專利名稱：高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)及方法，屬于動態(tài)測試領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
目前，我國高速鐵路的建設(shè)進入了一個快速發(fā)展的階段，鋼軌缺陷可能引發(fā)重大 安全事故，甚至造成災(zāi)難性的后果。低速運行下鐵軌的損傷情況主要以擦傷、麻點、魚鱗狀 剝離為主，分布在表面，具有較大的概率在繼續(xù)運行中被磨平，其損傷原因主要是表面擠壓 損傷。車輪和鋼軌的擠壓勢必造成鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，殘余應(yīng)力及隱形裂紋，最后殘余應(yīng)力 進一步產(chǎn)生裂紋。如果在用于高速鐵路的軌道形成裂紋初始情況下及時發(fā)現(xiàn)，并經(jīng)過打磨 改變軌道上的受力分布關(guān)系，能夠降低裂紋產(chǎn)生的概率，延長使用壽命。因此對于鐵路鋼軌 的應(yīng)力大小和表面應(yīng)力分布情況進行在線的巡檢，做到表面應(yīng)力初期發(fā)現(xiàn)是非常重要的。巴克豪森噪聲(MBN)檢測技術(shù)是對鐵磁性材料應(yīng)力檢測的有效方法，且比較成 熟。國內(nèi)的學(xué)者通過建立MBN-應(yīng)力關(guān)系曲線，對鐵磁構(gòu)件的殘余應(yīng)力測量做了大量的試驗 和工程應(yīng)用，取得了一定的成功。傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)都是通過加載交流激勵產(chǎn)生巴克豪森信 號，激勵頻率比較低。而巴克豪森噪聲是隨機信號，對信號強度的計算是一種統(tǒng)計的方法， 統(tǒng)計的周期數(shù)越多精度越高。這就為實現(xiàn)高速在線檢測應(yīng)力大小和應(yīng)力分布情況帶來了困 難。激勵頻率低主要因為巴克豪森噪聲信號產(chǎn)生在劇烈磁化區(qū)，即產(chǎn)生過程需要一定 時間。為了解決速度的問題，就需要快速產(chǎn)生巴克豪森噪聲信號。在無外界因素的作用下， 鐵磁性材料內(nèi)部最初磁疇方向是雜亂無章的，如果先用外加穩(wěn)定正磁場磁化鐵磁性材料表 面，使磁疇方向與磁化方向一致，接著用外加穩(wěn)定負(fù)磁場磁化鐵磁性材料表面，在外加磁場 足夠大的情況下，磁疇會迅速發(fā)生180°偏轉(zhuǎn)。合理選擇磁軛的尺寸，兩磁軛的間距，磁敏傳 感器的位置和直流電壓的大小可以實現(xiàn)快速、在線檢測鋼軌表面應(yīng)力和應(yīng)力分布情況。目前，巴克豪森噪聲檢測均屬于靜態(tài)檢測，如芬蘭的Stresstech公司研制的 SCan500C和德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所研制的微結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分析儀(3MA-II)，它們 均采用交流電壓激勵，激勵頻率均比較低，只能在線靜態(tài)檢測，解決不了鐵路鋼軌的應(yīng)力大 小和表面應(yīng)力分布情況動態(tài)檢測的問題?；谝陨先毕莺筒蛔?，本發(fā)明提出了一種在高速 運行條件下的巴克豪森噪聲檢測系統(tǒng)，應(yīng)用于高速在線檢測鋼軌應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種高速運行條件下的巴克豪森檢 測系統(tǒng)及方法。與傳統(tǒng)巴克豪森噪聲檢測系統(tǒng)相區(qū)別，本發(fā)明提出采用直流激勵對鋼軌 表面應(yīng)力和應(yīng)力分布進行非接觸式無損檢測，該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)巴克豪森檢測系統(tǒng)的優(yōu) 勢，而且能應(yīng)用于高速在線檢測鋼軌應(yīng)力。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)，包括直流電源、兩個激勵線圈、磁敏 傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機處理器，其中沿鐵磁性工件運行的方向上前 后放置兩個勵磁磁軛，兩個激勵線圈分別繞在兩個勵磁磁軛上，直流電源的輸出端連接激 勵線圈，置于勵磁磁軛中間和鐵磁性工件上的磁敏傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸 入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接計算機 處理器的輸入端。所述磁敏傳感器為平面一維分布的磁敏元件陣列，單個磁敏元件為巨磁阻型傳感所述信號調(diào)理電路由多路信號放大電路組成，即由單路信號放大電路并行排列組 成。高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括如下步驟a.直流電源產(chǎn)生正負(fù)直流電壓分別對繞在兩個勵磁磁軛的激勵線圈進行激勵，兩 個勵磁磁軛的激勵線圈的電流方向相反，使得兩個勵磁磁軛產(chǎn)生的勵磁方向相反；b.在一個磁軛兩臂間放置磁敏傳感器，當(dāng)鐵磁性工件以一定速度移動時，傳感器 陣列中每個磁敏元件拾取的信號，各自表示的是所遍歷的被測物體部分，在不同的磁化過 程中發(fā)出巴克豪森噪聲；c.鐵磁性工件存在應(yīng)力時，磁疇會發(fā)生不可逆的重新取向，從而影響巴克豪森信 號強度，磁敏傳感器檢測巴克豪森信號強度的變化情況；d.磁敏傳感器輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，由數(shù)據(jù)采集卡進行采集并傳輸?shù)?計算機處理器；e.計算機處理器通過對磁敏傳感器中各個磁敏元件的輸出信號進行分析和對當(dāng) 前檢測系統(tǒng)移動速度的計算，最終得到鐵磁性材料的應(yīng)力分布。本發(fā)明主要用于檢測鋼軌的表面應(yīng)力和應(yīng)力分布情況，該檢測系統(tǒng)具有檢測靈敏 度高，系統(tǒng)可靠性高，測試結(jié)果重復(fù)性好，檢測設(shè)備簡單，重量輕，檢測速度快，適合現(xiàn)場作 業(yè)和動態(tài)檢測。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊框圖。圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。圖3是巴克豪森噪聲信號，圖中A與B時刻分別對應(yīng)通過A點與B點位置的時刻。
具體實施例方式如圖1所示，一種在高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括直流電源、 兩個激勵線圈、磁敏傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機處理器，其中沿鐵磁性工 件運行的方向上前后放置兩個勵磁磁軛，兩個激勵線圈分別繞在兩個勵磁磁軛上，直流電 源的輸出端連接激勵線圈，置于勵磁磁軛中間和鐵磁性工件上的磁敏傳感器的輸出端連接 信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的 輸出端連接計算機處理器的輸入端。如圖2所示，檢測系統(tǒng)的原理表述為直流電源產(chǎn)生正負(fù)直流電壓分別對繞在兩個勵磁磁軛的激勵線圈進行激勵，兩個勵磁磁軛的激勵線圈的電流方向相反，使得兩個勵 磁磁軛產(chǎn)生的勵磁方向相反。在一個磁軛兩臂間放置磁敏傳感器，當(dāng)鐵磁性材料以一定速 度移動時，傳感器陣列中每個磁敏元件拾取的信號是所遍歷的被測物體部分，各個磁敏元 件在某一時間點上拾取的是在不同的磁化過程中所發(fā)出的巴克豪森噪聲信號。磁敏傳感器 為平面一維分布的磁敏元件陣列，單個磁敏元件為巨磁阻型傳感器。如圖3所示是巴克豪森噪聲信號，通過合理調(diào)整磁力線的分布和磁傳感器的位 置，使得當(dāng)被測物體的C點部分依次通過A點與B點時，被測物體C點部分正好處于磁疇翻 轉(zhuǎn)并發(fā)生巴克豪森噪聲的過程中，A點與B點位置上的磁傳感器可以拾取對應(yīng)時刻C點部 分所產(chǎn)生的巴克豪森噪聲信號。本發(fā)明的具體實施方式
和基本工作原理是在沿被測物體運行的方向上，前后放 置2個勵磁磁軛，且兩個磁軛的激勵線圈的電流方向相反，使得2個磁軛產(chǎn)生的勵磁方向 相反。被測鐵磁性材料在依次經(jīng)過2個磁軛范圍的時間內(nèi)，經(jīng)歷了正反兩個相反方向的磁 化。在一定的移動速度條件下，確保磁軛兩部間的距離和勵磁電流足夠大，將可以確保被測 物體中的任意一點(如C點與D點)，都具有足夠的時間先后在兩個方向上都被完全磁化。 合理的調(diào)整磁力線的分布和磁傳感器的位置，可以使得當(dāng)被測物體的C點部分依次通過A 點與B點時，被測物體C點部分正好處于磁疇翻轉(zhuǎn)并發(fā)生巴克豪森噪聲的過程中(如圖3 中所示的A與B兩個時刻)，A點與B點位置上的磁傳感器可以拾取對應(yīng)時刻C點部分所產(chǎn) 生的巴克豪森噪聲信號。在其他時刻上，A與B傳感器所拾取的信號為被測物體別的部分 通過A或B位置時所產(chǎn)生的巴克豪森信號。如當(dāng)D點依次通過A點與B點時，A點與B點 位置上的磁傳感器可以拾取對應(yīng)時刻D點部分所產(chǎn)生的巴克豪森噪聲信號。所以傳感器陣 列中每個單元拾取的信號(是隨時間變化的曲線)，各自表示的是所遍歷的被測物體部分， 在不同的磁化過程中(每個位置單元對應(yīng)磁化過程的一個相同的瞬間)所發(fā)出的巴克豪森 噪聲。如果被測物體不同部位所受的應(yīng)力是不同的，如D點與C點的應(yīng)力不同，那么在各自 通過A點和B點的時刻，傳感器所拾取的巴克豪森信號也不同。每個磁敏元件的輸出信號 經(jīng)過信號調(diào)理電路進行放大，濾波和去噪后，用數(shù)據(jù)采集卡采集此信號，傳送給計算機處理 器。數(shù)據(jù)采集卡是一個多通道采集卡，計算機處理器記錄數(shù)據(jù)并以文件的形式存入，然后對 數(shù)據(jù)進行處理，最后以圖形的顯示被測試件的應(yīng)力及殘余應(yīng)力的大小和應(yīng)力分布情況(與 位置的對應(yīng)關(guān)系)。
權(quán)利要求
一種高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)，其特征在于包括直流電源、兩個激勵線圈、磁敏傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機處理器，其中沿鐵磁性工件運行的方向上前后放置兩個勵磁磁軛，兩個激勵線圈分別繞在兩個勵磁磁軛上，直流電源的輸出端連接激勵線圈，置于勵磁磁軛中間和鐵磁性工件上的磁敏傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接計算機處理器的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)，其特征在于所述磁 敏傳感器為平面一維分布的磁敏元件陣列，單個磁敏元件為巨磁阻型傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)，其特征在于所述信 號調(diào)理電路由多路信號放大電路組成，即由單路信號放大電路并行排列組成。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特 征在于包括如下步驟a.直流電源產(chǎn)生正負(fù)直流電壓分別對繞在兩個勵磁磁軛的激勵線圈進行激勵，兩個勵 磁磁軛的激勵線圈的電流方向相反，使得兩個勵磁磁軛產(chǎn)生的勵磁方向相反；b.在一個磁軛兩臂間放置磁敏傳感器，當(dāng)鐵磁性工件以一定速度移動時，傳感器陣列 中每個磁敏元件拾取的信號，各自表示的是所遍歷的被測物體部分，在不同的磁化過程中 發(fā)出巴克豪森噪聲；c.鐵磁性工件存在應(yīng)力時，磁疇會發(fā)生不可逆的重新取向，從而影響巴克豪森信號強 度，磁敏傳感器檢測巴克豪森信號強度的變化情況；d.磁敏傳感器輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，由數(shù)據(jù)采集卡進行采集并傳輸?shù)接嬎?機處理器；e.計算機處理器通過對磁敏傳感器中各個磁敏元件的輸出信號進行分析和對當(dāng)前檢 測系統(tǒng)移動速度的計算，最終得到鐵磁性材料的應(yīng)力分布。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種高速運行條件下的巴克豪森檢測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括包括直流電源、兩個激勵線圈、磁敏傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機處理器。所述方法通過對兩個U型磁軛的激勵線圈施加正負(fù)直流電壓，被測鐵磁性材料在依次經(jīng)過2個磁軛范圍的時間內(nèi)，經(jīng)歷了正反兩個相反方向的磁化，從而產(chǎn)生大量的巴克豪森信號。本發(fā)明主要應(yīng)用于動態(tài)檢測鐵磁性材料的表面殘余應(yīng)力的分布情況。本發(fā)明具有檢測靈敏度較高，測試結(jié)果重復(fù)性和可靠性好，檢測速度快，適合現(xiàn)場作業(yè)。
文檔編號G01L1/12GK101887048SQ20101021130
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者丁松, 楊雅榮, 王平, 王海濤, 田貴云, 閆小明 申請人:南京航空航天大學(xué)