基于磁巴克豪森技术的铁磁材料应力无损检测系统研究

王 杰，冯家俊，杨超林，张亮亮，李思诚

（南京工程学院，江苏 南京）

引言

随着我国工业不断发展，铁磁材料和机械零件的应力检测是船舶、航空、国防等机械行业中急需解决的问题。机械零件在需要承受应力的环境下长时间服役，会减少零件寿命，甚至出现应力集中现象[1]。机械零件所受载荷超出安全范围的隐患不易察觉。为保证设备正常运转，对零件应力的检测十分重要。

目前，测试应力的无损检测方法有X 射线法[2]、超声波法[3]、应变片法[4]。X 射线法是通过金属晶格畸变检测应力，但检测深度浅、设备昂贵；超声波法受限于超声波耦合，无法满足高精度应力检测；应变片法只能检测产生变形的零件。仍需要开发新型铁磁材料无损检测系统，以满足机械零件精确、快速检测的要求。

1919 年德国科学家H.Barkhausen[5]首次发现磁巴克豪森噪声，确立了磁畴理论的正确性。Tiitto 等[6]学者检测铁磁材料应力时对比MBN 技术、钻孔法、X 射线法，发现三种方法都能表征应力。Durin G 等[7]使用频谱分析MBN 信号特征值，成功表征试样应力。Jiles等[8]学者推导出趋肤深度公式，并建立了应力梯度数学模型。

本文提出了一种磁巴克豪森检测系统，利用高熵合金磁芯搭建的磁噪声探头检测45 钢试样，评估其受到的拉伸应力。对系统硬件模块单元选型，利用虚拟仪器Labview 成功模拟出电压放大器、带通滤波器；使用检测系统的MBN 信号特征值表征试样所受应力。

1 MBN 检测系统搭建

本文提出的优化磁巴克豪森检测系统原理如图1所示，该系统由信号发生模块、检测探头模块、数据处理模块组成。

图1 磁巴克豪森检测系统原理

1.1 信号发生模块

信号发生模块由信号发生器、功率放大器、电阻元件组成。

信号发生器选择RIGOL DG1022，内置正弦波、三角波等60 种任意波形，最高输出频率25 MHz，采样率高达200 MSa/s，满足MBN 检测系统的激励信号参数要求。

功率放大器选用Aigtek ATA-309，最大输出810 W 功率，可以驱动功率型负载，且输出稳定。

系统电路中，励磁线圈会对电路产生阻碍作用，其感抗由于交流电频率较低而较低，在功率器放大电信号时，会产生一个较大的电流，容易对功率放大器造成损坏，在励磁线圈和功率放大器之间串联一个电阻元件来保护检测系统设备不受冲击。

1.2 检测探头模块

检测探头模块包含U 型磁轭、激励线圈、磁敏传感器。

U 型磁轭长80 mm，宽30 mm，脚柱横截面为22 mm*30 mm 的矩形，励磁线圈缠绕在U 型磁轭顶部，约500 匝，线圈横截面积为0.38 mm2。

磁敏传感器置于U 型磁轭两极之间，由检测线圈和磁芯构成。其中1000 匝直径0.35 mm 的检测线圈缠绕在磁芯上。

磁芯选用高熵合金FeCoNi(MnAl)0.25，其具有高饱和磁化强度、低矫顽力等优异软磁性能，可以达到力学性能和磁性能的平衡，在无损检测、电磁屏蔽等领域都具有巨大的应用潜力[9]。

1.3 数据处理模块

数据处理模块包括数据采集卡、上位机。

数据采集卡选用NI 信号采集卡，NI6356 采样频率达到500 KHz，满足MBN 高频信号输出要求。

由于MBN 技术在磁化试样过程中会产生一个磁场，当电压放大器周围存在复杂电磁场时，电压放大器的输入电路或某些重要元件容易被杂散磁场干扰，而出现噪声电压。

本文MBN 检测系统传统电压放大器和带通滤波器由虚拟仪器Labview 模拟，可以避免元器件对信号的噪声干扰。在虚拟仪器Labview 内置的电压放大器和滤波器进行电压放大和滤波。电压放大增益为500 dB，滤波类型采用带通滤波，设置最低截止频率为1 kHz，最高截止频率为100 kHz。磁巴克豪森信号通过Labview 虚拟仪器显示并保存至上位机。

2 实验

2.1 试样准备

采用真空电弧熔炼法制备FeCoNi(MnAl)0.25高熵合金磁芯。将熔炼炉抽至真空，炉内表压为-0.05 MPa。使用粉末熔炼，期间合金锭翻转熔炼6 次，每次持续时间为5 分钟，并开启电磁搅拌进行混合。熔炼完成后，将合金铸锭切割成直径10 mm，高20 mm 的高熵合金磁芯。

拉伸试样选用45 钢，试样未受拉力前的规格为255 mm*25 mm*3 mm，实验前对试样进行600 ℃，4 h 去应力退火以及除锈剂去除表面氧化层处理。

2.2 拉伸试验

在0 MPa～210 MPa 范围内，试样在拉伸试验机每隔10 MPa 做一次拉伸试验，夹具加紧试样后，STM32 单片机精确控制伺服电机运动加上闭环反馈系统，保证试样受到拉伸应力的精度误差不超过0.1 MPa，拉伸试验机对试样施加一个持续增加的力，达到设定的应力后停止。每次试验完成后卸载试样，以模拟机械零件在工作中受到的拉伸应力，对初始状态以及每次拉伸试验后的试样使用搭建的MBN 应力检测系统进行检测实验。

2.3 应力检测

由信号发生器提供一个4 Hz、6 V 的正弦激励信号，信号经过功率放大器放大，使激励线圈产生一个交变的磁场。45 钢试样在磁化过程中，畴壁翻转产生MBN 信号，信号通过磁敏传感器传输至上位机。虚拟软件Labview 对信号放大并滤波，每个应力测试十组1s 的信号。均方根是常见的特征值，用于评估信号强度。在一定周期内，MBN 信号均方根计算公式：

提取MBN 信号特征值波形因子，其计算公式如下：

对MBN 信号傅里叶变换后，提取频域特征值重心频率：

3 实验结果

初始45 钢试样测得的MBN 信号和频域振幅谱如图2 所示。

图2 检测系统测得的MBN 信号和频域振幅谱

图2（a）中一个激励周期出现两个峰，MBN 信号峰值总是在激励电压梯度最大时出现。将MBN 信号傅里叶变换处理后，得到振幅谱如图2（b），信号振幅谱的包络线整体呈现出正态分布，振幅谱峰值出现在频率11 KHz 时。提取MBN 信号特征值均方根、波形因子以及MBN 信号振幅谱特征值重心频率，作变化关系图,并计算95%置信区间和95%预测区间得到结果如图3 所示。

表1 拟合系数

图3 不同特征值与拉伸应力的拟合曲线、置信区间和预测区间

特征值均方根的拟合系数0.998 12 更接近1，是三个特征值中拟合度最高的，其置信区间、预测区间小，与拟合函数吻合度高，可以建立与拉伸应力的关系；其次是特征值波形因子，置信度略低于均方根，不建议表征拉伸应力；特征值重心频率的变化趋势与其他特征值不同，其置信区间和预测区间大于其他特征值，且离散度较高，难以表征拉伸应力。

4 结论

本文基于MBN 技术搭建应力无损检测系统，该系统用于评估铁磁性试样所受拉伸应力大小；MBN 检测系统将电压放大器和带通滤波器由虚拟仪器Labview 模拟代替，以减少干扰；MBN 探头磁芯采用高熵合金FeCoNi(MnAl)0.25 代替传统镍锌铁氧体磁芯；使用均方根、波形因子、重心频率三个MBN 信号特征值表征试样所受拉伸应力，均方根与拉伸应力的拟合95%置信区间和95%预测区间最小，拟合误差小，适于表征铁磁材料所受拉伸应力。