巴克毫森噪聲應力檢測設備的開發(fā)與研究

林 洋，王 平，吳 杰，李 東，焦 婷

（南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210016）

0 引 言

我國鐵路建設進入了快速發(fā)展時期，尤其在高速鐵路建設方面，無縫鋼軌得到了廣泛應用，這就對鋼軌的可靠性和平穩(wěn)性有了很高的要求。又因為鐵路交通事故的不斷發(fā)生，研究鋼軌應力又有著重要的實際意義。由此可見，對于鋼軌應力的檢測和分析至關重要。

目前檢測應力的方法有磁巴克豪森噪聲法、金屬磁記憶法、漏磁法、渦流檢測法、X射線法、電阻應變片法，盲孔法等[1]。綜合比較它們的原理、使用范圍和各自的優(yōu)缺點，巴克豪森噪聲檢測技術在鐵磁材料的應力檢測中有較大的優(yōu)勢，它是用鐵磁性材料在磁化的過程中發(fā)生磁疇翻轉這一原理而測量的，通過鐵磁材料表面的檢測線圈提取巴克豪森噪聲（MBN）信號值，因此能夠對鐵磁材料構件的應力、殘余應力和微觀結構進行檢測，從而對鐵磁性材料疲勞失效及壽命評估進行有效診斷[2]。因此結合鋼軌本身的特點，可以采用巴克豪森噪聲方法來檢測鋼軌的應力。

所設計的巴克毫森噪聲應力檢測設備的整體系統(tǒng)是由激勵磁化電路、傳感器探頭、信號調理電路、信號采集系統(tǒng)等組成。通過對巴克豪森應力檢測的特征值分析，再對應力值進行標定，能夠精確測量鐵軌某點處的應力值。

1 巴克豪森應力檢測的理論基礎

1.1 MBN檢測原理

磁場中的物質由于受磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)象就稱之為磁化，磁化過程如圖1所示。

圖1 磁化過程

巴克豪森效應是德國Dresden大學巴克豪森（Barkhausen）教授于1919年發(fā)現(xiàn)的。鐵磁性材料內部存在著許多微小的不同取向的磁疇。在無外界因素作用下，每個磁疇沿其易極化的結晶方向取向，其總體磁化效果為零，對外不顯磁性。當有外加交變磁場或應力作用時，磁疇沿其作用方向發(fā)生90°或180°反轉或磁疇壁移動，導致磁疇呈現(xiàn)一定規(guī)則的取向，這種磁疇變化過程使材料內部產生一系列突變、階躍式的跳躍脈沖信號，即巴克豪森信號。這種磁化過程中的跳躍現(xiàn)象稱為巴克豪森效應，每次巴克豪森跳躍會在鐵磁材料表面的探測線中接受到一定功率譜分布的微弱電信號噪聲，稱為巴克豪森噪聲（MBN）[3]。

磁化曲線表征的是鐵磁物質在外磁場的作用下所具有的磁化規(guī)律，在外磁場的作用下鐵磁性材料會發(fā)生磁化，當達到飽和之后，去掉外加磁場，鐵磁質的磁化狀態(tài)并不恢復到原來的狀態(tài)，當磁化場在正負兩個方向上往復變化時，介質的磁化過程經歷著一個循環(huán)的過程，從而形成了磁滯回線[4]。MBN信號出現(xiàn)在磁滯回線的最陡階段（如圖2所示），以電壓的形式產生一種脈沖噪聲。

1.2 提取巴克豪森應力檢測的特征值

通常提取巴克豪森信號的平均值、均方根、包絡線、振鈴數(shù)、峰寬比這5種特征值來反映巴克豪森信號應力和微觀組織結構的關系，從而對材料受應力的情況和疲勞損傷的程度做出估計[5]。

圖2 磁滯回線與MBN信號

（1）平均值。一個磁化周期中所有MBN信號被濾波后所形成包絡線的幅值電壓。

（2）均方根。噪聲的強度通常采用均方根值來表示，即表征的是噪聲的能量[6]。

（3）包絡線。指激勵信號上升周期或下降周期內一個MBN信號的輪廓。

（4）振鈴數(shù)。在一個達飽和磁化的周期中產生的幅值大于某一閾值的振鈴個數(shù)，其值與閾值大小有關。

（5）峰寬比。包絡線峰值與半高全寬之比簡稱為峰寬比。

2 巴克豪森應力檢測設備

2.1 巴克豪森應力檢測設備的硬件功能介紹

設備主要包括傳感器檢測探頭、激勵信號發(fā)生模塊、信號調理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等，設備整體框架如圖3所示。

圖3 設備整體框架

2.1.1 激勵信號發(fā)生模塊

激勵發(fā)生模塊用于產生0～12.5MHz，Vp-p0-6V的正弦波。調節(jié)分辨率為4.6mV，整體框架如圖4所示。

DDS是由AD9833搭建而成。AD9833是可編程波形發(fā)生器，能夠產生正弦波、三角波、方波輸出。AD9833無需外接元件，輸出頻率和相位都可通過軟件編程,易于調節(jié),頻率寄存器是28位的,主頻時鐘為25MHz時，準確度為0.1Hz，主頻時鐘為1MHz時，準確度可以達到0.004Hz?？梢酝ㄟ^3個串行接口將數(shù)據(jù)寫入AD9833，這3個串口的最高工作頻率可以達到40MHz，易于與DSP和各種主流微控制器兼容。AD9833的工作電壓范圍為2.3～5.5V。

圖4 激勵信號發(fā)生模塊框架

圖5 檢測探頭框架

數(shù)字電位計是由芯片AD7376構成。AD7376是128位數(shù)字電位計，可以±5V～±15V雙電源供電。這款器件使用3線制SPI進行控制，可以用作可編程電阻或電阻分壓器。它可實現(xiàn)與機械電位計、可變電阻及調整器相同的電子調整功能，而且具有增強的分辨率、固態(tài)可靠性和可編程能力。這款器件采用數(shù)字控制而不是手動控制，允許靈活布局，并能進行閉環(huán)動態(tài)控制。

2.1.2 檢測探頭

檢測探頭部分主要包括激勵線圈即磁化線圈、U型磁軛、磁敏傳感器。磁化線圈采用局部磁化的方式，繞制在U型磁軛上的激勵線圈通以交變電流時，就會產生交變的磁場，進而對鐵磁材料進行磁化。如圖5所示。

2.1.3 信號調理模塊

信號的調理主要包括對MBN的信號放大、濾波電路以及針對提離設計的提離補償電路。

（1）信號放大模塊

信號差分輸入經過三級放大，每級之間通過帶通濾波器（159.2 Hz～159.2 kHz）進行濾波去噪，然后進入采集卡。前兩級固定放大倍數(shù)都是6，最后一級放大倍數(shù)可調，由AD7376數(shù)字電位計完成。

放大器采用儀表放大器INA111，INA111的結構原理如圖6所示。

1）VIN-（腳 2）：信號反向輸入端，該端與信號同相輸入端（腳3）構成差分輸入。

2）VIN+（腳 3）：信號同向輸入端。

3）增益調整（腳 1、8）：該端接外接增益調整電阻器RG。

4）VO（腳6）：放大器輸出端。

5）Ref（腳5）：參考電壓輸入端，通常接地。為確保良好的共模抑制，連接必須是低阻抗的，如果一個5Ω的電阻串接在此腳，將引起共模抑制比典型值下降到 80dB（G=1）。

圖6 INA結構原理圖

圖7 電感測量電路

其中，RG是外接電阻器，50kΩ是內部兩個反饋電阻值的和。

（2）提離補償模塊

為補償提離帶來的影響，針對激勵線圈和檢測線圈的提離設計了提離檢測電路。

1）激勵線圈提離測量電路

電磁感應原理，采用線圈檢測激勵線圈磁軛中的磁場大小，從而得知激勵線圈的提離。由于線圈產生的是正弦信號，采用AD637（高性能真有效值轉換器）求出RMS，然后經A/D由單片機檢測。

2）檢測線圈提離測量電路

針對檢測線圈的電感值隨提離減小而增大的規(guī)律，設計了如圖7所示的檢測線圈的電感測量電路。

電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的。三點式電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質的，另外一個電抗元件必須為異性質，而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路，成為電容三點式電路。

2.1.4 數(shù)據(jù)采集模塊

在該設備中，選擇ADLINK公司的一款數(shù)據(jù)采集卡DAQ2010作為數(shù)據(jù)采集設備DAQ-2010，具有4路差分模擬輸入的采集，便于陣列結構的數(shù)據(jù)采集。同時，采集卡的轉換精度可達14 bit，采樣頻率可高達2MHz，本系統(tǒng)的信號基波分量可以滿足采樣率的要求。它是一種通用的性價比較高的產品，保證了實時信號不間斷采集與存儲，能夠完成信號采集、數(shù)字信號的模擬輸出以及定時、計數(shù)等功能。

2.2 巴克豪森應力檢測設備的人機交互界面設計

針對鋼軌應力點測模式開發(fā)的操作界面，采用C#語言，在VS2010+SQl2008開發(fā)環(huán)境下編寫。針對不同鐵路段不同位置的應力值進行點測，操作及功能如下：

（1）位置信息的錄入。針對不同鐵路段，不同位置的信息錄入并以數(shù)據(jù)庫形式保存。

點擊【設置】按鈕-選擇【測試模式】頁，進入測試模式設置界面，選中【點測】按鈕。依次設置【測試序號】，【線別】，【行別】，【股別】，【區(qū)間】，【設計軌溫】和【里程】。設置完成后點擊【保存】，數(shù)據(jù)保存成功，如圖8所示。

圖8 測試點位置信息設置界面

（2）數(shù)據(jù)的采集處理并顯示。回到主界面，選擇【測試序號】，點擊【開始】，彈出“是否保存？”提示框，點擊【是】數(shù)據(jù)保存，點擊【否】則不保存數(shù)據(jù)。保存的數(shù)據(jù)包括測試點位置信息和測試點應力值信息。

（3）信息的檢索和輸出。點擊相應按鈕，按時間等條件對相應采集點的應力值等數(shù)據(jù)進行檢索，數(shù)據(jù)以Excel表格形式輸出并保存到程序指定位置。

3 結束語

提出了以工控機為平臺的巴克豪森應力檢測設備的設計方案，著重闡述了主要硬件模塊的功能實現(xiàn)和人機交互界面的開發(fā)設計，在傳感器的設計、激勵信號的發(fā)生和信號處理模塊等關鍵技術上已取得重大的突破。該設備檢測到的鋼軌應力值與實際鋼軌應力值進行比對，測試結果表明已達到較高的精度標準，證明此方案切實可行，能夠滿足巴克豪森噪聲應力檢測的要求，有一定的應用前景。

[1]王平，楊雅榮，田貴云，等.基于巴克豪森效應的鋼軌表面應力研究[C]∥2010遠東無損檢測論壇.浙江，2010.

[2]Sophian A，Tian G Y，Zairi Sofiane.Pulsed magnetic flux leakage probe for crack detection and characterization[J].Sensors and Actuators A：Physical，Available Online，2005（8）：29.

[3]Wilson J W，Tian G Y,Moorthy Vaidhianathasamy，et al.Magneto-emission and magnetic barkhausen emission for case depth measurement in En36 gear steel[J].IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（1）：177-183.

[4]朱曉雪，王平，田貴云，等.基于DSP的巴克豪森便攜式應力檢測系統(tǒng)的開發(fā)[C]∥2012遠東無損檢測論壇.合肥，2012.

[5]丁松，田貴云，王平，等.巴克豪森應力檢測中激勵方式的影響[C]∥2011遠東無損檢測新技術論壇，2011.

[6]朱壽高.基于巴克豪森噪聲應力檢測系統(tǒng)的研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.