電磁檢測材料巴克豪森效應(yīng)的研究

電磁檢測材料巴克豪森效應(yīng)的研究

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，道路交通密度、載重量和速度的不斷擴(kuò)大，加劇了鐵路損壞。而且我國鐵路情況很復(fù)雜,線路運行狀況較差,超期服役的鋼軌數(shù)量大,鋼軌損傷率高,因損傷造成的鋼軌斷裂的情況經(jīng)常發(fā)生,直接對行車安全造成威脅。研究表明,雖然鋼軌損傷類型多樣,但其早期形成都源于局部應(yīng)力過大,所以鋼軌應(yīng)力狀態(tài)的檢測對于高速鐵路軌道的安全保障具有重大意義。巴克豪森效應(yīng)指出,由磁疇組成的鐵磁性材料施加交變磁場作用,磁疇會沿外磁場作用方向發(fā)生90°或180°反轉(zhuǎn)或使磁疇壁移動,這種磁疇變化過程使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變的、階躍式的脈沖信號。研究表明,這些脈沖信號與被測區(qū)域的應(yīng)力場、塑變、晶粒取向及各種微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性等微觀因素有關(guān),因此,對巴克豪森噪聲進(jìn)行分析,能夠獲得材料表面和內(nèi)部的微觀狀態(tài)和應(yīng)力信息。目前常用于描述巴克豪森信號的時域特征值主要有信號均值、均方根、振鈴數(shù)、峰值、峰值時間和峰寬比,研究不同激勵參數(shù)對巴克豪森應(yīng)力檢測信號的影響,對于選擇合適的激勵源和特征值評價被測材料的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),提高檢測靈敏度很有必要。1加力及信號系統(tǒng)試驗塊采用如圖1所示的四點彎曲加載方式,用以驗證和分析不同因素對巴克豪森信號的影響程度。試驗系統(tǒng)包括:(1)四點彎曲加載平臺可以實現(xiàn)手動加載壓力,加力范圍是0～1000N。(2)加載試塊:A3鋼塊一條,尺寸為660mm×30mm×5mm。(3)巴克豪森信號采集和處理系統(tǒng)。試驗中,針對某一確定的激勵形式,固定激勵電壓(試驗中為避免激勵信號過大而在檢測線圈中形成感應(yīng)脈沖,激勵電壓選為3.2V),通過應(yīng)力加載機(jī)實現(xiàn)被測鋼條的上表面所受壓應(yīng)力從0～150MPa變化,考慮到巴克豪森信號主要集中在4～20kHz,采集系統(tǒng)采樣頻率為200kHz。2信號的三種特征值分別使用三角波和正弦波激勵時,分別采用2,5,10Hz作為激勵頻率,采集巴克豪森噪聲。從圖2(a)和(b)中可見,當(dāng)應(yīng)力從0～150MPa變化時,峰值的相對值從100%呈現(xiàn)明顯的單調(diào)遞減規(guī)律,且激勵頻率為2Hz時這一下降過程最為明顯,在150MPa應(yīng)力下峰值降為無應(yīng)力時的0.46;峰寬比隨著應(yīng)力增加也呈下降趨勢,其下降的幅度很明顯,但是在45MPa以內(nèi)線性度良好,而在75MPa時已達(dá)飽和,隨壓應(yīng)力增加幾乎無變化,且喪失了單調(diào)性;筆者嘗試對應(yīng)力取對數(shù)坐標(biāo),以2Hz激勵為例,則在0～90MPa線性度很好,應(yīng)力進(jìn)一步增大后,對數(shù)曲線也呈現(xiàn)明顯波動。從圖2(c)和(d)可見,應(yīng)力從0～150MPa變化過程中,均值和均方根的相對變化都是單調(diào)的。以2Hz激勵下的響應(yīng)為參考,均值的相對變化量只有大約25%,而均方根的相對變化量約有40%;通過對比不同頻率下的特征值可見,改變激勵頻率對響應(yīng)的影響并不大,2Hz的激勵只是相對好一些;而頻率變化對均方根的影響就相對比較明顯,三條響應(yīng)曲線分開比較明顯,不論是線性度還是相對靈敏度,2Hz激勵下的響應(yīng)都明顯優(yōu)于高頻激勵。從圖2(e)和(f)可見,峰值時間在應(yīng)力較小的時候能反映出應(yīng)力的變化趨勢,且在大約50～70MPa之間具有較高的相對靈敏度,而在應(yīng)力增大后很快飽和,且喪失了響應(yīng)的單調(diào)性,頻率改變對響應(yīng)信號的影響并不明顯;振鈴數(shù)在頻率較低的時候具有良好的相對靈敏度和線性度,變化范圍超過70%,且頻率對響應(yīng)信號的影響很明顯,不論是線性度還是相對靈敏度,2Hz激勵下的響應(yīng)都明顯優(yōu)于高頻激勵。正弦信號作為激勵,在巴克豪森檢測系統(tǒng)中被普遍采用,因而在此用其與三角波激勵對比,激勵電壓和頻率采用與三角波試驗中一樣的3.2V和2,5,10Hz,所得巴克豪森信號的六種特征值分別如圖3所示。由圖3(a)和(b)可見,正弦激勵下,信號的峰值和峰寬比的相對變化也呈現(xiàn)出與三角波激勵基本一致的趨勢,最大特點就是2Hz激勵的響應(yīng)信號具有良好的單調(diào)性,且頻率的影響明顯。如圖3(c)所示,正弦激勵下的巴克豪森信號均值,在低頻激勵下隨應(yīng)力的增大呈單調(diào)減小,不過非線性比較嚴(yán)重;均方根則在低頻激勵情況下有良好的線性度和靈敏度。由圖3(e)和(f),振鈴數(shù)在低頻激勵下具有良好的線性度和靈敏度表現(xiàn),但響應(yīng)的線性度和相對靈敏度隨激勵頻率升高而迅速惡化,且受頻率影響顯著減小;峰值響應(yīng)時間則與應(yīng)力變化缺乏足夠的對應(yīng)關(guān)系,并且改變激勵頻率幾乎不改變響應(yīng)的峰值時間。從以上三角波和正弦波激勵下,不同激勵頻率所產(chǎn)生的巴克豪森響應(yīng)分析,在靜態(tài)測試條件下:(1)低頻激勵下響應(yīng)的線性度和靈敏度要明顯優(yōu)于高頻激勵下的響應(yīng)。從巴克豪森效應(yīng)的微觀機(jī)理解釋,因為巴克豪森信號是鐵磁性材料在外部磁場作用下,磁疇壁發(fā)生移動或翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的磁矢量變化過程中產(chǎn)生的隨機(jī)信號,由于材料磁疇壁類型、自由能因素影響,當(dāng)外部磁場改變時,磁疇壁的移動或翻轉(zhuǎn)是一個過程,如圖4所示。低頻激勵下,磁疇可以獲得足夠的翻轉(zhuǎn)時間,因而各特征值可以包含足夠的材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)信息;當(dāng)激勵頻率升高,由于外加磁場的變向時間間隔縮短,使得部分疇壁能較高的磁疇未能獲得足夠的翻轉(zhuǎn)時間,從而在宏觀上體現(xiàn)為特征值相對降低。(2)在激勵的低頻階段,頻率對響應(yīng)信號的特征值的影響要比在高頻階段的明顯。從圖4中可以看出,巴克豪森噪聲信號在激勵信號過零點附近有強烈輸出。根據(jù)磁滯效應(yīng),激勵過零點處是激勵變化率最大的時刻,而外加磁場并未能立刻反向,而是要滯后一段時間,這就是巴克豪森信號峰值時間總是大于零的原因;當(dāng)外加磁場開始急劇變化的時候,材料中的磁疇開始劇烈翻轉(zhuǎn),當(dāng)激勵的變化率逐步降低,巴克豪森噪聲的信號幅值也隨之降低。由于磁疇的劇烈翻轉(zhuǎn)過程時間相對很短,所以當(dāng)從低頻逐步升高時,由于響應(yīng)信號的幅值有效翻轉(zhuǎn)時間急劇減小,對巴克豪森噪聲信號的影響也迅速降低,體現(xiàn)在宏觀上即表現(xiàn)為頻率增大之后對巴克豪森信號的影響越不明顯。3角波和正弦波激勵的巴克豪森信號特征值對比用不同頻率下的三角波、正弦波激勵,對檢測到的巴克豪森信號分別計算六種特征值,用以對比激勵波形變化對巴克豪森響應(yīng)的特征值的影響。如圖5(a)和(b)所示,用試驗中所用兩種形式激勵信號不同頻率的巴克豪森響應(yīng)的振鈴數(shù)這一特征值進(jìn)行比較。首先,對于三角波和正弦波激勵,低頻響應(yīng)明顯優(yōu)于高頻激勵;其次,三角波和正弦波兩種激勵方式相比較,三角波激勵的巴克豪森振鈴數(shù)可以更好地反映出應(yīng)力的變化。圖5(c)和(d)所示,巴克豪森信號峰寬比這一特征值也具有和振鈴數(shù)類似的規(guī)律,但是對于不同激勵的區(qū)分度不太明顯。由圖5(c)和(d)可見,三角波和正弦波激勵下,除了三角波2Hz激勵下的峰值這一特征值,各頻率激勵的響應(yīng)區(qū)分度并不明顯;由圖5(e)和(f)可見,對于均值和均方根這兩個特征值,三角波的2Hz激勵的巴克豪森信號的均方根與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系在線性度和靈敏度上都要優(yōu)于均值。通過上述不同激勵的六個特征值的比較,三角波在同頻激勵下的巴克豪森信號特征值要明顯優(yōu)于正弦激勵;對于三角波的不同特征值,峰值和均方根對應(yīng)力的變化更敏感。正弦激勵雖然頻率單一,比三角波少了諧波分量,但是巴克豪森信號體現(xiàn)的是磁疇翻轉(zhuǎn),高頻諧波由于幅值很小,而且由于磁化時間的限制,高頻分量對巴克豪森信號的影響很微弱;而三角波的電壓變化率是固定的,因而導(dǎo)致外加于材料的磁場變化率也是固定的,則減少了因外部磁場非線性變化而引起的巴克豪森信號特征值的非線性,所以,用三角波作為激勵,均值、均方根等特征值均呈現(xiàn)出比正弦激勵更好的線性度。4試驗結(jié)果分析由以上試驗對比可得出以下結(jié)論:(1)對于同樣的激勵形式,由于低頻激勵可使材料內(nèi)部磁疇獲得足夠的翻轉(zhuǎn)時間,所以筆者認(rèn)為在2,5,10Hz這三種激勵頻率中,正弦激勵和三角波激勵下都應(yīng)選擇2Hz的激勵頻率。(2)對于試驗采用的正弦和三角波激勵性比較,三角波激勵因電壓線性變化,其巴克豪森信號的各特征值均比正弦波激勵下的響應(yīng)特征值具有更好的線性度。(3)由結(jié)論(1)以及試驗中發(fā)現(xiàn)激勵頻率增大之后的響應(yīng)信號特征值與應(yīng)力關(guān)系曲線區(qū)分