專利名稱:鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型屬于應(yīng)用磁彈波技術(shù)的新型無損檢測技術(shù)范疇,涉及一種鐵磁材料磁
彈波應(yīng)力檢測系統(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,無損檢測技術(shù)已成為確保產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備安 全運行的重要手段,并且已經(jīng)形成一門新興獨立的綜合性應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。無損檢測是在不 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,探測被檢對象內(nèi)部和表面的 各種缺陷及某些物理性能。 開展對鐵磁構(gòu)件服役應(yīng)力,疲勞壽命的在線、快速、瞬態(tài)或跟蹤檢測,一直是受人 們重視的一個無損檢測難題。因為鐵磁材料加工制造的機械構(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)件整體強度降低,特別是疲勞強度的降低,使設(shè)備運行不安全或 破損,如壓力容器焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力檢測及服役應(yīng)力跟蹤檢測,扭桿、大型構(gòu)件的應(yīng)力及疲 勞檢測,大型結(jié)構(gòu)鋼架的應(yīng)力平衡檢測,橋梁鐵索、鋼絲繩的應(yīng)力疲勞檢測,凸輪車軸、轉(zhuǎn)子 的扭矩檢測,船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的完好性評價等等。這是僅舉的典型檢測難題,也是機械,石油 化工,航空,鐵路,國防工業(yè)急需解決的無損檢測難題。 傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測方法有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 檢測應(yīng)力,深度僅達(dá)數(shù)ym,設(shè)備復(fù)雜,現(xiàn)場工程檢測不方便;超聲波法檢測應(yīng)力由于受耦 合因素,嚴(yán)重影響檢測的精度;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 變來檢測應(yīng)力,若構(gòu)件固定不產(chǎn)生形變,則無法檢測材料內(nèi)部應(yīng)力。 因此,從材料檢測,壽命檢測的角度,迫切需要一種既能檢測鐵磁材料殘余應(yīng)力, 服役內(nèi)應(yīng)力的大小及分布、疲勞及壽命,又不需測應(yīng)變,并能瞬間定點、在線進行檢測的方 法,用于指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)備的運行安全及維修。 鐵磁材料被交變磁場局部磁化以后,材料內(nèi)部的磁疇發(fā)生錯動,實驗發(fā)現(xiàn)磁疇的 不可逆運動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 接收到磁疇錯動釋放的抖動脈沖電壓和噪音,經(jīng)信號處理,形成特征噪訊。該現(xiàn)象是1919 年德國物理學(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鐵磁構(gòu)件結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)實施檢
實用新型內(nèi)容鑒于上述研究背景,本實用新型提出了一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng),可廣 泛用于機械構(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)力檢測及疲勞壽命檢測。 本實用新型的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng),由信號發(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)的信號連接為信號發(fā)生器輸出可調(diào)頻 正弦波,經(jīng)功率放大器對信號放大,提供磁化器對鐵磁構(gòu)件表面進行交變磁化所需電壓,鐵 磁材料內(nèi)磁疇在交變磁場的作用下發(fā)生位錯釋放磁彈噪訊,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)對磁 彈噪訊的正半周取包絡(luò),示波器用于顯示檢波信號,輸出的檢波信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號,經(jīng)用拉格朗日插值方法編制的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集、處理、與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo) 定曲線數(shù)據(jù)對比,由數(shù)碼管顯示測量值,進行數(shù)據(jù)顯示。 所述的信號發(fā)生器包括精確波形發(fā)生器芯片和外圍元件,所述信號發(fā)生器為正弦 波信號發(fā)生器,信號發(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)力檢測深度為 所述的功率放大器是為了把正弦波信號發(fā)生器輸出的信號進行功率放大,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。 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)計指標(biāo),按照鐵磁材料應(yīng)力確定磁化提升力,計算磁化電流,確定鐵芯截面積,計算 導(dǎo)線直徑,確定磁通量。經(jīng)計算,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。此時,為了滿足檢測系統(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個磁彈噪訊信號的包絡(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)。 本實用新型能夠?qū)﹁F磁構(gòu)件在無需測應(yīng)變的情況下對其服役應(yīng)力、疲勞壽命進行 在線、快速、瞬態(tài)以及跟蹤檢測。
圖1本實用新型提出的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖2本實用新型檢測系統(tǒng)的軟件程序流程圖。 圖3本實用新型檢測系統(tǒng)的主放大系統(tǒng)原理圖。圖中2、3、4、6、7均為管腳。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本實用新型進行進一步說明。 如圖1所示,本實用新型的一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng),由信號發(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,所述信號發(fā)生器為正弦波信號 發(fā)生器,信號發(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 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個磁彈噪訊信號的包絡(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,檢測系統(tǒng)的信號發(fā)生器輸出l-10Hz可調(diào)的正弦波,經(jīng)功率放大器對
正弦波信號放大,供磁化器對鐵磁構(gòu)件表面進行交變磁化所需電壓。 鐵磁材料內(nèi)磁疇在交變磁場的作用下發(fā)生位錯釋放磁彈噪訊,由磁彈波接收系統(tǒng) 接收。經(jīng)前置電壓放大器(簡稱"前放",見圖l),主放大器(簡稱"主放",見圖l),選擇放 大(簡稱"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)對磁彈噪訊的正半周取包絡(luò),示波器用 于顯示檢波信號,輸出的檢波信號經(jīng)8098單片機的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)用拉格朗日插 值方法編制的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集、處理、與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)對比,由儀 器面板上的數(shù)碼管顯示測量值,進行數(shù)據(jù)顯示。該儀器可對鐵磁構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、應(yīng) 力狀態(tài)實施在線、瞬間、定點測試,單點測量時間為5秒。 檢波系統(tǒng)對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)。 以上實施例僅用于說明本實用新型,但不用來限制本實用新型的范圍,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)方案均屬于本實用新型的保護范疇,本實用新型的專利保護范 圍應(yīng)由各項權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng),其特征在于所述系統(tǒng)由信號發(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)的信號連接為信號發(fā)生器輸出可調(diào)頻正弦波,經(jīng)功率放大器對信號放大,提供磁化器對鐵磁構(gòu)件表面進行交變磁化所需電壓,鐵磁材料內(nèi)磁疇在交變磁場的作用下發(fā)生位錯釋放磁彈噪訊,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)對磁彈噪訊的正半周取包絡(luò),示波器用于顯示檢波信號,輸出的檢波信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)用拉格朗日插值方法編制的軟件程序?qū)?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集、處理、與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)對比,由數(shù)碼管顯示測量值,進行數(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)力檢測系統(tǒng),其特征在于所述的信號發(fā)生器包括精確波形發(fā)生器芯片和外圍元件,所述信號發(fā)生器為正弦波信號發(fā)生器,信號發(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)力檢測深度為mm量級。
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)。
專利摘要本實用新型涉及一種鐵磁材料磁彈波應(yīng)力檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)由信號源、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,分七級抑制、放大,一步一步壓縮頻帶,防止了噪聲干擾。檢波電路對磁彈噪訊的正半周取包絡(luò),輸出后的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)用拉格朗日插值方法編制的軟件對數(shù)據(jù)進行采集、處理,最后與標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)進行對比,從而可對鐵磁材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)進行在線、瞬間、定點測試,便于對現(xiàn)場設(shè)備的檢測。
文檔編號G01N27/82GK201464420SQ20082012438
公開日2010年5月12日 申請日期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 申請人:北京化工大學(xué)