巴克豪森励磁检测传感器设计与仿真分析

孙俊杰, 王文涛， 邓重启, 屈辰鸣

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

0 引 言

机械零部件表面以及次表面的微观组织结构和残余应力状态对零件的疲劳寿命有着重要的影响，因此,对于零部件表面的残余应力等特征参数评价至关重要。巴克豪森噪声是德国物理学家Barkhausen H博士于1919年通过实验发现的，随后在20世纪该技术逐渐发展成为一种新型的无损检测技术，即巴克豪森噪声(Barkhausen noise，BN)检测[1],基本检测原理是铁磁性材料在磁化的过程中磁畴发生翻转而产生噪声信号。被测试样表面、次表面的残余应力、硬度、缺陷等特征均会对BN信号产生影响，因此，可以将巴克豪森无损检测技术应用于零部件表层残余应力、硬度、缺陷等特征的检测。发达国家已将该技术广泛应用于汽车、工业生产、航空航天等行业中去，芬兰应力技术有限公司已经有相应的检测设备应用；国内该技术研究起步较晚，并且该技术的应用不普遍，因此，对于该检测技术的进一步研究有着重要的意义。

1 巴克豪森检测原理

当外加激励磁场作用于试样材料时，磁畴壁便会发生转动或是位移，从而使磁畴磁矩方向沿着励磁的方向偏转，过程中，材料内部的微观缺陷、残余应力、硬度等特征均会对磁畴壁的运动产生阻碍作用，磁畴壁位移过程中需克服材料内部存在的不均匀应力、杂质、空穴等因素造成的势能垒，因此，磁畴壁将会产生不连续的、跳跃式的不可逆运动，巴克豪森噪声即为磁化过程中磁畴和磁畴壁的不连续跳跃[2，3]。

当在材料表面放置感应线圈时，即可接收到材料在磁化过程中所产生的巴克豪森噪声，通过对噪声信号的采集与分析，研究残余应力等特征与巴克豪森噪声信号特征值之间的影响关系。

2 励磁检测传感器设计

励磁检测传感器包括磁化器与接收器2部分[4]，磁化器主要用于对待测试件进行励磁，使试样表层产生磁化效果，以便激励出巴克豪森噪声信号。导磁磁轭以及磁轭上缠绕的励磁线圈共同组成磁化装置。根据现有文献以及结合工程实践，文中励磁检测传感器中的导磁磁轭设计由传统的U型重新设计为H型，从而在实际激励线圈的缠绕过程中，保证线圈缠绕紧密整齐，更好地对试样材料进行励磁。硅钢片在低频变化磁场作用时，导磁率高，故导磁磁轭选用0.3mm厚的硅钢片切割成形，叠片60片粘接形成18mm 厚，磁轭上缠绕直径φ=0.29mm的漆包铜线，缠绕匝数为600，漆包线需紧密缠绕且保持缠绕方向一致，磁轭示意图以及尺寸设计如图1(a)所示。

接收器主要用于接收巴克豪森噪声信号，并根据电磁感应原理将噪声信号转化成电压信号，以便对其进行采集和分析。接收器部分主要包括导磁磁棒、工型磁棒骨架、接收线圈3部分；由于巴克豪森信号多集中在高频段，MnZn铁氧体在高频变化磁场作用时具有高磁导率，故导磁磁棒选用MnZn铁氧体材料；接收线圈由直径为φ=0.11mm的铜漆包线紧密缠绕在工型磁棒骨架上形成，缠绕匝数为4500匝，且保持漆包线缠绕方向一致，接收器示意图及基本尺寸如图1(b)所示。

图1 磁化器和接收器示意

接收器与磁化器共同组成励磁检测传感器，装配示意如图2所示。

图2 励磁检测传感器

3 有限元仿真原理与仿真模型建立[5,6]

仿真模型如图3所示，主要包括导磁磁轭、励磁线圈、以及试样，各部分材料选用如下:导磁磁轭选用硅钢片，励磁线圈选用材料为铜，试样材料选用Q235钢(A3钢)，求解边界设置为气球边界，传感器装置内外部间隙设置为空气，以便更加接近于真实检测环境。

图3 仿真模型

4 仿真结果及其分析

4.1 检测装置上磁场分布

对励磁线圈施加0.6A,30Hz的正弦电流，观察导磁回路中的磁力线分布以及试样材料表层的磁感应强度大小分布，磁化效果如图4所示，其中图4(a)为导磁回路磁力线分布，图4(b)为试样磁感应强度分布。可以看出:导磁磁轭与试样材料组成了导通磁路，试样表层部分达到了被磁化的效果，因此，该励磁装置设计符合要求，能够达到对试件起到励磁的效果。

图4 磁化效果

4.2 接收线圈放置位置合理性分析

在试样材料深度为1mm处，设置一条线段路径，路径长度与导磁磁轭内边之间的距离相同为35mm，以此查看不同激励条件下路径上的磁感应强度值，并分析接收器放置位置是否合理。图5为励磁线圈电流幅值为0.6A时，以不同励磁频率进行仿真时，路径方向上的磁感应强度分布，由图中曲线变化趋势可以看出，当激励电流幅值和频率给定时，路径长度方向上各点磁感应强度大小基本一致，变化范围很小，因此，接收线圈的位置设置在中心位置是合理的，且中心位置距离磁轭距离最远，受励磁电流的影响较其他位置最小。

图5 横向磁感应强度变化趋势

4.3 励磁电流幅值和频率对磁化深度的影响

对励磁线圈施加正弦变化的电流进行仿真分析，其中，电流幅值变化范围为0.1～1A，间隔0.1A取值，取值10组，频率变化范围为5～100Hz，间隔5Hz取值，取值20组。选择材料深度0.5，0.8mm，试件中心位置处作为分析点，分析选定点在不同激励条件下的磁感应强度变化趋势。图6为其变化趋势，可以看到:随着励磁频率的增加及励磁电流的减小，各分析点处的磁感应强度大致呈现减小的趋势。在实际应用中，可以通过调节激励电流的幅值以及频率获得不同的励磁深度，通过数据处理方法处理采集的噪声信号，进行试件不同深度残余应力等参数的检测分析。

图6 磁感应强度变化

5 结 论

根据巴克豪森效应检测原理，针对铁磁性材料设计了一种励磁检测传感器装置，针对工程实际中线圈缠绕问题，对导磁磁轭部分进行了重新设计，H型磁轭的设计能够在线圈缠绕的过程中，使线圈缠绕排列整齐紧密，从而保证了更好的励磁效果。利用电磁场有限元分析软件对设计的磁化装置部分进行分析，由以上仿真分析结果可以得出:

1)由磁力线以及磁感应强度云图可以看出，磁轭与被检测试样材料构成了导磁磁路，试件表层达到了磁化的效果，因此，该磁化器符合设计要求。

2)通过分析试样材料深度1mm处所设置路径上的磁感应强度大小，得出在深度相同处，试件横向方向上磁感应强度大小基本保持一致，变化波动不大，因此，将接收器设置磁化器在中心位置处合理，且设置在中心位置处能够将磁化器与接收器更好地装配。

3)对于设置在中心位置处、试样材料深度为0.5，0.8mm的特定分析点，随着励磁频率的增加及励磁电流的减小，分析点处的磁感应强度大致呈现减小的趋势，反之，则呈现增大的变化趋势。基于此，可以在试验过程中，通过调节励磁电流的幅值和频率得到最佳的励磁参数。

[1] 王献锋，李红涛.巴克豪森噪声无损检测技术[J].轴承，2003(8):27-28.

[2] 严 密，彭晓领.磁学基础与磁性材料[M].杭州:浙江大学出版社，2006.

[3] 华 斌,李 平,文玉梅,等. 基于巴克豪森效应的钢板内部缺陷检测方法[J].传感器与微系统，2011,30(1):50-53.

[4] 朱秋君.巴克豪森噪声钢轨应力检测仪的开发和研究[D].南京:南京航空航天大学，2012.

[5] 赵 博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2013.

[6] 吴 畏，聂鲁燕，马利民,等. Ansoft Maxwell 电磁场分析在短路匝传感器输出特性中的应用[J].传感器与微系统，2011,30(6):131-134.