磁聲發(fā)射檢測裝置的研制與性能測試

0 引言

鐵磁性金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)及生活中具有十分廣泛的應(yīng)用，而疲勞作為金屬材料的主要失效方式，由于具有突發(fā)性的特性，通常會造成重大的安全事故。因此，系統(tǒng)全面地研究金屬材料早期疲勞狀態(tài)的無損定量評價(jià)的意義十分重大。磁聲發(fā)射（Magneto Acoustic Emission, MAE）檢測技術(shù)是一種基于材料磁-力耦合特性的無損檢測技術(shù)，其信號對材料微觀組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的響應(yīng)具有高靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵磁性金屬材料早期疲勞的診斷，但MAE檢測技術(shù)發(fā)展時(shí)間相比傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)而言十分短暫，至今未研發(fā)出一體化的MAE檢測儀器，尤其是在探頭的優(yōu)化與性能測試方面需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。因此，為了研究鐵磁性金屬材料的疲勞狀態(tài)的MAE信號特征[1-2]，首先需要設(shè)計(jì)MAE檢測裝置。沈永娜等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，勵磁強(qiáng)度和頻率將在很大程度上影響MAE信號特征，當(dāng)勵磁強(qiáng)度或頻率改變時(shí)，MAE隨著鐵磁金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)的變化而變化。Stupakov等[4]通過研究勵磁波形為正弦波以及三角波形、勵磁頻率為0.5～100 Hz情況下晶粒取向電工鋼的MAE信號，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在勵磁頻率為0.5～100 Hz、勵磁波形為正弦波與勵磁頻率為0.5～40 Hz時(shí)產(chǎn)生波形的相位相同，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)勵磁頻率大于40 Hz時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)波形與相應(yīng)的激勵波形的相位是相反的，但是當(dāng)勵磁頻率大于100 Hz時(shí)其磁化強(qiáng)度分布不平衡。因此，在MAE檢測中為了能夠確定不同材料的最佳勵磁條件，檢測裝置必須具備可變頻率和可變勵磁強(qiáng)度的功能。并且，由于存在難以直接測量磁場強(qiáng)度等問題[5]，有必要建立勵磁電壓或電流與勵磁強(qiáng)度之間的關(guān)系。因此，有必要設(shè)計(jì)一種具有可變勵磁幅度和測量磁滯回線功能的MAE檢測裝置，主要研究的是磁化器尺寸及勵磁線圈匝數(shù)與勵磁能力之間的關(guān)系，并對MAE檢測裝置整體性能進(jìn)行測試評估。

1 MAE檢測裝置的設(shè)計(jì)

MAE檢測系統(tǒng)主要分為激勵磁化模塊和信號采集模塊兩大部分。激勵磁化模塊是產(chǎn)生交變磁場以實(shí)現(xiàn)鐵磁材料的磁化過程，進(jìn)而產(chǎn)生彈性波脈沖信號；信號采集模塊是接收和處理信號的同時(shí)將信號加以放大以滿足后續(xù)研究的需要。本研究設(shè)計(jì)的MAE檢測裝置如圖1所示，其中函數(shù)發(fā)生器的型號為安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的Agilent 33220A，該函數(shù)發(fā)生器不僅可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定、精確并且低失真的輸出信號[6]，線性可調(diào)幅度范圍為0.01～10 Vpp。功率放大器的型號為N4L LPA05B，其功率放大倍數(shù)為10倍，且放大輸入信號的頻率可達(dá)到1 MHz，輸出電壓極限為±40 Vpp，并且能夠提供 ac+dc、ac、ac+(dc)這 3種耦合方式[7]，由于需要得到較大的輸出信號，故選用ac+dc耦合方式。示波器的型號為DSO9064A，該示波器的帶寬為600 MHz和10 GSa/s的最大采樣率以及4個(gè)模擬通道，且每個(gè)通道均配有最高可達(dá)1 Gpts的存儲器[7]。聲發(fā)射儀為SAEU2S集中式聲發(fā)射檢測儀[8-9]。圖2為由各儀器及電子元件組成的MAE檢測裝置實(shí)物圖。

2 MAE檢測裝置勵磁器的設(shè)計(jì)

勵磁器作為MAE檢測裝置的核心部件之一，由U型磁軛、勵磁線圈共同組成，它是整個(gè)MAE檢測裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖 1 MAE檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of MAE detection device

圖 2 MAE檢測裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of MAE detecting device

磁軛材料常用的一般是硅鋼片或鐵氧體[10]。當(dāng)頻率小于10 kHz時(shí)，通常選用硅鋼片作為導(dǎo)磁材料，這是由于硅鋼片中的硅能夠大大提升鐵的電阻率和磁導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)降低矯頑力和鐵芯損耗的功能[11]。由于MAE檢測裝置勵磁頻率通常小于1 kHz，故選用硅鋼片作為磁軛材料，如圖3所示。

圖 3 磁化器示意圖Fig.3 Magnetizer diagram

本研究選用φ0.16 mm的漆包銅線作為勵磁線圈的材料，將其均勻地繞在U型磁軛上，最終得到勵磁線圈。本裝置中的功率放大器的放大倍數(shù)為10倍，勵磁線圈兩端的最大勵磁電壓為40 V，為了實(shí)現(xiàn)提高M(jìn)AE檢測裝置激勵能力的功能，必須選擇合適尺寸的磁軛和勵磁線圈的匝數(shù)以獲得最佳激勵條件。

為了得到較優(yōu)的勵磁強(qiáng)度，選用10種不同尺寸的U型磁軛（表1），以Q235標(biāo)準(zhǔn)試樣（尺寸如圖4所示），根據(jù)圖2所示組成一個(gè)MAE檢測裝置，并在磁軛兩極與試樣的空隙處填充導(dǎo)磁膠，最后，在10種不同的U形磁軛下連續(xù)改變勵磁線圈的匝數(shù)，同時(shí)在不同的激勵電壓和頻率下測量流過磁軛線圈的勵磁電流。

表 1 10種不同磁軛尺寸Table 1 10 different yoke sizes

圖 4 Q235鋼試樣尺寸Fig.4 Size of Q235 steel sample

由圖5可知，在不同頻率下，勵磁電流及磁通勢隨線圈匝數(shù)的變化規(guī)律基本一致，只是幅值上有所改變。從圖6可知，當(dāng)勵磁頻率一定時(shí)，隨著線圈匝數(shù)的增加，激勵電流呈現(xiàn)先減小后增加然后減小的趨勢，同時(shí)，磁通勢能觀察到1～2個(gè)峰值。因此，U型磁軛的匝數(shù)與勵磁電流和磁通勢的變化密切相關(guān)，該情況下具有最佳勵磁條件，即能夠得到最佳的勵磁效果。通過觀察曲線的縱向發(fā)現(xiàn)，隨著勵磁電壓的增大，勵磁電流及磁通勢的值均呈現(xiàn)增大的趨勢。因此可知，當(dāng)激勵電壓較高且激勵頻率較低時(shí)，對應(yīng)于最大磁通勢的線圈匝數(shù)最佳。通過研究發(fā)現(xiàn)，該規(guī)律符合實(shí)際測量結(jié)果，通過觀察圖6可知，8#磁軛且其對應(yīng)的最佳線圈匝數(shù)為600匝時(shí)為最佳勵磁條件。

研究發(fā)現(xiàn)：1#、2#、3#磁軛在勵磁頻率為10 Hz的曲線圖中，隨著磁軛高度的減小，最佳勵磁線圈的匝數(shù)在逐漸變大，（4#、5#）、（9#、10#）磁軛也有此規(guī)律；而（4#、9#）（5#、10#）在勵磁頻率為 10 Hz曲線圖中，其最佳勵磁線圈匝數(shù)相同，但是隨著磁軛極厚的減小勵磁強(qiáng)度也呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖 5 不同勵磁頻率下，1#磁軛的勵磁電流、磁通勢與線圈匝數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the excitation current and flux potential of 1# yoke and the turn number of coil under different excitation frequency

圖 6 在10 Hz勵磁頻率下不同磁軛的勵磁電流、磁通勢與線圈匝數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between excitation current, flux potential and turn number of different yoke under 10 Hz excitation frequency

3 性能測試

3.1 勵磁性能測試

MAE檢測裝置的兩大核心性能分別為勵磁性能和穩(wěn)定性，二者能夠最終決定所設(shè)計(jì)的MAE檢測裝置的檢測能力。首先，在不同的激勵電壓和頻率下測試MAE檢測裝置的激勵電流，其中激勵電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系可以從磁滯回線獲得。

圖 7 不同勵磁頻率下勵磁電流隨勵磁電壓的變化Fig.7 Variation of excitation current with excitation voltage under different excitation frequency

當(dāng)勵磁器為8#磁軛且線圈匝數(shù)為600匝時(shí)，本設(shè)計(jì)的MAE檢測裝置的激勵效果最佳，從圖7中可知，勵磁電流受勵磁電壓和勵磁頻率共同的影響，勵磁電流在勵磁頻率恒定時(shí)隨勵磁電壓的增加而增大，但勵磁電流在勵磁電壓恒定時(shí)隨激勵頻率的增加而減小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)勵磁頻率小于50 Hz時(shí)，勵磁電流隨勵磁電壓的增大并不以一確定的速率線性增大，當(dāng)勵磁電壓增大到一定的值時(shí)，增加的速率產(chǎn)生變化；而當(dāng)勵磁頻率大于或等于50 Hz時(shí)，激勵電流隨激勵電壓的增加而線性增加。故可知，當(dāng)勵磁頻率超過50 Hz時(shí)，在研究勵磁強(qiáng)度對MAE信號的影響中可將勵磁電壓代替勵磁電流來對其進(jìn)行研究。

圖8為不同電壓下的磁滯回線，從圖8中可知，當(dāng)勵磁頻率為10 Hz、勵磁電壓為1.5 V時(shí)，其磁滯回線出現(xiàn)“拐膝”，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著激勵頻率的增加，帶“拐膝”的磁滯回線曲線相對應(yīng)的激勵電壓也在增加。當(dāng)勵磁頻率為60 Hz時(shí)，出現(xiàn)帶有“拐膝”的磁滯回線的勵磁電壓為4 V，然而，隨著勵磁頻率的繼續(xù)增加，沒有發(fā)現(xiàn)有“拐點(diǎn)彎曲”的磁滯回線出現(xiàn)。通過研究可知，在電流-電壓曲線中的拐點(diǎn)處的電流與磁滯回線的“拐膝”點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)映射關(guān)系。故勵磁頻率為10 Hz、勵磁電壓為4 V的情況下，電流強(qiáng)度則對應(yīng)于磁滯回線的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，此時(shí)能夠激發(fā)出鐵磁性金屬材料的磁疇壁產(chǎn)生和湮滅過程中發(fā)出的MAE信號。

3.2 穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性是任何測試設(shè)備最重要的計(jì)量屬性之一[12]。因此，為了使收集的數(shù)據(jù)具有高可靠性和高精度，穩(wěn)定性測試是檢測系統(tǒng)開發(fā)中不可或缺的部分。

本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的MAE檢測系統(tǒng)中的磁軛與試塊之間的空氣間隙會影響其穩(wěn)定性。這是由于被測試塊表面不完全光滑，不可避免地存在著空氣間隙，并且由于氣隙的磁阻大，氣隙的變化會導(dǎo)致勵磁強(qiáng)度發(fā)生改變，從而最終結(jié)果會受到影響。所以，為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠，需要在磁軛與試塊之間填充導(dǎo)磁膠。表2為去應(yīng)力退火后Q235鋼進(jìn)行的5次MAE信號測量的結(jié)果，每次測量結(jié)束后將磁軛取下，然后對磁軛和試樣均進(jìn)行清理，再次貼上導(dǎo)磁膠并放置到相應(yīng)位置測量。由表2可知，得到的MAE信號的RMS相差很小，這就表明設(shè)計(jì)的MAE檢測裝置具有較高的穩(wěn)定性。

圖 8 不同電壓下的磁滯回線Fig.8 Hysteresis loops under different voltages

表 2 穩(wěn)定性測試Table 2 Stability test V

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)并研制了具有變勵磁幅度及測量磁滯回線功能的MAE檢測裝置。

2）在不同頻率下勵磁電流及磁通勢隨線圈匝數(shù)的變化規(guī)律基本一致。當(dāng)勵磁頻率一定時(shí)，隨著線圈匝數(shù)的增加，激勵電流呈現(xiàn)先減小后增加然后減小的趨勢，與此同時(shí)磁通勢能觀察到1～2個(gè)峰值。當(dāng)勵磁電壓越高而勵磁頻率越低，磁通勢的最大值所對應(yīng)的線圈匝數(shù)即為最佳勵磁線圈匝數(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，8#磁軛且其對應(yīng)的最佳線圈匝數(shù)為600匝時(shí)為最佳勵磁條件。

3）通過研究可知，勵磁頻率為10 Hz、勵磁電壓為4 V的情況下，電流強(qiáng)度對應(yīng)于磁滯回線的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。通過在磁軛與試塊之間填充導(dǎo)磁膠的方式，能有效提高M(jìn)AE檢測裝置的穩(wěn)定性。