巴克豪森

1学号：姓名：电磁检测---巴克豪森噪声检测2巴克豪森检测技术一、磁巴克豪森效应1919年巴克豪森(H.Barkhausen)发现铁磁物质磁化时，在磁滞回线最陡的区域其磁化是阶梯式的，是不可逆跳跃过程。如图（1）这种不连续的磁化来源于磁畴和磁畴壁的不连续的运动，它在探测线圈中所引起的噪声信号称为巴克豪森噪声，简称BN。巴克豪森效应的早期研究，多是围绕物理过程，目的在于阐明磁畴运动，测量方法也比较简单。六十年代以后，由于电子测量技术的迅速发展，许多研究工作者对巴克豪森效应进行了更深人的理论研究，同时也开拓了众多应用领域例如1963年，P.Mazzetti等人研究了不同材料的噪声强度谱，并探索了一种新实验方法。1969年，R.L.Pasley研究了运用技术测量应力分布的无损检测方法。1971年，M.Otala等人应用BN技术研制出一种测量晶粒度的仪器。1973年，J.C.McCluer等人研究了材料疲劳断裂过程中BN信号特征以及与声发射信号的对应关系。1978年，O.Sundstrom等人探讨了巴克豪森效应用于微组织结构参数、晶粒度、铁损、应力等的无损检测。1982年，BN测量技术又有新的进展，G.V.King研究了应力作用下的晶粒取向硅钢在各磁化区域发射的噪声谱。实验中用了两种方法：一是BN噪声输出的强度谱，即所谓时间域分析，二是以幅度域技术为基础，测量脉冲幅度分布和产生率。由于脉冲输出类似高斯分布，故可用统计方法的幅度标准偏差来定量研究不同磁化区域内的应力效应。近年来，有些研究者将巴克豪森效应的研究与克尔磁畴观察技术和透射电境的微结构分析（位错、脱溶物、晶界、应力）结合起来，对材料性能进行研究，都取得较好的结果。二、检测原理：材料在外磁场磁化下，畴壁位移克服材料内部存在的不均匀应力，杂质，空穴等因素造成的多个势能垒，因而畴壁位移为非连续的，跳跃式的不可逆运动。将导线圈置于材料表面并对材料施加一交变磁场，畴壁的不可逆跳跃式将在导线圈内感应一系列电压脉冲信号。31.畴壁的分类：180°畴壁，90°畴壁注：180°畴壁的不可逆跳跃式产生的磁通变化最大，MBN信号最强；90°畴壁的磁通变化小，MBN信号小。2.MBN信号的影响因素：A.应力影响，应力作用下的磁畴的配置拉应力平行于磁化场方向时，由于180°畴壁增大，畴壁快速不可逆移动产生的MBN信号将增大，而压应力则相反。结论：材料在应力状态下呈现磁各向异性（即：平行于拉应力为易磁化方向，垂直方向为难磁化方向；压应力效应相反。）解释说明：应力对应磁滞回线和MBN的影响，应力平行磁化方向条件下，磁滞回线为B---H曲线，拉应力导致磁滞回线瘦高，MBN信号强。应力垂直磁化方向，磁滞回线为B---H，情况相反。B、显微组织：硬度和晶粒度的影响相关因素：微观组织，热处理工艺，化学成分等因素。微观组织：材料硬化前后情况说明。图片解释：对于硬化后高硬度的材料有较胖的磁滞回线及低的巴克豪森噪声信号。当这些材料经过如过度回火时，会导致硬度降低，磁滞回线变得瘦高。此时的巴克豪森噪声随之增加。图8-4-8为不同硬化处理的连杆螺纹，随着硬度的降低，相应的噪声信号也随之增大，但硬度增加到一定的程度，噪声只有很小的变化。4三、巴克豪森磁弹性仪A.传感器和前置放大器，其中要求前置放大器为宽频带放大器，放大倍数为100倍传感器：激励线圈，磁极铁心，检测线圈，铁心激励线圈通以低频交流信号，作用为使检测样品交流磁化检测线圈感应因磁场变化时产生的脉冲信号。检测线圈匝线越多，铁心的磁导率越大，检测到的弱信号越小。MBN检测频率范围为1~~250KHz，检测线圈的共振频率为其的100倍，即2.5MHz。B.激励电源：波形放大器和功率放大器功能：为传感器的激励线圈提供一定频率和强度的电流，以便产生适宜的变化磁场，信号频率为几赫兹，有时用0.01Hz。C.模拟电路：放大前置电路产生的输出信号，并对信号进行滤波D.自动增益反馈电路：消除材料几何尺寸厚度对磁场的影响，多采用闭环电压负反馈电路。作用：对信号幅值自动调节E.信号处理和控制系统：自动采样，处理和显示其中可以检测的信号为幅值A，包络面积E，峰位t1，宽度t0，频谱，功率谱等。常用的为幅值和包络面积成品：CTY400，CTY500系列5产品展示如下：四、巴克豪森的应用：1.微结构而和晶粒度的测量6钢和其他铁磁材料的多晶体结构中的空隙、杂质、脱溶物、位错等缺陷以及晶粒度的大小，都对磁畴壁运动有制约作用，因而影响巴克豪森信号的分布通过测量BN信号，可分析材料的微组织结构和晶粒度分布。这些分析通常是用光学方法，它是有损检测，且不能用于在线测量，所得结果仅部分是客观的。而建立在BN基础上的磁学方法与光学方法相比，具有下述优点:测量速度快，一次测量约需5--15S;结果是客观的;可对大物体进行快速检测;许多情况下测量结果可迅速反馈给生产过程;是无损的检测;分析费用便宜。然而该方法也存在一些不足之处:如检测范围仅限于表面层(1mm)；样品厚度对结果有影响，为此需将不同厚度的样品所测结果进行校准;BN往往依赖多个微参量，一个因素的变化可能被其他因素所掩盖。图4是对晶粒尺寸不同的钢，BN信号脉冲数随脉冲高度的分布。这是对整个磁滞回线测得的结果。脉冲数N用多道分析仪测量。图中所标是平均脉冲高度，定义为即M将画斜线面积分为相等的两部分。由图4可见，M值随晶粒度增大而向增大的方向移动这样晶粒度与BN信号分布就建立了一定对应关系。平均脉冲高度M与晶粒间关系可用下式表示:式中D是晶粒尺寸，D。，K是常数。当DD。时，M与D成线性关系倘若将结果加以校准，那么由BN可直接表示出晶粒分布。用光学方法(金相、图象分析)测量的是晶粒面积，属于二维分布，而BN信号与晶粒体积相联系，所测结果正比于晶粒体积，给出的是三维分布，因此所获得BN的信息更为丰富。通过测量晶粒度，可用BN技术去在线自动控制与晶粒有关的物理过程，如热处理、冶金过程等。另外，用BN技术还可以测量铁磁材料的其他一些微结构参量，如晶粒取向硅钢的各向异性参数，珠光体团的大小和层间距离，马氏体的硬度以及非铁磁奥氏体钢中铁素体的含量。72.应力测量关于施加应力以及残余应力对BN的影响有大量的研究报导和实用研究。详细的磁光学研究磁啼结构以及巴克豪森效应表明，巴克豪森效应受磁噪结构的影响，并由施加压力和残余应力的大小和方向以及磁致伸缩来决定。下面给出一些工作的基本结果。首先，BN信号随拉应力增大而增大，随压应力增加而减小，在弹性极限范围内。这个关系是线性的，见图a在到达弹性极限时，BN幅度随应力变化减弱如果卸载，则仪器的指示值变小，加载和卸载过程中信号的差值，可用来表示残余应力的大小。利用巴克豪森效应不仅可以浏到单轴向应力，而且能浏较复杂的应力。并显示出它的方向，这是由于平行和垂直于施加应力方向测量的磁噪声与应力大小和施加的应力方向与磁场方向的夹角有密切的关系。当应力平行于磁场方向时，拉应力越大BN幅度越大，而压应力越大，BN幅度越小，当应力垂直于磁场方向时，则反之。芬兰KarjalaiunLP和TiittoK等人分别用BN法，X射线法、钻空应力弛豫法对Fe37钢残余应力进行了检测，发现三者有很好的一致性。8在仪器制备方面，美国于1977年研制成了便携式无损检铡铁磁性材料的应力和残余应力扫描仪，在几秒钟内便可提供读数，现已做成了各种结构的传感器，对轴承、齿轮曲轴等复杂零件进行了浏量，目前美国AST公司出售商品化仪器。3.测定疲劳极限芬兰根据巴氏效应对含碳0．004％、疲劳极限为1OON／mm2磁性铁测定了疲劳极限，测量结果如图9所示。应力幅低于疲劳极限时，M值缓慢增加，在某一值达到饱和。应力幅超过疲劳极限时，M值迟早要下降，因此可认为在107次应力循环内M值不降的应力为疲劳极限。有的研究者用BN技术监测在周期性外力作用下的疲劳过程，指出在单向应力下，材料在屈服强度附近，BN信号最弱，在疲劳一定周次后，信号发生显著变化，以此作为材料疲劳寿命的无损检测。五、巴克豪森的不足和发展方向(1)综上所述,虽然BN的产生机制已有定论,但是对应力和磁畴的微观机理和模型的研究尚不充分,应从内在本质来说明Barkhausen现象的形成机理,为应用该现象提供更加可靠的理论依据和方法。(2)DharA等人虽然建立了Barkhausen噪声与塑性应变的对应关系,但只针对单轴晶体钢塑性形变,应进一步分析不同钢种在弹性和塑性应变下的不同表现,探讨其机理。(3)实际的工程材料出厂状态残余应力往往是各向异性且非均匀的。在加工成产品以后,由于加工工艺的不同,产品内应力极其复杂。由于在二维应力情况下,不存在自由应力点,因此,二维MBN应力传感器的研制及MBN2σ的定标曲线制作十分困难。因此,对于传感器的研制方法需要解决以下问题,如传感材料的改进、激磁频率和激磁电压波形的探讨、设计系统性的对比试验以及传感器构造的改进等。(4)BN技术与工程实际相结合是BN检测技术的发展方向,考虑各类工程检测问题的特点,从实际检测要求出发,建立各钢种对比试验图,为建立规范提供有效的科学数据,图a9并在此基础上建立工程应用标准,是发展BN技术的有效途径。六、总结基于巴克豪森噪声的无损检测技术作为一种新兴的无损检测技术，无论是在其机理的认识，检测理论的研究还是检测仪器的开发方面，都有着十分重要的学术意义和应用价值。而随着数字信号处理技术和无损检测技术的发展，基于巴克豪森噪声的无损检测技术的应用愈来愈广泛，对它的要求也越来越高。其实，巴克豪森噪声检测技术的发展需要多方面的知识，也依赖其他相关技术的进步。