實驗名稱：基于數據驅動的結構鋼表面應力磁巴克豪森噪聲表征方法研究

　　研究方向：材料測試

　　實驗目的：

　　磁(ci)巴克豪森噪(zao)聲（Magnetic Barkhausen Noise,MBN）技(ji)術(shu)可用于定量(liang)(liang)評(ping)估(gu)(gu)鐵磁(ci)材(cai)(cai)料的(de)(de)表(biao)面應(ying)力(li)。當前(qian)MBN法(fa)(fa)(fa)應(ying)力(li)評(ping)估(gu)(gu)技(ji)術(shu)存在特(te)征量(liang)(liang)選取較難(nan)、定量(liang)(liang)預(yu)(yu)(yu)測(ce)模(mo)(mo)型復(fu)雜且對標定數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)集的(de)(de)擬合精(jing)度(du)較低的(de)(de)不(bu)足。本文提(ti)出一(yi)種數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)驅動的(de)(de)非(fei)線性(xing)映射算法(fa)(fa)(fa)擬合MBN噪聲和應(ying)力(li)的(de)(de)關系(xi)，研究(jiu)了(le)基于小(xiao)波(bo)(bo)包(bao)變(bian)換系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)時(shi)頻特(te)征替代統(tong)計特(te)征量(liang)(liang)，減少了(le)樣本數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)計算量(liang)(liang)。采(cai)用MBN噪聲在小(xiao)波(bo)(bo)包(bao)變(bian)換時(shi)-頻域內的(de)(de)小(xiao)波(bo)(bo)包(bao)變(bian)換系(xi)數(shu)(shu)(shu)作為特(te)征向量(liang)(liang)，利(li)用基于奇異值(zhi)分解的(de)(de)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)降(jiang)(jiang)維(wei)算法(fa)(fa)(fa)降(jiang)(jiang)低特(te)征向量(liang)(liang)的(de)(de)維(wei)數(shu)(shu)(shu)，將經過數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)降(jiang)(jiang)維(wei)后的(de)(de)特(te)征向量(liang)(liang)輸(shu)入BP神(shen)經網(wang)絡進行模(mo)(mo)型訓(xun)練以建立(li)預(yu)(yu)(yu)測(ce)模(mo)(mo)型。結果表(biao)明：采(cai)用基于奇異值(zhi)分解的(de)(de)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)降(jiang)(jiang)維(wei)算法(fa)(fa)(fa)可減小(xiao)模(mo)(mo)型的(de)(de)復(fu)雜度(du)，利(li)用降(jiang)(jiang)維(wei)后的(de)(de)小(xiao)波(bo)(bo)包(bao)變(bian)換系(xi)數(shu)(shu)(shu)特(te)征向量(liang)(liang)訓(xun)練BP神(shen)經網(wang)絡可實現鐵磁(ci)材(cai)(cai)料表(biao)面應(ying)力(li)的(de)(de)高精(jing)度(du)預(yu)(yu)(yu)測(ce)。本文建立(li)的(de)(de)表(biao)征方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)有效解決了(le)鐵磁(ci)構件應(ying)力(li)分布成像問題(ti)，在預(yu)(yu)(yu)防應(ying)力(li)腐蝕、提(ti)高疲勞強度(du)等(deng)損(sun)傷預(yu)(yu)(yu)警方(fang)(fang)面具有廣闊的(de)(de)應(ying)用前(qian)景。

　　測試設備：系統由硬件和軟件兩部分組成：硬件部分包括激勵模塊、MBN傳感器、信號調理模塊、AD采集模塊等，軟件部分由基于LabVIEW設計的具有數據采集和數據分析處理功能的上位機組成。激勵模塊由AFG3102C任意波形函數信號發生器以及ATA-4014高壓功率放大器組成。

　　圖(tu)1：MBN檢測系統示意圖

　　實驗過程：

　　MBN傳(chuan)感器由(you)U型(xing)磁(ci)軛(e)(e)(e)(e)、激勵線(xian)(xian)圈、檢測線(xian)(xian)圈三個部分組(zu)成，其中，U型(xing)磁(ci)軛(e)(e)(e)(e)材料采(cai)用的(de)是高(gao)磁(ci)導率(lv)、低電導率(lv)的(de)錳鋅鐵氧體，磁(ci)極端面為(wei)正(zheng)方形平面，兩(liang)磁(ci)極中心點間(jian)距為(wei)19mm。激勵線(xian)(xian)圈、檢測線(xian)(xian)圈均選(xuan)用漆包線(xian)(xian)，分別(bie)纏繞(rao)在U型(xing)磁(ci)軛(e)(e)(e)(e)、磁(ci)棒(bang)上(shang)(shang)，檢測線(xian)(xian)圈擺放于(yu)U型(xing)磁(ci)軛(e)(e)(e)(e)下方正(zheng)中心位置(zhi)。當(dang)正(zheng)弦信(xin)號通過激勵線(xian)(xian)圈時(shi)，U型(xing)磁(ci)軛(e)(e)(e)(e)兩(liang)磁(ci)極之間(jian)會產(chan)生(sheng)近似均勻的(de)交變磁(ci)場，從而在U型(xing)磁(ci)軛(e)(e)(e)(e)與被測試(shi)塊(kuai)中形成磁(ci)回路，以產(chan)生(sheng)毫伏級的(de)微弱MBN信(xin)號。檢測線(xian)(xian)圈將拾取到的(de)MBN信(xin)號通過電纜導線(xian)(xian)傳(chuan)輸到信(xin)號調理模塊(kuai)進行濾波(bo)、放大等(deng)處理，使其便于(yu)由(you)AD采(cai)集模塊(kuai)送(song)入(ru)上(shang)(shang)位機實現(xian)信(xin)號顯示、數據存儲等(deng)功能(neng)。下圖為(wei)濾波(bo)前后的(de)MBN信(xin)號波(bo)形對比。

　　圖2：濾波前后的MBN信號波形對比

　　實驗結果：

　　1、通過小波包變換(huan)將MBN信(xin)(xin)號時(shi)域波形轉換(huan)到時(shi)、頻域，提取MBN信(xin)(xin)號時(shi)頻冗余特(te)征，可定性反映不同(tong)應力(li)水平。

　　2、利用不同頻(pin)帶的小(xiao)波包變換系(xi)(xi)數(shu)特(te)征向量構造了小(xiao)波包變換系(xi)(xi)數(shu)矩陣。通過奇異值分解，減小(xiao)了MBN特(te)征向量的維數(shu)，降低(di)了BP神(shen)經網絡模型(xing)復雜度。

　　3、開展了(le)懸(xuan)臂梁(liang)梯(ti)度應(ying)力(li)標定試驗(yan)，采集了(le)懸(xuan)臂梁(liang)上(shang)表面(mian)梯(ti)度應(ying)力(li)的(de)MBN信號(hao)，根據不同測量點(dian)對應(ying)的(de)應(ying)力(li)大小，建立(li)了(le)BP神(shen)經網絡的(de)訓練樣本(ben)集。

　　4、通過三點彎曲狀態下結構鋼試塊下表面梯度應力(li)的MBN信號采集(ji)試驗，建立了(le)BP神經網(wang)絡測試集(ji)，測試了(le)數據(ju)驅(qu)動模型(xing)的預(yu)測精(jing)度。

　　5、采(cai)用小波包系數(shu)作為(wei)時(shi)頻(pin)冗余特征，經(jing)奇異值分(fen)解降維(wei)后，建立BP神經(jing)網(wang)絡應(ying)力預測(ce)模型，使得該(gai)模型復雜度低、響應(ying)速度快，絕大(da)部分(fen)樣本(ben)預測(ce)誤差低于10%，實(shi)現(xian)了(le)基于數(shu)據驅動的鐵磁構件(jian)表面應(ying)力的定量(liang)評估。在實(shi)際(ji)工程(cheng)應(ying)用中(zhong)，結合(he)機(ji)械臂自動化掃查、傳(chuan)感器自適應(ying)仿形(xing)優化、信號處理等技術，可實(shi)現(xian)鐵磁構件(jian)表面應(ying)力分(fen)布(bu)高精度成像(xiang)。

　　安(an)泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖：ATA-4014高壓功率放大器指標參數

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