巴克豪森勵磁檢測傳感器設(shè)計與仿真分析

孫俊杰, 王文濤， 鄧重啟, 屈辰鳴

(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)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(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)力等特征參數(shù)評價至關(guān)重要。巴克豪森噪聲是德國物理學(xué)家Barkhausen H博士于1919年通過實驗發(fā)現(xiàn)的，隨后在20世紀(jì)該技術(shù)逐漸發(fā)展成為一種新型的無損檢測技術(shù)，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(fā)生翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生噪聲信號。被測試樣表面、次表面的殘余應(yīng)力、硬度、缺陷等特征均會對BN信號產(chǎn)生影響，因此，可以將巴克豪森無損檢測技術(shù)應(yīng)用于零部件表層殘余應(yīng)力、硬度、缺陷等特征的檢測。發(fā)達(dá)國家已將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等行業(yè)中去，芬蘭應(yīng)力技術(shù)有限公司已經(jīng)有相應(yīng)的檢測設(shè)備應(yīng)用；國內(nèi)該技術(shù)研究起步較晚，并且該技術(shù)的應(yīng)用不普遍，因此，對于該檢測技術(shù)的進(jìn)一步研究有著重要的意義。

1 巴克豪森檢測原理

當(dāng)外加激勵磁場作用于試樣材料時，磁疇壁便會發(fā)生轉(zhuǎn)動或是位移，從而使磁疇磁矩方向沿著勵磁的方向偏轉(zhuǎn)，過程中，材料內(nèi)部的微觀缺陷、殘余應(yīng)力、硬度等特征均會對磁疇壁的運動產(chǎn)生阻礙作用，磁疇壁位移過程中需克服材料內(nèi)部存在的不均勻應(yīng)力、雜質(zhì)、空穴等因素造成的勢能壘，因此，磁疇壁將會產(chǎn)生不連續(xù)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(xù)跳躍[2，3]。

當(dāng)在材料表面放置感應(yīng)線圈時，即可接收到材料在磁化過程中所產(chǎn)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(yīng)力等特征與巴克豪森噪聲信號特征值之間的影響關(guān)系。

2 勵磁檢測傳感器設(shè)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(jìn)行勵磁，使試樣表層產(chǎn)生磁化效果，以便激勵出巴克豪森噪聲信號。導(dǎo)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(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)以及結(jié)合工程實踐，文中勵磁檢測傳感器中的導(dǎo)磁磁軛設(shè)計由傳統(tǒng)的U型重新設(shè)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(jìn)行勵磁。硅鋼片在低頻變化磁場作用時，導(dǎo)磁率高，故導(dǎo)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(shù)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(shè)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(jù)電磁感應(yīng)原理將噪聲信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，以便對其進(jìn)行采集和分析。接收器部分主要包括導(dǎo)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(dǎo)率，故導(dǎo)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(shù)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(dǎo)磁磁軛、勵磁線圈、以及試樣，各部分材料選用如下:導(dǎo)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(shè)置為氣球邊界，傳感器裝置內(nèi)外部間隙設(shè)置為空氣，以便更加接近于真實檢測環(huán)境。

圖3 仿真模型

4 仿真結(jié)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(dǎo)磁回路中的磁力線分布以及試樣材料表層的磁感應(yīng)強度大小分布，磁化效果如圖4所示，其中圖4(a)為導(dǎo)磁回路磁力線分布，圖4(b)為試樣磁感應(yīng)強度分布?？梢钥闯?導(dǎo)磁磁軛與試樣材料組成了導(dǎo)通磁路，試樣表層部分達(dá)到了被磁化的效果，因此，該勵磁裝置設(shè)計符合要求，能夠達(dá)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(shè)置一條線段路徑，路徑長度與導(dǎo)磁磁軛內(nèi)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(yīng)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(jìn)行仿真時，路徑方向上的磁感應(yīng)強度分布，由圖中曲線變化趨勢可以看出，當(dāng)激勵電流幅值和頻率給定時，路徑長度方向上各點磁感應(yīng)強度大小基本一致，變化范圍很小，因此，接收線圈的位置設(shè)置在中心位置是合理的，且中心位置距離磁軛距離最遠(yuǎn)，受勵磁電流的影響較其他位置最小。

圖5 橫向磁感應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)強度大致呈現(xiàn)減小的趨勢。在實際應(yīng)用中，可以通過調(diào)節(jié)激勵電流的幅值以及頻率獲得不同的勵磁深度，通過數(shù)據(jù)處理方法處理采集的噪聲信號，進(jìn)行試件不同深度殘余應(yīng)力等參數(shù)的檢測分析。

圖6 磁感應(yīng)強度變化

5 結(jié) 論

根據(jù)巴克豪森效應(yīng)檢測原理，針對鐵磁性材料設(shè)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(dǎo)磁磁軛部分進(jìn)行了重新設(shè)計，H型磁軛的設(shè)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(shè)計的磁化裝置部分進(jìn)行分析，由以上仿真分析結(jié)果可以得出:

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

2)通過分析試樣材料深度1mm處所設(shè)置路徑上的磁感應(yīng)強度大小，得出在深度相同處，試件橫向方向上磁感應(yīng)強度大小基本保持一致，變化波動不大，因此，將接收器設(shè)置磁化器在中心位置處合理，且設(shè)置在中心位置處能夠?qū)⒋呕髋c接收器更好地裝配。

3)對于設(shè)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(yīng)強度大致呈現(xiàn)減小的趨勢，反之，則呈現(xiàn)增大的變化趨勢?；诖耍梢栽谠囼炦^程中，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值和頻率得到最佳的勵磁參數(shù)。

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

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