CN108872359A - 一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法 - Google Patents

一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法，选定某一信号采集位置，将传感器紧贴于铁磁构件表面，激励一高低频调制的正弦信号作为混合励磁信号，进行磁混频非线性检测；由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理；提取检测信号和频与差频分量及高频基频分量幅值，计算磁非线性表征参量。采用高低频调制信号励磁，避免了***谐振频率非线性效应对材料非线性效应的影响，检测的材料磁非线性效应对铁磁性材料力学性能变化较为敏感，可用于材料早期力学性能退化的表征。通过对磁混频信号进行分析处理，利用磁混频非线性因子表征材料硬度变化，有利于材料力学性能变化的准确表征。

Description

一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法
技术领域
本发明涉及一种铁磁材料硬度的表征方法，特别是基于磁混频非线性技术的铁磁性材料表面硬度表征方法。该方法适用于铁磁性材料表面硬度表征，属于无损检测领域。
背景技术
铁磁性材料作为一种高可靠性材料，现已广泛应用于航空航天、石油化工和机械制造等领域，如涡轮发动机的齿轮和油气输送管道等。格结构部件在服役过程中，由于环境的多样性(高温、辐照等)和承受载荷的复杂性(循环热载荷、机械载荷等)，铁磁性材料的力学性能会逐渐退化，引起多种类型的早期损伤累积，成为整个***的故障敏感多发部位。在评估材料退化的多种力学性能中，材料硬度是推算构件服役寿命的主要指标之一，因此迫切需要发展一种可有效检测铁磁性材料硬度的无损检测方法，作为构件安全运行的技术保障。
基于铁磁性材料的磁学特性，利用电磁原理的无损检测技术对于损伤的表征具有特殊优势。常规的电磁无损检测技术，如电涡流检测、磁记忆检测、磁粉检测和漏磁检测等，均可有效检测材料的宏观损伤(如裂纹、腐蚀等)，但对于微观晶界运动诱发的材料早期力学性能退化具有较低的检测灵敏度。与之相比，利用材料微观磁学性能变化表征材料力学性能退化的微磁无损检测技术(如磁巴克豪森噪声检测、磁谐波检测等)，对于材料早期损伤具有较高的敏感性。但由于磁巴克豪森噪声检测受背景磁场及检测线圈热效应引起的噪声影响，检测结果的稳定性较低。而磁谐波检测难以剥离实验***非线性对检测非线性效应的影响，检测误差往往较大。
混频技术是一种检测弱效应的有效手段，被广泛应用于声学检测、光谱分析等领域，主要用于检测材料属性变化引发的弱非线性效应近年来，该技术已被国内外学者引入电磁领域。当两频率不同的交流电信号同时作用产生混合磁场时，周期性的低频磁场强度较大，可对被测材料进行饱和磁化；高频磁场强度较小，用于被测材料的局部可逆磁化。基于铁磁性材料的非线性磁滞特性，在检测信号高频区域，会产生多阶和频与差频磁混频分量。此频段检测信号受实验***的影响较小，检测信号具有较高的信噪比[1-3]。利用上述优势，国内外学者已将磁混频技术用于磁电敏感元件的研制和磁微粒流体动力学的研究中。在研制磁敏感元件时，混频技术用于磁化磁电压层复合材料，根据铁磁材料的磁致伸缩效应，产生的和频与差频混频电压对外加磁场的扰动十分敏感。利用该特性，磁电压层复合材料可用于制作高灵敏度磁电敏感元件[4-6]。在微粒布朗松弛效应的研究中，根据铁磁微粒动态磁滞特性，流体中铁基纳米粒子的混频磁化场中会产生多阶混频分量。利用混频分量相位信息对铁基纳米粒子实时运动状态的高敏感性，磁混频技术可用于磁微粒流体动力学分布特性的表征[7-9]。此外，国内外学者还研究了磁混频检测技术的表征参量，提出了利用混频检测时域波形计算增量磁导率的方法，并利用该特征参量实现了材料塑性变形等早期损伤的有效检测[10,11]。综上所述，现阶段国内外学者对磁混频技术的研究工作，主要集中在基于混频磁致伸缩效应的研究和混频时域增量磁导率表征参量的计算两方面。对于动态磁滞混频非线性效应的研究，磁混频信号频域特征参量的提取及其对材料早期损伤敏感程度的分析，尚属空白。
鉴于常规微磁检测方法存在的局限与混频技术的优势，提出一种基于磁混频技术的铁磁性材料检测方法，用于实现铁磁性材料表面硬度的检测。根据铁磁材料的动态磁滞特性，本方法研究了高低频交变电压混合励磁时材料的磁非线性效应，获取了信噪比较高且不受背景磁场及***非线性影响的磁非线性混频信号。利用检测信号中的混频分量，计算了磁混频非线性因子，从而实现了材料表面硬度的表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁磁材料硬度表征方法，特别是基于磁混频非线性检测技术方法。在背景磁场及***非线性影响较小的条件下，该方法采用高低频交流正弦信号混合励磁，利用检测信号混频分量(和频与差频)幅值的变化，计算磁混频非线性因子，从而实现铁磁性材料表面硬度的表征。
本发明提出的一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法，其基本原理在于：
本文提出的磁混频非线性检测技术，在高低频混合励磁条件下，低频磁化场频率较低(小于50Hz)，幅值较大，对铁磁性材料进行不可逆磁化，而高频磁化场由于频率较高(大于100Hz)，幅值较小，对材料进行可逆磁化。
当交流电场施加到励磁线圈上时，励磁线圈所产生的交变磁场将铁磁材料磁化产生磁化场M，该磁化场M表示为
式中，Ms表示饱和磁化场，m0表示磁矩，μ0表示磁导率，H(t)表示随时间t变化的外加磁场，kB表示玻耳兹曼常数，T表示绝对温度，表示郎之万方程。若该外加磁场H(t)为两不同频率磁场的混合场，表示为
H(t)＝A1sin(2πf1t+φ1)+A2sin(2πf2t+φ2) (2)
式中，A1和A2分别表示两激励电压的幅值，f1和f2分别表示两激励电压的频率，且f1>f2，φ1和φ2分别表示两励磁电压的相位(如图1所示)。将外加磁场H(t) 代入公式(1)，磁化场M随时间t变化的M(t)的泰勒级数展开式为
由公式(3)可知，两不同频率的磁场作用于铁磁材料时不仅会出现线性响应分量，由于两磁场的相互作用还会产生非线性分量，如谐波分量3f1和混频分量f1±2f2(如图2所示)。对公式(3)进行傅里叶变换，磁化场的频谱M(f)表示为
式中，α＝m0μ0/kBT，δ表示单位冲激函数，j为虚数单位。公式(4)为
式中，Af1、Af2、A3f1、A3f2和Af1±2f2分别为检测信号高频基频、低频基频、高频三倍频、低频三倍频、差频与和频的幅值。提取检测混频信号中和频与差频分量的幅值，两幅值之和与基频高频分量幅值之比为磁混频非线性因子Q，Q表示为
计算不同被测试件的磁混频非线性因子Q，即可得到磁混频非线性特征参量随检测材料硬度变化的表征结果。通过检测的磁混频非线性特征参量表征材料硬度变化，能有效减弱基频噪声对混频分量的影响，同时避免***谐振频率非线性效应对材料混频非线性效应的影响。
本发明的技术方案如下：
本发明所采用的装置参见图3，实现该方法的装置包括计算机1、信号激励采集板卡2、功率放大器3和磁混频传感器4。首先，将计算机1与信号激励采集板卡相连，用于控制磁混频信号的激发即激励信号和检测信号的显示与分析处理。信号激励采集卡2的输出端口与功率放大器的输入端口相连，用于激励信号的放大。接着，将功率放大器3的输出端接入磁混频传感器4的输入端，用于传感器对检测试件的磁化。同时，传感器4的输出端与激励采集板卡2的输入端相连，用于传输采集到的磁混频非线性信号。
本发明提出的一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法是通过以下步骤实现的：
S1被测试件选取不同热处理工艺下的铁磁构件，各被测试件的尺寸一致，硬度不同，且表面平整不存在凹坑、孔洞和裂纹等缺陷。在被测试件表面选取三个不同位置作为传感器检测的数据采集点，不同被测试件的检测位置一致；
S2将磁混频传感器置于被测试件表面某一检测位置，调整传感器内部磁敏元件的信号拾取方向即传感器检测方向，当传感器检测方向与被测试件表面的切向平行时，检测结果为被测试件表面切向磁场的非线性效应。当传感器检测方向与被测试件表面的法向平行时，检测结果为被测试件表面法向磁场的非线性效应。两方向的磁混频非线性检测信号均用于材料硬度的表征。传感器与被测试件的提离距离小于1mm；
S3利用计算机控制信号激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁。高低频混频励磁的幅值比通常小于0.2，频率比大于102。启动功率放大器，当传感器位于传感器表面某一数据采集点时，检测到的磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，计算机保存检测到的磁混频信号；
S4传感器的检测位置不变，保存多次重复采集检测到的磁混频信号，改变传感器的检测位置重复S3，记录同一试件不同位置的检测结果。更换被测试件，重复上述操作，完成不同硬度试件磁混频非线性信号的采集；
S5由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理。首先对检测到的磁混频非线性信号进行傅里叶变换，提取一阶和频与差频混频分量与基频高频分量的幅值，根据公式(6)计算被测试件单一位置单次检测的磁混频非线性因子Q；
S6统计同一被测试件不同位置多次检测结果的磁混频非线性因子Q平均值，绘制磁混频非线性因子Q平均值随不同被测试件硬度变化的表征结果。根据磁混频非线性因子Q变化表征被测试件的硬度变化；被测试件为铁磁性试件。
本发明具有以下优点：(1)采用高低频调制信号励磁，避免了***谐振频率非线性效应对材料非线性效应的影响，检测的材料磁非线性效应对铁磁性材料力学性能变化较为敏感，可用于材料早期力学性能退化的表征；(2)通过对磁混频信号进行分析处理，利用磁混频非线性因子表征材料硬度变化，可有效减弱基频噪声对表征参量的影响，有利于材料力学性能变化的准确表征。
附图说明
图1高低频调制混频励磁信号。
图2含多阶和频与差频的磁混频非线性检测信号。
图3检测装置***图。
图中：1、计算机，2、激励采集板卡，3、功率放大器，4、磁混频检测传感器。
图4典型实验激励信号时频域图。
图中：时域图横坐标为时间，纵坐标为信号幅值；频谱图横坐标为频率，纵坐标为频率幅值。
图5典型实验检测信号时域图。
图中：时域图横坐标为时间，纵坐标为信号幅值；频谱图横坐标为频率，纵坐标为频率幅值。
图6磁混频非线性因子随硬度变化结果。
图中：横坐标为材料的维氏硬度，纵坐标为磁混频非线性因子。
具体实施方式
下面结合具体实验对本发明作进一步说明：
本实验实施过程包括以下步骤：
S1、实验***搭建：按照图3所示的检测装置***图搭建实验***，***包括计算机1、信号激励采集板卡2、功率放大器3和磁混频传感器4。首先，将计算机1与信号激励采集板卡相连，用于控制磁混频信号的激发即激励信号和检测信号的显示与分析处理。信号激励采集卡2的输出端口与功率放大器的输入端口相连，用于激励信号的放大。接着，将功率放大器3的输出端接入磁混频传感器4的输入端，用于传感器对检测试件的磁化。同时，传感器4的输出端与激励采集板卡2的输入端相连，用于传输采集到的磁混频非线性信号。
S2、检测方式选择：被测试件选取9块尺寸为100mm×100mm×6mm的 45#钢板，表1给出了其主要化学成分。对试件进行淬火和不同温度的回火处理，表2给出了各试件的回火温度及维氏硬度。分别在9个试件上表面选取3个不同位置作为传感器检测的数据采集点，各试件的数据采集位置一致，均为维氏硬度检测位置。在每个数据采集位置重复检测3次，实验共采集81组数据(3次重复检测×3位置×9个试件)。
S3、传感器检测参数设定：将磁混频传感器置于被测试件表面某一选定的检测位置，调整传感器的信号拾取线圈方向，使其检测方向与被测试件表面的切向平行时，检测试件表面切向磁场的非线性效应。传感器紧贴试件表面，提离距离小于0.5mm。利用计算机控制激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁(如图4所示)。其高频频率为709Hz，高频幅值为1V，低频频率为 1Hz，低频幅值为7.5V。
S4、磁混频非线性检测实验：启动功率放大器，当传感器位于传感器表面某一数据采集位置时，检测到的磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，保存该检测信号(如图5所示)。更换实验试件，改变检测位置，重复检测，存储81次实验采集磁混频信号；
S5、信号分析与处理：由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理。对检测信号进行傅里叶变换，提取一阶和频(711Hz)与一阶差频(707Hz)混频分量与基频高频分量(709Hz)的幅值，根据公式(6)计算某一试件单一位置单次检测的磁混频非线性因子Q。统计同一试件不同位置多次检测结果的平均磁混频非线性因子，绘制平均磁混频非线性因子随不同试件硬度变化的表征结果 (如图6所示)。；
S6、实验结果分析：已知9块试件的硬度分布在194HV和595HV之间，各试件的硬度不同，且呈逐渐增大趋势。由图6可知，磁混频非线性因子的值随试件硬度增大而逐渐增加，且其变化近似线性增长。一阶线性拟合结果的R2值为 0.931，即检测非线性特征参量对硬度的线性表征结果较好。由于磁混频非线性因子可明显区分材料的硬度变化，因此，采用磁混频非线性检测方法表征铁磁性材料硬度是可行的。
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。
表1检测试件化学成分表.(wt.％)
表2检测试件维氏硬度表
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Claims (3)

1.一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法，其特征在于：
本方法提出的磁混频非线性检测技术，在高低频混合励磁条件下，低频磁化场频率低，幅值大，对铁磁性材料进行不可逆磁化，而高频磁化场由于频率高，幅值小，对材料进行可逆磁化；
当交流电场施加到励磁线圈上时，励磁线圈所产生的交变磁场将铁磁材料磁化产生磁化场M，该磁化场M表示为
式中，Ms表示饱和磁化场，m0表示磁矩，μ0表示磁导率，H(t)表示随时间t变化的外加磁场，kB表示玻耳兹曼常数，T表示绝对温度，表示郎之万方程；若该外加磁场H(t)为两不同频率磁场的混合场，表示为
H(t)＝A1sin(2πf1t+φ1)+A2sin(2πf2t+φ2) (2)
式中，A1和A2分别表示两激励电压的幅值，f1和f2分别表示两激励电压的频率，且f1>f2，φ1和φ2分别表示两励磁电压的相位；将外加磁场H(t)代入公式(1)，磁化场M随时间t变化的M(t)的泰勒级数展开式为
由公式(3)可知，两不同频率的磁场作用于铁磁材料时不仅会出现线性响应分量，由于两磁场的相互作用还会产生非线性分量，如谐波分量3f1和混频分量f1±2f2；对公式(3)进行傅里叶变换，磁化场的频谱M(f)表示为
式中，α＝m0μ0/kBT，δ表示单位冲激函数，j为虚数单位；公式(4)为
式中，Af1、Af2、A3f1、A3f2和Af1±2f2分别为检测信号高频基频、低频基频、高频三倍频、低频三倍频、差频与和频的幅值；提取检测混频信号中和频与差频分量的幅值，两幅值之和与基频高频分量幅值之比为磁混频非线性因子Q，Q表示为
计算不同被测试件的磁混频非线性因子Q，即可得到磁混频非线性特征参量随检测材料硬度变化的表征结果；通过检测的磁混频非线性特征参量表征材料硬度变化，能有效减弱基频噪声对混频分量的影响，同时避免***谐振频率非线性效应对材料混频非线性效应的影响。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法，其特征在于：实现该方法的装置包括计算机(1)、信号激励采集板卡(2)、功率放大器(3)和磁混频传感器(4)；首先，将计算机(1)与信号激励采集板卡相连，用于控制磁混频信号的激发即激励信号和检测信号的显示与分析处理；信号激励采集板卡(2)的输出端口与功率放大器的输入端口相连，用于激励信号的放大；接着，将功率放大器(3)的输出端接入磁混频传感器(4)的输入端，用于传感器对检测试件的磁化；同时，磁混频传感器(4)的输出端与信号激励采集板卡(2)的输入端相连，用于传输采集到的磁混频非线性信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性材料硬度表征的磁混频非线性检测方法，其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的：
S1被测试件选取不同热处理工艺下的铁磁构件，各被测试件的尺寸一致，硬度不同，且表面平整不存在凹坑、孔洞和裂纹等缺陷；在被测试件表面选取三个不同位置作为传感器检测的数据采集点，不同被测试件的检测位置一致；
S2将磁混频传感器置于被测试件表面某一检测位置，调整传感器内部磁敏元件的信号拾取方向即传感器检测方向，当传感器检测方向与被测试件表面的切向平行时，检测结果为被测试件表面切向磁场的非线性效应；当传感器检测方向与被测试件表面的法向平行时，检测结果为被测试件表面法向磁场的非线性效应；两方向的磁混频非线性检测信号均用于材料硬度的表征；传感器与被测试件的提离距离小于1mm；
S3利用计算机控制信号激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁；高低频混频励磁的幅值比通常小于0.2，频率比大于102；启动功率放大器，当传感器位于传感器表面某一数据采集点时，检测到的磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，计算机保存检测到的磁混频信号；
S4传感器的检测位置不变，保存多次重复采集检测到的磁混频信号，改变传感器的检测位置重复S3，记录同一试件不同位置的检测结果；更换被测试件，重复上述操作，完成不同硬度试件磁混频非线性信号的采集；
S5由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理；首先对检测到的磁混频非线性信号进行傅里叶变换，提取一阶和频与差频混频分量与基频高频分量的幅值，根据公式(6)计算被测试件单一位置单次检测的磁混频非线性因子Q；
S6统计同一被测试件不同位置多次检测结果的磁混频非线性因子Q平均值，绘制磁混频非线性因子Q平均值随不同被测试件硬度变化的表征结果；根据磁混频非线性因子Q变化表征被测试件的硬度变化；被测试件为铁磁性试件。
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