基于巴克豪森噪訊的曲軸殘余應力測試儀系統畢業(yè)設計

1、摘要曲軸是內燃機最重要的零件之一，它的性能如何直接影響著發(fā)動機的壽命與可靠性。內燃機工作時，曲軸受到交變的彎曲和扭轉的聯合作用，主要破壞形式為疲勞破壞。材料的疲勞極限除了與循環(huán)應力作用次數有關外，還與危險部位所受應力狀態(tài)有關，即受循環(huán)變應力的應力幅和平均應力大小的影響。在受拉應力的部位，當所受應力值超過材料疲勞極限時，極易出現疲勞裂紋。經過有關科研人員的長期觀察與研究，曲軸過渡圓角部位出現疲勞裂紋前，該部位的殘余應力為壓應力時，工作中有利于減小應力幅，提高疲勞強度；反之，則會降低曲軸疲勞強度。本文研究了基于巴克豪森噪訊的曲軸殘余應力測試儀系統。介紹了針對曲軸過度圓角部位的激磁裝置的特點及激磁強

2、度的計算方法；巴氏噪訊信號采集與處理處理電路及計算機數據采集系統的結構、基本參數和數據處理方法等。實驗數據表明該儀器測試數據準確可口可以應用于各類曲軸殘余應力測試。關鍵詞 巴氏噪聲 曲軸 殘余應力 無損檢測 第1章 緒論1.1 本課題研究的目的和意義鐵磁材料具有良好的彈性、塑性和強度，用之方便，價格合理，每年鋼鐵的產量比任何其他金屬的產量都要高，因此，鐵磁材料被應用于機械加工、石油化工、鐵路交通、航空、國防、核工業(yè)、及民用工業(yè)、領域。鐵磁材料及其零部件強度高、硬度大、耐腐，以其構成的產品具有耐久性、實用性，以其構成的工程項目堅固、耐久。這是由于鐵磁材料所具有的所有材料都不可替代的抗拉、壓、抗疲

3、勞彎曲的特性。利用鐵磁材料堅固、耐用抗震的特點，它經常在工程材料中起骨架、支撐作用。在民用及日用工業(yè)中，利用鐵磁材料的良好的彈性和塑性，把它們加工成汽車外殼、壓力容器、麻花鋼筋等等。這些產品具有柔軟、剛勁、剛硬、堅韌、使用周期長等優(yōu)點。毫無疑問，鋼鐵材料不僅目前是將來長期內也將仍然是最重要的、應用最廣泛的工程材料之一。由鐵磁材料構成的機械構件，在加工制作和使用的過程中，由于受外力作用，溫度變化等因素的影響，在其內部會會產生局部的應力集中或松弛，從而引起構件局部或全部的塑性彎曲，變形，造成構件整體強度的降低，特別是構件疲勞強度的降低，從而造成事故隱患。在工業(yè)生產中，由鐵磁材料加工的零件及其他產品

4、，人們最關心的是他們的質量。在工程技術領域，如建筑、橋梁、鐵塔等，人們關心的是他們的壽命。這是因為，這些產品的工程技術指標不僅僅關系到產品的質量、壽命、和價格，而且還關系到人民的生命安全。如鐵磁材料構成的壓力容器、核容器、鍋爐等等，它們都是有焊接結構構成的，當容器內溫度、壓力達到一定溫度時，鐵磁材料受力是十分驚人的，危險經常發(fā)生。因此，對鋼鐵材料的各種缺陷，如腐蝕、疲勞、裂紋、應力，彈性變形和塑性變形等檢測有著十分重要的意義。它不僅有助于提高產品的質量，延長產品的使用壽命，而且有事能及時發(fā)現問題，提前采取有效的措施，從而避免重大的災難性的事故發(fā)生。1。2目前常用的各種檢測方法1。2。1 超聲波

5、法超聲波法是通過測量超聲波在鐵磁材料中力學性能相異方向上的傳播速度差異來測定應力的。但由于超聲波在材料中傳播速度很快，因此，在材料受力后，相異方向傳播速度差異小。且超聲波在材料中的傳播速度受練處理，各向異性影響較大，因此，要達到準且測量應力相當困難，目前的研究尚未達到實用階段。1。2。2光測發(fā)包括光彈法，激光超聲干涉法，散斑干涉法。它是利用偏振光通過雙折射效應的透明受力模型獲得干涉條紋圖，直接觀察模型的全部應力分布，特別是可以觀察到應力集中的部位，并可迅速確定應力集中系數。這種方法的缺點是：應力測量周期長，檢測成本高，不是在線應用檢測發(fā)展的方向。1。2。3 機械檢測法包括切割法，逐次去層法，環(huán)

6、孔法，鉆孔法等。這些方法都是破壞或半破壞的檢測方法。他們都是利用構件局部破壞，應力重新分布之一古老測量技術，在線檢測不方便，已逐漸被其它方法代替。1。2。4 X-射線法傳統的X-射線法檢測應力，是通過測定具有應力的晶粒、晶格之間的應力來測定應力的大小，無損傷的對材料表面進行定量分析。該方法的缺點是：檢測設備昂貴，檢測精度不高，多次檢測重復性不好，檢測深度僅達到數微米或幾十微米。特別是對大晶粒材料的應力測定，X-射線衍射線變得不連續(xù)時，測得的應力值會將有相當大的誤差。1。2。5 電阻應變片法應變片法是目前應用相對較普通的一種應力檢測方法。應力片法檢測應力是將由基片和電阻絲柵組成的應變片貼在材料的

7、表面，基于材料受力后產生的變形，由應力片的電阻絲柵隨材料的相對變化一起發(fā)生長短變化，來測量材料內部的應力，是連續(xù)測量的過程。此方法的缺點是：一個應力片只能測量構件表面一個點在某一方面的應變，不能實現全域性的測量。另外由于它是依靠材料的相對變形來測量作用力，若材料未發(fā)生變形，或找不到起始的應力值，則無法測量應力，特別是殘余應力。另外，貼應變片程序繁瑣，測量周期長，而且成本不低，在線及工程檢測應用受到限制。1。2。6 磁巴克豪森噪聲法巴克豪森噪聲是美國利用巴克豪森效應來檢測鐵磁材料的應力，硬度等物質的性質。巴克豪森效應是1919年首先由德國物理學家巴克豪森（HBarKHauSen）發(fā)現的，故稱巴克

8、豪森效應，簡稱為MBN。雖然巴氏噪聲效應發(fā)現的較早，理論研究也開展的很早，但很多理論仍然不成熟，還需進一步完善或重新認識。特別是它在應力及材料使用壽命檢測的領域的應用研究。實驗發(fā)現，MBN與材料的受力關系密切相關，隨拉應力的增加而增加，隨壓應力的增加而減少。巴氏噪聲法師利用材料受力后，疇壁跳躍釋放的噪訊的大小隨受力大小的變化的機理來進行應力檢測的。根據法拉第電磁感應定律只要將傳感器貼在被測構件的表面，就可以通過存儲在單片機內的應力與MBN變化關系曲線，立即反映出材料服役應力及疲勞情況，根據趨服效應理論及實驗測量，采用低頻磁化源應力檢測深度可達12um。 因此，用巴氏噪聲法對鐵磁材料殘余應力，服

9、役應力及疲勞壽命的檢測是應力、硬度、材質、合格率檢測的新趨勢。1。3殘余應力測量方法的研究現狀各種機械工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會使工作內出現不同程度的殘余應力。殘余應力產生的原因，可分為外在原因和來源于物體內部組織結構不均勻的內在原因。殘余應力的存在，一方面工件會降低強度，使工件在制造時產生變形和開裂等工藝缺陷；另一方面又會在制造后的自然釋放過程中使工件的尺寸發(fā)生變化或者使其疲勞強度、應力腐蝕等力學性能降低。因此，殘余應力的測量，對于確保工件的安全性和可靠性有著非常重要的意義。本文結合實際應用綜合闡述了目前對殘余應力測量比較常用的一些方法，并介紹了當前國內外新型的一些殘余應力測

10、量方法，在此基礎上對殘余應力測量的發(fā)展趨勢進行了分析。1。3。1傳統的殘余應力測量方法目前傳統殘余應力的測量方法主要分為兩大類。（1）機械類。有取條法、切槽法、剝層法、鉆孔法等。機械法測量殘余應力需釋放應力，這就需要對工件局部分離或者分割，從而會對工件造成一點的損傷或者破壞，但機械法理論完善，技術成熟，目前在現場測試中廣泛應用，其中尤以淺盲空法的破壞性最小。（2）物理檢測法。主要有X射線法、超聲法和磁性法。這些方法均屬無損檢測法，對工件不會造成破壞。1。3。2 新型的殘余應力測量方法 1。多空差方法 過去研究測量三維殘余應力方法都著眼于廣義虎克定律的應用。通過測量應變計算應力。多空差方法是對三

11、維殘余應力測量進行探索，建立試樣的三維靜力平衡方程的偏微分方程，用有限差分法解該偏微分方程，通過測量孔深度計算應力，該方法采用一個已知應力解的算例進行了驗證。2。裂紋柔度法 裂紋柔度法的測定原理是基于線彈性斷裂力學原理，在被測物體表面引入一條逐漸增加的裂紋來釋放殘余應力，從而通過測定零件表面的殘余應力釋放量來測定相應的應變、位移或轉角等量值，用來分析與計算殘余應力。 研究結果表明，裂紋柔度法與逐層鉆孔法及X射線衍射法相比，具有更好的敏感性和精確度，可用于測定板類構件內部殘余應力。作為一種殘余應力測試新技術，裂紋柔度法具有很大的工程應用潛力，但對其適用的范圍及測試誤差等課題還有待更深入的研究。

12、3。磁記憶應力檢測方法 磁記憶檢測方法是一種全新的鐵磁金屬材料診斷檢測技術，其原理：處于地磁環(huán)境下的鐵制構件受工作荷載的作用，內部會發(fā)生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與應變集中區(qū)形成最大的漏磁場的變化。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作荷載消除后繼續(xù)保留，增強后的磁場“記憶”了構件應力集中的位置，這就是磁記憶效應。從而通過測定漏磁場法向分量，便可準確地推斷構件的應力集中區(qū)。 研究表明，鐵磁性金屬構件表面上的磁場分布與其內部應力有一定的關系，因此可通過檢測構件表面的磁場分布情況間接地對部件應力集中位置進行推斷。4.掃描電子聲顯微鏡 掃面電子聲顯微鏡是將掃面電子顯微鏡和聲學

13、技術結合而研制成的技術。該技術基于熱波成像原理，當一束周期性強度調制的電子束經聚焦入射于試樣時，試樣表面受到局部的周期加熱，激發(fā)出熱波，利用熱波在試樣中的傳播對材料熱學或熱彈性質的微小變化進行成像，這些宏觀量的微小變化是由于試樣的局部晶格結構的改變而引起的，因此它能反映出光學和電子顯微鏡不能反映的微觀熱性質或熱彈性質的差異，可用于殘余應力的定征，由此得到的電子聲圖像顯示了在金屬中由韋氏硬度壓痕引起的殘余應力的橫向分布，并且利用掃描電子聲圖像獨特的分層成像能力，揭示了殘余應力的深度分布狀況，使不測定殘余應力三維分布成為可能。掃描電子聲顯微鏡的穿透能力較強，適合對不透明材料中的殘余應力進行無損測定

14、。 5.激光超聲檢測法 人們對用PZT換能器、EMAT探頭和聲顯微鏡等技術測量表面波聲速來評估其近表面的應力分布，做了大量研究。結果表明，可以用測得的材料自由表面上傳播的表面波聲速的大小變化來評估其殘余應力的分布。但應力所引起的聲速相對變化很小，檢測難度很大。激光超聲波是最近發(fā)展起來的無損檢測技術，其顯著優(yōu)點是非接觸、高的空間和時間分辨率，容易實現高精度測量，已被成功用來表面特性。 激光超聲法的原理是用Nd:YAG脈沖激光發(fā)聲表面波，激光激發(fā)聲表面波，并用外差激光干涉儀接收。并通過測得的表面波聲速在不同的位置上的相對變化反映材料的殘余應力分布。對無殘余應力、有壓縮殘余應力、有拉伸殘余應力的3個

15、試樣應力分布，進行了實驗測定。結果證實了試樣的殘余應力分布可引發(fā)聲表面波的不同位置上聲速的相對變化，證實了激光發(fā)聲表面波及其接收技術是一種無損檢測材料內殘余應力分布的有效方法。 6。 其他方法 除去上面所述的種種方法以外，還有用核超精細結構效應進行應力測量的方法，其中有木斯保爾效應、核磁共振和核聲共振等3中。這些方法需昂貴的設備，實驗條件復雜，因此發(fā)展較慢。1。3。3發(fā)展趨勢分析 對于機械檢測法中具有代表性并且廣泛應用于工程的鉆孔法目前技術成熟，理論完善，采用這種盈虧釋放的方法雖然能比較有效地測量殘余應力，但它多少帶有破壞性，在許多重要工程結構上不能使用，而且檢測設備的裝拆不便，也達不到實時測

16、量的要求，所以，該方法的發(fā)展空間受到限制。X射線衍射法是具有代表性的無限制的無損測量殘余應力技術，但它的價格昂貴，對被測物體的表面有較嚴格的要求，測量時要格外小心謹慎，否則可能帶來較大的測量誤差。另外，某些材料的焊接金屬較大時很難找到衍射面；在測內部應力時必須剝層，這對于大型工件有一定困難。由此可見，開發(fā)一種無損、高精度、廉價、綠色環(huán)保、可在線測量殘余應力的方法具有重大意義。此外，隨著科學技術的不斷發(fā)展，新的物理原理的出現也為殘余應力的測量提供了新的發(fā)展方向。1.4 設計主要任務1、了解巴克豪森噪訊的產生機理，研究BN信號影響因素及其影響關系，得出BN信號依賴于殘余應力變化的條件，為測試儀器信

17、號采集與處理提供理論依據。2、激磁方案設計：選擇適合曲軸的激磁方案；設計激磁電路。設計探頭，探頭應盡量細長，并充分考慮屏蔽和干擾抑制的問題。3、根據巴氏噪訊為微伏級，易受干擾的特點設計前置放大電路。設計信號調理電路，對采集到的巴克豪森信號進行放大、逐級濾波、帶通濾波、包絡檢波等處理。設計電源電路等。4、確定數據采集系統總體方案。數據采集系統硬件設計： USB2。0接口模塊設計，A/D轉換模塊設計，數字I/O模塊設計，復雜大規(guī)模可編程集成電路(CPLD)設計，電源設計等。數據采集系統軟件設計：Firmware固件設計，驅動程序設計，應用程序設計。本設計的重點為：第2章 巴克豪森效應概述2.1 巴

18、克豪森效應 鐵磁材料包含著許多的小磁疇，每一個磁疇都有一個特定的自發(fā)磁化方向，各磁疇之間由一個被稱為疇壁的邊界分開。在外加交變磁場的作用下，鐵磁材料被磁化，在磁化過程中疇壁出現不可逆的跳動式移動，從而在檢測線圈中產生一個電脈沖信號疊加到一塊時，就產生一個類似噪聲的信號，這些電脈沖是由德國物理學家Barkhaus-en教授發(fā)現的，因而被稱為巴克豪森噪聲。2.1.1 磁巴克豪森原理 1919年德國科學家H。Barkhausen發(fā)現鐵磁物質被交流磁場磁化時，在磁帶回線最陡的區(qū)域其磁化是階梯式的不可逆的跳躍過程，這種不連續(xù)的磁化來源于內部900、180、疇壁錯動向外輻射能量，置于鐵磁材料表面的探測線圈

19、中將接收到一定功率譜分布的微弱噪聲電信號，稱為巴克豪森噪聲（BarkllausenNnise簡記為BN）。鐵磁材料的磁疇發(fā)生不可逆運動產生巴克豪森噪聲電信號的同時，由于磁致伸縮作用，導致材料內部激起的應力波，稱為磁力聲發(fā)射（MagnetomeehanicalAcoustic-Emission簡稱磁聲發(fā)射MAE），它的頻率在超聲波范圍，因為磁聲發(fā)射也來源于磁疇的巴克豪森跳躍，所以也稱為聲巴克豪森效應。MAE信號也隨應力而變化，與BN不同的是一般的鐵、鋼材料在拉應力和壓應力作用下MAE都是降低的，并且實驗表明在不同的頻率范圍內，應力對MAE的影響也是不同的。但上述僅考慮了應力對磁疇體積的影響，實際

20、上應力和應變發(fā)生的位移，會影響磁疇壁的運動，因而許多情況下信號隨應力的變化比較復雜。 整個不可逆壁移磁化階段所產生的磁化效果可以用圖2-1所示出的磁化曲線來代表。這里縱坐標為磁化強度，橫坐標為磁場強度，oa段是不可逆磁化階段，隨著磁場強度的增加，先有幾個小跳躍，接著有一個大跳躍結束壁移過程。B點以后壁移已完成，進入轉動磁化階段。 巴克豪森物理效應，經過數代科學家的完善，使之用于工程技術領域，這源于美國的Titto博士。而該技術的應用和解釋又伴隨著磁彈一動力學理論的建立和完善。磁彈一動力學理論解釋了磁彈噪訊為理想的彈性體和鐵磁體釋放相互作用的磁彈波。該磁彈波為彈性的縱、橫波，電磁橫波。討論的是平

21、面場和漩渦場的疊加。鐵磁材料在局部交變磁場作用下，受力釋放的MagnetioBar勸ausenNnise(又記為MBN)脈沖滿足經典的Maxwell方程，彈性動力方程。它的研究工作無論在基礎理論界和應用科學界都非常有實用意義。MBN技術檢測法是利用磁彈噪訊技術可以檢測鐵磁材料的服役應力，它的檢測機理是鐵磁材料在受到外磁場的磁化后，內部的磁疇會發(fā)生位錯，同時磁疇壁也會發(fā)生位移，而磁疇壁的運動正是MBN信號產生的根源。當材料內部存在殘余應力時會對磁疇的旋轉和位移產生附加的阻力，這時外部應力和內部的殘余應力是等效的，材料的磁化曲線和釋放的MBN信號的大小，隨應力大小、方向的不同而發(fā)生變化，故可以通過

22、測量MBN信號的大小，來判斷材料受應力的，情況和估計疲勞損傷的程度。2.2巴克豪森噪聲信號的特征2.2.1巴克豪森噪聲信號的特征巴克豪森噪聲信號通過不同的收集方法所得到的信號也不盡相同，比如將接收線圈纏繞在試樣截面所接收到的是“截面BN信號”（EncirclingBarkausen Noise），而將線圈放置在試樣的表面所接收到的是“表面BN信號”（Surface Barkhausen Noise）。它們的收集原理均源于法拉第電磁感應定律，當接收線圈內產生磁通量的變化時，在線圈內產生感應電流信號。這種接受方式不易排除外界干擾，且工程檢查也不可行。為在線檢測的需要，應研制專用傳感器，以收集有用的

23、BN信號，濾掉對材料狀態(tài)反應不敏感的BN信號，使電流變化信號轉變?yōu)殡妷鹤兓盘栞敵?。經多次摸索實驗，證明利用帶磁芯的線圈接收BN優(yōu)于空心線圈的接收效果。圖2-2所示為空心線圈與帶磁芯線圈在試樣表面接收的BN信號效果比較，實驗發(fā)現當接受線圈內帶有高頻磁芯時，磁芯的頻率與接收材料內某點的BN信號頻率接近的情況下，信號接收效果更佳，更能反映材料某點的應力和狀態(tài)的變化。在試驗制作BN信號接收器部分時，發(fā)現接受到的BN 信號電壓取決于：1. 探測線圈的匝數；2. 每一臺階的磁變化量；3. 每一臺階磁變化量所需時間； 因此，設計BN信號接收器時，選擇磁芯頻率，使之與材料磁化時釋放的BN信號頻率想匹配；選擇

24、線圈的長度與規(guī)格，使之接收BN信號的反應靈敏，就成了制作接收器的關鍵技術2.2.2 巴克豪森噪聲信號的頻率特征 通過大量試驗研究，國內外學者認為，BN信號的頻帶為1KHz-2MHz。通常一般材料在1KHz-200KHz頻段較豐富，且有明顯依賴于纖維組織、應力狀態(tài)的變化的特征。利用試驗裝置對曲軸進行加載試驗，對曲軸材料磁化過程中釋放的BN信號進行頻譜分析，發(fā)現BN信號在20KHz-230KHz頻段隨不同載荷的變化明顯，且頻帶隨應力變化幾乎無移動現象，其BN信號強度與頻率間關系如同2-3所示，可見BN信號峰值出現在120KHz附近。 試驗發(fā)現，電源及空中無線電信號對其影響也很大。尤其是接近頻率的無

25、線電信號，其強度是BN信號的數十倍，對接收器收到的BN信號產生很大的干擾。為了避開空中無線電信號的干擾，希望頻帶能夠向低頻壓縮；前述內容中也已闡明，激磁電源應采用低頻激磁。為了避開電源對信號的干擾，同時又希望信號頻帶向高頻部分靠近。為了消除噪聲干擾，提高信噪比，除利用帶通濾波器對接受到的信號進行濾波處理，壓縮信號頻帶以外，還必須采用選擇放大等技術來對信號進行處理。經過這些處理和未經這些處理接收到的BN信號如圖2-4所示。2.3 鐵磁物質技術磁化過程與BN信號的產生2.3.1 鐵磁物質磁化過程與疇壁運動 鐵磁物質在外加磁場的作用下產生磁化的現象稱為鐵磁物質的技術磁化。對鐵磁物質的磁化曲線進行進一

26、步深入分析。磁化曲線按其特點可分為四個階段，這四個階段是由于磁疇在外加磁場的作用下變化的情況不同而造成的，見圖2-3。在弱磁場的作用下，對于與磁場成銳角的磁疇有利，因為這些磁疇磁位能較低，而對于成鈍角的磁疇不利，因此，磁疇壁上將會有壓力，與磁場成銳角的磁疇產生擴張，成鈍角的磁疇縮小，這種現象稱之為磁疇壁遷移，宏觀上表現出有微弱的磁化，見圖2-5曲線的a點。一般，磁疇壁這種微小的移動是可逆的。磁場增強時，磁疇壁發(fā)生瞬時的跳動，即與磁場成鈍角的磁疇轉向與磁場成銳角的易磁化方向，由于大量的自旋瞬時轉向，表現出強烈的磁化而產生了巴克豪森效應，這種遷移是不可逆的，如圖2-5所示曲線上的b點。磁場再增加時

27、，所有的自旋磁矩在外磁場的作用下同時轉向磁場方向，這個轉動是很困難的，因此隨著磁場的增強，磁化進行的狠微弱，如曲線的c至e點，這個階段通常稱為旋轉過程。當磁場達到Hs時，磁疇的磁化向量基本上和磁場方向完全一致，即達磁飽和狀態(tài)，這時的磁化強度等于Is。2.3.2疇壁運動方程 為了求出疇壁的運動方程，可以將磁疇的運動簡化成如圖2-4所示的力學模型，則鐵磁體在外磁場作用下的疇壁運動方程可以等效的看成質量為mw的物體懸掛在彈性回復系數為的彈簧下，在受一保守力20IsH和一摩擦力dz/dt作用下的運動。由牛頓第二定律可得疇壁的運動方程為： （2-1） 若假設疇壁運動的速度均勻或疇壁的有效質量，mw很小可

28、以忽略不計，則上式中的二階導數項 可以略去不計，這時疇壁的運動方程變?yōu)椋菏街校簔-疇壁位移離開原來的平衡位置Z后所具有的回復力，且等于 ；H0-使疇壁發(fā)生位移的臨界磁場。因而疇壁的移動速度為：式中：-Is與H的夾角。上式表明，疇壁的移動速度與外磁場和臨界磁場呈線性關系，而HO的變化主要有以下幾個原因所引起：（1）、磁疇中能量的變化梯度；（2）、磁壁面積的變化梯度；（3）、磁靜態(tài)能的變化梯度；（4）、封閉疇壁與180磁壁間的內部作用。H0客觀變化是由于 和 的變化所引起，而這些變化取決于材料的物理參數、微觀組織結構及殘余應力或外加應力等因素。 在材料的磁化過程中磁疇的突然的、不連續(xù)的運動，一般認

29、為來自于上述的內部結構特征和所受應力狀態(tài)互相依賴的能量關系的變化。因此，在磁化過程中的陡峻階段所產生的疇壁不連續(xù)、不可逆的運動引發(fā)Barkhausen跳躍，可以作為一種可測的信號，利用探測裝置來探測。2.3.3 BN(Barkhausen Noise)的特征BN信號出現在磁滯回線的最陡階段，而且在B(或Is)=0處，即在矯頑力附近其活性最大，在此以前或在此以后接近飽和的階段BN信號活性相對減弱，所謂信號的活性（Activity）是指BN信號跳躍的幅度、次數、持續(xù)時間及相對應的磁感應強度等因素，如圖2-6所示，將磁滯回線最陡的階段放大來看是階梯狀上升的，階梯狀上升的水平線表示等待時間，垂直直線表

30、示疇壁移動時磁化強度的變化。上述表明BN信號與材料的磁特性有關，而且磁特性與材料內部的組織狀態(tài)及所受應力有關。一般認為BN信號產生的主要機制是180疇壁不可逆位移所致。在一般的鐵磁材料中，總是存在著一些不可以磁化的夾雜顆?；蛉毕荩òňЫ缑娴龋@些物質的磁性與鐵磁性材料相差很遠，稱其為鐵磁材料磁化過程的雜質，例如珠光體中的Fe3C就是這樣的雜質。這些物質對疇壁形成釘扎，為了保證內部自由能最小，疇壁總是附著在這些雜質上，當外磁場變化時，疇壁會產生脫離原來形成釘扎的雜質而移動的趨勢，由于這些雜質的存在，使疇壁移動時不僅其表面能密度發(fā)生變化，而且疇壁的面積變化也十分顯著。這種情況下可以用磁疇的全部

31、自由能來解釋。疇壁在雜質位置形成釘扎時疇壁面積最小，能量最低，如圖2-7（a）中0位置所示。當加上一外磁場使磁疇移動離開該位置時，磁疇的面積就要增大，如圖2-7（a）中1所示。疇壁的能量增高，這就給疇壁遷移造成阻力。在外磁場的作用下，磁疇吸收能量，當疇壁能增加到一定程度時，疇壁脫離原來釘扎的位置，產生一突然的運動，到另一平衡位置暫時穩(wěn)定下來，如圖2-7（a）中位置2所示，其外在表現是出現一次Barkhausen跳躍，同樣在測試過程中也會遇到BN信號的出現。由于疇壁的運動受到上述多種因素的影響，因此鐵磁材料磁化過程中釋放的BN 信號強度可以表示為上述各因素的函數：BN=f(，HRC，Dg，、，H

32、)式中：BN-Barkhausen信號強度；-材料內部應力；HRC-材料表面洛氏硬度；Dg-材料平均晶粒直徑；H-外磁場的磁場強度。 重要結論： （1）、BN信號的產生是鐵磁材料在磁化過程中疇壁不可逆移動所致，是鐵磁材料在磁場力作用下微觀能量變化的結果，是材料微觀組織為了維持能量最小狀態(tài)而出現能量的釋放過程； （2）在每一次Barkhausen跳躍時，磁疇疇壁的移動速度是均勻的。2.4影響巴氏噪聲信號的因素的研究2.4.1材料性質BN信號的影響 實驗證明，巴氏噪聲對材料的各種性質是十分敏感的。我們知道，巴氏信號主要是由磁疇壁的突然的，不連續(xù)的，跳躍式的運動產生的。因此，一切影響磁疇壁運動方式的

33、因素，一切與磁疇壁的運動方式有關的因素，都會直接或間接地對巴氏信號產生影響。這樣的因素很多，但是從根本上來說，對巴氏信號直接產生影響的因素卻是材料的微觀組織結構。材料有什么樣形式的微觀組織結構，就有什么樣形式的巴氏噪聲信號。材料的微觀組織結構的形成直接決定了巴氏信號的形式。其他原因，比如：應力，應變，裂紋等等，實際上都是通過對材料的微觀組織結構的影響才能對巴氏信號產生影響?？傊?，我們說凡是能對材料的微觀組織結構產生影響的因素最終都能對巴氏信號產生影響。決定和影響材料的微觀組織結構的因素很多，比如材料的組成成分，受力，變形，熱處理過程等等。這些因素都會直接或間接的決定或改變材料的微觀組織結構，因

34、此都會對巴氏信號產生影響。這樣，材料中巴氏信號對其敏感從而可以利用巴氏信號對其進行檢測的參數很多，比如：含碳量，硬度，應力，塑性變形，疲勞裂紋，腐蝕缺陷等等。同時也正因為巴氏信號對其敏感的因素很多從而給利用巴氏信號対這些因素進行檢測也帶來了一些問題。比如當我們要利用巴氏信號對某些材料的殘余應力進行檢測時就會發(fā)現，巴氏信號除了對該種材料的殘余應力狀態(tài)敏感外，它還對該種材料的其他微觀組織結構方面的性質同樣敏感。這就是說對于性質不同的材料來說，它的應力與巴氏信號的依賴關系是不同的。解決這一問題的辦法是：制定標定曲線。 下面重點討論應力與巴氏噪聲信號的關系。圖2-8為45號鋼試樣在不同應力作用下MBN

35、峰值隨應力的變化關系曲線。磁化源頻率為50HZ，大小為6V。拉應力使MBN增大，壓應力使MBN減小。曲線不連續(xù)（未打磨狀態(tài)，MBN與材料，晶粒度，表面狀態(tài)有關），也不對稱。壓應力使MBN的變化小于拉應力使MBN的變化。消除磁致伸縮引起的磁彈性能E的影響，實驗中磁化源的N，S極應與應力保持一個方向，即應力主軸是磁化軸。2.4.2磁化強度對BN信號的影響采用的激勵磁場的強度不同，MBN隨應力的變化關系也不同。圖2-9表示不同的激勵磁場強度下MBN隨應力的變化關系。從圖中可見，磁化強度太強或太弱，MBN隨應力變化都不敏感，且兩側飽和現象嚴重，這樣給兩側應力標定曲線的制作帶來困難。只要磁化強度適中，M

36、BN隨應力的變化才不敏感，且不飽和，材料內磁疇的不可逆運動同時受磁場和應力的影響，當磁場過強時，磁疇的磁化矢量很快轉向磁場方向，磁疇位移已經很大，再受應力作用，壁移已經完成，磁化矢量已經于磁場方向一致，各種能量已趨于穩(wěn)定，很難再產生巴氏噪訊。當磁場強度太弱時，磁疇矢量難以想磁場方向偏移，靠釋放的巴氏噪訊相應的就少，且MBN信號在應力限附近趨于飽和。曲線A是激勵電壓為6V時測得的V 關系曲線。該曲線在拉、壓兩端變化的趨勢無應力飽和現象。因此，采用巴克豪森噪訊測量應力，應注意選擇合適的激勵電壓，使被測材料在交變磁場作用下，局部充分磁化，大量釋放MBN，而不飽和。這是巴氏噪聲測量技術以及設計巴氏噪聲

37、檢測儀的關鍵。2.4.3材料硬度對BN的影響 材料磁化過程中釋放的BN信號受到材料內部雜質的影響，所謂雜質是指在鐵磁材料中，存在的一些不可以磁化的夾雜顆?；蛉毕荩òňЫ缑娴龋?，這些物質的磁性與鐵磁性材料母相的磁性相差很遠，故稱為鐵磁材料磁化過程的雜質。鋼材為了提高其硬度，多通過淬火-回火的工藝實現。鋼材在加熱和冷卻的過程中要發(fā)生相變，生成不同的組織，因此經淬火-回火后的鋼材為多混合物。在所有組織及其組成相中只有奧氏體、參與奧氏體及合金碳化物是順磁相，其余的組織多為鐵磁性的。因此鋼在加熱及冷卻過程中組織的轉變必然伴隨產生顯著的磁性變化。眾所周知，鋼的硬度隨回火溫度的上升而下降。當回火溫度降低時

38、針狀馬氏體比較明顯，而馬氏體結構是碳原子在-Fe中的過飽和間隙式固溶體，碳原子使晶格點陣產生非對稱畸變，這種非畸變對稱中心(碳原子)所產生的應力場與位錯產生強烈的交互作用。而由于碳原子的定扎作用，參與案子往往多偏聚與馬氏體的板條界面和孿晶界面上，阻礙位錯的運動，因而其強度和硬度都較高。隨回火溫度的提高，馬氏體不斷的分解，所析出的碳化物逐漸變成滲碳體；滲碳體不斷聚集球化，同時固溶體也不斷的回復、再結晶、長大，而材料中的-Fe屬于硬度較低的一組，這樣導致了硬度隨回火溫度的提高而下降。對于低溫回火馬氏體，由于-Fe中碳原子的過飽和產生了強烈的釘扎作用，影響了磁疇結構，限制疇壁的遷移運動，使其發(fā)生磁化

39、更加困難，材料的矯頑力相對較高，這樣的材料磁時，產生巴克豪森跳躍的強度也較弱，BN值也較小，隨著回火溫度的不斷提高，-Fe中過飽和固溶的碳原子不斷地以碳化物的形式析出，并且逐漸恢復、長大。而-Fe是良好的鐵磁材料，這樣使材料的磁化變的更加容易。另一方面，由于馬氏體的分解，碳化物的析出、球化并逐漸聚集長大，使碳原子的釘扎作用減弱，疇壁的遷移變得更加容易，矯頑力相對較小，磁化時產生巴克豪森跳躍的強度增強，BN值較大。 圖2-10為材料的矯頑力與回火溫度、材料硬度以及BN值材料硬度的關系。從圖中可以看出，材料磁化過程中是釋放的BN信號隨材料的硬度增大而減小對于多相材料，按照雜質理論，其矯頑力Hc可以

40、由下式表示：由上式可以得知，當材料中雜質直徑d增大，矯頑力Hc減小。因為晶界是妨礙材料磁化的一個因素，晶粒越小，晶界就越多，材料的磁導率越小，矯頑力Hc越打，在外磁場作用下材料磁化就越困難。隨其矯頑力Hc的變化，磁化時釋放的BN信號也就產生相應的變化材料硬度對磁化過程中釋放的BN信號有影響，BN信號強度隨材料的硬度增大而減??；材料內部晶粒度通過影響的矯頑力來影響材料的磁化曲線，進而影響釋放的BN信號。第3章測試儀器硬件設計曲軸是內燃機最重要的零件之一，它的性能如何直接影響著發(fā)動機的壽命與可靠性。內燃機工作時，曲軸受到交變的彎曲和扭轉的聯合作用，主要破壞形式為疲勞破壞。材料的疲勞極限除了與循環(huán)應

41、力作用次數有關外，還與危險部位所受應力狀態(tài)有關，即受循環(huán)變應力的應力幅和平均應力大小的影響。在受拉應力的部位，當所受應力值超過材料疲勞極限時，極易出現疲勞裂紋。經過有關科研人員的長期觀察與研究，曲軸過渡圓角部位出現疲勞裂紋前，該部位的殘余應力為壓應力時，工作中有利于減小應力幅，提高疲勞強度；反之，則會降低曲軸疲勞強度。因此在曲軸使用過程中，我們期望能方便的、無損的測量出圓角部位的殘余應力狀態(tài)與大小，以便能夠對曲軸的早期疲勞損傷狀況做出預測。本檢測裝置的功能就是利用巴克豪森噪聲信號對曲軸的殘余應力進行測量。3。1 測試儀器的組成本測試裝置由以下部分組成：電源電路、激磁電路、信號接收放大電路、信號

42、處理電路等。儀器的整機框圖如圖1所示。圖3-1 整機框圖3.2 激磁電路激磁電路由信號發(fā)生器、功率放大器及磁化器組成。3.2.1 信號發(fā)生器信號發(fā)生器選用Inter公司生產的精確波形發(fā)生器芯片ICL8038，與少量的外圍元件組成正弦波發(fā)生器。ICL8038輸出的正弦波經緩沖放大器后輸出。功率放大器采用了意大利SGS公司生產的TDA2030A芯片為核心，把正弦波發(fā)生器輸出的信號進行功率放大，生成激磁信號。激磁信號的頻率可在2060Hz范圍內調節(jié)。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路， 只需調整個別的外部組件就能產生從0。001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈

43、沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調頻信號輸入端， 所以可以用來對低頻信號進行頻率調制。ICL 8038 的主要特點:(1) 可同時輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2) 頻率范圍: 0。001HZ300kHz(3) 占空比范圍: 2% 98%(4) 低失真正弦波: 1%(5) 低溫度漂移: 50ppm/(6) 工作電源: ±5V ±12V 或者+ 12V + 25V(7) 價格便宜、使用方便、性能優(yōu)異。ICL 8038 管腳的功能：腳1、12（Sine Wave Adjust）：正弦波失真度調節(jié)；腳2（Sine Wave Out）

44、：正弦波輸出；腳3（Triangle Out）：三角波輸出；腳4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比調節(jié)、正弦波和三角波的對稱調節(jié)；腳6（V+）：正電源±10V±18V；腳7（FMBias）：內部頻率調節(jié)偏置電壓輸入；腳8(FM Sweep)：外部掃描頻率電壓輸入；腳9（SquareWaveOut）：方波輸出，為開路結構；腳10（TimingCapacitor）：外接振蕩電容；腳11（V orGND）：負電原或地；腳13、14（NC）：空腳。ICL8038C 可用單電源供電，也可用雙電源供電，本設計供電采用雙電源供電，取供電電壓為±15。

45、該芯片輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制，其中引腳8為調頻信號輸入端，電路的震蕩頻率與調頻電壓成正比；引腳4、5為占空比調節(jié)信號輸入端，可以通過調節(jié)兩引腳所接電阻來調整方波的占空比。當RA=RB時引腳2輸出為正玄波。3-2 ICL8038引腳圖ICL8038輸出的頻率公式為：f=0。33/(R0C)根據設計要求，ICL8038低頻信號發(fā)生器選擇電阻R0為82。4k，而選擇電容C為1F，帶入公式可得頻率大約為4HZ。如圖3-3所示，R1=R2=R0=82。3.3.2 功率放大電路由于信號發(fā)生器所產生的正弦波信號只有幾個毫安，不能提供給磁化線圈，所以必須進行功率放大之后，才能對線圈進行激

46、勵。本設計采用了意大利SGS公司生產的TDA2030芯片，以該芯片為核心，連接外圍元件組成功率放大器。TDA2030管腳如圖3-4所示：圖3-4 TDA2030管腳圖TDA2030電路特點：1.外接元件非常少。 2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)。 3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。 4.開機沖擊極小。 5.內含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。 6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8阻抗時能夠輸出16W

47、的有效功率，THD0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。7 諧波失真和叫越失真小。8 產品價格低，易以合成產品等特點。9 使用溫度域寬。TDA2030引腳的概況： 1腳是正向輸入端 2腳是反向輸入端 3腳是負電源輸入端 4腳是功率輸出端 5腳是正電源輸入端。TDA2030A 的主要參數電源電壓1236V上升速度8 V/s靜態(tài)電流4060mA開環(huán)增益80dB輸出功率1518W閉環(huán)增益26dB功率帶寬100KHZ信噪比106dBTDA2030可以單電源或雙電源工作，本設計采用雙電源供電。如圖3-5所示。圖3-5 功率放大電路圖工作原理：信號發(fā)生器輸出的正玄波信號

48、，經過RC有源濾波電路（低通濾波）進入功率放大TDA2030芯片，由4管腳輸出放大的信號。管腳3和管腳5分別為TDA2030提供-15V和+15V的電源，其中D1和D2組成限流保護電路，保證輸出信號穩(wěn)定輸出。3.3.3 磁化器的設計內燃機曲軸過渡圓角部位如圖2所示。其連桿軸徑為圓柱面，兩端與平面結構的曲柄臂部分相聯結，連桿軸徑的軸線垂直于曲柄臂平面，連桿軸徑圓柱面與曲柄臂平面的連接部位一般有R3R5mm的圓弧過渡。需測試殘余應力的部位為圖中所指A圓角處。圖2曲軸測試點常用磁化器的結構多為在U形鐵芯上繞制線圈，線圈通以激磁電流，激磁線圈與鐵芯封裝為一體。測試時，鐵芯與試件間的氣隙變化所引起的激磁

49、磁場的變化會直接影響到試樣的磁化過程，從而影響釋放的BN信號的強度。因此為了消除該影響，一般應對試樣的表面進行平整處理，若所測試件表面為曲面，就難以解決。本儀器采用在曲軸的曲柄和軸徑上纏繞導線作為激磁線圈的軸向激磁方式，將所測曲軸作為鐵芯，與空氣中的漏磁形成封閉磁路。激磁線圈所產生的磁場強度的大小即要保證曲軸材料被充分磁化，但又不能使磁化過程達到飽和狀態(tài)，以激發(fā)出大量的BN信號。當激磁磁場強度為40奧斯特時，曲軸圓角部位釋放的BN信號豐富，能量較高。磁化器設計指標如下：作為鐵心的主軸徑截面積： ，磁通：連桿軸截面積：，磁通：其中：R1，R2分別為主軸頸和連桿軸徑截面半徑； B為磁感應強度； Q

50、為漏磁系數，一般取1。82。5；根據磁通連續(xù)原理和磁路的疊加特性，總磁通：其中：k1，k2分別為兩段線圈對總磁路的漏磁系數；線圈匝數： 式中：E為感生電動勢，取E=0。96V電，V電為電源供電電壓；f為磁化頻率，本裝置激磁頻率為50Hz；磁化電流I為：其中：為磁導率； 為線圈對角線與軸線的夾角；由于磁化器激磁過程為交流激磁，電流反復變化，故取導線過流為j=1。5A/2，空載時電流值為2A，則導線截面積s與導線線徑d分別為： 3.3 信號接受放大電路3.3.1 巴克豪森信號拾取探頭的設計曲軸拐角部位的結構如圖2所示，A、B兩處為過渡圓角，是曲軸遭受破壞的危險部位，也是需要測試殘余應力的重點部位。

51、該部位的特點是以小圓環(huán)面，與其相鄰一側是曲柄平面，另一側是連桿軸徑或主軸頸圓柱面。按常規(guī)設計方法，一般將激磁線圈與信號拾取線圈設計為一體，集中封裝在同一個探頭殼內。這種結構在測試曲軸拐角部位時存在以下缺點：首先是由于將激磁線圈與信號拾取線圈合成一體，增大了探頭的結構，在測量如圖2所示的B點時，會造成信號拾取探頭無法到達測試部位；另外激磁線圈鐵芯兩腳不能調整，對于不同尺寸的曲軸，激磁線圈鐵芯和信號拾取線圈鐵芯與曲軸間的接觸間隙各不相同，因此磁回路間的磁隙也各不相同，這樣在測量時會引起較大的測量誤差。圖2 曲軸示意圖圖3 探頭結構為此，采用了激磁與信號拾取分體設計的方法。利用曲軸上纏繞的導線作為激

52、磁線圈，鐵磁體的曲軸作為激磁線圈的鐵芯。測量時，利用計算機調節(jié)激磁回路中的激磁電壓，以控制對曲軸的激磁強度，調節(jié)激磁頻率，以測量不同的材質工件與工件不同層深度的應力狀態(tài)。信號拾取探頭設計為筆式結構，如圖3所示。通過大量試驗研究證明，利用帶磁芯的線圈接收巴克豪森信號效果優(yōu)于空心線圈的接收效果，當接受線圈內帶有高頻磁芯時，磁芯的頻率與接收材料內某點的巴克豪森信號頻率接近的情況下，信號接收效果更佳，更能反映材料某點的應力和狀態(tài)的變化。國內外學者認為，巴克豪森信號的頻帶在1KHZ-2MHZ 通常一般材料在1KHZ-500KHZ頻段較豐富。筆者通過對曲軸進行加載試驗，對曲軸材料磁化過程中釋放的巴克豪森信

53、號進行頻譜分析，發(fā)現信號在20KHz230KHz頻段隨不同載荷的變化明顯。故此，要求信號拾取探頭應能夠適應上述不同頻段的巴克豪森信號，亦即對信號拾取線圈的鐵芯提出的要求就是：適應的頻率范圍要寬、適用的頻率要適當。在選擇鐵芯材料時發(fā)現，很難找到某一種材料能夠達到以上要求，即使有些材料能夠滿足要求，但是探頭鐵芯的直徑只有5mm，加工制作也比較困難，故此設計了如圖3所示的結構。探頭前端為測量端，有測量線圈及其鐵芯，后端為補償端，有補償線圈及其鐵芯，探頭中部安放信號前置比較放大電路板，信號由屏蔽線從探頭尾部輸出。測量線圈與補償線圈固定封裝在探頭封裝材料內，鐵芯與探頭孔采用小間隙過渡配合（如H7/k6）

54、。鐵芯采用適用于不同頻率的低損耗鈷基粉末冶金材料壓鑄成型，一套探頭配備一組適應不同頻段的鐵芯，使用時可以根據所測的材料調換。在測量端，測量鐵芯尾部安裝緩沖彈簧，保證測量時鐵芯能夠與所測工件良好接觸。3.3.2 前置放大器由于接受線器的線圈接受到的MBN信號非常小，僅為微付級別，所以必須對信號進行放大，以便為后面信號采集做準備。前置放大器設計放大倍數為1000倍，得到mV級別的信號，同時也是為主電路得到更強的信號強度。本設計采用二級放大，由于本設計精度要求過高，所以首先對正弦波信號進行處理，消除抗干擾的因素。所以一級放大采用差動式放大電路，放大倍數10左右，電路圖如3-9所示，它具有高共模抑制比

55、的特點。圖3-9 差動放大電路第二級放大電路本設計第二級放大電路采用的是OP07【】，Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。如圖所示OP07的外形圖。圖3-10 OP07外形圖特點：1)低的輸入噪聲電壓幅度0.35VP-P(0.1Hz10Hz)

56、2)極低的輸入失調電壓10V3)極低的輸入失調電壓溫漂0.2V/4)具有長期的穩(wěn)定性0.2V/MO5)低的輸入偏置電流±1nA6)高的共模抑制比126dB7)寬的共模輸入電壓范圍±14V8)寬的電源電壓范圍±3V±22V9)可替代725,108A,741,AD510等電路圖3-11 OP07 管腳圖OP07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+，絕對最大額定值：(TA=250C)。OP07 主要參數電源電壓±22工作溫度范圍-55+125內部功耗500mW儲存溫度范圍-65+150差模輸入電壓±30引線溫度范圍300輸入電壓±22低失調電壓0.2V/輸出短路持續(xù)時間不限低輸入偏置電流1.8nA圖3-13 OP07內部電路圖具體設計電路圖如圖3-14所示。圖3-14 二級同向雙運放電3.3.3 帶通濾波器本設計采用了美國DATEL 公司生產的一種數字可