巴克豪森勵磁檢測傳感器設計與仿真分析

孫俊杰, 王文濤， 鄧重啟, 屈辰鳴

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

機械零部件表面以及次表面的微觀組織結構和殘余應力狀態對零件的疲勞壽命有著重要的影響，因此,對于零部件表面的殘余應力等特征參數評價至關重要。巴克豪森噪聲是德國物理學家Barkhausen H博士于1919年通過實驗發現的，隨后在20世紀該技術逐漸發展成為一種新型的無損檢測技術，即巴克豪森噪聲(Barkhausen noise，BN)檢測[1],基本檢測原理是鐵磁性材料在磁化的過程中磁疇發生翻轉而產生噪聲信號。被測試樣表面、次表面的殘余應力、硬度、缺陷等特征均會對BN信號產生影響，因此，可以將巴克豪森無損檢測技術應用于零部件表層殘余應力、硬度、缺陷等特征的檢測。發達國家已將該技術廣泛應用于汽車、工業生產、航空航天等行業中去，芬蘭應力技術有限公司已經有相應的檢測設備應用；國內該技術研究起步較晚，并且該技術的應用不普遍，因此，對于該檢測技術的進一步研究有著重要的意義。

1 巴克豪森檢測原理

當外加激勵磁場作用于試樣材料時，磁疇壁便會發生轉動或是位移，從而使磁疇磁矩方向沿著勵磁的方向偏轉，過程中，材料內部的微觀缺陷、殘余應力、硬度等特征均會對磁疇壁的運動產生阻礙作用，磁疇壁位移過程中需克服材料內部存在的不均勻應力、雜質、空穴等因素造成的勢能壘，因此，磁疇壁將會產生不連續的、跳躍式的不可逆運動，巴克豪森噪聲即為磁化過程中磁疇和磁疇壁的不連續跳躍[2，3]。

當在材料表面放置感應線圈時，即可接收到材料在磁化過程中所產生的巴克豪森噪聲，通過對噪聲信號的采集與分析，研究殘余應力等特征與巴克豪森噪聲信號特征值之間的影響關系。

2 勵磁檢測傳感器設計

勵磁檢測傳感器包括磁化器與接收器2部分[4]，磁化器主要用于對待測試件進行勵磁，使試樣表層產生磁化效果，以便激勵出巴克豪森噪聲信號。導磁磁軛以及磁軛上纏繞的勵磁線圈共同組成磁化裝置。根據現有文獻以及結合工程實踐，文中勵磁檢測傳感器中的導磁磁軛設計由傳統的U型重新設計為H型，從而在實際激勵線圈的纏繞過程中，保證線圈纏繞緊密整齊，更好地對試樣材料進行勵磁。硅鋼片在低頻變化磁場作用時，導磁率高，故導磁磁軛選用0.3mm厚的硅鋼片切割成形，疊片60片粘接形成18mm 厚，磁軛上纏繞直徑φ=0.29mm的漆包銅線，纏繞匝數為600，漆包線需緊密纏繞且保持纏繞方向一致，磁軛示意圖以及尺寸設計如圖1(a)所示。

接收器主要用于接收巴克豪森噪聲信號，并根據電磁感應原理將噪聲信號轉化成電壓信號，以便對其進行采集和分析。接收器部分主要包括導磁磁棒、工型磁棒骨架、接收線圈3部分；由于巴克豪森信號多集中在高頻段，MnZn鐵氧體在高頻變化磁場作用時具有高磁導率，故導磁磁棒選用MnZn鐵氧體材料；接收線圈由直徑為φ=0.11mm的銅漆包線緊密纏繞在工型磁棒骨架上形成，纏繞匝數為4500匝，且保持漆包線纏繞方向一致，接收器示意圖及基本尺寸如圖1(b)所示。

圖1 磁化器和接收器示意

接收器與磁化器共同組成勵磁檢測傳感器，裝配示意如圖2所示。

圖2 勵磁檢測傳感器

3 有限元仿真原理與仿真模型建立[5,6]

仿真模型如圖3所示，主要包括導磁磁軛、勵磁線圈、以及試樣，各部分材料選用如下:導磁磁軛選用硅鋼片，勵磁線圈選用材料為銅，試樣材料選用Q235鋼(A3鋼)，求解邊界設置為氣球邊界，傳感器裝置內外部間隙設置為空氣，以便更加接近于真實檢測環境。

圖3 仿真模型

4 仿真結果及其分析

4.1 檢測裝置上磁場分布

對勵磁線圈施加0.6A,30Hz的正弦電流，觀察導磁回路中的磁力線分布以及試樣材料表層的磁感應強度大小分布，磁化效果如圖4所示，其中圖4(a)為導磁回路磁力線分布，圖4(b)為試樣磁感應強度分布。可以看出:導磁磁軛與試樣材料組成了導通磁路，試樣表層部分達到了被磁化的效果，因此，該勵磁裝置設計符合要求，能夠達到對試件起到勵磁的效果。

圖4 磁化效果

4.2 接收線圈放置位置合理性分析

在試樣材料深度為1mm處，設置一條線段路徑，路徑長度與導磁磁軛內邊之間的距離相同為35mm，以此查看不同激勵條件下路徑上的磁感應強度值，并分析接收器放置位置是否合理。圖5為勵磁線圈電流幅值為0.6A時，以不同勵磁頻率進行仿真時，路徑方向上的磁感應強度分布，由圖中曲線變化趨勢可以看出，當激勵電流幅值和頻率給定時，路徑長度方向上各點磁感應強度大小基本一致，變化范圍很小，因此，接收線圈的位置設置在中心位置是合理的，且中心位置距離磁軛距離最遠，受勵磁電流的影響較其他位置最小。

圖5 橫向磁感應強度變化趨勢

4.3 勵磁電流幅值和頻率對磁化深度的影響

對勵磁線圈施加正弦變化的電流進行仿真分析，其中，電流幅值變化范圍為0.1～1A，間隔0.1A取值，取值10組，頻率變化范圍為5～100Hz，間隔5Hz取值，取值20組。選擇材料深度0.5，0.8mm，試件中心位置處作為分析點，分析選定點在不同激勵條件下的磁感應強度變化趨勢。圖6為其變化趨勢，可以看到:隨著勵磁頻率的增加及勵磁電流的減小，各分析點處的磁感應強度大致呈現減小的趨勢。在實際應用中，可以通過調節激勵電流的幅值以及頻率獲得不同的勵磁深度，通過數據處理方法處理采集的噪聲信號，進行試件不同深度殘余應力等參數的檢測分析。

圖6 磁感應強度變化

5 結 論

根據巴克豪森效應檢測原理，針對鐵磁性材料設計了一種勵磁檢測傳感器裝置，針對工程實際中線圈纏繞問題，對導磁磁軛部分進行了重新設計，H型磁軛的設計能夠在線圈纏繞的過程中，使線圈纏繞排列整齊緊密，從而保證了更好的勵磁效果。利用電磁場有限元分析軟件對設計的磁化裝置部分進行分析，由以上仿真分析結果可以得出:

1)由磁力線以及磁感應強度云圖可以看出，磁軛與被檢測試樣材料構成了導磁磁路，試件表層達到了磁化的效果，因此，該磁化器符合設計要求。

2)通過分析試樣材料深度1mm處所設置路徑上的磁感應強度大小，得出在深度相同處，試件橫向方向上磁感應強度大小基本保持一致，變化波動不大，因此，將接收器設置磁化器在中心位置處合理，且設置在中心位置處能夠將磁化器與接收器更好地裝配。

3)對于設置在中心位置處、試樣材料深度為0.5，0.8mm的特定分析點，隨著勵磁頻率的增加及勵磁電流的減小，分析點處的磁感應強度大致呈現減小的趨勢，反之，則呈現增大的變化趨勢。基于此，可以在試驗過程中，通過調節勵磁電流的幅值和頻率得到最佳的勵磁參數。

[1] 王獻鋒，李紅濤.巴克豪森噪聲無損檢測技術[J].軸承，2003(8):27-28.

[2] 嚴 密，彭曉領.磁學基礎與磁性材料[M].杭州:浙江大學出版社，2006.

[3] 華 斌,李 平,文玉梅,等. 基于巴克豪森效應的鋼板內部缺陷檢測方法[J].傳感器與微系統，2011,30(1):50-53.

[4] 朱秋君.巴克豪森噪聲鋼軌應力檢測儀的開發和研究[D].南京:南京航空航天大學，2012.

[5] 趙 博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2013.

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