磁巴克豪森噪聲信號檢測傳感器的設(shè)計(jì)

李包青, 鄭 賓, 郭華玲

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

鐵磁性是指物質(zhì)中相鄰原子或離子的磁矩由于它們的相互作用而在某些區(qū)域中大致按同一方向排列，當(dāng)所施加的磁場強(qiáng)度增大時，這些區(qū)域的合磁矩定向排列程度會隨之增加到某一極限值的現(xiàn)象[1]。鐵磁性材料一般是指具有鐵磁性的材料。材料按磁性分為鐵磁性、亞鐵磁性、抗磁性、順磁性、反鐵磁性。

由于鐵磁性材料具有良好的機(jī)械特性，故作為關(guān)鍵材料廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、民生等眾多領(lǐng)域。材料在加工及后續(xù)的使用過程中，需要隨時監(jiān)測和掌握材料的硬度、滲碳深度、應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)。利用常規(guī)的檢測儀對材料進(jìn)行硬度、應(yīng)力檢測時，會在表面產(chǎn)生一定損傷，對于用于精密儀器的零件，可能會對設(shè)備性能產(chǎn)生影響，故無損檢測對于此類零件來說，至關(guān)重要。利用磁巴克豪森信號(magnetic barkhausen noise,MBN)可實(shí)現(xiàn)對材料性能快速靈活、準(zhǔn)確無損的檢測。而對此方法最為關(guān)鍵的是MBN信號檢測傳感器的設(shè)計(jì)。

1 磁巴克豪森噪聲與鐵磁性材料

磁巴克豪森噪聲是一種微觀磁現(xiàn)象，在對鐵磁性材料施加交變磁場進(jìn)行磁化的過程中，材料會在外加磁場方向發(fā)生磁疇的翻轉(zhuǎn)及磁疇壁的移動，從而對外釋放階躍的跳躍信號，即巴克豪森跳變，該信號對材料微觀結(jié)構(gòu)變化很敏感。巴克豪森跳變導(dǎo)致局域磁場變化而誘發(fā)脈沖渦流，向空間輻射磁場，將磁敏元件置于材料表面檢測，將該輻射磁場轉(zhuǎn)換成電壓信號，稱作磁巴克豪森噪聲[2]?；诎涂撕郎肼暀z測原理，可實(shí)現(xiàn)對鐵磁性材料的滲碳層深度、表面薄膜厚度、硬度、所受應(yīng)力等的快速無損檢測。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 檢測原理與工作方式

如圖1所示，測試系統(tǒng)由激勵產(chǎn)生模塊、MBN信號檢測傳感器、待測試件和信號處理模塊組成。激勵產(chǎn)生模塊包括激勵產(chǎn)生、激勵參數(shù)調(diào)節(jié)和功率放大；MBN信號檢測傳感器由勵磁模塊、信號接收模塊及前置放大模塊組成；信號處理包括放大濾波、AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)顯示。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖

在待測試件的磁化過程中，通過調(diào)節(jié)激勵的幅值與頻率，使得勵磁模塊施加于試件的磁場強(qiáng)度不斷增大，從而使試件處于劇烈磁化階段。在此階段，材料內(nèi)部的磁疇向外磁場方向偏轉(zhuǎn)，使得磁疇壁發(fā)生相應(yīng)的移動，磁化率出現(xiàn)最大值，此過程為不可逆磁化過程，取消外磁場的施加后，試件不會恢復(fù)到初始狀態(tài)。在此過程中，產(chǎn)生明顯的巴克豪森噪聲信號。通過放置在材料表面的接收模塊，將巴克豪森噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵?。磁場在對鐵磁性材料的磁化過程中，隨著磁化深度的增加，磁場強(qiáng)度會出現(xiàn)衰減。根據(jù)電磁學(xué)理論，磁場在垂直材料表面的衰減規(guī)律為

H(x)=H0e-αx

(1)

式中：H(x)為材料內(nèi)部與表面垂直距離為x處的磁場強(qiáng)度；H0為試件表面磁場強(qiáng)度；α為衰減系數(shù)，1/α常被定義為穿透深度，指H(x)衰減為H0的1/e時，距材料表面的距離[3]。給傳感器勵磁線圈施加的激勵為正弦信號，由渦流與集膚效應(yīng)可知，材料在磁化過程中的感應(yīng)電流會阻礙磁場在導(dǎo)體中的透入深度δ，公式表示[4]為

(2)

式中：ω為激勵源的角頻率(等于2πf，f為激勵信號的振蕩頻率)；σ為材料的電導(dǎo)率；μ0為真空中的磁導(dǎo)率；μr為材料的相對磁導(dǎo)率。結(jié)合式(1)、式(2)可知，衰減系數(shù)為

(3)

結(jié)合式(2)、式(3)可知，在其他條件不變的情況下，穿透深度與激勵信號的頻率成反比。測試系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)線圈激勵信號的頻率，來獲取不同厚度鐵磁性材料的巴克豪森噪聲信號。

2.2 勵磁模塊方案對比分析

設(shè)計(jì)主要針對平面型的鐵磁性材料進(jìn)行巴克豪森噪聲信號的檢測。勵磁模塊的設(shè)計(jì)包括磁軛的材料和形狀的選擇以及磁軛線圈的設(shè)計(jì)。經(jīng)查閱資料及相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MBN信號的頻率范圍大概為10～500 kHz，本設(shè)計(jì)中用到的不銹鋼的MBN信號集中在100 kHz左右。

求解通電螺線管在空間中的磁感應(yīng)強(qiáng)度有矢勢法和磁標(biāo)勢法。通過矢勢法簡化計(jì)算后，通電螺線管中心對稱軸的磁場強(qiáng)度可表示為B=μ0nI，其中μ0為真空中的磁導(dǎo)率，n為單位長度的匝數(shù)，I為線圈通電電流[5]。

結(jié)合材料的性能，硅鋼片飽和磁通較高(約 12 000 GS)，適用于低頻，使用頻率不超過400 Hz，具有高導(dǎo)磁率、低頻不易飽和、磁滯損耗低、易于退磁等優(yōu)點(diǎn)并且可以通過硅鋼片壓制成需要厚度，適合二次加工。設(shè)計(jì)采用B30G20取向硅鋼片作為磁軛材料。磁軛由0.3 mm厚的硅鋼片切割成形后，70片壓制成厚度為2.1 cm的導(dǎo)磁磁軛，激勵線圈由直徑匝Φ=0.29 mm的漆包線，繞制1 000 匝制成。

適用于平面材料磁巴克豪森噪聲信號檢測的磁軛形狀有U型和H型，外形和尺寸如圖2所示。將勵磁模塊放于材料表面，傳感器下部兩端口與材料表面接觸，繞在上部的激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，經(jīng)磁軛耦合到材料表面，沿材料垂直方向進(jìn)行磁化，檢測線圈獲取此方向的MBN信號。利用U型和H型磁軛都可以與材料進(jìn)行有效貼合。為進(jìn)行對比，H型、U型磁軛的高度均為50 mm，底端截面均為,10 mm×10 mm，內(nèi)外跨徑分別為20 mm和40 mm。利用有限元仿真軟件來分析這兩種磁軛對鐵磁性材料的磁化效果，以此來確定磁軛的形狀及工作方式，以便設(shè)計(jì)性能更加優(yōu)異的適用于平面材料的磁巴克豪森噪聲檢測傳感器。

圖2 勵磁模塊形狀

依照圖2標(biāo)注的磁軛尺寸，在Maxwell 16.0仿真平臺中分別建立H型和U型勵磁模塊有限元仿真模型，如圖3所示。求解類型設(shè)置為渦流場；在三維渦流場中，非線性的導(dǎo)磁材料無法通過輸入B-H曲線來定義材料屬性，可以通過定義常數(shù)相對磁導(dǎo)率的方法來定義材料[6]，故將磁軛材料設(shè)置為相對磁導(dǎo)率為2 000的硅鋼；頂端纏繞的線圈設(shè)置為銅，匝數(shù)為1 000，激勵電流為1 A，頻率為5 Hz，總的激勵安匝數(shù)應(yīng)設(shè)置為1 414；底端試件材料設(shè)置為不銹鋼。

由圖4的仿真結(jié)果可以看出，這兩種磁軛在纏繞相同匝數(shù)線圈，施加相同的激勵下，可與試件形成閉合的磁路，試件基本上達(dá)到了被磁化的效果。磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量分布基本保持一致，故從磁化角度來講，磁軛使用這兩種結(jié)構(gòu)區(qū)別不大。從制作激勵模塊的難易角度來講，H型磁軛容易加工成型，繞制線圈的時候，方便控制匝數(shù)，易于排布，因此本次實(shí)物設(shè)計(jì)采用H型磁軛。

圖3 勵磁模塊有限元模型

2.3 信號拾取模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中用到的不銹鋼的MBN信號主要集中在100 kHz左右。常用的磁敏傳感器有磁阻傳感器、霍爾元件、感應(yīng)線圈等，結(jié)合傳感器的靈敏度、線性范圍及頻率范圍等參數(shù)，本次設(shè)計(jì)選用靈敏度高、線性度好、頻率范圍廣的感應(yīng)線圈。接收模塊原理如圖5所示。

圖5 接收線圈原理

試件在磁化的過程中，磁疇向外加磁場的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動以及磁疇壁不連續(xù)的、階躍式的運(yùn)動，引起巴克豪森磁噪聲信號。通過放置在材料表面的接收線圈將巴克豪森噪聲以感應(yīng)電壓的形式表現(xiàn)出來。假設(shè)鐵芯材料的磁導(dǎo)率為μ，S為磁芯截面積,H為MBN信號在鐵芯軸向的分量，ω為MBN信號的角頻率(ω=2πf)，N為線圈單位長度內(nèi)的繞制密度(匝/m),則磁芯的感應(yīng)電壓為[7]

V=μωNSH

(4)

接收模塊可等效為一個由電阻和電感串聯(lián)且與其分布電容并聯(lián)形成的線圈，故其固有諧振頻率為[8]

(5)

式中：L為接收線圈的電感值；C為線圈的電容值。

由于MBN信號的強(qiáng)度很微弱，因此接收模塊需要有較高的靈敏度。線圈初始靈敏度可表示為

(6)

設(shè)線圈的內(nèi)徑為Di，外徑為D，磁芯長度為L；令a=L/D為線圈的延伸比，β為磁芯上繞線部分與磁芯總長度的比值，x=Di/D

對實(shí)際的磁芯相對磁導(dǎo)率μc低于其材料的相對磁導(dǎo)率μr，這與退磁因子Nd確定的退磁場效應(yīng)有關(guān)，與磁芯的幾何形狀有關(guān)。磁芯的實(shí)際磁導(dǎo)率μ=μ0μc。

(7)

(8)

式中，m=L/Di，即為磁芯長度與直徑的比值。足夠長的磁芯可以減小退磁因子從而提高材料的有效相對磁導(dǎo)率；另一方面，如果m足夠大，μc將取決于材料的磁導(dǎo)率μr。

磁芯的橫截面積為

(9)

故線圈的靈敏度可表示為[9]

(10)

單位為mV/nT。

常用于磁芯的材料有合金類和鐵氧體，通過查閱資料，鐵氧體適用于10～500 kHz，低功率的應(yīng)用環(huán)境，與MBN信號的頻率接近，故本次設(shè)計(jì)采用Mn-Zn鐵氧體作為磁芯材料，相對磁導(dǎo)率μr=3 000，磁芯長度為1.5 cm，直徑為1 cm。線圈采用Φ=0.29 mm的漆包銅線，匝數(shù)為2 000匝，繞制所占磁芯長度為1 cm，位于磁芯的中部。通過計(jì)算，該磁芯有效相對磁導(dǎo)率μc=46.05，計(jì)算得到該線圈的理論靈敏度為ε100 kHz=9.086 mV/nT。

另外接收線圈在測試材料的放置位置會影響線圈的接收特性和工作性能。為確定接收線圈放置的位置，在試件材料深度為3 mm處，設(shè)置一條路徑，用來查看此路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在激勵電流為1 A，頻率為5 Hz，總的激勵安匝數(shù)應(yīng)設(shè)置為1 414下材料中此路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 材料表面磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢

圖6中，由于材料兩邊靠近磁軛端口，磁感應(yīng)強(qiáng)度受外加磁場影響大，難于獲取MBN信號，故設(shè)計(jì)中將接受線圈放于磁軛下方正中間。

磁芯上的繞線線圈感應(yīng)磁場信號的同時，在線上也會感應(yīng)到較小的電場信號，感應(yīng)的電場就會對磁場在天線上產(chǎn)生的感應(yīng)信號造成干擾，因此需要采取必要、適當(dāng)?shù)拇胧﹄妶龈蓴_抑制、抵消，可以采用使磁棒接地的方式來消除由于磁芯材料分布不均勻造成的影響。

3 實(shí)物設(shè)計(jì)與巴克豪森信號分析

測試系統(tǒng)工作過程為：信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號(正弦信號，幅值為1 V，頻率為5 Hz)經(jīng)功率放大器后，作用在傳感器勵磁線圈上，勵磁線圈產(chǎn)生交變磁場，使試件處于劇烈磁化階段，通過傳感器的接收線圈，將磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過示波器顯示與讀取。測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 測試系統(tǒng)實(shí)物圖

MBN信號檢測傳感器在試件表面移動過程中，MBN信號如圖8、圖9所示，在不同的位置通過MBN信號可反映出材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力、晶體結(jié)構(gòu)等微觀情況[10]。MBN信號的頻譜如圖10所示，分析可知，所測材料的MBN信號頻率集中在 100 kHz 左右。

圖8 原始巴克豪森噪聲信號

圖9 平滑處理后的巴克豪森噪聲信號

圖10 MBN信號頻譜圖

4 結(jié)語

根據(jù)磁巴克豪森噪聲產(chǎn)生原理，分析了巴克豪森噪聲信號檢測原理，針對鐵磁性材料設(shè)計(jì)了一種磁巴克豪森噪聲信號檢測傳感器，并搭建出檢測平臺。針對常用的H型和U型傳感器導(dǎo)磁磁軛，進(jìn)行有限元仿真，分析各自優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合理論計(jì)算得出如下結(jié)論：

1)通過對勵磁模塊磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計(jì)算并對U型和H型勵磁模塊建模，分析磁力線及磁感應(yīng)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)兩種形狀的磁軛導(dǎo)磁效果和對試件的磁化效果是一樣的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，H型磁軛在纏繞線圈時，能使線圈纏繞整齊緊密。

2)通過理論計(jì)算分析及實(shí)際試驗(yàn)得出：磁場在垂直于材料表面?zhèn)鞑霈F(xiàn)衰減，并且與線圈激勵信號成反比。即可通過調(diào)節(jié)信號的頻率來實(shí)現(xiàn)磁化深度的調(diào)節(jié)，信號的幅值會影響試件的磁化強(qiáng)度。

3)接收線圈的靈敏度、頻率響應(yīng)范圍及擺放位置是能否檢測到巴克豪森噪聲信號的關(guān)鍵。接收線圈的靈敏度與磁芯的長度、直徑及纏繞線圈的匝數(shù)成正比，但還需考慮纏繞線圈的分布電容、有效電阻及接收線圈的大小等因素。