磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种磁记忆-巴克豪森(MMM-MBN)融合检测应力系统，该系统由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、A/D转换系统、存储系统、ARM处理器、电源系统构成。采用自动控制技术切换MMM与MBN工作，先使用MMM技术快速非接触定位应力集中区，再用MMM-MBN方法融合定点检测应力；两套检测系统融合形成了MMM-MBN无损、快速检测应力，既提高了应力的检测速度，又提高了应力检测的精度。
【专利说明】磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于应用磁记忆-巴克豪森（MMM-MBN)融合技术的新型无损检测技术 范畴，涉及一种铁磁材料融合检测应力系统。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术已成为确保产品质量以及设备安 全运行的重要手段，并且已经形成一门新兴独立的综合性应用科学技术。无损检测是在不 破坏被检材料或构件的情况下采用物理、化学等方法和手段，探测被检对象内部和表面的 各种缺陷及某些物理性能。
[0003] 开展对铁磁构件服役应力，疲劳寿命的在线、快速、瞬态或跟踪检测，一直是受人 们重视的一个无损检测难题。因为铁磁材料加工制造的机械构件，在使役的过程中，受外力 的作用，热温度变化的影响，在其内部产生的局部应力集中或松弛，会引起构件局部或全部 的塑性扭曲，变形，造成构件整体强度降低，特别是疲劳强度的降低，使设备运行不安全或 破损，如压力容器焊接构件残余应力检测及服役应力跟踪检测，扭杆、大型构件的应力及疲 劳检测，大型结构钢架的应力平衡检测，桥梁铁索、钢丝绳的应力疲劳检测，凸轮车轴、转子 的扭矩检测，船体结构应力的完好性评价等等。这是仅举的典型检测难题，也是机械，石油 化工，航空，铁路，国防工业急需解决的无损检测难题。
[0004] 传统的应力检测方法有X射线法，超声波法和应变片法。X射线法是通过晶格形变 检测应力，检测深度仅达数μ m，设备复杂，现场工程检测不方便；超声波法检测应力由于 受耦合因素，严重影响检测的精度；应变片法，是靠贴在构件表面的电阻丝栅随构件发生弹 性形变来检测应力，若构件固定不产生形变，则无法检测材料内部应力。
[0005] 因此，从材料检测，寿命检测的角度，迫切需要一种既能快速准确定位应力集中区 应力分布和疲劳又能瞬间定点、定量、在线检测应力的方法，用于指导现场设备的运行安 全及维修。
【发明内容】
[0006] 鉴于上述研究背景，本实用新型提出了一种MMM-MBN融合检测应力系统，可广泛 用于机械铁磁构件设备使役过程中内部产生的局部松弛,塑性扭曲变形产生的应力检测及 疲劳寿命检测。
[0007] 本实用新型的一种MMM-MBN融合检测应力系统，其特征在于：所述系统将MMM、MBN 技术优点互补，缺点互锄，采用快速全线覆盖的融合检测方法利用融合检测算法检测铁磁 材料应力。MBN主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和带通滤波后进入减 法器，两路信号相减可以去掉现场工作时检测对象的本底噪声，和环境中的电磁干扰。最终 得到清晰的MBN信号。此信号经主放大器和二次滤波后进入AD转换电路。MMM传感器由 四个霍尔传感器组成，三个MMM主接收器和一个补偿接收器。三个MMM主接收器和补偿接 收器接收的信号分别经前置放大器和低通滤波后进入减法器，补偿接收器用来接收地球磁 场，经过减法器后的是检测对象的自有漏磁场，不再是自有漏磁场与地球磁场的叠加磁场。 光电编码器用于测量传感器行走的距离。三路自有漏磁场信号经主放大器后进入多路AD 转换电路。
[0008] 所述的融合检测方法，采用自动控制技术切换MMM与MBN工作，先使用MMM技术快 速非接触定位应力集中区，再用MMM-MBN方法融合定点检测应力。两种检测技术融合形成 了 MMM-MBN无损、快速检测应力的方法，既提高了应力的检测速度，又提高了应力检测的精 度。
[0009] 所述的融合检测算法是当铁磁材料受到磁化时释放MBN信号，但铁磁材料在地球 磁场的作用下存在自有漏磁场，这个磁场会与激励磁场叠加。引起MBN释放的磁场是铁磁 材料所释放的总磁场，是自有漏磁场与激励磁场的叠加磁场。所以利用磁记忆技术检测钢 轨自有漏磁场的大小，计算自有漏磁场与激励磁场的叠加磁场大小，并且推导出应力、MBN 信号和总磁场的融合检测算法。
[0010] 所述系统由信号发生器、功率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、A/D转换系 统、存储系统、ARM处理器、电源系统构成。
[0011] 所述低频信号发生器包括精确波形发生器芯片和外围元件，所述的信号发生器是 通过ARM处理器SPI总线接口驱动DAC8564完成激励信号输出，每一个正弦波激励信号由 400个点模拟组成，便于对频率和幅度进行调整。将输出频率调整为1-lOHz。当使用I-IOHz 低频磁化铁磁材料时，检测深度达到Imm以上。使用50Hz频率磁化铁磁材料时的MBN特征 值为V5_ N，使用I-IOHz频率磁化铁磁材料时的MBN特征值为Vicimbn，两者的比值K = Viqmbn/ V5qmbn，通过K值求得应力值，这种方法可以消除铁磁材料表面锈迹，污损以及组织状态的影 响。
[0012] 所述的功率放大器是为了把正弦波信号发生器输出的信号进行功率放大，选用 TDA2030a组成功率放大电路，TDA2030a是SGS公司生产的大功率功放1C，该IC体积小巧， 输出功率大，静态电流小，动态电流大，带负载能力强，可带动4-16 Ω的感性负载。MBN传感 器中的马蹄形磁化线圈其电阻为6Ω，电源为±15V时，最大瞬态电流达到2. 5A。
[0013] 所述传感器由磁化器、MMM主接收器、MMM补偿接收器、MBN主接收器、MBN补偿接 收器、前置放大器、光电编码器七部分构成。
[0014] 所述的磁化器由厚度0. 2_的U型硅钢片压制而成，压制成的磁化器铁芯面积为 IOmmX 5mm，根据设计指标，确定磁化提升力、计算磁化电流、计算导线直径、确定磁通量。经 计算磁化器的磁化提升力为1N。
[0015] 所述的MBN主接收器和补偿接收器由磁芯和缠绕在其上的线圈构成；所述的磁芯 是用分子插层技术合成的CoMn铁氧体，SRD测试该磁芯具有明显的尖晶石铁氧体特征。磁 芯的介电特性％和磁化特性L均在IKHz?IMHz范围随频率变化稳定，接收磁弹波频率 为50KHz?650KHz。利用法拉第电磁感应原理，在磁芯上缠绕0. Imm漆包线圈制作成磁弹 噪讯接收器。
[0016] 所述的前置放大器选用LMC6001放大芯片。MBN信号是极其微弱的电流信号，只 有几个uA，LMC6001是COMS结构的微小电流OP放大器，其输入偏置电流典型值为10pA。 LMC6001是COMS结构的微小电流OP放大器，其输入偏置电流典型值为10pA。我们使用超前 相位补偿电容，用于补偿输入寄生电容带来的相位滞后，防止电路震荡。I/V转换反馈电阻 应尽可能选择较大的电阻。使用两个FET场效应管的源极与漏极相连作为输入保护电路。 前置电压放大器分两级放大，放大能力为100倍。
[0017] 所述的主放大系统由0P37和LF356系列放大器构成高输入阻抗放大器。所述的 系列放大器依次为高通滤波、低通滤波、带通滤波和选频放大，其先后设置共分七级抑制、 放大，一步一步压缩频带，防止噪声干扰。其中低通滤波上限为650KHZ，高通滤波下限为 48KHz，主放大系统的放大倍数为10000倍（约80dB)，检波系统对磁弹噪讯的正半周取包 络。
[0018] 所述的A/D转换系统使用LTZ1000超精准基准原件作为A/D基准，这款基准拥有 I. 2uVp-p低噪声，
【权利要求】
1. 一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所述系统由信号发生器、功 率放大器、传感器、主放大系统、检波系统、A/D转换系统、存储系统、ARM处理器、电源系统 构成；所述传感器由磁化器、MMM主接收器、MMM补偿接收器、MBN主接收器、MBN补偿接收 器、前置放大器、光电编码器七部分构成；MBN主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前 置放大器和带通滤波后进入减法器，最终得到清晰的MBN信号；此信号经主放大器和二次 滤波后进入AD转换电路；MMM传感器由四个霍尔传感器组成，三个MMM主接收器和一个补 偿接收器；三个MMM主接收器和补偿接收器接收的信号分别经前置放大器和低通滤波后进 入减法器，补偿接收器用来接收地球磁场，经过减法器后的是检测对象的自有漏磁场；光电 编码器用于测量传感器行走的距离；三路自有漏磁场信号经主放大器后进入多路AD转换 电路。
2. 根据权利要求1所述的一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所 述的MBN主接收器和补偿接收器由磁芯和缠绕在其上的线圈构成；所述的磁芯用分子插层 技术合成的CoMn铁氧体，所述的磁芯的介电特性ε,和磁化特性μ,均在IKHz?IMHz范 围随频率变化稳定，接收磁弹波频率为50ΚΗζ?650ΚΗζ。
3. 根据权利要求1所述的一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所 述的前置放大器选用LMC6001放大芯片，MBN信号是极其微弱的电流信号，只有几个uA， LMC6001是COMS结构的微小电流OP放大器，其输入偏置电流典型值为ΙΟρΑ。
4. 根据权利要求1所述的一种磁记忆-巴克豪森融合检测应力系统，其特征在于：所 述的A/D转换系统使用LTZ1000超精准基准原件作为A/D基准，这款基准拥有I. 2uVp-p 低噪声，2mF/a&的长期稳定性，〇. 〇5PPm/C的温漂，特别适用于高精度仪表；使用LTC2400高精度24位A/D转换芯片，LTC2400的数字滤波器能抑制输入端引入的50Hz和 60Hz工频干扰。
【文档编号】G01N27/72GK204228305SQ201320828044
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】祁欣, 舒迪, 尹亮 申请人:北京化工大学