針對(duì)RPV鋼磁巴克豪森噪聲檢測(cè)的傳感器設(shè)計(jì)

邊 闖，王海濤，劉向兵，錢(qián)王潔，丁同樂(lè)，陳懷東，馬官兵，鄭 凱

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004；3.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518031；4.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢測(cè)研究院，南京 210036)

0 引言

核安全是核電發(fā)展的前提和最高原則[1]。反應(yīng)堆壓力容器(RPV，reactor pressure vessel)是壓水堆核電廠中不可更換的關(guān)鍵核心部件，RPV的安全服役壽命決定了核電廠的運(yùn)行壽命[2]。在核電廠運(yùn)行期間，RPV鋼長(zhǎng)期在強(qiáng)輻照、高溫、高壓、強(qiáng)流體沖刷的惡劣環(huán)境下工作，導(dǎo)致RPV材料的內(nèi)部產(chǎn)生一系列微結(jié)構(gòu)缺陷，其性能會(huì)逐漸退化，表現(xiàn)為材料屈服強(qiáng)度增加、韌性降低、脆性增加等機(jī)械性能變化[3]，稱(chēng)為RPV鋼的輻照脆化效應(yīng)。當(dāng)材料的力學(xué)性能下降到斷裂臨界時(shí)，RPV鋼會(huì)瞬間發(fā)生斷裂，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，為了確保核電廠的安全運(yùn)行同時(shí)最大限度地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)性，需要定期對(duì)RPV鋼的中子輻照脆化程度進(jìn)行評(píng)估，目前國(guó)內(nèi)外商用核電廠主要通過(guò)輻照監(jiān)督樣品的方法對(duì)RPV鋼的輻照脆化程度進(jìn)行監(jiān)督和安全評(píng)價(jià)[4]，但會(huì)受到監(jiān)督樣品的數(shù)量以及含放射性等條件的限制。因此需要開(kāi)發(fā)新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)RPV鋼進(jìn)行輻照監(jiān)督，這對(duì)于確保核電廠安全可靠地運(yùn)行有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

1999年韓國(guó)原子能研究院Park[6]使用磁巴克豪森噪聲(MBN，magnetic Barkhausen noise)的檢測(cè)方法研究了RPV鋼經(jīng)中子輻照后的脆化情況；2004年歐洲研究中心的Debarberis[7]等人在考慮了輻照導(dǎo)致的基體缺陷、富Cu團(tuán)簇、P元素偏析等因素后，在初級(jí)輻照脆化的理論基礎(chǔ)上建立了脆化動(dòng)力學(xué)模型；2018年清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院的張?zhí)齑萚8-9]等人對(duì)RPV鋼分別進(jìn)行了正電子湮沒(méi)和納米壓痕硬度分析，結(jié)果表明，輻照使材料產(chǎn)生了空位型缺陷和溶質(zhì)原子團(tuán)簇缺陷，相較于室溫下的輻照，高溫輻照產(chǎn)生了更多的溶質(zhì)原子團(tuán)簇缺陷，但空位型缺陷數(shù)量更少。2018年Masaki Shimodaira[10]等研究了輻照引起的位錯(cuò)環(huán)和溶質(zhì)原子團(tuán)簇對(duì)低銅RPV鋼硬化的貢獻(xiàn)，得出在不同注量下兩者對(duì)RPV鋼的硬化貢獻(xiàn)不同；2021年石見(jiàn)見(jiàn)[11]等利用原子探針和納米壓痕技術(shù)對(duì)初始輻照、輻照后退火以及再輻照的RPV鋼進(jìn)行了研究，結(jié)果表明輻照會(huì)產(chǎn)生大量的Mn-Ni-Si團(tuán)簇，退火后團(tuán)簇會(huì)得到一定程度的回復(fù)，而再輻照產(chǎn)生新的Mn-Ni-Si團(tuán)簇；2022年丁兆楠[12]等研究了Fe3+輻照下RPV鋼的硬化行為，結(jié)果表明當(dāng)輻照損傷較低時(shí)，試樣的硬度隨輻照損傷劑量的增加而迅速增加，而在較高輻照損傷下硬度變化較為緩慢同時(shí)呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。目前對(duì)RPV鋼輻照脆化的研究主要集中在材料微觀結(jié)構(gòu)變化觀測(cè)、硬度變化測(cè)試等，這些方法都會(huì)破壞原本試件的結(jié)構(gòu)完整性，屬于有損檢測(cè)，同時(shí)這些檢測(cè)方法所需儀器價(jià)格昂貴，還需要專(zhuān)業(yè)的人員進(jìn)行操作。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在不破壞被測(cè)試件完整性的條件下對(duì)試件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量迅速且方便快捷，因此亟需一種能夠有效評(píng)估RPV輻照脆化程度的無(wú)損檢測(cè)新方法。

MBN檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化敏感，研究表明RPV鋼輻照脆化效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因是輻照導(dǎo)致的材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，使材料產(chǎn)生了諸如位錯(cuò)環(huán)、空位環(huán)、溶質(zhì)原子團(tuán)簇、雜質(zhì)元素的偏析等缺陷[13]，MBN信號(hào)對(duì)這類(lèi)微觀缺陷非常敏感，同時(shí)相較于超聲等常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以在宏觀缺陷產(chǎn)生前對(duì)材料性能進(jìn)行評(píng)估，而且不需要耦合劑，因此MBN信號(hào)檢測(cè)技術(shù)用于RPV鋼輻照脆化的評(píng)估與預(yù)測(cè)是切實(shí)可行的[14]。

1 MBN信號(hào)檢測(cè)原理

MBN是一種重要的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該檢測(cè)方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了應(yīng)力測(cè)量、硬度測(cè)試、晶粒度檢測(cè)等場(chǎng)合。該效應(yīng)是由德國(guó)科學(xué)家Barkhausen[15]于1919年首次發(fā)現(xiàn)。研究表明，在連續(xù)變化磁場(chǎng)的作用下，鐵磁性材料的磁化曲線并不連續(xù)[16]。如圖1所示。

圖1 鐵磁性材料不連續(xù)磁化現(xiàn)象

對(duì)鐵磁性材料施加交變磁場(chǎng)時(shí)，其內(nèi)部的磁疇向易磁化方向發(fā)生不可逆的翻轉(zhuǎn)和磁疇壁位移，并在鐵磁性材料表面產(chǎn)生雜亂的感應(yīng)電壓脈沖信號(hào)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為MBN效應(yīng)。此時(shí)將一個(gè)探測(cè)線圈放置在材料表面，就可以采集到微弱的電壓噪聲信號(hào)，即為MBN信號(hào)。如圖2所示。

圖2 MBN信號(hào)檢測(cè)示意圖

根據(jù)Alessandro[17]等人的理論，金屬體中單個(gè)磁疇壁的動(dòng)力學(xué)方程由式(1)確定：

(1)

式中，σ為材料的介電常數(shù)；dφ/dt為磁通率即為接收線圈中的感應(yīng)電壓；G=0.135 6為一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，hc為磁疇壁的釘扎部位的局部強(qiáng)制場(chǎng)；有效外加磁場(chǎng)Heff定義為Heff=H-Him，H為外加磁場(chǎng)，Him為退磁場(chǎng)。

當(dāng)外加激勵(lì)磁場(chǎng)為正弦變化時(shí)可以描述為：

H(t)=Hssin(2πft)

(2)

式中，Hs為外加磁場(chǎng)的最大值，f為外加激勵(lì)磁場(chǎng)的頻率。

退磁場(chǎng)由退磁因子決定，取決于樣品的形狀。退磁因子的計(jì)算一般只限于可被均勻磁化的磁性旋轉(zhuǎn)橢球體，而對(duì)于方形薄片退磁場(chǎng)可忽略[18]，因此式(1)、(2)結(jié)合可得：

(3)

式(3)表明感應(yīng)電壓是外加激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的一個(gè)諧波分量和隨機(jī)變化的強(qiáng)制場(chǎng)疊加后的結(jié)果。為了便于對(duì)式(3)進(jìn)行說(shuō)明，畫(huà)出了感應(yīng)信號(hào)隨時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 感應(yīng)信號(hào)

從圖中可以看出，當(dāng)材料中不存在釘扎點(diǎn)即hc=0時(shí)，dφ/dt為一條正弦線，等于施加的激勵(lì)磁場(chǎng)。當(dāng)存在釘扎點(diǎn)(圖中米形點(diǎn))即hc≠0時(shí)，dφ/dt在H=hc時(shí)減小到0，此時(shí)小范圍改變外加磁場(chǎng)，磁疇壁也不發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)外加磁場(chǎng)增加到一定程度時(shí)，磁疇壁會(huì)“跳躍式”地移動(dòng)到另一個(gè)位置，產(chǎn)生一個(gè)高頻的跳變磁場(chǎng)。因此，總的感應(yīng)信號(hào)是外加激勵(lì)磁場(chǎng)和一系列跳變磁場(chǎng)的疊加。在MBN信號(hào)提取的過(guò)程中，利用高通或者帶通濾波器對(duì)探測(cè)器采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，濾除掉低頻信號(hào)，保留的就是由于磁疇壁的跳躍產(chǎn)生的高頻信號(hào)。濾波后的信號(hào)如圖4所示。

圖4 感應(yīng)信號(hào)中高頻分量

圖中的符號(hào)代表的是探測(cè)器中產(chǎn)生的電流的方向。根據(jù)以上敘述，當(dāng)磁疇壁遇到一個(gè)釘扎點(diǎn)時(shí)，受到釘扎點(diǎn)的作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)跳躍信號(hào)，當(dāng)在某一時(shí)刻存在m個(gè)釘扎點(diǎn)時(shí)，得到的信號(hào)強(qiáng)度即為：

(4)

式中，Vt為磁疇壁克服釘扎點(diǎn)的阻礙作用產(chǎn)生的MBN信號(hào)；m(hc) 為釘扎點(diǎn)的數(shù)量。該表達(dá)式和kim[19-20]得到的表達(dá)式相似。表明當(dāng)忽略磁疇壁的相互作用時(shí)，MBN信號(hào)在磁疇壁克服釘扎點(diǎn)的阻礙作用時(shí)產(chǎn)生[21]。

MBN信號(hào)的產(chǎn)生是非常復(fù)雜的，受很多因素的影響，盡管如此，依舊可以證明在微觀結(jié)構(gòu)下，MBN信號(hào)的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：晶界處90°磁疇的形成和湮滅以及180°磁疇的翻轉(zhuǎn)，所以一切影響磁疇壁的因素都會(huì)影響MBN信號(hào)的強(qiáng)度。

(5)

式中，mR(hR)hR為釘扎點(diǎn)在90°磁疇處的貢獻(xiàn)，mP(hP)hP為釘扎點(diǎn)在180°磁疇處的貢獻(xiàn)，mR為90°磁疇處釘扎點(diǎn)的數(shù)量，mP為180°磁疇處釘扎點(diǎn)的數(shù)量。

2 傳感器設(shè)計(jì)

在MBN信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，想要獲取穩(wěn)定的MBN信號(hào)，傳感器的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此基于MBN信號(hào)檢測(cè)儀器自主設(shè)計(jì)了適用于RPV鋼輻照脆化程度檢測(cè)的傳感器。該傳感器具體由磁軛、激勵(lì)線圈、MBN信號(hào)接收器組成。

2.1 磁軛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁軛形狀可以為H型和U型，兩種形狀的磁軛都可以對(duì)試件進(jìn)行有效地貼合。李包青[22]等對(duì)兩種形狀的磁軛分別進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)對(duì)材料的磁化效果相當(dāng)；王嘉星[23]等利用錳鋅鐵氧體設(shè)計(jì)了U型磁軛，但傳感器不能滿(mǎn)足小型化RPV鋼試樣的檢測(cè)需求；王文濤[24]利用H型磁軛測(cè)量了不同殘余應(yīng)力下的MBN信號(hào)，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果?？紤]到H型線圈容易纏繞激勵(lì)線圈且線圈分布較為均勻，所以本實(shí)驗(yàn)采用H型磁軛作為傳感器的勵(lì)磁模塊。

常用的磁軛材料有硅鋼片和錳鋅鐵氧體。硅鋼片適用于低頻、大功率的情況下，高頻下?lián)p耗急劇增加，通常情況下要低于400 Hz；錳鋅鐵氧體具有高磁導(dǎo)率、高頻低損耗特點(diǎn)，但在低頻下容易飽和[25]。本實(shí)驗(yàn)中使用的激勵(lì)信號(hào)頻率低于10 Hz，所以選取硅鋼片作為磁軛材料。為了保證傳感器具有較高的靈敏度，這就要求整體尺寸盡可能小，但過(guò)小的尺寸不利于MBN信號(hào)的接收，同時(shí)結(jié)合檢測(cè)試樣的尺寸，綜合考慮下設(shè)計(jì)的H型磁軛尺寸如圖5所示。其中磁軛厚度為8 mm。

圖5 磁軛幾何模型圖(mm)

鐵磁性材料在被磁化的過(guò)程中，隨著磁化深度的增加，磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減，根據(jù)電磁學(xué)理論，磁場(chǎng)在垂直材料表面的衰減規(guī)律為：

H(x)=H0e-αx

(6)

式中，H(x)為材料內(nèi)部與表面垂直距離為x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度；H0為試件表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度；α為衰減系數(shù)，1/α通常被定義為穿透深度，是指衰減為H0的1/e時(shí)到材料表面的距離[26]。激勵(lì)線圈接收到的信號(hào)為正弦信號(hào)，根據(jù)以下趨膚深度式(7)[27]可以確定材料的磁化深度。

(7)

式中，f為激勵(lì)信號(hào)的頻率；μ=μ0μr，μr為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；σ0為材料的電導(dǎo)率。結(jié)合式(6)和(7)可得衰減系數(shù)的表達(dá)式為：

(8)

從式(7)和(8)可以看出：隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的增加，趨膚深度變小，材料的磁化范圍變小，引起磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和磁疇壁位移的數(shù)量減小，最終導(dǎo)致MBN信號(hào)減弱。常見(jiàn)鐵磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率介于50～5 000之間，電導(dǎo)率介于(5～10)×106Ω-1m-1之間，計(jì)算出不同頻率下的鐵磁性材料的趨膚深度如表1所示。

表1 不同激勵(lì)頻率的趨膚深度

所用RPV鋼試件的厚度為1 mm，考慮到趨膚深度和磁化效果，激勵(lì)線圈的頻率應(yīng)在5 Hz左右(由于試件厚度限制，在仿真過(guò)程中改變激勵(lì)信號(hào)頻率，試件磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不明顯，具體仿真見(jiàn)2.2節(jié))。

2.2 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)仿真與分析

ANSYS Maxwell是一種電磁仿真軟件，可對(duì)諸如傳感器、調(diào)節(jié)器、電動(dòng)機(jī)等電磁元件進(jìn)行仿真。根據(jù)磁場(chǎng)是否隨時(shí)間變化，將磁場(chǎng)分析分為靜態(tài)磁場(chǎng)分析和渦流磁場(chǎng)分析。在檢測(cè)MBN信號(hào)時(shí)，激勵(lì)信號(hào)選擇的是低頻的交流信號(hào)，按照正弦規(guī)律變化，可通過(guò)Maxwell 2D渦流求解器進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)的磁軛尺寸，在Maxwell軟件中建立模型，激勵(lì)線圈設(shè)置為300匝，對(duì)激勵(lì)線圈施加4 V、5 Hz的正弦信號(hào)，檢測(cè)試件的尺寸為實(shí)際尺寸大小，為15 mm×15 mm×1 mm(長(zhǎng)度×寬度×厚度)。得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和磁力線分布如圖6、圖7所示。

圖6 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖7 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)磁力線分布

通過(guò)圖6、圖7中可以看出：試件一定深度被完全磁化，根據(jù)顏色信息初步判斷平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.70 T，在磁軛和試件緊密貼合的情況下，磁力線在磁軛和被測(cè)試件內(nèi)部形成閉合回路，分布符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

為了精確得出磁化區(qū)域，在距試件上表面深度分別為0.02、0.50、0.98、1.00 mm處設(shè)置一條路徑，長(zhǎng)度為15 mm(試件長(zhǎng)度)，得出在不同深度路徑下的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖8～11所示。

圖8 0.02 mm深度路徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

圖9 0.50 mm深度路徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

圖10 0.98 mm深度路徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

圖11 1.00 mm深度路徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，在試件內(nèi)部不同深度下，三條路徑中3.5～11.5mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本相同，磁化效果相當(dāng)，大約為1.8 T，該長(zhǎng)度正好為磁軛兩腳之間的距離，表明在磁軛兩腳之間的區(qū)域，試件可以被完全磁化；而下表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為mT級(jí)，可以解釋為試件的下表面設(shè)置的是空氣介質(zhì)，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度迅速減小。

在試件的中心位置設(shè)置一條垂直向下的路徑，長(zhǎng)度為1 mm(試件厚度)，得出在深度路徑下的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖12所示。

圖12 磁化區(qū)域內(nèi)不同深度磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

從圖12中可以看出在不同深度下磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但數(shù)值相差不大，可以認(rèn)為在深度范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，為1.82 T。

因此，通過(guò)仿真結(jié)果可以得出：待測(cè)試件的有效磁化區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)度8 mm(磁軛兩腳之間的距離)、寬度8 mm(磁軛的厚度)、深度約為1 mm(試件的厚度)的立方體。在該磁化區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.82 T，在仿真過(guò)程中，小范圍地改變激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率，試件被磁化的效果變化不明顯，因此只能通過(guò)仿真確定激勵(lì)信號(hào)的大致范圍，而最優(yōu)的激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確定。

2.3 MBN信號(hào)接收器設(shè)計(jì)

MBN信號(hào)接收器由磁感應(yīng)元件和磁芯組成。常用的磁感應(yīng)元件有磁阻傳感器、霍爾元件、感應(yīng)線圈等。3種磁感應(yīng)元件的參數(shù)如表2所示。根據(jù)已有結(jié)果[28]表明，RPV鋼的MBN信號(hào)的中心頻率一般在10 kHz左右，結(jié)合傳感器的靈敏度、線性范圍及頻率范圍等參數(shù)，最終選用靈敏度高、線性度好、頻率范圍廣的感應(yīng)線圈作為檢測(cè)元件?？紤]到MBN信號(hào)的頻率，磁芯選用錳鋅鐵氧體，內(nèi)徑為3 mm，外徑為6 mm，長(zhǎng)8 mm。檢測(cè)線圈使用直徑為0.07 mm的銅漆包線，匝數(shù)為400匝。

表2 各磁敏傳感器輸出特性比較

接收器放置的不同位置也會(huì)影響MBN信號(hào)的有效接收。在試件上方0.2 mm處設(shè)置一條路徑，長(zhǎng)度為磁軛兩腳柱內(nèi)距8 mm，此路徑下激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖13所示。

圖13 材料表面磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

從圖13可以看出，距離磁軛兩腳的距離越近，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，接收器所受到的干擾越大。為了削弱激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)MBN信號(hào)接收產(chǎn)生的影響，接收器的位置應(yīng)該放置在磁軛兩腳的正中間位置。同時(shí)接收器磁芯也存在材料分布不均勻的現(xiàn)象，可以使用磁芯接地來(lái)消除對(duì)信號(hào)接收的影響。

2.4 傳感器實(shí)物

磁軛由40層0.2 mm的定向硅鋼片壓制而成，激勵(lì)線圈選取0.21 mm耐高溫耐高壓的聚酯漆包圓銅線，其具有良好的電氣性能，適合作為激勵(lì)線圈使用。將漆包線緊密且方向一致地纏繞在H型磁軛上，匝數(shù)為300匝，在硅鋼片表面貼一層銅箔，可以使激勵(lì)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)集中在磁軛內(nèi)部，對(duì)試件有更好的磁化效果。

3 MBN信號(hào)檢測(cè)儀器

為了對(duì)RPV鋼輻照脆化程度進(jìn)行檢測(cè)，自主開(kāi)發(fā)了MBN信號(hào)檢測(cè)儀器，該檢測(cè)儀器體積小、重量輕、測(cè)量簡(jiǎn)單快捷。檢測(cè)儀器組成如圖14所示，具體由DSP、功率放大模塊、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和LCD屏幕組成。

圖14 MBN信號(hào)檢測(cè)儀器組成

DSP作為處理器包括核心芯片TMS320F28335、產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的DA模塊、采集MBN信號(hào)的AD模塊、USB存儲(chǔ)模塊和多種通信接口；由于DSP產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)了功率放大模塊，將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行電壓電流的綜合放大，來(lái)達(dá)到傳感器對(duì)試件的磁化要求；測(cè)量中試件產(chǎn)生的MBN信號(hào)較弱，僅為毫伏級(jí)，同時(shí)還混雜著激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾，因此設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，具體由第一級(jí)放大電路，高通濾波電路，主放大電路組成，在放大MBN信號(hào)的同時(shí)濾除低頻的干擾信號(hào)；隨后DSP的AD模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、軟件濾波、特征值計(jì)算等處理，最后通過(guò)串行通信接口(SCI)將信號(hào)的特征信息傳輸?shù)絃CD屏幕，進(jìn)行MBN信號(hào)和特征值的顯示，同時(shí)LCD屏幕具有觸摸屏功能，可手動(dòng)設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率，便于對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象進(jìn)行MBN信號(hào)測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 特征參數(shù)值提取

在研究RPV鋼輻照脆化程度與MBN信號(hào)之間的關(guān)系時(shí)，常常用MBN信號(hào)的特征參數(shù)值來(lái)進(jìn)行表征。例如：峰峰值(VPP)、均方根值(RMS)、半高寬(WC)、包絡(luò)面積等。本實(shí)驗(yàn)以VPP和RMS為例來(lái)進(jìn)行研究。

研究表明，不同材料硬度、晶粒度等力學(xué)性能指標(biāo)的不同會(huì)導(dǎo)致MBN信號(hào)包絡(luò)的幅值和頻帶不同，用峰峰值反映信號(hào)包絡(luò)的幅值信息。峰峰值是指信號(hào)最大正值與最大負(fù)值的差值，即信號(hào)包絡(luò)波峰與波谷的絕對(duì)值，表征信號(hào)包絡(luò)高度的變化，計(jì)算公式如下：

(9)

均方根值是研究交變信號(hào)通用的結(jié)果表征值，可以表示鐵磁性材料在交變磁場(chǎng)下的能量信息，同時(shí)均方根值對(duì)MBN信號(hào)分析具有很好的數(shù)值穩(wěn)定性。計(jì)算公式如下：

(10)

式中，vi為每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣值；i為單個(gè)采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)；n為采樣總數(shù)。

4.2 試驗(yàn)測(cè)量

以未服役的RPV鋼試樣為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行MBN信號(hào)測(cè)量試驗(yàn)，激勵(lì)信號(hào)初始頻率設(shè)置為5 Hz，激勵(lì)信號(hào)幅值為2～11 V。對(duì)MBN信號(hào)的峰峰值和均方根值進(jìn)行提取，兩個(gè)特征參數(shù)隨激勵(lì)信號(hào)幅值的變化曲線如圖15所示。

圖15 MBN信號(hào)特征參數(shù)值隨激勵(lì)電壓變化趨勢(shì)

4.3 結(jié)果分析

從圖中可以看出：隨著激勵(lì)信號(hào)幅值的增大，MBN信號(hào)的峰峰值和均方根值均變化明顯；幅值增大到7 V后，兩特征參數(shù)值隨激勵(lì)信號(hào)幅值增大的趨勢(shì)減緩。結(jié)合磁化過(guò)程進(jìn)行分析，保持頻率不變，增大幅值，在單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致更多的180°的磁疇壁移動(dòng)，巴克豪森跳躍發(fā)生的密度增大，MBN信號(hào)的強(qiáng)度也逐漸增加，當(dāng)外加勵(lì)磁磁場(chǎng)增大到一定程度后，單位時(shí)間內(nèi)180°疇壁移動(dòng)達(dá)到極限值，MBN信號(hào)強(qiáng)度基本不變[29]。

激勵(lì)信號(hào)電壓幅值太低，磁化效果微弱，產(chǎn)生的MBN信號(hào)較弱，不宜觀察；幅值太大，兩個(gè)特征參數(shù)不能等比例地增大，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致線圈發(fā)熱嚴(yán)重，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響；所以結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，激勵(lì)信號(hào)的幅值應(yīng)設(shè)置在7 V。

將激勵(lì)信號(hào)的幅值設(shè)置為7 V不變，依次改變頻率為2～9 Hz，經(jīng)過(guò)濾波處理后對(duì)比發(fā)現(xiàn)頻率為6 Hz時(shí)MBN信號(hào)的波形重復(fù)性和穩(wěn)定性特征最好，如果激勵(lì)信號(hào)的頻率過(guò)高，容易導(dǎo)致試樣震蕩引進(jìn)誤差；如果頻率過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致試件產(chǎn)生的MBN信號(hào)比較微弱。所以最終確定激勵(lì)信號(hào)的頻率為6 Hz。圖16為激勵(lì)信號(hào)頻率分別為4、6、8 Hz時(shí)的MBN信號(hào)波形。

圖16 不同激勵(lì)信號(hào)頻率下的MBN信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)RPV鋼的輻照損傷程度進(jìn)行檢測(cè)同時(shí)提高M(jìn)BN信號(hào)檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性，根據(jù)MBN信號(hào)的產(chǎn)生原理，設(shè)計(jì)了MBN信號(hào)檢測(cè)傳感器，并結(jié)合有限元仿真和試驗(yàn)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)H型勵(lì)磁模塊進(jìn)行理論計(jì)算和有限元仿真，分析了磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線在試件內(nèi)部的分布，得出了試件的有效磁化區(qū)域，可以滿(mǎn)足試件的磁化需求。

2)通過(guò)對(duì)試件上方0.2 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行分析，得出MBN信號(hào)接收器應(yīng)該放置在磁軛兩腳的中間位置，此時(shí)受到激勵(lì)信號(hào)的影響最小。

3)通過(guò)對(duì)未服役的RPV鋼試件進(jìn)行測(cè)量，得出最佳測(cè)量激勵(lì)信號(hào)的幅值為7 V，頻率為6 Hz，此時(shí)儀器具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，為RPV鋼輻照脆化程度檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。