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原文传递一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法

专利名称：	一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法
摘要：	本发明公开了一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，根据被测件的尺寸及材质，确定电磁混频传感器的磁场混频信号检测方向；选定某一信号采集位置，将传感器紧贴于铁磁构件表面，激励一高低频调制的正弦信号作为混合励磁信号，进行电磁混频检测；由计算机对采集到的磁混频非线性信号进行处理；利用试件表面切向磁场和试件内磁通量密度绘制磁滞回线，计算电磁混频特征参量，得到电磁混频幂律系数随不同试件疲劳损伤程度变化的表征结果图。通过对电磁混频信号进行分析处理，利用电磁混频幂律系数表征材料硬度变化，可有效减弱基频噪声对表征参量的影响，有利于材料疲劳损伤的准确表征。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京工业大学
发明人：	焦敬品;常予;李光海;吴斌;何存富
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-20T00:00:00+0800
申请号：	CN201910336843.1
公开号：	CN110261469A
代理机构：	北京思海天达知识产权代理有限公司
代理人：	沈波
分类号：	G01N27/85(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	100124 北京市朝阳区平乐园100号
主权项：	1.一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的， 1)被测试件选取不同疲劳加载条件下的铁磁构件，各试件的尺寸一致，材料相同，疲劳加载周期不同，且表面平整不存在凹坑、孔洞和裂纹缺陷；在被测试件表面中心位置作为传感器检测的数据采集点，不同被测试件的检测位置一致； 2)将电磁混频传感器置于被测试件表面中心检测位置，传感器内部磁敏元件的信号拾取方向与被测试件表面的切向平行；检测结果为被测试件表面切向磁场和试件内磁化场的磁感应强度；传感器与被测试件的提离距离小于1mm； 3)利用计算机控制激励采集板卡，输出一高低频调制的正弦信号用于混合励磁；高低频混频励磁的幅值小于0.2，频率比大于102；启动功率放大器，当传感器位于传感器表面中心数据采集点时，检测到的电磁混频信号会通过信号激励采集板卡显示在计算机上，保存该检测信号； 4)传感器的检测位置不变，保存多次重复采集的磁混频信号；更换被测试件，重复上述操作，完成不同疲劳下的被测试件电磁混频信号的采集； 5)由计算机对采集到的电磁混频信号进行处理；利用被测试件表面切向磁场和被测试件内磁通量密度绘制磁滞回线，根据局部磁滞损耗计算被测试件中心位置单次检测的电磁混频幂律系数WF0； 6)统计同一被测试件同一位置多次检测结果的平均电磁混频幂律系数值，绘制平均电磁混频幂律系数随不同被测试件疲劳损伤程度变化的表征结果；根据电磁混频幂律系数变化表征被测试件的疲劳损伤程度。 2.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，其特征在于：本方法提出的磁混频非线性检测，在高低频混合励磁条件下，低频磁化场频率较低，幅值较大，对铁磁性材料进行不可逆磁化，而高频磁化场由于频率较高，幅值较小，对材料进行可逆磁化；当交流电场施加到励磁线圈上时，所产生的交变磁场将铁磁材料磁化，该磁化场M表示为式中，Ms表示饱和磁化场，m0表示磁矩，μ0表示磁导率，H(t)表示随时间变化的外加磁场，kB表示玻耳兹曼常数，T表示绝对温度，表示郎之万方程；若该励磁场H(t)为两不同频率磁场的混合场，表示为 H(t)＝A1sin(2πf1t+φ1)+A2sin(2πf2t+φ2) (2) 式中，f1和f2分别表示两激励电压的频率，且f1>f2，φ1和φ2分别表示两励磁电压的相位；将外加混合磁场代入公式(1)，磁化场M(t)的泰勒级数展开式为由公式(3)可知，两不同频率的磁场作用于铁磁材料时不仅会出现线性响应分量，由于两磁场的相互作用还会产生非线性分量；对公式(3)进行傅里叶变换，磁化场的频谱M(f)表示为式中，α＝m0μ0/kBT，δ表示单位冲激函数；检测信号中不仅出现了f1和f2的线性响应分量，还出现了非线性响应产生的谐波分量和混频分量；由于对称相消法则，检测信号中只存在多阶奇次谐波项和偶次混频项；因此，在频谱中非线性响应表现为两基频分量产生幅值递减的多阶奇次谐频分量和偶次混频分量；对于铁磁性材料，当利用的混频励磁信号对材料进行周期磁化时，材料的磁滞回线是由低频磁化场作用下的主磁滞回线轮廓和高频磁化场作用的局部磁滞回线组成的；其中，局部磁滞回线所包围的面积表示材料的局部磁滞损耗，与磁化强度的混频非线性效应相关，因此利用局部磁滞回线计算的特征参数可用于表征材料的电磁非线性效应；根据斯坦梅茨磁滞损耗理论，磁滞损耗与磁通量密度间的幂律关系同样适用于局部磁滞回线，表示为式中，WF为局部磁滞损耗，可由局部磁滞回线的面积表示；Ba为最大磁通量密度，由局部磁滞回线的磁通密度峰值计算，即Ba*＝\|Bmax-Bmin\|/2；Bs为主磁滞回线的饱和磁通量密度；nF为幂指数常数，铁基合金材料的幂指数为1.5或1.6；WF0为局部磁滞损耗幂律系数；计算不同被测试件的电磁混频幂律系数，即可得到电磁混频效应随检测材料疲劳损伤的表征结果；通过检测的电磁混频特征参量表征材料疲劳损伤，可有效减弱基频噪声对混频分量的影响，同时避免了系统谐振频率非线性效应对材料混频非线性效应的影响。 3.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性材料疲劳损伤检测的电磁混频检测方法，其特征在于：实现该方法的装置包括计算机(1)、信号激励采集板卡(2)、功率放大器(3)和电磁混频传感器(4)；首先，计算机(1)与信号激励采集板卡相连后，用于控制磁混频信号的激发和检测信号的显示与分析处理；信号激励采集卡(2)的输出端口与功率放大器(3)的输入端口相连，用于将采集的激励信号放大；接着，将功率放大器(3)的输出端接入电磁混频传感器(4)的输入端，用于传感器对检测试件的磁化；同时，电磁混频传感器(4)的输出端与激励采集板卡(2)的输入端相连，用于传输采集到的电磁混频信号。
所属类别：	发明专利