文摘

便携式阻抗分析仪(PIA)开发基于TiePie-HS3设备提供可比的阻抗测量精度的安捷伦4294 A阻抗分析仪在0 ~ 250 kHz的频率范围。然后PIA应用监控拉伸压力诱导变异的涡流传感器的阻抗中碳钢样品。模型等效磁场引起的弹性应力和固定站点的数量表明,涡流循环首先增加的电感与拉伸应力的增加,然后降低材料的屈服点。实验结果证实,阻抗的变化幅值、相角的变化,和两个出现频率表现出相反的变化趋势的转变前后的屈服点,所建立的模型。一个新的参数,结合所选两个频率的阻抗变化信息,发现展览近单调拉伸应力的依赖在弹性和塑性阶段。新的参数一起开发了便携式阻抗分析仪提供解决方案来确定铁磁材料的弹性和塑性行为与涡流技术的实际应用。

1。介绍

涡流技术通常应用于无损评价金属(1,2]。众所周知,微观结构和压力状态确定铁磁材料的电导率和磁导率(3,4]。涡流技术有潜力评估微观结构改变(5- - - - - -7应用/残余应力[],状态8,9),和可塑性10,11在铁磁材料。上述客观参数量化基于涡流传感器的阻抗测量的阻抗分析仪等先进安捷伦4294 a或综合实验系统12]。考虑到实际应用,有必要开发便携式阻抗分析仪(PIA)类似的操作准确性和易用性(13]。

调查的影响弹性金属和塑料压力涡流反应实验工具,单轴拉伸加载通常应用于张拉样品和涡流传感器的阻抗变化(ECS),这是放置在样品表面附近,是记录在整个紧张的过程(14]。ECS的弹性行为的表征反应非铁磁性的金属如铝合金和奥氏体不锈钢被广泛研究和探讨15,16]。压阻效应被认为是涡流的变化响应的主要原因。在塑性变形阶段,额外的微观结构变化和应力影响ECS的回应。ECS的结果,一些特征响应,这是不相关的弹性应变,变得敏感,塑性应变(17]。

同样,在铁磁材料中,占主导地位的影响磁弹性效应和塑性变形的ECS阻抗转变了。Schoenekess et al。18)指出,在小的磁场强度下,ECS阻抗的电抗是更敏感的弹性应力比阻力。Dahia et al。19]或者测量铁磁磁导率的铁钴合金在拉伸弹性压力。渗透率和ECS阻抗幅值被发现与弹性应力的增加单调增加。相反,Cai et al。20.)报道,增加残余塑性应变减少碳的渗透率。涡流信号的观察单调的依赖特性对个人弹性压力或塑性应变可能允许无损评价。为了找到方法来确定变形阶段根据ECS反应和分离的贡献弹性和塑料菌株ECS反应,有必要探索整个张力过程中涡流阻抗包括弹性和塑性阶段(21]。

在这项研究中,弹性和塑性变形的影响在中碳钢阻抗转变一个涡流传感器的实验研究。首先,基于TiePie-HS3便携式阻抗分析仪设备开发。性能测试结果表明,在有关频率范围,商业的发达PIA拥有类似的测量精度安捷伦4294 a阻抗分析仪。其次,几个特色阻抗参数被发现是敏感应用拉伸应力的依赖,完全相反的结论出现阻抗参数对拉应力得到的塑料阶段对弹性阶段。最后,为了确定钢的弹性或塑性阶段,新参数,结合这两个频率的阻抗变化信息,介绍大致计算出变形类型。

2。弹性和塑性特征基于涡流方法

压阻效应描述了材料的电阻变化量由外加应力引起的,而磁弹性效应指的是铁磁材料的磁化强度的变化和由此产生的电感应用所造成的压力。涡流transformer模型通常是用来说明ECS阻抗之间的关系和参数(电阻、电感等)的感生涡流循环检测铁磁材料。根据方程由Garcia-Martin et al。22),电阻(Re)和电感(le)铁磁材料的复杂影响真正的(Rcn和想象的Xcn)部分搜索线圈的阻抗, 在哪里我米和ω代表的漏电感电路和角频率,分别。耦合系数kECS之间的距离和相关测试样品。因此,如果一个ECS安装到测试铁磁样品表面没有发射波动,ECS阻抗的变化主要是由电阻和电感的变化引起的铁磁材料,这可能表明材料的压力或微观结构的变化。

压力和微观结构的影响机制在铁磁材料的电阻和电感还不能揭示了分析模型。为了找到弹性系数(η电阻的应用方向的弹性压力(σ),线性假设表示如下(23]:

当铁磁材料发生塑性变形的应用磁场磁化(米)是由等效场由于应用磁场(Hσ= 0)、弹性应力( )和塑性变形( ),分别。因此,对于一个给定的动态磁场,电感(le铁磁材料)的涡流循环是由上述的综合效应等效字段, 在哪里μ总和B总分别是总等效磁导率和磁通密度。当应用磁场的方向是一致的,单轴应力的材料、组件的等效场引起的弹性应力可以表示如下(24]: 在哪里μ0代表空气的磁导率;磁致伸缩系数λ代表了磁力敏感性;(dλ/d米)σ表达了与恒定应力下磁化磁致伸缩变化。实验结果表明,碳钢(d的价值λ/d米)σ在低磁场略随外加应力(25]。因此,这一项的影响 与弹性应力(相比是有限的σ)。

根据经验公式,将网站的越来越多,N,产生的塑性变形过程表示如下(25]: 在哪里K是一个material-dependent常数。据之前报道的模型(26),相当于字段可以由塑性变形引起的 在哪里米是一个域的磁矩; 表示网站的将能量为180°域墙。示(4)和(6),弹性或塑性阶段的压力应激等效磁场上的完全相反的效果。由于上述相反的作用机制,碳的相对差渗透性钢最初随压力的增加然后减少材料的屈服点(25]。

方程(1),(2),(3),(4),(5)和(6)链接ECS阻抗与外加应力对理解工作原理艾迪current-based弹性和塑性变形的评价方法。然而,(1),(2),(3),(4),(5)和(6)不能应用在压力诱导的精确预测ECS阻抗转变,因为很难确定上述参数,如k, ,和米。此外,许多因素如先生配置,测试样品的微观结构,忽略阻抗分析仪的性能在上面的模型中。因此,在大多数情况下,实验标定法研究弹性和塑性变形的影响,ECS的阻抗。

3所示。便携式阻抗分析仪

安捷伦4294 a等商业阻抗分析仪可以同时测量两个独立的涡流传感器的阻抗参数,如真正的(Rcn和想象的Xcn)部分的阻抗。绝对的阻抗(Z)和相位角(θ)可以根据计算等效串联电路的阻抗矢量,Z=Rcn+ jXcn。自商业阻抗分析仪不方便在实际测量中,紧凑的阻抗测量电路受小电流测量电路提出的Peairs et al。27)开发尤其是对压电元素impedance-based SHM系统(28]。

提出了一种简单的和便携式系统测量ECS阻抗基于数字频谱分析方法(29日]。测量电路如图1(一),系统由TiePie-HS3设备和笔记本电脑配备了虚拟仪器软件(图1 (b))。TiePie-HS3装置由一个可编程信号发生器和一个双通道采集卡与电脑通过USB接口和虚拟仪器程序。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图1
阻抗测量电路(一)和便携式阻抗分析仪(b)为涡流传感器(c)。

电阻器的电阻R是串行连接到涡流传感器。当电阻ECS一起由一个正弦信号驱动的U我(t),替代当前的,我(t电路中),可以计算如下: 在哪里Ur(t)代表的电压测量电阻。的信号U我(t),Ur(t同步采集卡获得的。ECS的电压,Uo(t),可以表示未知ECS的阻抗,Z当前,我(t),

根据基尔霍夫定律,我们可以获得

因此,ECS的阻抗

数字频谱分析技术被用来分析的信号U我(t),Ur(t)在MATLAB环境中虚拟仪器程序。之间的振幅比和相位差的信号U我(t),Ur(t)在操作频率提取然后替换成(10)计算ECS阻抗的值。

设备的阻抗测量精度取决于测量平均数量,特别是current-sampling电阻的值。之前报道的结果(29日)表明,测量电压信号是由电气噪声严重干扰阻力的值是否小于20Ω。的阻力R大于300Ω,测量振幅和相位角都远高于由安捷伦4294 a阻抗分析仪测量值由于nonignorable电流分流器的内部电阻采集卡的效果。结果之间的相对误差±10%衡量发达便携式和安捷伦4294 A阻抗分析仪可以实现的阻力R在20 ~ 300Ω。平均测量时间的增加可以提高测量精度的代价收购时间更长。均方根偏差(RMSD)之间的阻抗曲线以不同的平均测量时间估计。阻抗测量的不确定性的±0.25%报道时选择的平均时间是三个。

之间的性能比较发达的便携式阻抗分析仪(PIA)和ECS阻抗的安捷伦4294 a阻抗分析仪测量如图2。的ECS由u型铁氧体磁芯的腿受伤的铜线圈。线圈的直径大约是0.13毫米,和线圈的总数约为800。在测试,平均时间是固定的三个电阻的电流采样电阻是选为50Ω。小测量共振频率之间的偏差是由于电气测量电路的差异。最多的操作频率的共振频率范围之外,相对误差的幅值和相角测量的PIA相比是小的安捷伦4294 a阻抗分析仪。例如,在0 ~ 20 kHz范围和80 ~ 100 kHz,估计的相对误差的幅值和相角,分别小于2.3%和1.3%(数据的插入2(一个)和2 (b))。结果证明发达PIA可以提供非常高的阻抗测量涡流检测的准确性。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
比较阻抗幅值(a)和相位角(b)由安捷伦4294 a和发达便携式阻抗分析仪。

4所示。实验和讨论

中碳钢组成,按重量计算,0.48%的C, Si的0.18%,0.56%的锰,0.052%的铬,0.013%的铜、铁的平衡,被选为原料紧张样品制备。样品的尺寸和实验获得的应力-应变曲线如图所示3。估计屈服应力大约是0.47的绩点。张力过程中,发达PIA被用来衡量一个涡流传感器的阻抗,即安装张拉样品的表面上。对于每一个拉应力水平,三个ECS阻抗进行重复测量。


图3
张拉样本的大小和获得的应力-应变曲线。

之前报道的结果表明,ECS阻抗的变化的内在影响机制在塑性阶段不同于在弹性阶段(14,30.]。因此,分析ECS阻抗的变化分为两个阶段。测量阻抗曲线对应于0 GPa的压力和0.47的绩点被选为基准计算ECS阻抗的变化在弹性和塑性阶段,分别。计算平均振幅曲线的各种压力变化如图所示4。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
估计平均振幅的变化曲线在弹性阶段(b) (a)和塑料阶段张拉的样本。

当操作频率高于105 kHz,涡流传感器成为一个电容元件从最初的归纳国家由于self-resonance电路。在弹性阶段,上升趋势的振幅变化应用拉伸应力的增加可以观察归纳ECS的状态,而一个下降趋势是电容状态(图中观察到4(一))。观察到的振幅变化的趋势引起拉应力的增加塑性阶段是截然相反的,在弹性阶段(图4 (b))。随着拉伸应力的增加,振幅变化的ECS减少其感应状态和增加其电容状态。

当样本先后从弹性阶段张拉到塑性阶段,增加拉伸应力和样品厚度的减少会导致测量阻抗的变化曲线。谢et al。30.]报道的数值模拟方法预测脉冲涡流信号,他们发现涡流信号变化由于只有各种厚度远小于残余塑性应变引起的变化。因此,在这项研究中,测试样品的厚度的影响被忽略,结果在图4用于进行定量分析的阻抗参数的依赖性应用拉伸应力。振幅的变化之间的关系和应用拉应力在弹性阶段取决于操作频率。在60 ~ 100 kHz的频率范围,线性拟合工具应用于分析测量数据和曲线拟合回归系数大于0.9,如上部插入如图所示5。拟合曲线的斜率可以视为ECS阻抗对压力的敏感性。在这里,一起在84 kHz的频率测量数据线性拟合曲线绘制在图5每GPa和估计的敏感性是8.7%左右。在110 ~ 150 kHz的频率范围,二次拟合结果可以更好地说明测量数据的变化比线性拟合的结果。曲线拟合的回归系数在这个频率范围内正确的插入在图所示5。在132 kHz的频率获得的结果表明,屈服应力的时候,阻抗的变化幅度约为1.3%,这是只有三分之一的价值在84 kHz的频率。


图5
依赖的变异操作84 kHz的频率和振幅的132 kHz应用拉应力处于弹性阶段。

类似的分析方法应用于分析在塑性阶段获得的实验数据。图6显示了结果在84 kHz的频率和132千赫。比弹性阶段的情况下,在一个更广泛的频率范围20 ~ 180 kHz,振幅的变化之间的关系和拉应力可以表示为二次方程,拟合回归系数高于0.95(图6)。针对每种情况的调查频率,振幅的变化有一个拐点就在样品测试钢材的屈服点。例如,在132 kHz的频率,振幅的净减少1.3%发生在拉应力增加到0.47的绩点从自由状态;净增长7.7%在振幅达到屈服点的压力上升到0.7的绩点。微观结构的变化引起的塑性变形明显屈服点后会导致渗透率的变化和铁磁材料的磁致伸缩25),从而导致更大的ECS阻抗变化相比的情况下弹性阶段。两种机制,分别由微观结构变化和拉应力在塑性变形阶段。上述两种机制可能有相反的影响磁性的变化尤其是渗透率,在(4)和(6)。


图6
依赖的变异操作频率的阻抗84 kHz和132 kHz的拉应力在塑料应用阶段。

其他几个阻抗参数,也敏感的弹性和塑性变形,进行了分析。图7显示相角变化的平均结果的测试压力,结果在弹性和塑性阶段分类清楚地显示了相反的趋势。在整个测试频率范围,阻抗幅值的单调的攀登或下行趋势与拉伸应力的增加可以推断结果图6。不像图中的结果6频率范围高于130 kHz,相角的变化引起的拉应力增加变得复杂,展示一个振荡行为在塑性阶段和随机跳跃行为在弹性阶段(图7)。因此,最好是分析结果的频率低于130千赫。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
估计相角的变化在弹性阶段(a)和塑性阶段(b)张拉的样本。

在这里,获得的数据在96 kHz和120 kHz的频率选择的讨论。测量相角免费样品箱用作所有应力水平的基线情况下计算相位角变化百分比。在插入图表示8类似的变化趋势,相角变化引起的拉应力可以观察到96千赫和120 kHz的频率。应用拉应力对应于相角变化的拐点在96 kHz大约是0.5的绩点,这是接近,在120 kHz, 0.47的绩点。结果在图5,6,8显然表明,连续阻抗的变化可以反映出材料的弹性和塑性变形。两个变形阶段可以简单地由阻抗变化曲线的拐点,因为拐点对应材料的屈服应力。攀登或下行速度曲线的相角变化取决于频率。例如,在弹性阶段,相角变化在120 kHz的下行速度更快比96 kHz,相反的结论可以在塑性阶段。


图8
测量相角为拉应力的变化应用到钢样品增加。

整个阻抗曲线的变化估计两个特色共振频率的变化,对应于峰值振幅和相位角的47°,分别。曲线拟合工具基于six-order高斯方程用于分析测量的阻抗数据(图9(一个)),然后插值方法应用于测量频率范围细化扫频增量。图9 (b)显示了两个出现频率的转变时,拉应力不断增加从0 GPa 0.7绩点。再一次,一个转折点发生在曲线当外加应力达到屈服点0.47绩点。这一趋势是一致的结果在图8。然而,两个出现频率的改变引起的拉应力的0.1绩点只有几百赫兹。如果这两个出现频率作为敏感参数表征的拉应力,建议增量在阻抗曲线测量频率小于100 Hz的成本大幅增加测量时间。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
(一)测量阻抗曲线在不同拉伸应力和(b)两个出现频率的改变。

数据的曲线8和9 (b)有类似的形状在外加应力的范围。振幅的变化在84 kHz的频率数据5和6)被选来帮助分析拉伸应力的影响电感的涡流循环。是不可能衡量的参数的精确值我米和k,所以只有应激电感变化研究中。示(2),电阻Re假设线性拉伸应力的增加和减少的电感吗le成正比的总等效相对渗透率。随着拉伸应力的增加,相对渗透率调整以确保真正的变化(Rcn和想象的Xcn)部分的阻抗预测(1与测量结果相吻合。结果在图8和9 (b)显示的数据分散重复测量非常小。因此,只有三次测量的平均阻抗值作为评估的参考Rcn和Xcn,估计电感le在比例如图10。


图10
估计变异涡流循环基于测量电感的阻抗数据84 kHz, (1)。

外加应力变化的macromagnetic行为材料通过改变大小、方向的领域,把网站的数量。在弹性阶段,越来越多的拉应力将通过逐步消除域增强样品磁化,磁化向量都垂直于磁场应用(25]。结果,样品的渗透率的总面积增加了减少域墙和畴壁固定的数量。因此,电感le前往往会增加应力达到屈服应力(图10)。克服了压力屈服点后,将网站的数量大幅增加与位错密度的增加,从而削弱磁场的强度,表明(6)。在弹性阶段的压力相比,压力在塑性阶段四次方影响减少磁场。因此,渗透率和电感的值le减少速度(图10)与塑性变形的增加程度。

上述实验过程通常用于校准阻抗参数和外加应力之间的关系。获得precalibration方程可以应用来评估基于涡流技术拉应力水平。然而,特色的nonmonotonous依赖参数(如共振频率、振幅或相角变化)应力如图6,8,9不能直接应用。因此,新的特色阻抗参数结合两个频率的信息被首次引入压力变化特征在整个弹性和塑性阶段。

两个频率分别从频率选择范围,分别对应于电感和电容ECS的状态。在这里,两个频率对选择如下:96 kHz和120千赫;84千赫和132千赫。基于三次测量的平均结果,阻抗的实部和相位角在每个频率提取。提取的真实部分的比率(或相位)在每个频率对显示不同的变化(图11)。频率对96 kHz和120 kHz,拉伸应力的增加,相位角度的比率的变化遵循parabola-like轨迹几乎和真正的比例部分单调随拉应力的增加而减小。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
应用拉应力影响的联合参数估计结果的频率对120 kHz和96千赫(a)和132 kHz和84千赫(b)。

的拉伸应力下0.44绩点,比真正的部分稍微偏离其下行趋势由于材料的屈服过程。频率对84 kHz和132 kHz,真正的部分的比率的变化遵循山轨迹,而相位角度轻微颤抖的比率与拉伸应力的增加下降。精心挑选的频率,一个两个组合参数表明大约单调拉伸应力的依赖在整个弹性和塑性阶段。这可能提供一种新的解决方案来克服困难识别材料的弹性或塑性变形阶段和涡流的方法。

然而,有条件申请上述新特色为实际应用阻抗参数校准experiment-based方法的本质。甚至更精确、材料、轧制方向的表面粗糙度测试样本,应该一样的张拉样品标定实验。标定实验将在未来不同的材料进行探索的适用范围提出了新的参数。

5。结论

应用拉应力的影响在弹性和塑性变形阶段转变的涡流传感器的阻抗实验研究开发了便携式阻抗分析仪。研制了便携式阻抗分析仪基于TiePie-HS3设备和连接笔记本电脑配备了虚拟仪器软件。的频率范围0 ~ 250 kHz,便携式阻抗分析仪可以提供类似的阻抗测量精度的安捷伦4294 a阻抗分析仪。

阻抗的变化趋势由拉应力取决于频率。例如,在84 kHz的频率(感应状态),ECS阻抗幅值变化增加与拉伸应力的增加,最终降低直到拉应力增加屈服点。可以观察到相反的行为变化在132 kHz的频率(电容状态)。在整个紧张的过程,相角变化和ECS的共振频率敏感应用的压力。特色参数最初经历了一个缓慢减少的趋势在应力达到屈服点之前,然后他们在拉应力增加而增加的速度比弹性阶段。

估计变化的电感(渗透率)基于测量阻抗数据84 kHz,同等领域模型可以用来解释这种现象。样品的渗透率首先增加应用弹性应力的增加,然后下降在屈服点之后。这一趋势可能解释如下。应用拉应力降低的总面积域墙以及畴壁固定的数量。提高塑料的拉伸应力阶段导致了越来越多的把网站,所以样品的渗透率下降速度与拉伸应力的增加在这个阶段。拉应力的四次方影响磁场的强度的变化。为了确定材料的弹性或塑性阶段根据测量阻抗的变化,比真正的部分或阻抗的相角测量频率在两个精心挑选了新参数,这可能证明单调拉伸应力的依赖在整个弹性和塑性加载过程。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作完全支持了本文中所描述的中国国家自然科学基金的资助(项目号。11402008和11402008),北京自然科学基金(项目号3154030),中国博士后科学基金会(项目号2014 m560029)。