巴克毫森噪声应力检测设备的开发与研究

林 洋，王 平，吴 杰，李 东，焦 婷

（南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016）

0 引 言

我国铁路建设进入了快速发展时期，尤其在高速铁路建设方面，无缝钢轨得到了广泛应用，这就对钢轨的可靠性和平稳性有了很高的要求。又因为铁路交通事故的不断发生，研究钢轨应力又有着重要的实际意义。由此可见，对于钢轨应力的检测和分析至关重要。

目前检测应力的方法有磁巴克豪森噪声法、金属磁记忆法、漏磁法、涡流检测法、X射线法、电阻应变片法，盲孔法等[1]。综合比较它们的原理、使用范围和各自的优缺点，巴克豪森噪声检测技术在铁磁材料的应力检测中有较大的优势，它是用铁磁性材料在磁化的过程中发生磁畴翻转这一原理而测量的，通过铁磁材料表面的检测线圈提取巴克豪森噪声（MBN）信号值，因此能够对铁磁材料构件的应力、残余应力和微观结构进行检测，从而对铁磁性材料疲劳失效及寿命评估进行有效诊断[2]。因此结合钢轨本身的特点，可以采用巴克豪森噪声方法来检测钢轨的应力。

所设计的巴克毫森噪声应力检测设备的整体系统是由激励磁化电路、传感器探头、信号调理电路、信号采集系统等组成。通过对巴克豪森应力检测的特征值分析，再对应力值进行标定，能够精确测量铁轨某点处的应力值。

1 巴克豪森应力检测的理论基础

1.1 MBN检测原理

磁场中的物质由于受磁场的作用而表现出一定的磁性，这种现象就称之为磁化，磁化过程如图1所示。

图1 磁化过程

巴克豪森效应是德国Dresden大学巴克豪森（Barkhausen）教授于1919年发现的。铁磁性材料内部存在着许多微小的不同取向的磁畴。在无外界因素作用下，每个磁畴沿其易极化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零，对外不显磁性。当有外加交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生90°或180°反转或磁畴壁移动，导致磁畴呈现一定规则的取向，这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变、阶跃式的跳跃脉冲信号，即巴克豪森信号。这种磁化过程中的跳跃现象称为巴克豪森效应，每次巴克豪森跳跃会在铁磁材料表面的探测线中接受到一定功率谱分布的微弱电信号噪声，称为巴克豪森噪声（MBN）[3]。

磁化曲线表征的是铁磁物质在外磁场的作用下所具有的磁化规律，在外磁场的作用下铁磁性材料会发生磁化，当达到饱和之后，去掉外加磁场，铁磁质的磁化状态并不恢复到原来的状态，当磁化场在正负两个方向上往复变化时，介质的磁化过程经历着一个循环的过程，从而形成了磁滞回线[4]。MBN信号出现在磁滞回线的最陡阶段（如图2所示），以电压的形式产生一种脉冲噪声。

1.2 提取巴克豪森应力检测的特征值

通常提取巴克豪森信号的平均值、均方根、包络线、振铃数、峰宽比这5种特征值来反映巴克豪森信号应力和微观组织结构的关系，从而对材料受应力的情况和疲劳损伤的程度做出估计[5]。

图2 磁滞回线与MBN信号

（1）平均值。一个磁化周期中所有MBN信号被滤波后所形成包络线的幅值电压。

（2）均方根。噪声的强度通常采用均方根值来表示，即表征的是噪声的能量[6]。

（3）包络线。指激励信号上升周期或下降周期内一个MBN信号的轮廓。

（4）振铃数。在一个达饱和磁化的周期中产生的幅值大于某一阈值的振铃个数，其值与阈值大小有关。

（5）峰宽比。包络线峰值与半高全宽之比简称为峰宽比。

2 巴克豪森应力检测设备

2.1 巴克豪森应力检测设备的硬件功能介绍

设备主要包括传感器检测探头、激励信号发生模块、信号调理模块、数据采集模块等，设备整体框架如图3所示。

图3 设备整体框架

2.1.1 激励信号发生模块

激励发生模块用于产生0～12.5MHz，Vp-p0-6V的正弦波。调节分辨率为4.6mV，整体框架如图4所示。

DDS是由AD9833搭建而成。AD9833是可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波、方波输出。AD9833无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程,易于调节,频率寄存器是28位的,主频时钟为25MHz时，准确度为0.1Hz，主频时钟为1MHz时，准确度可以达到0.004Hz。可以通过3个串行接口将数据写入AD9833，这3个串口的最高工作频率可以达到40MHz，易于与DSP和各种主流微控制器兼容。AD9833的工作电压范围为2.3～5.5V。

图4 激励信号发生模块框架

图5 检测探头框架

数字电位计是由芯片AD7376构成。AD7376是128位数字电位计，可以±5V～±15V双电源供电。这款器件使用3线制SPI进行控制，可以用作可编程电阻或电阻分压器。它可实现与机械电位计、可变电阻及调整器相同的电子调整功能，而且具有增强的分辨率、固态可靠性和可编程能力。这款器件采用数字控制而不是手动控制，允许灵活布局，并能进行闭环动态控制。

2.1.2 检测探头

检测探头部分主要包括激励线圈即磁化线圈、U型磁轭、磁敏传感器。磁化线圈采用局部磁化的方式，绕制在U型磁轭上的激励线圈通以交变电流时，就会产生交变的磁场，进而对铁磁材料进行磁化。如图5所示。

2.1.3 信号调理模块

信号的调理主要包括对MBN的信号放大、滤波电路以及针对提离设计的提离补偿电路。

（1）信号放大模块

信号差分输入经过三级放大，每级之间通过带通滤波器（159.2 Hz～159.2 kHz）进行滤波去噪，然后进入采集卡。前两级固定放大倍数都是6，最后一级放大倍数可调，由AD7376数字电位计完成。

放大器采用仪表放大器INA111，INA111的结构原理如图6所示。

1）VIN-（脚 2）：信号反向输入端，该端与信号同相输入端（脚3）构成差分输入。

2）VIN+（脚 3）：信号同向输入端。

3）增益调整（脚 1、8）：该端接外接增益调整电阻器RG。

4）VO（脚6）：放大器输出端。

5）Ref（脚5）：参考电压输入端，通常接地。为确保良好的共模抑制，连接必须是低阻抗的，如果一个5Ω的电阻串接在此脚，将引起共模抑制比典型值下降到 80dB（G=1）。

图6 INA结构原理图

图7 电感测量电路

其中，RG是外接电阻器，50kΩ是内部两个反馈电阻值的和。

（2）提离补偿模块

为补偿提离带来的影响，针对激励线圈和检测线圈的提离设计了提离检测电路。

1）激励线圈提离测量电路

电磁感应原理，采用线圈检测激励线圈磁轭中的磁场大小，从而得知激励线圈的提离。由于线圈产生的是正弦信号，采用AD637（高性能真有效值转换器）求出RMS，然后经A/D由单片机检测。

2）检测线圈提离测量电路

针对检测线圈的电感值随提离减小而增大的规律，设计了如图7所示的检测线圈的电感测量电路。

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。三点式电路是指：LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。

2.1.4 数据采集模块

在该设备中，选择ADLINK公司的一款数据采集卡DAQ2010作为数据采集设备DAQ-2010，具有4路差分模拟输入的采集，便于阵列结构的数据采集。同时，采集卡的转换精度可达14 bit，采样频率可高达2MHz，本系统的信号基波分量可以满足采样率的要求。它是一种通用的性价比较高的产品，保证了实时信号不间断采集与存储，能够完成信号采集、数字信号的模拟输出以及定时、计数等功能。

2.2 巴克豪森应力检测设备的人机交互界面设计

针对钢轨应力点测模式开发的操作界面，采用C#语言，在VS2010+SQl2008开发环境下编写。针对不同铁路段不同位置的应力值进行点测，操作及功能如下：

（1）位置信息的录入。针对不同铁路段，不同位置的信息录入并以数据库形式保存。

点击【设置】按钮-选择【测试模式】页，进入测试模式设置界面，选中【点测】按钮。依次设置【测试序号】，【线别】，【行别】，【股别】，【区间】，【设计轨温】和【里程】。设置完成后点击【保存】，数据保存成功，如图8所示。

图8 测试点位置信息设置界面

（2）数据的采集处理并显示。回到主界面，选择【测试序号】，点击【开始】，弹出“是否保存？”提示框，点击【是】数据保存，点击【否】则不保存数据。保存的数据包括测试点位置信息和测试点应力值信息。

（3）信息的检索和输出。点击相应按钮，按时间等条件对相应采集点的应力值等数据进行检索，数据以Excel表格形式输出并保存到程序指定位置。

3 结束语

提出了以工控机为平台的巴克豪森应力检测设备的设计方案，着重阐述了主要硬件模块的功能实现和人机交互界面的开发设计，在传感器的设计、激励信号的发生和信号处理模块等关键技术上已取得重大的突破。该设备检测到的钢轨应力值与实际钢轨应力值进行比对，测试结果表明已达到较高的精度标准，证明此方案切实可行，能够满足巴克豪森噪声应力检测的要求，有一定的应用前景。

[1]王平，杨雅荣，田贵云，等.基于巴克豪森效应的钢轨表面应力研究[C]∥2010远东无损检测论坛.浙江，2010.

[2]Sophian A，Tian G Y，Zairi Sofiane.Pulsed magnetic flux leakage probe for crack detection and characterization[J].Sensors and Actuators A：Physical，Available Online，2005（8）：29.

[3]Wilson J W，Tian G Y,Moorthy Vaidhianathasamy，et al.Magneto-emission and magnetic barkhausen emission for case depth measurement in En36 gear steel[J].IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（1）：177-183.

[4]朱晓雪，王平，田贵云，等.基于DSP的巴克豪森便携式应力检测系统的开发[C]∥2012远东无损检测论坛.合肥，2012.

[5]丁松，田贵云，王平，等.巴克豪森应力检测中激励方式的影响[C]∥2011远东无损检测新技术论坛，2011.

[6]朱寿高.基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.