基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法

摘要

本发明公开了一种基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法，对于各个应力参数，获取不同磁场强度下的归一化磁畴量化值：先得到铁磁金属构件在应力参数和磁场强度下的磁畴图像，对磁畴图像进行预处理后再二值化，统计代表180度和‑180度磁畴的像素点数量，计算180度磁畴面积和‑180度磁畴面积，计算得到归一化磁畴量化值；拟合得到归一化磁畴量化值随磁场强度值变化的SNom‑H曲线，得到4个阈值磁场，拟合得到4个阈值磁场关于应力参数的表达式，在对铁磁金属构件进行应力评估时，首先获取SNom‑H曲线，获取4个阈值磁场，计算得到4个应力值，平均后得到最终应力值。本发明通过阈值磁场来实现对铁磁金属构件应力和微小应力变化的高线性度、高灵敏度、高空间分辨率检测。

权利要求

1.一种基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据实际需要确定铁磁金属构件所需模拟的应力参数集φ＝{σ1,σ2…,σK}以及磁场强度变化范围[-Hmax,Hmax]，其中K表示应力参数数量，Hmax表示磁场强度最大值；

S2：设置应力参数序号k＝1；

S3：将磁场强度H从-Hmax逐步增加至Hmax，再逐步减小至-Hmax，获取应力参数σk下每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom，每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom的获取方法包括以下步骤：S3.1：获取铁磁金属构件在应力参数σk和磁场强度H下的磁畴图像；

S3.2：对磁畴图像进行去噪处理；

S3.3：对磁畴图像进行二值化，以0代表-180度磁畴，1代表180度磁畴；

S3.4：对二值化磁畴图像，统计二值化磁畴图像中0和1的像素点数量，分别记为n-180°和n180°，计算180度磁畴面积 和-180度磁畴面积 s表示磁畴图像中单个像素点的面积；然后根据以下公式计算磁畴量化值ΔS：S3.5：采用以下公式对磁畴量化值进行归一化，得到归一化磁畴量化值SNom：S4：根据步骤S3中每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom，拟合得到当前应力参数σk下归一化磁畴量化值随磁场强度值变化的SNom-H曲线；根据SNom-H曲线得到4个令归一化磁畴量化值SNom为1或-1的阈值磁场Hth1(k)、Hth2(k)、Hth3(k)、Hth4(k)；

S5：如果k＜K，令k＝k+1，返回步骤S3，否则进入步骤S6；

S6：根据K个应力参数σk对应的4个阈值磁场进行线性拟合得到阈值磁场表达式：Hth1＝a1σ+b1

Hth2＝a2σ+b2

Hth3＝a3σ+b3

Hth4＝a4σ+b4

其中，am、bm分别是阈值磁场表达式中的线性参数，m＝1,2,3,4；

S7：在对铁磁金属构件进行应力评估时，首先采用与步骤S4中的相同方式得到SNom-H曲线，获取4个阈值磁场，然后代入步骤S6的阈值磁场表达式中，计算得到4个应力值σ(1)、σ(2)、σ(3)和σ(4)，将4个应力值σ(1)、σ(2)、σ(3)和σ(4)进行平均得到最终应力值σ。

2.根据权利要求1所述的应力评估方法，其特征在于，所述步骤S3.3中，对磁畴图像进行二值化采用基于局部自适应阈值的图像二值化算法。

说明书

基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法

技术领域

[0001] 本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法。

背景技术

[0002] 现在工业中，铁磁金属构件，在铁路交通，航空航天，冶金工业等部门锅炉、管道、桥梁、铁轨、压力容器等的大量使用，随着服役时间延长，铁磁金属构件不可避免存在应力集中现象，使得构件断裂等而引发事故。应力检测是保障工程中铁磁金属构件安全服役的重要手段。传统磁应力检测包括磁滞回线法、巴克豪森法(MBN)、涡流检测法、磁记忆法等技术。这些传统技术从材料宏观磁特性出发，建立宏观磁特性参数如矫顽力、剩磁、磁畴损耗与应力的对应关系，对应力评估具有灵敏度低、空间分辨率不高等缺点，无法精确评估铁磁性材料微观区域的应力状态。

[0003] 近年来，随着磁畴观测技术进步，磁微观结构动态行为在无损检测领域逐步得到广泛的应用。磁畴动态行为评估可实现铁磁金属构件内部应力高分辨率、高精度快速检测。然而，目前磁畴表征还局限于定性描述，磁畴运动特性的量化及其对应力的评估研究国内外处于空白状态。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法，实现对铁磁金属构件应力和微小应力变化的高线性度、高灵敏度、高空间分辨率检测。

[0005] 为实现上述发明目的，本发明基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法的具体步骤为：

[0006] S1：根据实际需要确定铁磁金属构件所需模拟的应力参数集φ＝{σ1,σ2…,σK}以及磁场强度变化范围[-Hmax,Hmax]，其中K表示应力参数数量，Hmax表示磁场强度最大值；

[0007] S2：设置应力参数序号k＝1；

[0008] S3：将磁场强度H从-Hmax逐步增加至Hmax，再逐步减小至-Hmax，获取应力参数σk下每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom，每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom的获取方法包括以下步骤：

[0009] S3.1：获取铁磁金属构件在应力参数σk和磁场强度H下的磁畴图像；

[0010] S3.2：对磁畴图像进行去噪处理；

[0011] S3.3：对磁畴图像进行二值化，以0代表-180度磁畴，1代表180度磁畴；

[0012] S3.4：对二值化磁畴图像，统计二值化磁畴图像中0和1的像素点数量，分别记为n-180°和n180°，计算180度磁畴面积 和-180度磁畴面积 s表示磁畴图像中单个像素点的面积；然后根据以下公式计算磁畴量化值ΔS：

[0013]

[0014] S3.5：采用以下公式对磁畴量化值进行归一化，得到归一化磁畴量化值SNom：

[0015]

[0016] S4：根据步骤S3中每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom，拟合得到当前应力参数σk下归一化磁畴量化值随磁场强度值变化的SNom-H曲线；根据SNom-H曲线得到4个令SNom为1或-1的临界阈值磁场Hth1(k)、Hth2(k)、Hth3(k)、Hth4(k)；

[0017] S5：如果k＜K，令k＝k+1，返回步骤S3，否则进入步骤S6；

[0018] S6：根据K个应力参数σk对应的4个阈值磁场进行线性拟合得到阈值磁场表达式：

[0019] Hth1＝a1σ+b1

[0020] Hth2＝a2σ+b2

[0021] Hth3＝a3σ+b3

[0022] Hth4＝a4σ+b4

[0023] 其中，am、bm分别是阈值磁场表达式中的线性参数，m＝1,2,3,4；

[0024] S7：在对铁磁金属构件进行应力评估时，首先采用与步骤S3中的相同方式得到SNom-H曲线，获取4个阈值磁场，然后代入步骤S6的阈值磁场表达式中，计算得到4个应力值σ(1)、σ(2)、σ(3)和σ(4)，将4个应力值σ(1)、σ(2)、σ(3)和σ(4)进行平均得到最终应力值σ。

[0025] 本发明基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法，对于各个应力参数，获取不同磁场强度下的归一化磁畴量化值，获取方法为：先得到铁磁金属构件在应力参数和磁场强度下的磁畴图像，对磁畴图像进行预处理后再二值化，对二值化磁畴图像统计代表180度和-180度磁畴的像素点数量，计算180度磁畴面积和-180度磁畴面积，然后计算得到磁畴量化值，再进行归一化；拟合得到归一化磁畴量化值随磁场强度值变化的SNom-H曲线，得到4个阈值磁场，拟合得到4个阈值磁场关于应力参数的表达式，在对铁磁金属构件进行应力评估时，首先获取SNom-H曲线，获取4个阈值磁场，然后根据阈值磁场表达式计算得到4个应力值，平均后得到最终应力值。本发明经过研究磁畴运动阈值磁场与应力之间的对应关系，提出磁畴量化公式，通过阈值磁场来实现对铁磁金属构件应力和微小应力变化的高线性度、高灵敏度、高空间分辨率检测。

附图说明

[0026] 图1是磁光克尔显微镜原理图；

[0027] 图2是磁光薄膜结构示意图；

[0028] 图3是不同情况下磁光薄膜磁畴图像模型图；

[0029] 图4是磁化装置框架示意图；

[0030] 图5是0MPa应力不同磁场强度下高取向电工钢的磁畴图像；

[0031] 图6是30.9MPa应力不同磁场强度下高取向电工钢的磁畴图像；

[0032] 图7是61.9MPa应力不同磁场强度下高取向电工钢的磁畴图像；

[0033] 图8是本发明基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法的具体实施方式流程图；

[0034] 图9是归一化磁畴量化值的获取流程图；

[0035] 图10是本实施例中采用小波滤波方法进行磁畴图像预处理示例图；

[0036] 图11是本实施例中采磁畴图像二值化示例图；

[0037] 图12是SNom-H曲线示例图；

[0038] 图13是不同应力下SNom-H曲线及阈值磁场与应力关系示例图；

[0039] 图14是不同特征参数与应力之间的关系对比曲线图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

[0041] 为了更好地说明本发明的技术方案，首先对磁畴观测方法的原理进行简要说明。本实施例中采用基于磁光克尔显微镜(MOKE)和磁光薄膜(MOIF)来进行磁畴观测。图1是磁光克尔显微镜原理图。图2是磁光薄膜结构示意图。如图1和图2所示，一束自然光经过起偏器变成线偏振光，线偏振光通过MOIF，并与MOIF中磁光Bi-YIG层相互作用，使得线偏振光偏振面与法拉第转角发生变化。光穿过整个MOIF中磁光Bi-YIG层，遇到MOIF中Al层后发生反射。反射光再次和磁光Bi-YIG层发生第二次法拉第效应后，经过补偿器和检偏器后，法拉第转角被检测出来并成像，最后通过高速摄像机记录并保存下来。由于MOIF磁畴对垂向磁场非常灵敏，漏磁场垂直分量使得MOIF中磁化状态发生变化。

[0042] 图3是不同情况下磁光薄膜磁畴图像模型图。其中，图3(a)是无磁场情况下磁光薄膜磁畴图像；图3(b)是无磁场情况下磁光薄膜磁畴模型图；图3(c)是垂直向上磁场下磁光薄膜磁畴变化模型图；图3(d)是垂直向下磁光薄膜磁畴变化模型图。如图3(a)所示，在无外加磁场情况，MOIF磁畴图像中明暗磁畴面积相等，其模型图可用图3(b)来表示。当施加一定垂直向上磁场后，亮磁畴面积扩张，暗的磁畴面积缩小，其模型图如图3(c)所示。相反，当施加一定垂直向下磁场后，暗磁畴面积扩张，亮的磁畴面积缩小，其模型图如图3(d)所示。当MOIF放在铁磁性材料表面时，铁磁性材料表面的磁畴会产生漏磁场。该漏磁场垂直分量使得MOIF磁化状态发生变化，同时使得拉法第转角发生变化。由于使用的是概览显微镜，法拉第信号经过检偏器的时被平均。最终，明暗相间的图像为样品不同方向磁畴。磁畴在外加磁场下，磁畴壁发生移动，其运动快慢与钉扎强度、内应力大小、各向异性、位错密度等内部因素密切相关，同时受到外加应力、温度、偏执磁场影响。图4是磁化装置框架示意图。

[0043] 以高取向电工钢为例，分别获取其在不同外加拉应力及不同磁场强度下的磁畴图像。图5是0MPa应力不同磁场强度下高取向电工钢的磁畴图像。图6是30.9MPa应力不同磁场强度下高取向电工钢的磁畴图像。图7是61.9MPa应力不同磁场强度下高取向电工钢的磁畴图像。如图5至图7所示，灰度较暗的为180度磁畴，灰度较亮的为-180度磁畴。如图5(a)和6(a)所示，当磁场强度为177A/m时，在0MPa和30.9MPa作用下，电工钢所有磁畴取向都朝向180度方向；然而，在61.9MPa下，有很多-180度磁畴出现，如图7(a)所示。当磁场强度降到
25A/m，磁畴取向发生了变化，应力为61.9MPa时，-180度磁畴发生了扩张，180度磁畴宽度缩小，如图7(b)所示；在30.9MPa应力下，大量-180度磁畴出现，如图6(b)所示；然而，在应力为零的情况下，所有的磁畴仍然都朝向180度方向，如图5(b)所示。当磁场降到0A/m情况时，在应力为0时，大量-180度磁畴出现，如图5(c)所示；在30.9MPa和61.9MPa情况下，-180度磁畴都发生了扩张，180度磁畴宽度缩小；这种现象表明，金属构件内应力增加，磁化过程中使磁畴全部发生翻转所需要的磁场强度增加。

[0044] 可见，在磁畴动态行为和应用之间存在对应关系，本发明就是通过提取出这种对应关系中的特征值，建立特征值与应力之间的关系模型，从而定量评估应力。图8是本发明基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法的具体实施方式流程图。如图8所示，本发明基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法包括以下步骤：

[0045] S801：初始化应用参数值和磁场强度变化范围：

[0046] 根据实际需要确定铁磁金属构件所需模拟的应力参数集φ＝{σ1,σ2…,σK}以及磁场强度变化范围[-Hmax,Hmax]，其中K表示应力参数数量，Hmax表示磁场强度最大值。

[0047] S802：设置应力参数序号k＝1。

[0048] S803：获取不同磁场强度下归一化磁畴量化值：

[0049] 将磁场强度H从-Hmax逐步增加至Hmax，再逐步减小至-Hmax，获取应力参数σk下每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom。图9是归一化磁畴量化值的获取流程图。如图9所示，每个磁场强度H对应的归一化磁畴量化值SNom的获取方法包括以下步骤：

[0050] S901：获取磁畴图像：

[0051] 获取应力参数σk和磁场强度H下的磁畴图像。

[0052] S902：磁畴图像去噪处理：

[0053] 对步骤S901中获取的磁畴图像进行去噪处理。图像去噪算法是图像处理领域的常用技术手段，可以根据需要选择具体的图像去噪算法，本实施例中采用小波滤波方法来进行去噪。图10是本实施例中采用小波滤波方法进行磁畴图像预处理示例图。

[0054] S903：磁畴图像二值化：

[0055] 根据之前对磁畴图像的说明可知，在磁畴图像中，灰度较暗的为180度磁畴，灰度较亮的为-180度磁畴，而180度磁畴和-180度磁畴的宽度会随着应力和磁场的变化而变化，因此本发明采用180度磁畴和-180度磁畴的面积来对磁畴进行量化。为了便于量化，先对磁畴图像进行二值化，以0代表-180度磁畴，1代表180度磁畴。图像二值化也是图像处理领域的常用技术手段，可以根据需要选择具体算法。由于光照不均匀性，磁畴图像亮度不均匀，经过比较，本实施例中优选基于局部自适应阈值的图像二值化算法来对磁畴图像进行二值化。图11是本实施例中采磁畴图像二值化示例图。

[0056] S904：计算磁畴量化值：

[0057] 目前业内对对磁畴描述还停留在磁畴定性描述层面。对磁畴量化还少有研究。基于铁磁材料180度到-180度磁畴壁移动，本发明采用以下公式量化其移动特征：

[0058]

[0059] 其中，ΔS表示磁畴量化值， 和 分别代表所有180度和-180度磁畴面积。在退磁状态下，180度和-180度磁畴面积相等，ΔS等于零。当施加外加磁场后，磁畴壁发生移动，相应磁畴面积发生变化，ΔS的值随之发生变化。

[0060] 可见，在计算磁畴量化值ΔS时，需要首先得到所有180度和-180度磁畴面积和 其计算方法为：对步骤S806得到的二值化磁畴图像，统计二值化磁畴图像中0和1的像素点数量，分别记为n-180°和n180°，那么180度磁畴面积 -180度磁畴面积s表示磁畴图像中单个像素点的面积。显然s是由磁畴图像的分辨率决定
的。

[0061] S905：磁畴量化值归一化：

[0062] 为了便于后续处理，采用以下公式对磁畴量化值进行归一化，得到归一化磁畴量化值SNom：

[0063]

[0064] 归一化后，SNom的值在-1到+1之间。当SNom值为-1时，表示所有磁畴均朝向-180度方向；当SNom值为+1时，表示所有磁畴均朝向180度方向。

[0065] S804：拟合SNom-H曲线：

[0066] 根据步骤S803可知，由于铁磁材料磁化是一个磁滞过程，因此本发明的磁场强度先从-Hmax变化到Hmax，然后再变化回-Hmax，记单向变化过程中存在N个磁场强度，共计2N个磁场强度值，每个磁场强度可以获取一个归一化磁畴量化值，从而获取2N个归一化磁畴量化值。那么根据这2N对磁场强度值和归一化磁畴量化值，就可以拟合得到当前应力参数σk下归一化磁畴量化值随磁场强度值变化的SNom-H曲线。

[0067] 图12是SNom-H曲线示例图。如图12所示，在SNom-H曲线中，存在4个令SNom为1或-1的临界阈值磁场Hth1、Hth2、Hth3、Hth4，其中Hth1和Hth4位于第1象限，Hth2和Hth3位于第3象限。在下降沿(磁场强度变小过程中)，当Hth2＜H＜Hth1时，磁畴壁发生移动，H＞Hth1(H＜Hth2)时，所有磁畴壁都朝向180度(-180度方向)。在上升沿(磁场强度变大过程中)，当Hth3＜H＜Hth4时，磁畴壁发生移动，H＞Hth4(H＜Hth3)时，所有磁畴壁都朝向180度(-180度方向)。可知，这4个临界阈值磁场Hth1、Hth2、Hth3、Hth4就是当前应力参数下对应的阈值磁场。因此根据SNom-H曲线得到当前应力参数σk下4个令归一化磁畴量化值SNom为1或-1的临界阈值磁场Hth1(k)、Hth2(k)、Hth3(k)、Hth4(k)。

[0068] S805：判断是否k＜K，如果是，进入步骤S806，否则进入步骤S807。

[0069] S806：令k＝k+1，返回步骤S803。

[0070] S807：特征提取：

[0071] 根据步骤S802至步骤S806可知，对于每个应力参数σk，都可以得到SNom-H曲线，也就是每个应力参数都存在4个阈值磁场。图13是不同应力下SNom-H曲线及阈值磁场与应力关系示例图。经研究发现，4个阈值磁场与应力值都具有高度的线性相关性，图13(b)展示了SNom-H曲线下降沿第一象限阈值磁场(Hth1)与应力之间的线性关系。因此可以根据K个应力参数σk对应的阈值磁场进行线性拟合得到阈值磁场表达式：

[0072] Hth1＝a1σ+b1

[0073] Hth2＝a2σ+b2

[0074] Hth3＝a3σ+b3

[0075] Hth4＝a4σ+b4

[0076] 其中，am、bm分别是阈值磁场表达式中的线性参数，m＝1,2,3,4。

[0077] S808：应力评估：

[0078] 在对铁磁金属构件进行应力评估时，首先采用与步骤S803相同的方式得到SNom-H曲线，获取4个阈值磁场，代入步骤S807拟合得到的阈值磁场表达式中，可以计算得到4个应力值σ(1)、σ(2)、σ(3)和σ(4)，将4个应力值σ(1)、σ(2)、σ(3)和σ(4)进行平均，即可得到最终应力值σ：

[0079]

[0080] 实施例

[0081] 为了更好地说明本发明的技术效果，采用本发明中基于磁畴运动阈值磁场的应力评估方法与基于传统宏观磁特性特征参数的应力评估方法的评估效果进行实验对比。传统宏观磁特性特征参数包括剩磁、磁滞损耗、矫顽力。本实施例中样品为宝钢高取向硅钢，尺寸：300mm×30mm×0.27mm(长×宽×高)，实验参数为：激励波形：三角波；激励频率：0.01Hz；磁场幅值：1000A/m。采用本发明所得到的阈值磁场表达式分别为：

[0082] Hth1＝3.93*σ+19.18

[0083] Hth2＝-3.93*σ-78.25

[0084] Hth3＝-3.93*σ-21.50

[0085] Hth4＝3.93*σ+77.40

[0086] 由于特征参数的单位各不相同，需要先进行归一化处理，归一化过程可表述为：不同应力下的值除以最大值。图14是不同特征参数与应力之间的关系对比曲线图。如图14所示，传统宏观磁特性特征参数与应力之间均不是线性关系，而本发明所采用的阈值磁场(以阈值磁场Hth1为例)与应力之间存在线性关系。以下将从三个方面分析提出的阈值磁场对应力检测优势：不同应力范围，各磁特征参数随应力变化速率、应力检测效果、微小应力变化的评估效果进行讨论。

[0087] 表1为不同应力阶段应力随着磁特性参数变化的速率(单位：百分比/MPa)。

[0088]

[0089] 表1

[0090] 从表1可以得知，阈值磁场随应力变化在不同应力阶段变化比较均匀，都在1.44％每兆帕，灵敏度较高；矫顽力在0-61.9MPa范围都变化比较缓慢，灵敏度很差；剩磁在0-12.3MPa范围内变化速率很快，灵敏度非常高，达到5％每兆帕，在12.3MPa-24.7MPa范围内变化变化速率降低快，灵敏度一般，在24.7MPa-61.9MPa阶段，变化速率变得非常缓慢，灵敏差；磁滞损耗在整个应力阶段变化速率都较慢，灵敏较低。

[0091] 为对比不同特征参数对应力和微小应力变化的检测效果，定义当变化率大于1％每兆帕为检出效果很好；当变化速率大于0.5％而小于1％每兆帕的时候为检出效果一般；当变化速率小于0.5％为检出效果较差。表2为特征参数应力和微小应力变化的检出效果对比结果。从表2得知，在应力较小的时候，剩磁和阈值磁场对应力和微小应力变化的检测都具有很高的灵敏度，剩磁和磁滞损耗检测效果较差；当应力变大后，阈值磁场检测效果还是很好，但是矫顽力、剩磁、磁滞损耗检测效果都较差。

[0092]

[0093] 表2

[0094] 综上分析，相比于矫顽力、剩磁、磁滞损耗传统磁特性参数，本发明提出阈值磁场对应力和微小应力检测具有很好的检测效果。

[0095] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。