Page 103 - 无损检测2024年第三期

邹越豪, 等:
基于 FPGA 和 LabVIEW 的磁声发射应力检测系统设计

在应力检测方面的应用做了大量的研究。马咸尧
等 [ 2-3 ] 提出了通过频谱主频变化推测应力方向的方
[ 4 ]
法。王金凤等 分析了拉应力状态下钻杆材料的磁
声发射信号特征, 发现应力平均检测误差可控制在
[ 5 ]

22MPa以内。 PIOROWSKI 等 发现磁声发射信号
随变形量的增加而呈现出规律性的变化。曾文钧
[ 6 ]
等 对静拉伸状态下磁声发射行为进行了仿真分析,
结果表明随着拉应力的增大, MAE 信号的均方根电
[ 7 ]
压、 包络面积等特征值都呈现下降的趋势。 SU 通 图1 布洛赫磁畴壁结构示意
过弯曲试验验证了 MAE信号的影响因素, 结果表明
信号特征造成影响。在拉应力作用下, 铁磁性材料

在4 mm 的 测 量 深 度 内 最 大 测 试 误 差 为 30 % 。
中各类畴壁逐渐转化成180° 畴壁, 对磁声发射信号
AUGUSTYNIAK 等 [ 8-9 ] 定量分析了磁声发射影响因 强度作用较大的 90° 畴壁所占比例降低, 导致磁声
素, 并通过不同应力测试方法的对比分析, 指出磁声
发射信号强度减小。
发射是一种有效的应力评估手段。李志农等 [ 10 ] 建立
Q235钢静载拉伸下的磁 - 力耦合模型, 确定了应力对 2 磁声发射应力检测系统整体设计
磁声发射的影响以及钢疲劳状态下对磁声发射的影 基于 FPGA 和 LabVIEW 的磁声发射应力检
响。陈炫宇等 [ 11 ] 建立了基于信号样本熵特征量的磁
测系统结构示意如图2所示。系统中, FPGA 主控
声发射应力检测方法, 相较于其他特征量, 样本熵值
模块控制整个系统的数据采集、 信号处理和控制逻
的波动性指标更能反映与应力的对应关系。
辑, 协调各个子系统, 负责数据流的管理和控制信号
由于铁磁性材料的磁声发射现象影响因素众
的发出。 DA 转换电路将 FPGA 生成的数字信号转
多, 如激励信号的波形、 频率以及励磁强度等, 并且
换为模拟信号, 经过功率放大电路增强到足够的功
不同试件的最佳励磁条件也存在一定差异, 因此在
率, 并通过检测线圈和磁轭传输到待测试件。检测
实际检测中, 需要对激励信号进行调整 [ 12 ] 。针对目
线圈和磁轭产生的磁场会相互作用并激发磁声发射
前 MAE 仪器中存在的不足, 基于 FPGA ( 现场可编
信号。传感器通过前置放大电路检测磁声发射信号
辑逻辑门阵列) 设计了参数可调的应力检测系统。
的变化, 并将其转换为电压信号, 该信号通过信号滤
在满足磁声发射应力测量的条件下, 该系统能够对
波电路进行滤波, 去除噪声和不需要的频率成分。
激励信号进行灵活配置, 可以提高磁声发射在应力
处理后的信号传递到 AD 转换电路, 进行数字化处
检测中的应用范围和检测效果。
理。上位机接收 FPGA 的数据, 提供实时数据可视
1 磁声发射检测原理 化、 存储和分析工具以及用户交互界面。

磁畴是指铁磁性材料在自发磁化过程中形成的
许多磁化方向不同的微小区域, 在同一个磁畴内的
原子磁矩排列方向一致, 相邻磁畴间的原子磁矩排
列方向不同 [ 13-16 ] 。相邻磁畴之间存在一定厚度的
原子层, 称为磁畴壁。对于立方晶体, 根据磁畴壁两
边磁化矢量的夹角, 可将磁畴壁分为 90° 畴壁和
180° 畴壁。在交变磁场作用下, 磁畴壁不断运动, 在
两个畴壁内磁致伸缩不一致而引起磁声发射信号,
其结构示意如图1所示。 图2 磁声发射应力检测系统结构示意
经过磁声发射理论的不断发展, 现在基本认为
磁声发射信号源包括: ①180° 和90° 磁畴壁的不可逆 3 磁声发射应力检测系统硬件设计
移动; ②磁化矢量的不可逆转动; ③磁畴壁的产生和 3.1 激励信号产生模块
湮灭 [ 17 ] 。应力主要通过改变磁畴结构进而对 MAE
激 励 信 号 由 FPGA 驱 动 AD 转 换 芯 片 AD
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2024年 第46卷 第3期
无损检测