[發明專利]一種用于鐵磁性材料疲勞損傷檢測的電磁混頻檢測方法

在審

• 申請號: 201910336843.1
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110261469A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 焦敬品;常予;李光海;吳斌;何存富
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N27/85
• 分類號: G01N27/85
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種用于鐵磁性材料疲勞損傷檢測的電磁混頻檢測方法，其特征在于：該方法是通過以下步驟實現的，

1)被測試件選取不同疲勞加載條件下的鐵磁構件，各試件的尺寸一致，材料相同，疲勞加載周期不同，且表面平整不存在凹坑、孔洞和裂紋缺陷；在被測試件表面中心位置作為傳感器檢測的數據采集點，不同被測試件的檢測位置一致；

2)將電磁混頻傳感器置于被測試件表面中心檢測位置，傳感器內部磁敏元件的信號拾取方向與被測試件表面的切向平行；檢測結果為被測試件表面切向磁場和試件內磁化場的磁感應強度；傳感器與被測試件的提離距離小于1mm；

3)利用計算機控制激勵采集板卡，輸出一高低頻調制的正弦信號用于混合勵磁；高低頻混頻勵磁的幅值小于0.2，頻率比大于10²；啟動功率放大器，當傳感器位于傳感器表面中心數據采集點時，檢測到的電磁混頻信號會通過信號激勵采集板卡顯示在計算機上，保存該檢測信號；

4)傳感器的檢測位置不變，保存多次重復采集的磁混頻信號；更換被測試件，重復上述操作，完成不同疲勞下的被測試件電磁混頻信號的采集；

5)由計算機對采集到的電磁混頻信號進行處理；利用被測試件表面切向磁場和被測試件內磁通量密度繪制磁滯回線，根據局部磁滯損耗計算被測試件中心位置單次檢測的電磁混頻冪律系數W_F⁰；

6)統計同一被測試件同一位置多次檢測結果的平均電磁混頻冪律系數值，繪制平均電磁混頻冪律系數隨不同被測試件疲勞損傷程度變化的表征結果；根據電磁混頻冪律系數變化表征被測試件的疲勞損傷程度。

2.根據權利要求1所述的一種用于鐵磁性材料疲勞損傷檢測的電磁混頻檢測方法，其特征在于：本方法提出的磁混頻非線性檢測，在高低頻混合勵磁條件下，低頻磁化場頻率較低，幅值較大，對鐵磁性材料進行不可逆磁化，而高頻磁化場由于頻率較高，幅值較小，對材料進行可逆磁化；

當交流電場施加到勵磁線圈上時，所產生的交變磁場將鐵磁材料磁化，該磁化場M表示為

式中，M_s表示飽和磁化場，m₀表示磁矩，μ₀表示磁導率，H(t)表示隨時間變化的外加磁場，k_B表示玻耳茲曼常數，T表示絕對溫度，表示郎之萬方程；若該勵磁場H(t)為兩不同頻率磁場的混合場，表示為

H(t)＝A₁sin(2πf₁t+φ₁)+A₂sin(2πf₂t+φ₂) (2)

式中，f₁和f₂分別表示兩激勵電壓的頻率，且f₁>f₂，φ₁和φ₂分別表示兩勵磁電壓的相位；將外加混合磁場代入公式(1)，磁化場M(t)的泰勒級數展開式為

由公式(3)可知，兩不同頻率的磁場作用于鐵磁材料時不僅會出現線性響應分量，由于兩磁場的相互作用還會產生非線性分量；對公式(3)進行傅里葉變換，磁化場的頻譜M(f)表示為

式中，α＝m₀μ₀/k_BT，δ表示單位沖激函數；檢測信號中不僅出現了f₁和f₂的線性響應分量，還出現了非線性響應產生的諧波分量和混頻分量；由于對稱相消法則，檢測信號中只存在多階奇次諧波項和偶次混頻項；因此，在頻譜中非線性響應表現為兩基頻分量產生幅值遞減的多階奇次諧頻分量和偶次混頻分量；

對于鐵磁性材料，當利用的混頻勵磁信號對材料進行周期磁化時，材料的磁滯回線是由低頻磁化場作用下的主磁滯回線輪廓和高頻磁化場作用的局部磁滯回線組成的；其中，局部磁滯回線所包圍的面積表示材料的局部磁滯損耗，與磁化強度的混頻非線性效應相關，因此利用局部磁滯回線計算的特征參數可用于表征材料的電磁非線性效應；

根據斯坦梅茨磁滯損耗理論，磁滯損耗與磁通量密度間的冪律關系同樣適用于局部磁滯回線，表示為

式中，W_F^*為局部磁滯損耗，可由局部磁滯回線的面積表示；B_a^*為最大磁通量密度，由局部磁滯回線的磁通密度峰值計算，即B_a^*＝|B_max-B_min|/2；B_s為主磁滯回線的飽和磁通量密度；n_F為冪指數常數，鐵基合金材料的冪指數為1.5或1.6；W_F⁰為局部磁滯損耗冪律系數；

計算不同被測試件的電磁混頻冪律系數，即可得到電磁混頻效應隨檢測材料疲勞損傷的表征結果；通過檢測的電磁混頻特征參量表征材料疲勞損傷，可有效減弱基頻噪聲對混頻分量的影響，同時避免了系統諧振頻率非線性效應對材料混頻非線性效應的影響。

3.根據權利要求1所述的一種用于鐵磁性材料疲勞損傷檢測的電磁混頻檢測方法，其特征在于：實現該方法的裝置包括計算機(1)、信號激勵采集板卡(2)、功率放大器(3)和電磁混頻傳感器(4)；首先，計算機(1)與信號激勵采集板卡相連后，用于控制磁混頻信號的激發和檢測信號的顯示與分析處理；信號激勵采集卡(2)的輸出端口與功率放大器(3)的輸入端口相連，用于將采集的激勵信號放大；接著，將功率放大器(3)的輸出端接入電磁混頻傳感器(4)的輸入端，用于傳感器對檢測試件的磁化；同時，電磁混頻傳感器(4)的輸出端與激勵采集板卡(2)的輸入端相連，用于傳輸采集到的電磁混頻信號。