基于磁巴克豪森技術的鐵磁材料應力無損檢測系統研究

王 杰，馮家俊，楊超林，張亮亮，李思誠

（南京工程學院，江蘇 南京）

引言

隨著我國工業不斷發展，鐵磁材料和機械零件的應力檢測是船舶、航空、國防等機械行業中急需解決的問題。機械零件在需要承受應力的環境下長時間服役，會減少零件壽命，甚至出現應力集中現象[1]。機械零件所受載荷超出安全范圍的隱患不易察覺。為保證設備正常運轉，對零件應力的檢測十分重要。

目前，測試應力的無損檢測方法有X 射線法[2]、超聲波法[3]、應變片法[4]。X 射線法是通過金屬晶格畸變檢測應力，但檢測深度淺、設備昂貴；超聲波法受限于超聲波耦合，無法滿足高精度應力檢測；應變片法只能檢測產生變形的零件。仍需要開發新型鐵磁材料無損檢測系統，以滿足機械零件精確、快速檢測的要求。

1919 年德國科學家H.Barkhausen[5]首次發現磁巴克豪森噪聲，確立了磁疇理論的正確性。Tiitto 等[6]學者檢測鐵磁材料應力時對比MBN 技術、鉆孔法、X 射線法，發現三種方法都能表征應力。Durin G 等[7]使用頻譜分析MBN 信號特征值，成功表征試樣應力。Jiles等[8]學者推導出趨膚深度公式，并建立了應力梯度數學模型。

本文提出了一種磁巴克豪森檢測系統，利用高熵合金磁芯搭建的磁噪聲探頭檢測45 鋼試樣，評估其受到的拉伸應力。對系統硬件模塊單元選型，利用虛擬儀器Labview 成功模擬出電壓放大器、帶通濾波器；使用檢測系統的MBN 信號特征值表征試樣所受應力。

1 MBN 檢測系統搭建

本文提出的優化磁巴克豪森檢測系統原理如圖1所示，該系統由信號發生模塊、檢測探頭模塊、數據處理模塊組成。

圖1 磁巴克豪森檢測系統原理

1.1 信號發生模塊

信號發生模塊由信號發生器、功率放大器、電阻元件組成。

信號發生器選擇RIGOL DG1022，內置正弦波、三角波等60 種任意波形，最高輸出頻率25 MHz，采樣率高達200 MSa/s，滿足MBN 檢測系統的激勵信號參數要求。

功率放大器選用Aigtek ATA-309，最大輸出810 W 功率，可以驅動功率型負載，且輸出穩定。

系統電路中，勵磁線圈會對電路產生阻礙作用，其感抗由于交流電頻率較低而較低，在功率器放大電信號時，會產生一個較大的電流，容易對功率放大器造成損壞，在勵磁線圈和功率放大器之間串聯一個電阻元件來保護檢測系統設備不受沖擊。

1.2 檢測探頭模塊

檢測探頭模塊包含U 型磁軛、激勵線圈、磁敏傳感器。

U 型磁軛長80 mm，寬30 mm，腳柱橫截面為22 mm*30 mm 的矩形，勵磁線圈纏繞在U 型磁軛頂部，約500 匝，線圈橫截面積為0.38 mm2。

磁敏傳感器置于U 型磁軛兩極之間，由檢測線圈和磁芯構成。其中1000 匝直徑0.35 mm 的檢測線圈纏繞在磁芯上。

磁芯選用高熵合金FeCoNi(MnAl)0.25，其具有高飽和磁化強度、低矯頑力等優異軟磁性能，可以達到力學性能和磁性能的平衡，在無損檢測、電磁屏蔽等領域都具有巨大的應用潛力[9]。

1.3 數據處理模塊

數據處理模塊包括數據采集卡、上位機。

數據采集卡選用NI 信號采集卡，NI6356 采樣頻率達到500 KHz，滿足MBN 高頻信號輸出要求。

由于MBN 技術在磁化試樣過程中會產生一個磁場，當電壓放大器周圍存在復雜電磁場時，電壓放大器的輸入電路或某些重要元件容易被雜散磁場干擾，而出現噪聲電壓。

本文MBN 檢測系統傳統電壓放大器和帶通濾波器由虛擬儀器Labview 模擬，可以避免元器件對信號的噪聲干擾。在虛擬儀器Labview 內置的電壓放大器和濾波器進行電壓放大和濾波。電壓放大增益為500 dB，濾波類型采用帶通濾波，設置最低截止頻率為1 kHz，最高截止頻率為100 kHz。磁巴克豪森信號通過Labview 虛擬儀器顯示并保存至上位機。

2 實驗

2.1 試樣準備

采用真空電弧熔煉法制備FeCoNi(MnAl)0.25高熵合金磁芯。將熔煉爐抽至真空，爐內表壓為-0.05 MPa。使用粉末熔煉，期間合金錠翻轉熔煉6 次，每次持續時間為5 分鐘，并開啟電磁攪拌進行混合。熔煉完成后，將合金鑄錠切割成直徑10 mm，高20 mm 的高熵合金磁芯。

拉伸試樣選用45 鋼，試樣未受拉力前的規格為255 mm*25 mm*3 mm，實驗前對試樣進行600 ℃，4 h 去應力退火以及除銹劑去除表面氧化層處理。

2.2 拉伸試驗

在0 MPa～210 MPa 范圍內，試樣在拉伸試驗機每隔10 MPa 做一次拉伸試驗，夾具加緊試樣后，STM32 單片機精確控制伺服電機運動加上閉環反饋系統，保證試樣受到拉伸應力的精度誤差不超過0.1 MPa，拉伸試驗機對試樣施加一個持續增加的力，達到設定的應力后停止。每次試驗完成后卸載試樣，以模擬機械零件在工作中受到的拉伸應力，對初始狀態以及每次拉伸試驗后的試樣使用搭建的MBN 應力檢測系統進行檢測實驗。

2.3 應力檢測

由信號發生器提供一個4 Hz、6 V 的正弦激勵信號，信號經過功率放大器放大，使激勵線圈產生一個交變的磁場。45 鋼試樣在磁化過程中，疇壁翻轉產生MBN 信號，信號通過磁敏傳感器傳輸至上位機。虛擬軟件Labview 對信號放大并濾波，每個應力測試十組1s 的信號。均方根是常見的特征值，用于評估信號強度。在一定周期內，MBN 信號均方根計算公式：

提取MBN 信號特征值波形因子，其計算公式如下：

對MBN 信號傅里葉變換后，提取頻域特征值重心頻率：

3 實驗結果

初始45 鋼試樣測得的MBN 信號和頻域振幅譜如圖2 所示。

圖2 檢測系統測得的MBN 信號和頻域振幅譜

圖2（a）中一個激勵周期出現兩個峰，MBN 信號峰值總是在激勵電壓梯度最大時出現。將MBN 信號傅里葉變換處理后，得到振幅譜如圖2（b），信號振幅譜的包絡線整體呈現出正態分布，振幅譜峰值出現在頻率11 KHz 時。提取MBN 信號特征值均方根、波形因子以及MBN 信號振幅譜特征值重心頻率，作變化關系圖,并計算95%置信區間和95%預測區間得到結果如圖3 所示。

表1 擬合系數

圖3 不同特征值與拉伸應力的擬合曲線、置信區間和預測區間

特征值均方根的擬合系數0.998 12 更接近1，是三個特征值中擬合度最高的，其置信區間、預測區間小，與擬合函數吻合度高，可以建立與拉伸應力的關系；其次是特征值波形因子，置信度略低于均方根，不建議表征拉伸應力；特征值重心頻率的變化趨勢與其他特征值不同，其置信區間和預測區間大于其他特征值，且離散度較高，難以表征拉伸應力。

4 結論

本文基于MBN 技術搭建應力無損檢測系統，該系統用于評估鐵磁性試樣所受拉伸應力大小；MBN 檢測系統將電壓放大器和帶通濾波器由虛擬儀器Labview 模擬代替，以減少干擾；MBN 探頭磁芯采用高熵合金FeCoNi(MnAl)0.25 代替傳統鎳鋅鐵氧體磁芯；使用均方根、波形因子、重心頻率三個MBN 信號特征值表征試樣所受拉伸應力，均方根與拉伸應力的擬合95%置信區間和95%預測區間最小，擬合誤差小，適于表征鐵磁材料所受拉伸應力。