專利名稱：封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種材料內應力檢測技術，尤其涉及一種封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線 檢測方法。
背景技術：
將一個工件與一殼體裝配，當該工件外型與殼體內部形狀幾乎相同時，工件與殼體緊密 配合，形成封閉鐵磁殼體。為了實現工件與殼體緊密配合，必須在裝配過程中施加較大的作 用力。由于任何一個工件都存在一定的尺寸加工誤差，在生產裝配時，容易在工件、殼體的 接觸面上產生局部應力集中、局部過熱、偏載和配合欠緊密等問題，甚至造成材料內部的裂 紋和損傷，造成損失或成為隱患引發事故。因此，研究殼體裝配過程中狹縫間作用力的在線 無損檢測方法和相應的在線檢測設備，對于保障產品質量具有重要意義。同時這種檢測技術 對于其它相類似的設備加工制造過程中的在線無損檢測以及危險性較高的在役設備長期安全 監測具有重大意義。
目前可以檢測材料內應力^缺陷的無損檢測方法有超聲檢測、射線檢測、紅外檢測以 及磁檢測。射線、紅外、超聲檢測的優點是適用的材料種類廣，磁檢測往往只適用于磁性材 料。
超聲法具有體積小、重量輕、便于攜帶且對人體無害的特點。但是通常要求被測工件尺
寸較大，因為實際操作中，超聲波在金屬中傳播縱波速度為5000m/s左右，這樣通過測量聲 速差檢測應力，首先要求應力作用的聲傳播路徑要有一定距離，至少要在100mm以上，即使 這樣檢測的分辨率也很低。由于固體材料的聲速不僅會受到應力的影響，它還與材料自身的 性質及溫度等有關，這在很大程度上限制了超聲法的應用。并且超聲波測量裝置與試件之間 的耦合因素嚴重影響檢測的精度，所以超聲法的現場應用發展緩慢，目前這種方法還仍處于 試驗研究階段。
漏磁檢測(磁檢測的一種)的工作原理是利用激勵磁場在導磁的被測件體內產生一個縱 向磁場回路，如果工件內壁或外壁有缺陷，則磁通路變窄，磁力線發生變形，部分磁力線還 將穿出工件壁之外而產生所謂漏磁，漏磁場被位于兩磁極之間的、緊貼管壁的探頭檢測到。 理論上材料形變也可以造成漏磁，但是對于大剛度的材料，外力作用下的形變極其微小，不 可能通過測量形變而推導出應力。因此無法采用漏磁檢測來檢測封閉鐵磁殼體狹縫間的作用 力。
紅外檢測常用于高溫或低溫承壓設備內部保溫層狀態的檢測與評價，它也適用于各種設 備的高應力集中和疲勞損傷部位的檢測。設備上的高應力集中部位在大量疲勞載荷的作用下， 出現的早期疲勞損傷會顯示在熱斑跡圖像上。紅外熱成像可以及早發現殼體上存在的薄弱部位，為以后的重點檢測提供依據然而，目前針對紅外檢測的檢測結果還無法定量分析應力 大小。
射線檢測主要針對殼厚小于12mm的設備內部缺陷，也可以測量內應力；射線法主要有 X射線檢測和中子衍射法兩種，但X射線的穿透深度極淺，而在中子檢測時，被測物體要根 據中子源儀器條件受到一定限制，而且射線法成本高、危險性大，很難在實際裝配過程中在 線應用。
渦流檢測(磁檢測的一種)是針對導電材料的一種無損檢測方法，渦流探傷法可以發現 缺陷，但是無法測量應力。
巴克豪森檢測法是從，Barkhausen于1919年發現的巴克豪森效應，逐歩發展并成熟起來 的，利用巴克豪森檢測法不僅可以測到單軸向應力，而且能測較復雜的應力，但只能顯示出 應力的二維分布。
綜上所述，能夠檢測鐵磁性材料內部三維應力分布的檢測方法研究，目前國內外尚未見 有關成功研究的報道。
發明內容
本發明提出了一種封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，該方法采用巴克豪森磁 噪聲檢測裝置，向被測鐵磁殼體施加變頻電磁激勵和旋轉電磁激勵，獲取被測鐵磁殼體內部 不同深度的MBN、 MAE信號，對MBN、 MAE信號進行三維重建，最終檢測出被測鐵磁殼 體內的三維應力和缺陷分布。
檢測方法的具體步驟為-
1) 預設多個不同磁場激勵頻率；
2) 采用巴克豪森磁噪聲檢測裝置，在每個磁場激勵頻率條件下分別掃描一次鐵磁殼體表
面；
3) 步驟2)中掃描結果如掃描結果無異常，則可判斷鐵磁殼體內部結構正常；如掃描 結果出現異常，轉步驟4);
4) 對掃描結果異常的鐵磁殼體按如下方法進一步檢測 [l]預設多個磁場激勵頻率和多個檢測位置；在同一檢測位置，在某個起始磁場激勵頻率條件下，每檢測一次就將檢測裝置旋轉一 相同角度繼續檢測，直到旋轉360。為止；檢測裝置旋轉了 360°后，改變磁場激勵頻率，繼續 按"每檢測一次就將檢測裝置旋轉一相同角度，直到旋轉360°為止"進行檢測，直至每個磁場 激勵頻率條件下，都完成了一次旋轉檢測為止；改變檢測位置，重復步驟[2]，直至每個檢測位置都檢測完畢；接收到的檢測信號，即MBN、 MAE信號，經過調理電路后，送入計算機進行三維重 建處理。前述的方法步驟中，起始磁場激勵頻率選擇頻率最高的磁場激勵頻率；改變磁場激勵頻 率的方式按從高頻到低頻進行。
根據下式確定得到的檢測信號與鐵磁材料表面深度的關系，
式中K為常數；//o為樣品的表面磁場強度；i/(Z)為距材料表面Z處的磁場強度；5為
表面磁場經鐵磁殼體衰減l/e處的深度，即衰減系數。
根據下式確定某一磁場激勵頻率/條件下，表面磁場經鐵磁殼體衰減1/e處的深度5 ，
5 = 1 /
式中^為材料的磁導率；J為材料的電導率。
本發明的有益技術效果是可以對鐵磁殼體內部應力和缺陷進行三維空間掃描和檢測， 該方法適用面廣，操作時對人體無危害，操作簡單易行。
圖l、巴克豪森噪聲放大階梯波形；
圖2、巴克豪森磁噪聲檢測裝置結構示意圖3、旋轉掃描激勵磁場和接收傳感器一體化結構；
圖4、控制磁場激勵頻率對鐵磁材料縱深的逐層掃描示意；
圖5、檢測系統原理示意；
圖中"門"型鐵芯l、激勵線圈2、 MBN傳感器3、 MAE傳感器4。
具體實施例方式
鐵磁材料的磁疇發生不可逆運動產生巴克豪森噪聲(見圖1，巴克豪森噪聲表現在磁化 曲線最陡區域是階梯式變化)電信號的同時，由于磁致伸縮作用，導致材料內部激起的應力 波，稱為磁力聲發射(Magnetomechanical Acoustic-Emission簡稱磁聲發射MAE)，它的頻率 在超聲波范圍。磁聲發射(MAE)是與巴克豪森效應(Magnetic Barkhausen Noises MBN)相 對應的，巴氏效應是由于疇壁的不連續運動引起的電應脈沖，而MAE則是視為巴氏效應的 力學效應。鐵磁材料在磁化過程中引起磁疇壁運動， 一般90。疇壁運動導致磁致伸縮是磁聲發 射的主要來源；180。疇壁運動是引起巴克豪森效應的主要因素。Kusanagi等證明該類聲發射 與應力有關，而且材料、磁場強度和聲發射傳感器的固有頻率等對磁聲發射信號強度也有影 響。
磁聲發射(MAE)技術應用于測定鐵磁材料的表面應力，具有測量深度大、設備簡單、 方便等優點，但在高的拉應力下靈敏度下降，確定應力的方向也比較復雜。另外，MAE的測 量精度除受磁化場強度限制外，還受試樣磁化區域體積限制，要得到很高的磁化場強度，其 磁化器不能做得太小，因此，其磁化區域體積就可能較大，對兩個相鄰的小區域應力變化就不可能分辨出來；而巴克豪森檢測法的測量精度與磁化區域大小無關，只與接收線圈的面積 有關，接收線圈可以制作得很小，測量精度相應可以提高。為了實現磁力線高度集中，提高 測量精度，朱孝謙等提出采用局部磁化法。由此可見，MBN測量可以彌補MAE不足之處。 鑒此，將MAE與MBN測量技術有機結合，對于鐵磁體內應力的無損檢測與其它方法相比具 有檢測速度快、定位精度高、測量準確等優點，具有明顯優越性，是首選的鐵磁材料應力測 試技術方法。
正是基于MBN和MAE信號在鐵磁材料應力測量中(以及多層結構)的這些突出的優點， 發明人提出了本發明的封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，該方法在一維磁場激勵 基礎上，增加二維旋轉掃描機構(提供旋轉電磁激勵)，進一步結合趨膚效應變頻(提供變 頻電磁激勵)縱深逐層三維掃描方式，經過三維重建，能夠構成類似"CT"的三維應力和缺陷 圖像。它能夠檢測鐵磁殼體內的多層結構應力分布。
由于采用巴克豪森噪聲和磁聲發射同時檢測，它能夠實現從表面到較深鐵磁休(數厘米) 的設備應力分布的快速、高精度檢測。這種檢測方法解決了傳統"磁場無損檢測方法"無法檢 測材料內部三維應力分布的缺點，為工件的精密裝配加工提供了一種在線監測手段，也適合 于定期^T各種在役設備進行原位無損檢測，確保設備安全，在工業和國民經濟等許多領域有 非常重大意義。
本發明的方法中采用的裝置是已經十分成熟的巴克豪森磁噪聲檢測裝置，其結構主要由 以下幾個部件組成"門"型鐵芯1 (本文中簡稱鐵芯)、激勵線圈2、 MBN傳感器3、 MAE 傳感器4;
參見圖2，下面通過測量時，部件在待測殼體上的位置來說明各個部件間的連接關系-激勵線圈2纏繞在"門"型鐵芯1中部的橫梁上，"門"型鐵芯1下部(激勵發射端)靠在待測 殼體外表面，MBN傳感器3設置在"門"型鐵芯1橫梁在待測殼體外表面的iH投影線上，MAE 傳感器4設置在此正投影線的延長線上，且MBN傳感器3、 MAE傳感器4、鐵芯三者位置 相對固定；
初步檢測時，預設多個不同磁場激勵頻率(通過激勵線圈2來調整磁場激勵頻率)，在每 個磁場激勵頻率條件下分別掃描一次鐵磁殼體表面；發現檢測結果異常后，進一步進行逐點 精測，精測的步驟如下-預設多個磁場激勵頻率和多個檢測位置；在同一檢測位置，在某個起始磁場激勵頻率條件下，每檢測一次就將檢測裝置旋轉一 相同角度繼續檢測，直到旋轉360。為止；檢測裝置旋轉了 360。后，改變磁場激勵頻率，繼續 按"每檢測一次就將檢測裝置旋轉一相同角度，直到旋轉360。為止"進行檢測，直至每個磁場 激勵頻率條件下，都完成了一次旋轉檢測為止；改變檢測位置，重復步驟[2]，直至每個檢測位置都檢測完畢；[4]接收到的檢測信號，即MBN、 MAE信號，經過調理電路后，送入計算機進行三維重 建處理。
MBN檢測信號與轉角的關系如下式
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，0為激勵磁場與參考方向的夾角；^為易磁化軸方向與參考方向的夾角；《參量 表示的180。疇壁產生的MBN能量中各向異性成分，而180。疇壁導致易磁化角度，因此，該 參量與MBN能量角度變化相關。A表示MBN能量中各向異性成分，這只與各向異性背景相 關。從式中可知，與角度相關MBN測量的最大值就是樣本的易磁化軸方向((Zi)。這樣，通 過檢測MBN信號在某一個轉角方向的能量最大值即可以知道應力在二維斷層的大小和方向。 MAE檢測信號與轉角的關系與MBN檢測信號相類似。
旋轉掃描可以采用激勵磁場鐵芯和接收傳感器構成一體化結構(如圖3)，將MAE傳感 器4和MBN傳感器3通過連接件與鐵芯固定，然后由控制機構控制其旋轉。在一些快速、 且對于二維角度測量要求很高的場合，可以采用多組磁鐵和磁開關組成受控依次旋轉磁激勵， 接收傳感器則采用全向或陣列傳感器結構。
參見圖3，旋轉檢測時，檢測裝置以"門"型鐵芯1的對稱中心軸為旋轉軸對被測鐵磁 殼體施加旋轉激勵，MBN傳感器3和MAE傳感器4跟隨鐵芯一起轉動(即三者無相對位移)。
參見圖5，通過計算機軟件進行三維重建現今已是一門非常成熟的技術，其具體方法及 其它的相關設備的連接結構如圖所示，不再贅述。參見圖4，磁場激勵頻率越高，其穿透深 度就越淺，為了方便后期的信號處理及三維重建處理，起始磁場激勵頻率選擇頻率最高的磁 場激勵頻率；改變磁場激勵頻率的方式按從高頻到低頻進行。
前面提到的磁場激勵頻率與穿透深度的關系可以通過下式來反應，<formula>formula see original document page 8</formula>
式中《為常數；//o為樣品的表面磁場強度；W(Z)為距材料表面Z處的磁場強度；^為 表面磁場經鐵磁殼體衰減1/e處的深度，即衰減系數。
某一磁場激勵頻率/條件下，表面磁場經鐵磁殼體衰減1/e處的深度5 ，可由下式表征，<formula>formula see original document page 8</formula>
式中//為材料的磁導率；J為材料的電導率。
權利要求
1、一種封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，其特征在于采用巴克豪森磁噪聲檢測裝置，向被測鐵磁殼體施加變頻電磁激勵和旋轉電磁激勵，獲取被測鐵磁殼體內部不同深度的MBN、MAE信號，對MBN、MAE信號進行三維重建，最終檢測出被測鐵磁殼體內的三維應力和缺陷分布。
2、 根據權利要求1所述的封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，其特征在于檢 測方法的步驟為-1) 預設多個不同磁場激勵頻率；2) 采用巴克豪森磁噪聲檢測裝置，在每個磁場激勵頻率條件下分別掃描一次鐵磁殼體表面；3) 步驟2)中掃描結果如掃描結果無異常，則可判斷鐵磁殼體內部結構正常；如掃描 結果出現異常，轉步驟4);4) 對掃描結果異常的鐵磁殼體按如下方法進一步檢測 [l]預設多個磁場激勵頻率和多個檢測位置；[2]在同一檢測位置，在某個起始磁場激勵頻率條件下，每檢測一次就將檢測裝置旋轉一 相同角度繼續檢測，直到旋轉360。為止；檢測裝置旋轉了 360。后，改變磁場激勵頻率，繼續 按"每檢測一次就將檢測裝置旋轉一相同角度，直到旋轉360。為止"進行檢測，直至每個磁場 激勵頻率條件下，都完成了一次旋轉檢測為止；[3〗改變檢測位置，重復步驟[2]，直至每個檢測位置都檢測完畢；[4]接收到的檢測信號，即MBN、 MAE信號，經過調理電路后，送入計算機進行三維重 建處理。
3、 根據權利要求2所述的封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，其特征在于起 始磁場激勵頻率選擇頻率最高的磁場激勵頻率改變磁場激勵頻率的方式按從高頻到低頻進 行。
4、 根據權利要求1所述的封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，其特征在于根 據下式確定得到的檢測信號與鐵磁材料表面深度的關系，<formula>formula see original document page 2</formula>式中《為常數；//o為樣品的表面磁場強度；//(z)為距材料表面Z處的磁場強度；5為 表面磁場經鐵磁殼體衰減1/e處的深度，即衰減系數。
5、 根據權利要求4所述的封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，其特征在于根 據下式確定某一磁場激勵頻率/條件下，表面磁場經鐵磁殼體衰減1/e處的深度5 ，<5 = 1 / ^/罕<^/* 式中^為材料的磁導率；"為材料的電導率。
全文摘要
本發明公開了一種封閉鐵磁殼體內部三維作用力在線檢測方法，采用巴克豪森磁噪聲檢測裝置，向被測鐵磁殼體施加變頻電磁激勵和旋轉電磁激勵，獲取被測鐵磁殼體內部不同深度的MBN、MAE信號，對MBN、MAE信號進行三維重建，最終檢測出被測鐵磁殼體內的三維應力和缺陷分布。本發明的有益技術效果是可以對鐵磁殼體內部應力和缺陷進行三維空間掃描和檢測，該方法適用面廣，操作時對人體無危害，操作簡單易行。
文檔編號G01N27/72GK101551359SQ20091010377
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月5日 優先權日2009年5月5日
發明者文玉梅, 平 李 申請人:重慶大學