針對RPV鋼磁巴克豪森噪聲檢測的傳感器設計

邊 闖，王海濤，劉向兵，錢王潔，丁同樂，陳懷東，馬官兵，鄭 凱

(1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016；2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004；3.中廣核檢測技術有限公司，廣東 深圳 518031；4.江蘇省特種設備安全監督檢測研究院，南京 210036)

0 引言

核安全是核電發展的前提和最高原則[1]。反應堆壓力容器(RPV，reactor pressure vessel)是壓水堆核電廠中不可更換的關鍵核心部件，RPV的安全服役壽命決定了核電廠的運行壽命[2]。在核電廠運行期間，RPV鋼長期在強輻照、高溫、高壓、強流體沖刷的惡劣環境下工作，導致RPV材料的內部產生一系列微結構缺陷，其性能會逐漸退化，表現為材料屈服強度增加、韌性降低、脆性增加等機械性能變化[3]，稱為RPV鋼的輻照脆化效應。當材料的力學性能下降到斷裂臨界時，RPV鋼會瞬間發生斷裂，引發嚴重的安全事故。因此，為了確保核電廠的安全運行同時最大限度地發揮其經濟性，需要定期對RPV鋼的中子輻照脆化程度進行評估，目前國內外商用核電廠主要通過輻照監督樣品的方法對RPV鋼的輻照脆化程度進行監督和安全評價[4]，但會受到監督樣品的數量以及含放射性等條件的限制。因此需要開發新型的無損檢測技術來對RPV鋼進行輻照監督，這對于確保核電廠安全可靠地運行有重要的現實意義[5]。

1999年韓國原子能研究院Park[6]使用磁巴克豪森噪聲(MBN，magnetic Barkhausen noise)的檢測方法研究了RPV鋼經中子輻照后的脆化情況；2004年歐洲研究中心的Debarberis[7]等人在考慮了輻照導致的基體缺陷、富Cu團簇、P元素偏析等因素后，在初級輻照脆化的理論基礎上建立了脆化動力學模型；2018年清華大學核能與新能源技術研究院的張天慈[8-9]等人對RPV鋼分別進行了正電子湮沒和納米壓痕硬度分析，結果表明，輻照使材料產生了空位型缺陷和溶質原子團簇缺陷，相較于室溫下的輻照，高溫輻照產生了更多的溶質原子團簇缺陷，但空位型缺陷數量更少。2018年Masaki Shimodaira[10]等研究了輻照引起的位錯環和溶質原子團簇對低銅RPV鋼硬化的貢獻，得出在不同注量下兩者對RPV鋼的硬化貢獻不同；2021年石見見[11]等利用原子探針和納米壓痕技術對初始輻照、輻照后退火以及再輻照的RPV鋼進行了研究，結果表明輻照會產生大量的Mn-Ni-Si團簇，退火后團簇會得到一定程度的回復，而再輻照產生新的Mn-Ni-Si團簇；2022年丁兆楠[12]等研究了Fe3+輻照下RPV鋼的硬化行為，結果表明當輻照損傷較低時，試樣的硬度隨輻照損傷劑量的增加而迅速增加，而在較高輻照損傷下硬度變化較為緩慢同時呈現飽和趨勢。目前對RPV鋼輻照脆化的研究主要集中在材料微觀結構變化觀測、硬度變化測試等，這些方法都會破壞原本試件的結構完整性，屬于有損檢測，同時這些檢測方法所需儀器價格昂貴，還需要專業的人員進行操作。無損檢測技術是在不破壞被測試件完整性的條件下對試件進行測量，測量迅速且方便快捷，因此亟需一種能夠有效評估RPV輻照脆化程度的無損檢測新方法。

MBN檢測技術對材料的微觀結構變化敏感，研究表明RPV鋼輻照脆化效應產生的根本原因是輻照導致的材料微觀結構的變化，使材料產生了諸如位錯環、空位環、溶質原子團簇、雜質元素的偏析等缺陷[13]，MBN信號對這類微觀缺陷非常敏感，同時相較于超聲等常規無損檢測技術，該技術可以在宏觀缺陷產生前對材料性能進行評估，而且不需要耦合劑，因此MBN信號檢測技術用于RPV鋼輻照脆化的評估與預測是切實可行的[14]。

1 MBN信號檢測原理

MBN是一種重要的電磁無損檢測技術，該檢測方法已經廣泛運用到了應力測量、硬度測試、晶粒度檢測等場合。該效應是由德國科學家Barkhausen[15]于1919年首次發現。研究表明，在連續變化磁場的作用下，鐵磁性材料的磁化曲線并不連續[16]。如圖1所示。

圖1 鐵磁性材料不連續磁化現象

對鐵磁性材料施加交變磁場時，其內部的磁疇向易磁化方向發生不可逆的翻轉和磁疇壁位移，并在鐵磁性材料表面產生雜亂的感應電壓脈沖信號，這種現象稱為MBN效應。此時將一個探測線圈放置在材料表面，就可以采集到微弱的電壓噪聲信號，即為MBN信號。如圖2所示。

圖2 MBN信號檢測示意圖

根據Alessandro[17]等人的理論，金屬體中單個磁疇壁的動力學方程由式(1)確定：

(1)

式中，σ為材料的介電常數；dφ/dt為磁通率即為接收線圈中的感應電壓；G=0.135 6為一個無量綱常數，hc為磁疇壁的釘扎部位的局部強制場；有效外加磁場Heff定義為Heff=H-Him，H為外加磁場，Him為退磁場。

當外加激勵磁場為正弦變化時可以描述為：

H(t)=Hssin(2πft)

(2)

式中，Hs為外加磁場的最大值，f為外加激勵磁場的頻率。

退磁場由退磁因子決定，取決于樣品的形狀。退磁因子的計算一般只限于可被均勻磁化的磁性旋轉橢球體，而對于方形薄片退磁場可忽略[18]，因此式(1)、(2)結合可得：

(3)

式(3)表明感應電壓是外加激勵磁場產生的一個諧波分量和隨機變化的強制場疊加后的結果。為了便于對式(3)進行說明，畫出了感應信號隨時間變化如圖3所示。

圖3 感應信號

從圖中可以看出，當材料中不存在釘扎點即hc=0時，dφ/dt為一條正弦線，等于施加的激勵磁場。當存在釘扎點(圖中米形點)即hc≠0時，dφ/dt在H=hc時減小到0，此時小范圍改變外加磁場，磁疇壁也不發生移動。當外加磁場增加到一定程度時，磁疇壁會“跳躍式”地移動到另一個位置，產生一個高頻的跳變磁場。因此，總的感應信號是外加激勵磁場和一系列跳變磁場的疊加。在MBN信號提取的過程中，利用高通或者帶通濾波器對探測器采集到的信號進行處理，濾除掉低頻信號，保留的就是由于磁疇壁的跳躍產生的高頻信號。濾波后的信號如圖4所示。

圖4 感應信號中高頻分量

圖中的符號代表的是探測器中產生的電流的方向。根據以上敘述，當磁疇壁遇到一個釘扎點時，受到釘扎點的作用會產生一個跳躍信號，當在某一時刻存在m個釘扎點時，得到的信號強度即為：

(4)

式中，Vt為磁疇壁克服釘扎點的阻礙作用產生的MBN信號；m(hc) 為釘扎點的數量。該表達式和kim[19-20]得到的表達式相似。表明當忽略磁疇壁的相互作用時，MBN信號在磁疇壁克服釘扎點的阻礙作用時產生[21]。

MBN信號的產生是非常復雜的，受很多因素的影響，盡管如此，依舊可以證明在微觀結構下，MBN信號的產生主要有兩個原因：晶界處90°磁疇的形成和湮滅以及180°磁疇的翻轉，所以一切影響磁疇壁的因素都會影響MBN信號的強度。

(5)

式中，mR(hR)hR為釘扎點在90°磁疇處的貢獻，mP(hP)hP為釘扎點在180°磁疇處的貢獻，mR為90°磁疇處釘扎點的數量，mP為180°磁疇處釘扎點的數量。

2 傳感器設計

在MBN信號檢測系統中，傳感器是整個測量系統的關鍵所在，想要獲取穩定的MBN信號，傳感器的合理設計至關重要，因此基于MBN信號檢測儀器自主設計了適用于RPV鋼輻照脆化程度檢測的傳感器。該傳感器具體由磁軛、激勵線圈、MBN信號接收器組成。

2.1 磁軛結構設計

磁軛形狀可以為H型和U型，兩種形狀的磁軛都可以對試件進行有效地貼合。李包青[22]等對兩種形狀的磁軛分別進行了仿真，結果表明兩種結構對材料的磁化效果相當；王嘉星[23]等利用錳鋅鐵氧體設計了U型磁軛，但傳感器不能滿足小型化RPV鋼試樣的檢測需求；王文濤[24]利用H型磁軛測量了不同殘余應力下的MBN信號，取得了很好的實驗效果?？紤]到H型線圈容易纏繞激勵線圈且線圈分布較為均勻，所以本實驗采用H型磁軛作為傳感器的勵磁模塊。

常用的磁軛材料有硅鋼片和錳鋅鐵氧體。硅鋼片適用于低頻、大功率的情況下，高頻下損耗急劇增加，通常情況下要低于400 Hz；錳鋅鐵氧體具有高磁導率、高頻低損耗特點，但在低頻下容易飽和[25]。本實驗中使用的激勵信號頻率低于10 Hz，所以選取硅鋼片作為磁軛材料。為了保證傳感器具有較高的靈敏度，這就要求整體尺寸盡可能小，但過小的尺寸不利于MBN信號的接收，同時結合檢測試樣的尺寸，綜合考慮下設計的H型磁軛尺寸如圖5所示。其中磁軛厚度為8 mm。

圖5 磁軛幾何模型圖(mm)

鐵磁性材料在被磁化的過程中，隨著磁化深度的增加，磁化強度會發生衰減，根據電磁學理論，磁場在垂直材料表面的衰減規律為：

H(x)=H0e-αx

(6)

式中，H(x)為材料內部與表面垂直距離為x處的磁場強度；H0為試件表面的磁場強度；α為衰減系數，1/α通常被定義為穿透深度，是指衰減為H0的1/e時到材料表面的距離[26]。激勵線圈接收到的信號為正弦信號，根據以下趨膚深度式(7)[27]可以確定材料的磁化深度。

(7)

式中，f為激勵信號的頻率；μ=μ0μr，μr為材料的相對磁導率；σ0為材料的電導率。結合式(6)和(7)可得衰減系數的表達式為：

(8)

從式(7)和(8)可以看出：隨著激勵信號頻率的增加，趨膚深度變小，材料的磁化范圍變小，引起磁疇轉動和磁疇壁位移的數量減小，最終導致MBN信號減弱。常見鐵磁性材料的相對磁導率介于50～5 000之間，電導率介于(5～10)×106Ω-1m-1之間，計算出不同頻率下的鐵磁性材料的趨膚深度如表1所示。

表1 不同激勵頻率的趨膚深度

所用RPV鋼試件的厚度為1 mm，考慮到趨膚深度和磁化效果，激勵線圈的頻率應在5 Hz左右(由于試件厚度限制，在仿真過程中改變激勵信號頻率，試件磁感應強度變化不明顯，具體仿真見2.2節)。

2.2 勵磁結構仿真與分析

ANSYS Maxwell是一種電磁仿真軟件，可對諸如傳感器、調節器、電動機等電磁元件進行仿真。根據磁場是否隨時間變化，將磁場分析分為靜態磁場分析和渦流磁場分析。在檢測MBN信號時，激勵信號選擇的是低頻的交流信號，按照正弦規律變化，可通過Maxwell 2D渦流求解器進行分析計算。

根據設計的磁軛尺寸，在Maxwell軟件中建立模型，激勵線圈設置為300匝，對激勵線圈施加4 V、5 Hz的正弦信號，檢測試件的尺寸為實際尺寸大小，為15 mm×15 mm×1 mm(長度×寬度×厚度)。得到的磁感應強度分布和磁力線分布如圖6、圖7所示。

圖6 勵磁結構磁感應強度分布

圖7 勵磁結構磁力線分布

通過圖6、圖7中可以看出：試件一定深度被完全磁化，根據顏色信息初步判斷平均磁感應強度為1.70 T，在磁軛和試件緊密貼合的情況下，磁力線在磁軛和被測試件內部形成閉合回路，分布符合設計預期。

為了精確得出磁化區域，在距試件上表面深度分別為0.02、0.50、0.98、1.00 mm處設置一條路徑，長度為15 mm(試件長度)，得出在不同深度路徑下的磁感應強度如圖8～11所示。

圖8 0.02 mm深度路徑下磁感應強度變化

圖9 0.50 mm深度路徑下磁感應強度變化

圖10 0.98 mm深度路徑下磁感應強度變化

圖11 1.00 mm深度路徑下磁感應強度變化

通過仿真結果可以看出，在試件內部不同深度下，三條路徑中3.5～11.5mm處的磁感應強度基本相同，磁化效果相當，大約為1.8 T，該長度正好為磁軛兩腳之間的距離，表明在磁軛兩腳之間的區域，試件可以被完全磁化；而下表面的磁感應強度僅為mT級，可以解釋為試件的下表面設置的是空氣介質，因此磁感應強度迅速減小。

在試件的中心位置設置一條垂直向下的路徑，長度為1 mm(試件厚度)，得出在深度路徑下的磁感應強度變化如圖12所示。

圖12 磁化區域內不同深度磁感應強度變化

從圖12中可以看出在不同深度下磁感應強度呈現下降趨勢，但數值相差不大，可以認為在深度范圍內磁感應強度相同，為1.82 T。

因此，通過仿真結果可以得出：待測試件的有效磁化區域為長度8 mm(磁軛兩腳之間的距離)、寬度8 mm(磁軛的厚度)、深度約為1 mm(試件的厚度)的立方體。在該磁化區域內磁感應強度為1.82 T，在仿真過程中，小范圍地改變激勵信號的幅值和頻率，試件被磁化的效果變化不明顯，因此只能通過仿真確定激勵信號的大致范圍，而最優的激勵信號的幅值和頻率要通過試驗來進行確定。

2.3 MBN信號接收器設計

MBN信號接收器由磁感應元件和磁芯組成。常用的磁感應元件有磁阻傳感器、霍爾元件、感應線圈等。3種磁感應元件的參數如表2所示。根據已有結果[28]表明，RPV鋼的MBN信號的中心頻率一般在10 kHz左右，結合傳感器的靈敏度、線性范圍及頻率范圍等參數，最終選用靈敏度高、線性度好、頻率范圍廣的感應線圈作為檢測元件?？紤]到MBN信號的頻率，磁芯選用錳鋅鐵氧體，內徑為3 mm，外徑為6 mm，長8 mm。檢測線圈使用直徑為0.07 mm的銅漆包線，匝數為400匝。

表2 各磁敏傳感器輸出特性比較

接收器放置的不同位置也會影響MBN信號的有效接收。在試件上方0.2 mm處設置一條路徑，長度為磁軛兩腳柱內距8 mm，此路徑下激勵信號產生的磁感應強度分布如圖13所示。

圖13 材料表面磁感應強度變化

從圖13可以看出，距離磁軛兩腳的距離越近，磁感應強度越大，接收器所受到的干擾越大。為了削弱激勵磁場對MBN信號接收產生的影響，接收器的位置應該放置在磁軛兩腳的正中間位置。同時接收器磁芯也存在材料分布不均勻的現象，可以使用磁芯接地來消除對信號接收的影響。

2.4 傳感器實物

磁軛由40層0.2 mm的定向硅鋼片壓制而成，激勵線圈選取0.21 mm耐高溫耐高壓的聚酯漆包圓銅線，其具有良好的電氣性能，適合作為激勵線圈使用。將漆包線緊密且方向一致地纏繞在H型磁軛上，匝數為300匝，在硅鋼片表面貼一層銅箔，可以使激勵線圈產生的感應磁場集中在磁軛內部，對試件有更好的磁化效果。

3 MBN信號檢測儀器

為了對RPV鋼輻照脆化程度進行檢測，自主開發了MBN信號檢測儀器，該檢測儀器體積小、重量輕、測量簡單快捷。檢測儀器組成如圖14所示，具體由DSP、功率放大模塊、傳感器、信號調理電路和LCD屏幕組成。

圖14 MBN信號檢測儀器組成

DSP作為處理器包括核心芯片TMS320F28335、產生激勵信號的DA模塊、采集MBN信號的AD模塊、USB存儲模塊和多種通信接口；由于DSP產生的激勵信號驅動能力較弱，針對該問題設計了功率放大模塊，將激勵信號進行電壓電流的綜合放大，來達到傳感器對試件的磁化要求；測量中試件產生的MBN信號較弱，僅為毫伏級，同時還混雜著激勵信號產生的干擾，因此設計了信號調理電路，具體由第一級放大電路，高通濾波電路，主放大電路組成，在放大MBN信號的同時濾除低頻的干擾信號；隨后DSP的AD模塊對信號進行采樣、軟件濾波、特征值計算等處理，最后通過串行通信接口(SCI)將信號的特征信息傳輸到LCD屏幕，進行MBN信號和特征值的顯示，同時LCD屏幕具有觸摸屏功能，可手動設置激勵信號的幅值和頻率，便于對不同的測量對象進行MBN信號測量。

4 實驗結果與分析

4.1 特征參數值提取

在研究RPV鋼輻照脆化程度與MBN信號之間的關系時，常常用MBN信號的特征參數值來進行表征。例如：峰峰值(VPP)、均方根值(RMS)、半高寬(WC)、包絡面積等。本實驗以VPP和RMS為例來進行研究。

研究表明，不同材料硬度、晶粒度等力學性能指標的不同會導致MBN信號包絡的幅值和頻帶不同，用峰峰值反映信號包絡的幅值信息。峰峰值是指信號最大正值與最大負值的差值，即信號包絡波峰與波谷的絕對值，表征信號包絡高度的變化，計算公式如下：

(9)

均方根值是研究交變信號通用的結果表征值，可以表示鐵磁性材料在交變磁場下的能量信息，同時均方根值對MBN信號分析具有很好的數值穩定性。計算公式如下：

(10)

式中，vi為每個采樣點對應的采樣值；i為單個采樣點點數；n為采樣總數。

4.2 試驗測量

以未服役的RPV鋼試樣為試驗對象進行MBN信號測量試驗，激勵信號初始頻率設置為5 Hz，激勵信號幅值為2～11 V。對MBN信號的峰峰值和均方根值進行提取，兩個特征參數隨激勵信號幅值的變化曲線如圖15所示。

圖15 MBN信號特征參數值隨激勵電壓變化趨勢

4.3 結果分析

從圖中可以看出：隨著激勵信號幅值的增大，MBN信號的峰峰值和均方根值均變化明顯；幅值增大到7 V后，兩特征參數值隨激勵信號幅值增大的趨勢減緩。結合磁化過程進行分析，保持頻率不變，增大幅值，在單位時間內導致更多的180°的磁疇壁移動，巴克豪森跳躍發生的密度增大，MBN信號的強度也逐漸增加，當外加勵磁磁場增大到一定程度后，單位時間內180°疇壁移動達到極限值，MBN信號強度基本不變[29]。

激勵信號電壓幅值太低，磁化效果微弱，產生的MBN信號較弱，不宜觀察；幅值太大，兩個特征參數不能等比例地增大，同時還會導致線圈發熱嚴重，對測試結果造成影響；所以結合試驗結果，激勵信號的幅值應設置在7 V。

將激勵信號的幅值設置為7 V不變，依次改變頻率為2～9 Hz，經過濾波處理后對比發現頻率為6 Hz時MBN信號的波形重復性和穩定性特征最好，如果激勵信號的頻率過高，容易導致試樣震蕩引進誤差；如果頻率過小，會導致試件產生的MBN信號比較微弱。所以最終確定激勵信號的頻率為6 Hz。圖16為激勵信號頻率分別為4、6、8 Hz時的MBN信號波形。

圖16 不同激勵信號頻率下的MBN信號

5 結束語

為了對RPV鋼的輻照損傷程度進行檢測同時提高MBN信號檢測儀器的穩定性，根據MBN信號的產生原理，設計了MBN信號檢測傳感器，并結合有限元仿真和試驗進行了分析，得出以下結論：

1)通過對H型勵磁模塊進行理論計算和有限元仿真，分析了磁感應強度和磁力線在試件內部的分布，得出了試件的有效磁化區域，可以滿足試件的磁化需求。

2)通過對試件上方0.2 mm處的磁感應強度分布進行分析，得出MBN信號接收器應該放置在磁軛兩腳的中間位置，此時受到激勵信號的影響最小。

3)通過對未服役的RPV鋼試件進行測量，得出最佳測量激勵信號的幅值為7 V，頻率為6 Hz，此時儀器具有較好的穩定性和重復性，為RPV鋼輻照脆化程度檢測奠定了基礎。