專利名稱：鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于應(yīng)用磁彈波技術(shù)的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)范疇，涉及一種鐵磁材料磁
彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已成為確保產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備安 全運(yùn)行的重要手段，并且已經(jīng)形成一門新興獨(dú)立的綜合性應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。無(wú)損檢測(cè)是在不 破壞被檢材料或構(gòu)件的情況下采用物理、化學(xué)等方法和手段，探測(cè)被檢對(duì)象內(nèi)部和表面的 各種缺陷及某些物理性能。 開展對(duì)鐵磁構(gòu)件服役應(yīng)力，疲勞壽命的在線、快速、瞬態(tài)或跟蹤檢測(cè)，一直是受人 們重視的一個(gè)無(wú)損檢測(cè)難題。因?yàn)殍F磁材料加工制造的機(jī)械構(gòu)件，在使役的過程中，受外力 的作用，熱溫度變化的影響，在其內(nèi)部產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中或松弛，會(huì)引起構(gòu)件局部或全部 的塑性扭曲，變形，造成構(gòu)件整體強(qiáng)度降低，特別是疲勞強(qiáng)度的降低，使設(shè)備運(yùn)行不安全或 破損，如壓力容器焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力檢測(cè)及服役應(yīng)力跟蹤檢測(cè)，扭桿、大型構(gòu)件的應(yīng)力及疲 勞檢測(cè)，大型結(jié)構(gòu)鋼架的應(yīng)力平衡檢測(cè)，橋梁鐵索、鋼絲繩的應(yīng)力疲勞檢測(cè)，凸輪車軸、轉(zhuǎn)子 的扭矩檢測(cè)，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的完好性評(píng)價(jià)等等。這是僅舉的典型檢測(cè)難題，也是機(jī)械，石油 化工，航空，鐵路，國(guó)防工業(yè)急需解決的無(wú)損檢測(cè)難題。 傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)方法有X射線法，超聲波法和應(yīng)變片法。X射線法是通過晶格形變 檢測(cè)應(yīng)力，深度僅達(dá)數(shù)ym，設(shè)備復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工程檢測(cè)不方便；超聲波法檢測(cè)應(yīng)力由于受耦 合因素，嚴(yán)重影響檢測(cè)的精度；應(yīng)變片法，是靠貼在構(gòu)件表面的電阻絲柵隨構(gòu)件發(fā)生彈性形 變來檢測(cè)應(yīng)力，若構(gòu)件固定不產(chǎn)生形變，則無(wú)法檢測(cè)材料內(nèi)部應(yīng)力。 因此，從材料檢測(cè)，壽命檢測(cè)的角度，迫切需要一種既能檢測(cè)鐵磁材料殘余應(yīng)力， 服役內(nèi)應(yīng)力的大小及分布、疲勞及壽命，又不需測(cè)應(yīng)變，并能瞬間定點(diǎn)、在線進(jìn)行檢測(cè)的方 法，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行安全及維修。 鐵磁材料被交變磁場(chǎng)局部磁化以后，材料內(nèi)部的磁疇發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁疇的 不可逆運(yùn)動(dòng)和疇壁的不可逆跳躍式位移，使材料表面釋放連續(xù)的超聲波和連續(xù)的高頻脈沖 電壓，稱為巴克豪森效應(yīng)(跳躍)，利用法拉第電磁感應(yīng)原理，鐵磁材料表面的接收線圈會(huì) 接收到磁疇錯(cuò)動(dòng)釋放的抖動(dòng)脈沖電壓和噪音，經(jīng)信號(hào)處理，形成特征噪訊。該現(xiàn)象是1919 年德國(guó)物理學(xué)家H. Barkhausen發(fā)現(xiàn)的，故命名為巴克豪森噪訊。由于該噪訊是磁疇在彈性 限度內(nèi)受力釋放的，故稱為磁彈噪訊(Magnetoelasticity Noise)記為MEN。利用鐵磁材 料被局部磁化以后、受力釋放的磁彈噪訊可以對(duì)鐵磁構(gòu)件結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)實(shí)施檢

實(shí)用新型內(nèi)容鑒于上述研究背景，本實(shí)用新型提出了一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，可廣 泛用于機(jī)械構(gòu)件設(shè)備使役過程中內(nèi)部產(chǎn)生的局部松弛，塑性扭曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力檢測(cè)及疲勞壽命檢測(cè)。 本實(shí)用新型的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、傳 感器、主放大系統(tǒng)、檢波系統(tǒng)、與檢波系統(tǒng)連接示波器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng) 和電源系統(tǒng)構(gòu)成；所述傳感器由磁化器、磁彈波接收器、前置電壓放大器三部分構(gòu)成；所述 的主放大系統(tǒng)為由低噪聲的系列放大器構(gòu)成的高輸入阻抗放大器，所述的系列放大器依次 為高通濾波、低通濾波、帶通濾波和選頻放大；系統(tǒng)的信號(hào)連接為信號(hào)發(fā)生器輸出可調(diào)頻 正弦波，經(jīng)功率放大器對(duì)信號(hào)放大，提供磁化器對(duì)鐵磁構(gòu)件表面進(jìn)行交變磁化所需電壓，鐵 磁材料內(nèi)磁疇在交變磁場(chǎng)的作用下發(fā)生位錯(cuò)釋放磁彈噪訊，由磁彈波接收系統(tǒng)接收，經(jīng)前 置電壓放大器、主放大系統(tǒng)和檢波系統(tǒng)，輸出構(gòu)件內(nèi)部反映狀態(tài)的磁彈噪訊，檢波系統(tǒng)對(duì)磁 彈噪訊的正半周取包絡(luò)，示波器用于顯示檢波信號(hào)，輸出的檢波信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)，經(jīng)用拉格朗日插值方法編制的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo) 定曲線數(shù)據(jù)對(duì)比，由數(shù)碼管顯示測(cè)量值，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。 所述的信號(hào)發(fā)生器包括精確波形發(fā)生器芯片和外圍元件，所述信號(hào)發(fā)生器為正弦 波信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器采用1Hz 10Hz低頻可調(diào)局部交流磁化技術(shù)，正弦波發(fā)生器的 頻率范圍在1Hz 10Hz之間任意可調(diào)，正弦波的失真度小于1%，其相應(yīng)的應(yīng)力檢測(cè)深度為 所述的功率放大器是為了把正弦波信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，其相應(yīng) 的輸出功率為18w 20w。電路具有輸出功率大，靜態(tài)電流小(15mA以下)，動(dòng)態(tài)電流大(5A 負(fù)載電流)，噪聲低，信噪比高，工作頻帶寬，可靠性高，體積小等優(yōu)點(diǎn)。 所述的磁化器由厚度O. 2mm的U型硅鋼片壓制而成，壓制成的磁化器鐵芯為10mm， 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，按照鐵磁材料應(yīng)力確定磁化提升力，計(jì)算磁化電流，確定鐵芯截面積，計(jì)算 導(dǎo)線直徑，確定磁通量。經(jīng)計(jì)算，磁化器的磁化提升力為1N。 所述的磁彈波接收器為由磁芯和纏繞在其上的線圈構(gòu)成；所述的磁芯是用分子插 層技術(shù)合成的CoMn鐵氧體，SRD測(cè)試該磁芯具有明顯的尖晶石鐵氧體特征。磁芯的介電特 性e r和磁化特性y r均在1KHz lMHz范圍隨頻率變化穩(wěn)定，接收磁彈波頻率為50KHz 650KHz。利用法拉第電磁感應(yīng)原理，在磁芯上纏繞線圈制作成MEN接收器。 所述的前置電壓放大器由系列放大器構(gòu)成，優(yōu)選低噪聲系列放大器，分兩級(jí)放大， 并具有高通濾波性能，放大倍數(shù)100倍(40dB)，即前置電壓放大器將傳輸給主放大系統(tǒng)的 磁彈波信號(hào)放大100倍。 所述的主放大系統(tǒng)為由系列放大器構(gòu)成的高輸入阻抗放大器，優(yōu)選低噪聲的系列 放大器。所述的系列放大器依次為高通濾波、低通濾波、帶通濾波和選頻放大，其先后設(shè)置 共分七級(jí)抑制、放大， 一步一步壓縮頻帶，防止噪聲干擾。其中低通濾波上限為650KHz，高通 濾波下限為48KHz，主放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)為10000倍(約80dB)，檢波系統(tǒng)對(duì)磁彈噪訊的 正半周取包絡(luò)。 所述的A/D轉(zhuǎn)換記錄顯示系統(tǒng)采用12bit的A/D芯片，轉(zhuǎn)換電壓范圍為0V 5V， 轉(zhuǎn)換精度為0. 005%。系統(tǒng)采用的芯片是逐次逼近式的，工作原理與機(jī)械天平稱重過程類 似。輸入的模擬電壓相當(dāng)于天平的被測(cè)物體質(zhì)量，基礎(chǔ)電壓相應(yīng)于砝碼，電壓比較相當(dāng)于重 量比較，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)字信號(hào)。此時(shí)，為了滿足檢測(cè)系統(tǒng)的要求可編制相應(yīng)的軟 件程序，并采用拉格朗日插值算法，取20個(gè)磁彈噪訊信號(hào)的包絡(luò)編制相應(yīng)的軟件流程圖。[0016] 所述的電源系統(tǒng)為15V蓄電池供電系統(tǒng)。 本實(shí)用新型能夠?qū)﹁F磁構(gòu)件在無(wú)需測(cè)應(yīng)變的情況下對(duì)其服役應(yīng)力、疲勞壽命進(jìn)行 在線、快速、瞬態(tài)以及跟蹤檢測(cè)。

圖1本實(shí)用新型提出的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖2本實(shí)用新型檢測(cè)系統(tǒng)的軟件程序流程圖。 圖3本實(shí)用新型檢測(cè)系統(tǒng)的主放大系統(tǒng)原理圖。圖中2、3、4、6、7均為管腳。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明。 如圖1所示，本實(shí)用新型的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，由信號(hào)發(fā)生器、功 率放大器、傳感器、主放大系統(tǒng)、檢波系統(tǒng)、與檢波系統(tǒng)連接示波器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集及數(shù) 據(jù)顯示系統(tǒng)和電源系統(tǒng)構(gòu)成。 信號(hào)發(fā)生器包括精確波形發(fā)生器芯片和外圍元件，所述信號(hào)發(fā)生器為正弦波信號(hào) 發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器采用1Hz 10Hz低頻可調(diào)局部交流磁化技術(shù)，正弦波發(fā)生器的頻率范 圍在1Hz 10Hz之間，正弦波的失真度小于1%。 功率放大器的輸出功率為18w 20w。電路輸出功率大，靜態(tài)電流在15mA以下，動(dòng) 態(tài)負(fù)載電流為5A。 傳感器由磁化器、磁彈波接收器、前置電壓放大器三部分構(gòu)成。 磁化器由厚度O. 2mm的U型硅鋼片壓制而成，壓制成的磁化器鐵芯為10mm，磁化器
的磁化提升力為1N。 磁彈波接收器由磁芯和纏繞在其上的線圈構(gòu)成；磁芯為用分子插層技術(shù)合成的 CoMn鐵氧體，SRD測(cè)試該磁芯具有明顯的尖晶石鐵氧體特征。磁芯的介電特性、和磁化 特性y r均在1KHz lMHz范圍隨頻率變化穩(wěn)定，接收磁彈波頻率為50KHz 650KHz。 前置電壓放大器由低噪聲的系列放大器構(gòu)成，分兩級(jí)放大，并具有高通濾波性能， 放大倍數(shù)為100倍(40dB)。 A/D轉(zhuǎn)換記錄顯示系統(tǒng)采用12bit的A/D芯片，轉(zhuǎn)換電壓范圍為0V 5V，轉(zhuǎn)換精 度為0. 005% 。采用拉格朗日插值算法，取20個(gè)磁彈噪訊信號(hào)的包絡(luò)編制相應(yīng)的流程圖，如 圖2所示。 如圖3所示，主放大系統(tǒng)為由低噪聲的系列放大器構(gòu)成的高輸入阻抗放大器。系
列放大器依次為高通濾波、低通濾波、帶通濾波和選頻放大，其先后設(shè)置并分七級(jí)抑制、
放大， 一步一步壓縮頻帶，防止噪聲干擾。其中低通濾波上限為650KHz，高通濾波下限為
48KHz，主放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)為10000倍。圖中2、3、4、6、7均為管腳。 如圖1所示，檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器輸出l-10Hz可調(diào)的正弦波，經(jīng)功率放大器對(duì)
正弦波信號(hào)放大，供磁化器對(duì)鐵磁構(gòu)件表面進(jìn)行交變磁化所需電壓。 鐵磁材料內(nèi)磁疇在交變磁場(chǎng)的作用下發(fā)生位錯(cuò)釋放磁彈噪訊，由磁彈波接收系統(tǒng) 接收。經(jīng)前置電壓放大器(簡(jiǎn)稱"前放"，見圖l)，主放大器(簡(jiǎn)稱"主放"，見圖l)，選擇放 大(簡(jiǎn)稱"選放"，見圖1)系統(tǒng)和檢波系統(tǒng)。輸出構(gòu)件內(nèi)部反映狀態(tài)的磁彈噪訊。該電路系統(tǒng)在前放，主放，選放中先后使用了高通濾波，帶通濾波和選頻放大。共分七級(jí)抑制，放大， 一步一步壓縮頻帶，目的為防止噪聲干擾。檢波系統(tǒng)對(duì)磁彈噪訊的正半周取包絡(luò)，示波器用 于顯示檢波信號(hào)，輸出的檢波信號(hào)經(jīng)8098單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)用拉格朗日插 值方法編制的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)對(duì)比，由儀 器面板上的數(shù)碼管顯示測(cè)量值，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。該儀器可對(duì)鐵磁構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、應(yīng) 力狀態(tài)實(shí)施在線、瞬間、定點(diǎn)測(cè)試，單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為5秒。 檢波系統(tǒng)對(duì)磁彈噪訊的正半周取包絡(luò)。 電源系統(tǒng)采用15V蓄電池供電系統(tǒng)。 以上實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍，有關(guān)本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變化和 變型，因此所有等同的技術(shù)方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范疇，本實(shí)用新型的專利保護(hù)范 圍應(yīng)由各項(xiàng)權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、傳感器、主放大系統(tǒng)、檢波系統(tǒng)、與檢波系統(tǒng)連接示波器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)和電源系統(tǒng)構(gòu)成；所述傳感器由磁化器、磁彈波接收器、前置電壓放大器三部分構(gòu)成，所述的主放大系統(tǒng)為由低噪聲的系列放大器構(gòu)成的高輸入阻抗放大器，所述的系列放大器依次為高通濾波、低通濾波、帶通濾波和選頻放大；系統(tǒng)的信號(hào)連接為信號(hào)發(fā)生器輸出可調(diào)頻正弦波，經(jīng)功率放大器對(duì)信號(hào)放大，提供磁化器對(duì)鐵磁構(gòu)件表面進(jìn)行交變磁化所需電壓，鐵磁材料內(nèi)磁疇在交變磁場(chǎng)的作用下發(fā)生位錯(cuò)釋放磁彈噪訊，由磁彈波接收系統(tǒng)接收，經(jīng)前置電壓放大器、主放大系統(tǒng)和檢波系統(tǒng)，輸出構(gòu)件內(nèi)部反映狀態(tài)的磁彈噪訊，檢波系統(tǒng)對(duì)磁彈噪訊的正半周取包絡(luò)，示波器用于顯示檢波信號(hào)，輸出的檢波信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)用拉格朗日插值方法編制的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)對(duì)比，由數(shù)碼管顯示測(cè)量值，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的信號(hào)發(fā)生器包括精確波形發(fā)生器芯片和外圍元件，所述信號(hào)發(fā)生器為正弦波信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器采用1Hz 10Hz低頻可調(diào)局部交流磁化技術(shù)，正弦波發(fā)生器的頻率范圍為1Hz 10Hz，正弦波失真度小于1 % ，應(yīng)力檢測(cè)深度為mm量級(jí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的功率放大器的輸出功率為18w 20w，靜態(tài)電流在15mA以下，動(dòng)態(tài)負(fù)載電流為5A。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的磁化器由厚度O. 2mm的U型硅鋼片壓制而成，壓制成的磁化器鐵芯為10mm，磁化器的磁化提升力為1N。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的磁彈波接收器為由磁芯和纏繞在其上的線圈構(gòu)成；所述的磁芯為用分子插層技術(shù)合成的CoMn鐵氧體，所述的磁芯的介電特性e r和磁化特性P r均在1KHz lMHz范圍隨頻率變化穩(wěn)定，接收磁彈波頻率為50KHz 650KHz。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的前置電壓放大器由低噪聲系列放大器構(gòu)成，分兩級(jí)放大。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的主放大系統(tǒng)中低通濾波上限為650KHz，高通濾波下限為48KHz ;主放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)為10000倍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換記錄顯示系統(tǒng)采用12bit的A/D芯片，轉(zhuǎn)換電壓為OV 5V，轉(zhuǎn)換精度為0. 005%。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的電源系統(tǒng)為15V蓄電池供電系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號(hào)源、功率放大器、傳感器、主放大系統(tǒng)、檢波系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換記錄顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)電路先后通過高通濾波、低通濾波、帶通濾波和選頻放大，分七級(jí)抑制、放大，一步一步壓縮頻帶，防止了噪聲干擾。檢波電路對(duì)磁彈噪訊的正半周取包絡(luò)，輸出后的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)用拉格朗日插值方法編制的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，最后與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而可對(duì)鐵磁材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行在線、瞬間、定點(diǎn)測(cè)試，便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/82GK201464420SQ20082012438
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者侯志靈, 王皞, 祁欣, 陳娟 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)