磁声发射检测系统的设计与研究

　　1 引言

　　磁声发射是20世纪80年代发展起来的一种磁性无损检测技术。许多科学工作者相继对磁声发射现象进行了深入的研究。发现材料的化学成分、显微组织、应力状态等均会强烈影响材料的磁声发射行为，并认为该技术可以成为无损检测构件残余应力和材料其他性能的一种新方法。目前MAE技术国外已经应用于炮筒、枪筒、火箭筒、X M-1型军事运载工具及铁轨的应力与显微组织的评价;石油工业方面，已将声发射做套管损坏的实时监测方面的先导性试验研究。不久的将来磁声发射必定会在更多方面有更广泛的应用。

　　2 MAE法应力测试原理

　　铁磁材料中磁畴壁在外磁场下往复震荡和磁化矢量的转动而产生应力波从而导致声发射现象。当铁磁材料被磁化时，畴壁出现突然运动，随着磁场增强，运动速度加快，当局部能量达到最小时，畴壁停止运动;若继续磁化，畴壁则重新运动到下一个最小能量位置上停止。在运动时，相邻两个磁畴内磁致伸缩不一致而出现的位移便引起MAE脉冲信号，其大小和方向可用一个放大的磁畴区域体积内的非弹性应变张量Δε来表示。当输出峰值电压信号为VP时，有如下关系式：公式1式中：

　　C为材料常数;

　　τ为Δε增长的时间。

　　M A E信号强度与产生非弹性应变的那部分体积成比例，而应力的增大使磁畴体积减小，从而导致MAE强度规律性的降低。

　　3 MAE测试系统硬件电路

　　MAE测试系统原理框图如图1所示。

　　3.1磁化器设计

　　因MAE在材料内作为弹性波传播，信号不受涡流趋肤效应制约，其检测深度取决于磁场的穿透深度。根据电磁理论，磁场在垂直材料表面深度上衰减规律如式(2)所示：

　　式中：

　　H0为样品表面磁场强度;

　　H(x)为距材料表面x处的磁场强;

　　a =r fnv为衰减系数(f为磁化场频率、μ为材料磁导率、σ为材料的电导率)。

　　磁化器主要包括线圈和激励电路。其中线圈设计中选用0.31m m漆包线，可通最大电流为0.5A，绕成73m m长的螺线管，一共6400匝，因此单位长度线圈匝数N=6400/0.073=88k匝/m。绕层较多情况下，为防止线圈散热不及时而影响工作，一般电流控制在0.4A以内，H可达到35kA/m。激励电路的设计就是设计一个电压频率可调的电压源去驱动螺线管线圈产生磁场强度、频率可变的交变磁场，总的设计原理框图如图2所示。

　　电路系统工作流程如下：接入单相220V交流电，通过整流桥经电容滤波变成直流电，直流电经斩波电路进行升降压调节，从而改变输出电压的大小;为了获得交变电磁场，需要交变电流去激励螺线管线圈产生交变磁场，所以经整流后的直流电还需经过逆变桥变回交流电，逆变桥的开关通断由控制电路改变，通过控制电路可以获得所需频率的交变电流，最后加在负载(螺线管线圈)两端的电压电流大小频率通过显示系统进行显示。