叠加。引起MBN释放的磁场是铁磁材料 所释放的总磁场，是自有漏磁场与激励磁场的叠加磁场。所以利用磁记忆技术检测钢轨自有漏磁场的大小，计算自有漏磁场与激励磁场的叠加磁场大小，并且推导出应力、MBN信号和总磁场的融合检测算法。 
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、A/D转换系统、存储系统、ARM处理器、电源系统构成。 
所述低频信号发生器包括精确波形发生器芯片和外围元件，所述的信号发生器是通过ARM处理器SPI总线接口驱动DAC8564完成激励信号输出，每一个正弦波激励信号由400个点模拟组成，便于对频率和幅度进行调整。将输出频率调整为1-10Hz。当使用1-10Hz低频磁化铁磁材料时，检测深度达到1mm以上。使用50Hz频率磁化铁磁材料时的MBN特征值为V50MBN，使用1-10Hz频率磁化铁磁材料时的MBN特征值为V10MBN，两者的比值K＝V10MBN/V50MBN，通过K值求得应力值，这种方法可以消除铁磁材料表面锈迹，污损以及组织状态的影响。 
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，选用TDA2030a组成功率放大电路，TDA2030a是SGS公司生产的大功率功放IC，该IC体积小巧，输出功率大，静态电流小，动态电流大，带负载能力强，可带动4-16Ω的感性负载。MBN传感器中的马蹄形磁化线圈其电阻为6Ω，电源为±15V时，最大瞬态电流达到2.5A。 
所述传感器由磁化器、MMM主接收器、MMM补偿接收器、MBN主接收器、MBN补偿接收器、前置放大器、光电编码器七部分构成。 
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面积为10mm×5mm，根据设计指标，确定磁化提升力、计算磁化电流、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MBN主接收器和补偿接收器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εr和磁化特性μr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0.1mm漆包线圈制作成磁弹噪讯接收器。 
所述的前置放大器选用LMC6001放大芯片。MBN信号是极其微弱的电流信号，只有几个uA，LMC6001是COMS结构的微小电流OP放大器，其输入偏置电流典型值为10pA。LMC6001是COMS结构的微小电流OP放大器，其输入偏置电流典型值为10pA。我们使用超前相位补偿电容，用于补偿输入寄生电容带来的相位滞后，防止电路震荡。I/V转换反馈电阻应尽可能选择较大的电阻。使用两个FET场效应管的源极与漏极相连作为输入保护电路。前置电压放大器分两级放大，放大能力为100倍。 
所述的主放大系统由OP37和LF356系列放大器构成高输入阻抗放大器。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，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转换系统使用LTZ1000超精准基准原件作为A/D基准，这款基准拥有1.2uVp-p低噪声，的长期稳定性，0.05PPm/C的温漂，特别适用于高精度仪表。使用LTC2400高精度24位A/D转换芯片。LTC2400内部已集成了高精度的振荡器，因此采用片内振荡器时无需外部时钟。LTC2400的数字滤波器能够抑制输入端引入的50Hz和60Hz工频干扰。MMM信号经采样保持电路后进入多路选择器，最后进入A/D转换电路，采用ADS803芯片，使用时分复用的方法转换信号。 
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是本实用新型提出的MMM-MBN融合检测应力系统的结构原理框图。 
图2是本实用新型检测系统的软件程序流程图。 
图3是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均为放大器管脚。 
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MMM-MBN融合检测应力系统，由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、A/D转换系统、存储系统、ARM处理器、电源系统构成。 
磁化器交流磁化试块，MBN主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和带通滤波后进入减法器，两路信号相减可以去掉现场工作时检测对象的本底噪声，和环境中的电磁干扰。最终得到清晰的MBN信号。此信号经主放大器和二次滤波后进入AD转换电路，最终变为数字信号进入ARM处理器中存储和显示。 
MMM传感器由四个霍尔传感器组成，三个MMM主接收器和一个补偿接收器。三个MMM主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和低通滤波后进入减法器，补偿接收器用来接收地球磁场，经过减法器后的是检测对象的自有漏磁场，不再是自有漏磁场与地球磁场的叠加磁场。光电编码器用于测量传感器行走的距离。三路自有漏磁场信号经主放大器后进入多路AD转换电路，最终变为数字信号进入ARM处理器中存储和3D显示。 
检测系统信号发生器选用DAC8564，此芯片为单电源供电，因此其输出信号为脉动直流，且由于参考源选用内部参考源导致其输出幅值最大为2.5v。因此采用OP37设计放大倍数为8倍的电压负反馈电路将其输出信号范围调整为0～20v。又因为磁化线圈的电阻值只有6Ω，仅 靠电压放大电路无法保证负载线圈上的波形信号不失真，因此需要进一步设计功率放大电路，同时激励波形要求为交流信号，故在进入功率放大电路之前需要将激励波形的直流分量滤除。 
由于信号发生器产生的正弦波信号电流驱动能力比较小，必须经过功率放大，才能提供传感器的磁化器线圈激励电流，用以产生足够磁场来交变激励铁磁材料，由TDA2030a组成的功率放大电路，将正弦波信号器的2管脚的输出端接功率放大器1管脚的输入端，使其输出功率为18w～20w，静态电流在50mA以下，动态负载电流为0.5-3.0A。 
传感器由磁化器、MMM主接收器、MMM补偿接收器、MBN主接收器、MBN补偿接收器、前置放大器、光电编码器七部分构成。 
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面积为10mm×5mm，缠绕0.45mm的漆包线120匝，磁化电流由正弦波信号发生器经功率放大器放大后提供，磁化器的磁化提升力为1N。 
MBN主接收器和补偿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εr和磁化特性μr均在1KHz～1MHz范围随频率变化稳定，接收磁弹噪讯频率为50KHz～650KHz。传感器的接收器贴在铁磁材料表面可以接收到磁畴受力释放的磁弹噪讯。 
接收器的接收线圈连接前置放大器的输入端，前置电压放大器由低噪声的LMC6001系列放大器构成，分两级放大，第二级放大器由电容、电阻构建外围电路实施高通滤波，高通下限为48KHZ，前置电压放大倍数为100倍(40dB)。前置放大器的6管脚输出接主放大器的输入端。 
主放大系统由低噪声的OP37和LF356系列放大器构成，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，其先后在第二级实现了高通滤波，第三级实现了低通滤波，其中低通滤波上限为650KHz，高通滤波下限为48KHz。系统分七级抑制、放大，一步一步 压缩频带，防止噪声干扰。实现同向比例放大。主放大系统的放大倍数为10000倍。在最后一级实现磁弹噪讯的正半周检波，图3中2、3管脚为输入端，4、7管脚为±15V供电端，6管脚为输出端。 
所述的A/D转换系统使用LTZ1000超精准基准原件作为A/D基准，使用LTC2400高精度24位A/D转换芯片。LTC2400内部已集成了高精度的振荡器，因此采用片内振荡器时无需外部时钟。MMM信号经采样保持电路后进入多路选择器，最后进入A/D转换电路，采用ADS803芯片，使用时分复用的方法转换信号。使用应力、MBN信号和总磁场的融合检测算法，利用ARM处理器高性能的计算能力，计算应力大小。软件流程如图2所示。SVM融合算法程序固化在ARM处理器的芯片内。 
系统采用15V蓄电池供电系统。 
具体实施例
本仪器传感器的磁化器输出1-10Hz可调的正弦波，经功率放大器对信号放大，供磁化器对受有外力的铁磁材料局部磁化，材料内部磁畴在交变磁场的作用下发生位错释放磁弹噪讯，由磁弹噪讯接收器接收。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)和检波系统。输出构件内部反映受力状态的磁弹噪讯。ARM处理器控制高精度A/D系统将磁弹噪讯模拟信号转变为数字信号，同时磁场信号也经过高速A/D系统。应力、MBN信号和总磁场的融合检测算法，由仪器面板上的液晶屏显示测量值。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。 
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 (4)

1.一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，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、A/D转换系统、存储系统、ARM处理器、电源系统构成；所述传感器由磁化器、MMM主接收器、MMM补偿接收器、MBN主接收器、MBN补偿接收器、前置放大器、光电编码器七部分构成；MBN主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和带通滤波后进入减法器，最终得到清晰的MBN信号；此信号经主放大器和二次滤波后进入AD转换电路；MMM传感器由四个霍尔传感器组成，三个MMM主接收器和一个补偿接收器；三个MMM主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和低通滤波后进入减法器，补偿接收器用来接收地球磁场，经过减法器后的是检测对象的自有漏磁场；光电编码器用于测量传感器行走的距离；三路自有漏磁场信号经主放大器后进入多路AD转换电路。 
2.根据权利要求1所述的一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所述的MBN主接收器和补偿接收器由磁芯和缠绕在其上的线圈构成；所述的磁芯用分子插层技术合成的CoMn铁氧体，所述的磁芯的介电特性εr和磁化特性μr均在1KHz～1MHz范围随频率变化稳定，接收磁弹波频率为50KHz～650KHz。 
3.根据权利要求1所述的一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所述的前置放大器选用LMC6001放大芯片，MBN信号是极其微弱的电流信号，只有几个uA，LMC6001是COMS结构的微小电流OP放大器，其输入偏置电流典型值为10pA。 
4.根据权利要求1所述的一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所述的A/D转换系统使用LTZ1000超精准基准原件作为A/D基准，这款基准拥有1.2uVp-p低噪声， 的长期稳定性，0.05PPm/C的温漂，特别适用于高精度仪表；使用LTC2400高精度24位A/D转换芯片，LTC2400的数字滤波器能抑制输入端引入的50Hz和60Hz工频干扰。 
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