巴克豪森效应在铁磁材料残余应力测量中的应用

1、科研成果与学术交流无损检测2005年第27卷第4期巴克豪森效应在铁磁材料残余应力测量中的应用卢诚磊,倪纯珍,陈立功(上海交通大学,上海200030摘要:因巴克豪森效应在试样表面接收线圈中产生的电压脉冲和噪声称为巴克豪森噪声。根据铁磁学理论介绍了巴克豪森噪声产生的机制,并研制出巴克豪森信号传感器及信号采集处理系统。通过试验给出了SM570钢焊接部分热处理前后巴克豪森信号功率谱和方均根(RMS 强度的变化。同时通过盲孔法确定实际材料热处理前后的残余应力变化。试验结果给出了一些有用信息,但该巴克豪森信号系统只能定性地给出应力的大小和热处理效果,要达到定量的目的还需进一步研究。关键词:电磁检测;巴克豪

2、森效应;虚拟仪器;残余应力测量中图分类号:T G 115.28文献标识码:A 文章编号:100026656(20050420176203Application of B arkhausen Noise to the Measurement of the R esidu al Stressof Ferromagnetic MaterialsL U Cheng 2lei ,NI Chun 2zhen ,CHEN Li 2gong (Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China Abstract :The voltage pulse and

3、noise in receiving coils positioned on the workpiece surface tested due to Barkhausen effect was called Barkhausen noise.On the basis of ferromagnetic theory ,the mechanism of Barkhausen noise was introduced ,and the signal transducer and sampling 2processing system for the measurement of residual s

4、tress of ferromagnetic materials were developed.The change of power spectrum and root mean square (RMS obtained by Barkhausen signal method before and after heat 2treatment for the weld of steel SM570was given by trial ,which was compared with the residual stress data f rom blind 2hole method.Althou

5、gh some valuable information was got ,it could only evaluate the residual stress and heat 2treatment effect qualitatively ,more research should be carried out in order to get quantitative data.K eyw ords :Electromagnetic testing ;Barkhausen effect ;Virtual instrument ;Residual stress measurement现有的残

6、余应力测试方法可以概括为两大类型,即具有一定损伤性的机械释放测量方法和无损伤性的物理测量方法。而巴克豪森效应法是无损检测中的一门新技术。1919年,德国物理学家巴克豪森首次发现巴克豪森效应,他在观察铁磁材料磁滞回线时发现曲线并不光滑,放大后看到台阶抖动变化。此效应在试样表面接收线圈中产生的电压脉冲和噪声称为巴克豪森噪声(BN 。虚拟仪器技术是近年来新兴的一门学科,主要收稿日期:2003209229用于构建计算机测试分析系统和自动控制系统。它充分发挥了新一代计算机大容量、高速度的潜能,结合数据采集卡,可提供许多重要的信号采集分析手段。在此,利用虚拟仪器建立测试系统,评估采集信号与残余应力大小及热

7、处理效果的关系,探讨巴克豪森无损检测法的工程实际应用价值。1系统的测量原理铁磁材料是由磁畴这样的小磁区构成,并以畴壁分开,当其在局部交变外磁场作用下,磁畴矢量向磁化方向偏转,使得畴壁发生移动,并且在磁滞曲线671 2005年第27卷第4期最陡的阶段发生磁畴的不可逆运动。外磁场强度H 连续缓慢地变化,使得磁通密度(磁感应强度的变化产生不连续的跳跃,这将在试件表面的接收线圈中产生一系列杂乱的电脉冲信号。根据铁磁学理论,当外磁场H =0时,材料处于磁中性,畴壁处于平衡状态。以两个相差180°的磁畴为例,所加外磁场方向如图1所示。右畴缩小,左畴扩大,畴壁向右移动。位移从0至X 1为可逆壁移阶

8、段,畴壁移到分界点X 1所需磁场强度为临界磁场强度H 0,得H 0=120M s cosd Ed x max式中0真空磁导率M s 饱和磁化强度磁畴矩在易磁化方向受外磁场的作用 转过的一个小角度E 单位面积的畴壁能,X =0时,单位面积畴壁能最低图1180°可逆壁移磁化当磁场强度增加,略超过H 0,壁移从X 1跳到X 2,随着磁场强度的增加,畴壁又从X 2跳到X 3,X 3处d E/d x 比X 2处更大。所以随着磁场强度的增加,可能有几次跳跃式的畴壁移动。一个完整磁化过程中的所有巴氏跳跃聚集到一起形成了巴克豪森噪声。由于材料的磁性结构取决于材料的微观组织,而畴壁的快速移动对于材料受

9、力、组织结构和位错等因素比较敏感1。所以BN 信号的特征能反映出铁磁材料的磁畴结构和运动规律,进而反映出材料的显微组织及应力状态,从而可用于分析材料的性能及评估热处理效果 ,进而进行无损检测。2测试系统2.1系统硬件组成整个系统的硬件组成见图2,共分为四大部分:图2系统组成框图(1励磁用PCI 1712数据采集卡的D/A (数/模经功率放大后输入传感器,激励源为20Hz 、4V 的正弦波。(2传感器与试板形成磁回路,然后由接收线圈收集材料的跳跃信号。(3接收由集成运算放大器CA 3140组成前置放大、高低通模拟滤波、后置放大和信号调理后由PCI 1712数据采集卡的A/D (模/数进入工控机。

10、(4工控机进行信号处理和显示2。2.2系统软件组成软件的开发是虚拟仪器的核心,L ABV IEW 提供了强大的数据采集、处理和分析等功能3。功能模块的图形化组合,实现各种所需要的功能。以LABV IEW 为开发平台编制的用户程序被称为虚拟仪器程序(简称V I 。每一个V I 包括三个部分:(1前台面板是用户进行测试的主要输入输出界面。模拟真实仪器的前面板,用于仪器的操作控制、设置输入参数和观察输出量,常由开关、按钮、旋钮、图形、图表和文字说明等构成。各虚拟仪器程序的建立、存取和关闭等操作也由面板上的命令菜单完成。(2后台框图是测试人员根据测试方案和步骤,进行测试编程的界面。与每一个前台面板相对

11、应,用图形编程语言编写,将系统需要的功能模块进行有序的安置,并定义连接各个模块的输入输出端口,以确定框图内数据流的方向。(3图标/连接口是界面右上角的小方块图标,用于生成V I 子程序。图标表示该V I 子程序的定义,连接端口表示该子程序的入口和出口4。系统通过单通道信号采集模块后,再进行噪声信号分析处理,主要通过时域范围内的均方根(RMS 处理和频域范围内的功率谱分析,来说明热处理前后微结构变化和板材应力变化所引起的巴克豪森信号变化。7712005年第27卷第4期3试验测试3.1试验板材试验板材型号SM570,主要化学成分为碳、硅、锰、磷和硫,尺寸为长700mm 、宽299mm 、高45mm

12、 。两块板材为焊后和焊后热处理两种状态。3.2盲孔法测量数据表1为盲孔法测量数据。测量结果表明,焊后板的最大残余应力平均值max =185M Pa ,热处理后板的max =87M Pa ,下降达53%。说明热处理对板材的微结构和应力产生了一定的影响。表1盲孔法最大残余应力m ax 的测量数据MPa测点焊后热处理后测点焊后热处理后1168118423696218084516794317340平均值185873. 3巴克豪森测量数据采用自制的BN 测试仪分别对焊缝处的BN 信号进行测量。由于信号规律比较复杂,所以采取了一定的数据处理方法,分别为统计方法中的RMS 处理和频域中的功率谱分析。3.3.

13、1RMS 测量数据分析系统采样一定周期的信号后进行统计分析,计算信号的平方根均值,得X =1nn-1i =0X2i采样的信号及其某次RMS 的计算值如图3所示。表2为焊后和热处理后RMS 测量数据。可以发现,尽管某些点信号强度增大,但X ,Y 方向焊后和热处理后的信号强度整体呈下降趋势,下降率为X 方向达26%,Y 方向达17%。说明随着应力的减少,巴克豪森信号强度整体呈下降趋势。3.3.2功率谱测量数据分析通过L ABV IEW 编程后,将时域信号转化为频图3巴克豪森采样信号及RMS 值表2RMS 测量数据V测点焊后热处理后X 方向Y 方向X 方向Y 方向10.728 1.0640.5960

14、.9522 1.080 1.1900.5940.70830.7660.9480.4820.79040.8980.7460.9120.836平均值0.8680.9870.6460.822域信号,并进行功率谱分析,来说明板材热处理前后巴克豪森信号的变化。图4为某次巴克豪森信号的功率谱分布,并求出了最大值及最大值出现时的相应频率。表3为测量的功率谱数据,共测四点。可以发现最大值出现时的频率值前后基本一致,均为25k Hz 左右。但功率谱最大值无论X 方向还是Y 方向,整体上来说均已发生显著变化。X 方向整图4信号功率谱分布图及分析表3功率谱测量最大值及其频率测点焊后X 方向焊后Y 方向热处理后X 方

15、向热处理后Y 方向频率/Hz 最大值/V频率/Hz 最大值/V频率/Hz 最大值/V频率/Hz 最大值/V1250320.027*.0318251040.0199250350.01632250900.0403250340.0363252470.0112251050.03243250890.029*.024*.0168253220.01534252050.0264251030.0323251740.0166251770.0229平均值251040.0310251090.0310251750.0160251590.0230(下转第182页871彭家宁等:小波尺度加权法在粗晶材料超声波检测中的应用无

16、损检测 2005年第27卷第4期(a 采样信号(b 处理后的信号图6缺陷明显的超声回波信号及其处理(a 采样信号(b 处理后的信号图7缺陷不明显的超声回波信号及其处理<1.5mm ,深度为35mm 的长横孔产生的,图7a 的缺陷信号是由直径为<1mm ,深度为38mm 的长横孔产生的。其处理结果分别见图6b 和7b 。图7a 的缺陷信号已经完全被湮没在结构噪声信号中,相对而言图6a 的缺陷信号较为明显,但仅靠肉眼很难从这两个图的回波信号中判断缺陷存在与否。从图6b 和7b 可以看出,经过小波尺度加权降噪处理后,缺陷信号仍然保持原有的波幅,得到较好的保留,而结构噪声受到较强的抑制,重

17、构的超声波回波信号明显地反映出缺陷的有无和位置。5结束语通过对粗晶材料超声波信号降噪原理的分析及对两种超声波信号小波降噪方法的探讨,在非线性阈值法的基础上提出小波尺度加权降噪法。试验研究表明,小波尺度加权降噪法使得缺陷信号得到较好的保留,而噪声信号受到较强的抑制。这是因为赋予缺陷信号占优尺度以相对较大的权重,有利于突出缺陷信号,而噪声信号占优尺度的权重较小,使其受到较强的抑制;对缺陷不明显信号的降噪,尺度加权法在处理信噪比相对更低的超声信号时优势更为突出。与小波尺度加权降噪法相结合的超声波检测工艺已经应用于广西岩滩水电厂水轮机粗晶材料叶片的缺陷检测中,取得了良好的效果,对保障机组的安全运行起到

18、了非常重要的作用。参考文献:1Mallat S.A theory for multiresolution signal decompo 2sition :the wavelet representation J .IEEE Trans PAMI ,1989,11(7:674-693.2陈岳军.小波分析模极大值在粗晶材料超声检测中的应用J .无损检测,1997,19(2:32-34.(上接第178页体下降率达48%,Y 方向达25%5。4结语(1试验通过自制的传感器、信号调理电路及数据采集卡PCI1712和L ABV IEW 有效地搭建了巴克豪森信号的测量系统及分析平台,为进一步试验提供了可能。(2经试验发现,热处理前后随着板材应力的减少,无论是RMS 分析,还是功率谱分析,巴克豪森信号强度呈整体下降趋势。(3从功率谱分析来看,最大值出现时的频率基本一致,热处理前后变化不大。(4信号分析结果还不能量化地给出应力的大小和热处理效果,只能从定性的方面来说明。量化分析仍需进一步进行数据处理分析,寻找相关系数。参考文献:1祁欣,陈娟,刘殿魁.局部磁化法对焊接结构构件残余应力的磁弹噪讯测试J .焊接学报,2000,