电磁检测材料巴克豪森效应的研究

电磁检测材料巴克豪森效应的研究

随着我国高速铁路的快速发展，道路交通密度、载重量和速度的不断扩大，加剧了铁路损坏。而且我国铁路情况很复杂,线路运行状况较差,超期服役的钢轨数量大,钢轨损伤率高,因损伤造成的钢轨断裂的情况经常发生,直接对行车安全造成威胁。研究表明,虽然钢轨损伤类型多样,但其早期形成都源于局部应力过大,所以钢轨应力状态的检测对于高速铁路轨道的安全保障具有重大意义。巴克豪森效应指出,由磁畴组成的铁磁性材料施加交变磁场作用,磁畴会沿外磁场作用方向发生90°或180°反转或使磁畴壁移动,这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变的、阶跃式的脉冲信号。研究表明,这些脉冲信号与被测区域的应力场、塑变、晶粒取向及各种微观结构的不均匀性等微观因素有关,因此,对巴克豪森噪声进行分析,能够获得材料表面和内部的微观状态和应力信息。目前常用于描述巴克豪森信号的时域特征值主要有信号均值、均方根、振铃数、峰值、峰值时间和峰宽比,研究不同激励参数对巴克豪森应力检测信号的影响,对于选择合适的激励源和特征值评价被测材料的微观结构和应力状态,提高检测灵敏度很有必要。1加力及信号系统试验块采用如图1所示的四点弯曲加载方式,用以验证和分析不同因素对巴克豪森信号的影响程度。试验系统包括:(1)四点弯曲加载平台可以实现手动加载压力,加力范围是0～1000N。(2)加载试块:A3钢块一条,尺寸为660mm×30mm×5mm。(3)巴克豪森信号采集和处理系统。试验中,针对某一确定的激励形式,固定激励电压(试验中为避免激励信号过大而在检测线圈中形成感应脉冲,激励电压选为3.2V),通过应力加载机实现被测钢条的上表面所受压应力从0～150MPa变化,考虑到巴克豪森信号主要集中在4～20kHz,采集系统采样频率为200kHz。2信号的三种特征值分别使用三角波和正弦波激励时,分别采用2,5,10Hz作为激励频率,采集巴克豪森噪声。从图2(a)和(b)中可见,当应力从0～150MPa变化时,峰值的相对值从100%呈现明显的单调递减规律,且激励频率为2Hz时这一下降过程最为明显,在150MPa应力下峰值降为无应力时的0.46;峰宽比随着应力增加也呈下降趋势,其下降的幅度很明显,但是在45MPa以内线性度良好,而在75MPa时已达饱和,随压应力增加几乎无变化,且丧失了单调性;笔者尝试对应力取对数坐标,以2Hz激励为例,则在0～90MPa线性度很好,应力进一步增大后,对数曲线也呈现明显波动。从图2(c)和(d)可见,应力从0～150MPa变化过程中,均值和均方根的相对变化都是单调的。以2Hz激励下的响应为参考,均值的相对变化量只有大约25%,而均方根的相对变化量约有40%;通过对比不同频率下的特征值可见,改变激励频率对响应的影响并不大,2Hz的激励只是相对好一些;而频率变化对均方根的影响就相对比较明显,三条响应曲线分开比较明显,不论是线性度还是相对灵敏度,2Hz激励下的响应都明显优于高频激励。从图2(e)和(f)可见,峰值时间在应力较小的时候能反映出应力的变化趋势,且在大约50～70MPa之间具有较高的相对灵敏度,而在应力增大后很快饱和,且丧失了响应的单调性,频率改变对响应信号的影响并不明显;振铃数在频率较低的时候具有良好的相对灵敏度和线性度,变化范围超过70%,且频率对响应信号的影响很明显,不论是线性度还是相对灵敏度,2Hz激励下的响应都明显优于高频激励。正弦信号作为激励,在巴克豪森检测系统中被普遍采用,因而在此用其与三角波激励对比,激励电压和频率采用与三角波试验中一样的3.2V和2,5,10Hz,所得巴克豪森信号的六种特征值分别如图3所示。由图3(a)和(b)可见,正弦激励下,信号的峰值和峰宽比的相对变化也呈现出与三角波激励基本一致的趋势,最大特点就是2Hz激励的响应信号具有良好的单调性,且频率的影响明显。如图3(c)所示,正弦激励下的巴克豪森信号均值,在低频激励下随应力的增大呈单调减小,不过非线性比较严重;均方根则在低频激励情况下有良好的线性度和灵敏度。由图3(e)和(f),振铃数在低频激励下具有良好的线性度和灵敏度表现,但响应的线性度和相对灵敏度随激励频率升高而迅速恶化,且受频率影响显著减小;峰值响应时间则与应力变化缺乏足够的对应关系,并且改变激励频率几乎不改变响应的峰值时间。从以上三角波和正弦波激励下,不同激励频率所产生的巴克豪森响应分析,在静态测试条件下:(1)低频激励下响应的线性度和灵敏度要明显优于高频激励下的响应。从巴克豪森效应的微观机理解释,因为巴克豪森信号是铁磁性材料在外部磁场作用下,磁畴壁发生移动或翻转所导致的磁矢量变化过程中产生的随机信号,由于材料磁畴壁类型、自由能因素影响,当外部磁场改变时,磁畴壁的移动或翻转是一个过程,如图4所示。低频激励下,磁畴可以获得足够的翻转时间,因而各特征值可以包含足够的材料微观结构和应力状态信息;当激励频率升高,由于外加磁场的变向时间间隔缩短,使得部分畴壁能较高的磁畴未能获得足够的翻转时间,从而在宏观上体现为特征值相对降低。(2)在激励的低频阶段,频率对响应信号的特征值的影响要比在高频阶段的明显。从图4中可以看出,巴克豪森噪声信号在激励信号过零点附近有强烈输出。根据磁滞效应,激励过零点处是激励变化率最大的时刻,而外加磁场并未能立刻反向,而是要滞后一段时间,这就是巴克豪森信号峰值时间总是大于零的原因;当外加磁场开始急剧变化的时候,材料中的磁畴开始剧烈翻转,当激励的变化率逐步降低,巴克豪森噪声的信号幅值也随之降低。由于磁畴的剧烈翻转过程时间相对很短,所以当从低频逐步升高时,由于响应信号的幅值有效翻转时间急剧减小,对巴克豪森噪声信号的影响也迅速降低,体现在宏观上即表现为频率增大之后对巴克豪森信号的影响越不明显。3角波和正弦波激励的巴克豪森信号特征值对比用不同频率下的三角波、正弦波激励,对检测到的巴克豪森信号分别计算六种特征值,用以对比激励波形变化对巴克豪森响应的特征值的影响。如图5(a)和(b)所示,用试验中所用两种形式激励信号不同频率的巴克豪森响应的振铃数这一特征值进行比较。首先,对于三角波和正弦波激励,低频响应明显优于高频激励;其次,三角波和正弦波两种激励方式相比较,三角波激励的巴克豪森振铃数可以更好地反映出应力的变化。图5(c)和(d)所示,巴克豪森信号峰宽比这一特征值也具有和振铃数类似的规律,但是对于不同激励的区分度不太明显。由图5(c)和(d)可见,三角波和正弦波激励下,除了三角波2Hz激励下的峰值这一特征值,各频率激励的响应区分度并不明显;由图5(e)和(f)可见,对于均值和均方根这两个特征值,三角波的2Hz激励的巴克豪森信号的均方根与应力的对应关系在线性度和灵敏度上都要优于均值。通过上述不同激励的六个特征值的比较,三角波在同频激励下的巴克豪森信号特征值要明显优于正弦激励;对于三角波的不同特征值,峰值和均方根对应力的变化更敏感。正弦激励虽然频率单一,比三角波少了谐波分量,但是巴克豪森信号体现的是磁畴翻转,高频谐波由于幅值很小,而且由于磁化时间的限制,高频分量对巴克豪森信号的影响很微弱;而三角波的电压变化率是固定的,因而导致外加于材料的磁场变化率也是固定的,则减少了因外部磁场非线性变化而引起的巴克豪森信号特征值的非线性,所以,用三角波作为激励,均值、均方根等特征值均呈现出比正弦激励更好的线性度。4试验结果分析由以上试验对比可得出以下结论:(1)对于同样的激励形式,由于低频激励可使材料内部磁畴获得足够的翻转时间,所以笔者认为在2,5,10Hz这三种激励频率中,正弦激励和三角波激励下都应选择2Hz的激励频率。(2)对于试验采用的正弦和三角波激励性比较,三角波激励因电压线性变化,其巴克豪森信号的各特征值均比正弦波激励下的响应特征值具有更好的线性度。(3)由结论(1)以及试验中发现激励频率增大之后的响应信号特征值与应力关系曲线区分