基于巴克豪森噪讯的曲轴残余应力测试仪系统毕业设计

1、摘要曲轴是内燃机最重要的零件之一，它的性能如何直接影响着发动机的寿命与可靠性。内燃机工作时，曲轴受到交变的弯曲和扭转的联合作用，主要破坏形式为疲劳破坏。材料的疲劳极限除了与循环应力作用次数有关外，还与危险部位所受应力状态有关，即受循环变应力的应力幅和平均应力大小的影响。在受拉应力的部位，当所受应力值超过材料疲劳极限时，极易出现疲劳裂纹。经过有关科研人员的长期观察与研究，曲轴过渡圆角部位出现疲劳裂纹前，该部位的残余应力为压应力时，工作中有利于减小应力幅，提高疲劳强度；反之，则会降低曲轴疲劳强度。本文研究了基于巴克豪森噪讯的曲轴残余应力测试仪系统。介绍了针对曲轴过度圆角部位的激磁装置的特点及激磁强

2、度的计算方法；巴氏噪讯信号采集与处理处理电路及计算机数据采集系统的结构、基本参数和数据处理方法等。实验数据表明该仪器测试数据准确可口可以应用于各类曲轴残余应力测试。关键词 巴氏噪声 曲轴 残余应力 无损检测 第1章 绪论1.1 本课题研究的目的和意义铁磁材料具有良好的弹性、塑性和强度，用之方便，价格合理，每年钢铁的产量比任何其他金属的产量都要高，因此，铁磁材料被应用于机械加工、石油化工、铁路交通、航空、国防、核工业、及民用工业、领域。铁磁材料及其零部件强度高、硬度大、耐腐，以其构成的产品具有耐久性、实用性，以其构成的工程项目坚固、耐久。这是由于铁磁材料所具有的所有材料都不可替代的抗拉、压、抗疲

3、劳弯曲的特性。利用铁磁材料坚固、耐用抗震的特点，它经常在工程材料中起骨架、支撑作用。在民用及日用工业中，利用铁磁材料的良好的弹性和塑性，把它们加工成汽车外壳、压力容器、麻花钢筋等等。这些产品具有柔软、刚劲、刚硬、坚韧、使用周期长等优点。毫无疑问，钢铁材料不仅目前是将来长期内也将仍然是最重要的、应用最广泛的工程材料之一。由铁磁材料构成的机械构件，在加工制作和使用的过程中，由于受外力作用，温度变化等因素的影响，在其内部会会产生局部的应力集中或松弛，从而引起构件局部或全部的塑性弯曲，变形，造成构件整体强度的降低，特别是构件疲劳强度的降低，从而造成事故隐患。在工业生产中，由铁磁材料加工的零件及其他产品

4、，人们最关心的是他们的质量。在工程技术领域，如建筑、桥梁、铁塔等，人们关心的是他们的寿命。这是因为，这些产品的工程技术指标不仅仅关系到产品的质量、寿命、和价格，而且还关系到人民的生命安全。如铁磁材料构成的压力容器、核容器、锅炉等等，它们都是有焊接结构构成的，当容器内温度、压力达到一定温度时，铁磁材料受力是十分惊人的，危险经常发生。因此，对钢铁材料的各种缺陷，如腐蚀、疲劳、裂纹、应力，弹性变形和塑性变形等检测有着十分重要的意义。它不仅有助于提高产品的质量，延长产品的使用寿命，而且有事能及时发现问题，提前采取有效的措施，从而避免重大的灾难性的事故发生。1。2目前常用的各种检测方法1。2。1 超声波

5、法超声波法是通过测量超声波在铁磁材料中力学性能相异方向上的传播速度差异来测定应力的。但由于超声波在材料中传播速度很快，因此，在材料受力后，相异方向传播速度差异小。且超声波在材料中的传播速度受练处理，各向异性影响较大，因此，要达到准且测量应力相当困难，目前的研究尚未达到实用阶段。1。2。2光测发包括光弹法，激光超声干涉法，散斑干涉法。它是利用偏振光通过双折射效应的透明受力模型获得干涉条纹图，直接观察模型的全部应力分布，特别是可以观察到应力集中的部位，并可迅速确定应力集中系数。这种方法的缺点是：应力测量周期长，检测成本高，不是在线应用检测发展的方向。1。2。3 机械检测法包括切割法，逐次去层法，环

6、孔法，钻孔法等。这些方法都是破坏或半破坏的检测方法。他们都是利用构件局部破坏，应力重新分布之一古老测量技术，在线检测不方便，已逐渐被其它方法代替。1。2。4 X-射线法传统的X-射线法检测应力，是通过测定具有应力的晶粒、晶格之间的应力来测定应力的大小，无损伤的对材料表面进行定量分析。该方法的缺点是：检测设备昂贵，检测精度不高，多次检测重复性不好，检测深度仅达到数微米或几十微米。特别是对大晶粒材料的应力测定，X-射线衍射线变得不连续时，测得的应力值会将有相当大的误差。1。2。5 电阻应变片法应变片法是目前应用相对较普通的一种应力检测方法。应力片法检测应力是将由基片和电阻丝栅组成的应变片贴在材料的

7、表面，基于材料受力后产生的变形，由应力片的电阻丝栅随材料的相对变化一起发生长短变化，来测量材料内部的应力，是连续测量的过程。此方法的缺点是：一个应力片只能测量构件表面一个点在某一方面的应变，不能实现全域性的测量。另外由于它是依靠材料的相对变形来测量作用力，若材料未发生变形，或找不到起始的应力值，则无法测量应力，特别是残余应力。另外，贴应变片程序繁琐，测量周期长，而且成本不低，在线及工程检测应用受到限制。1。2。6 磁巴克豪森噪声法巴克豪森噪声是美国利用巴克豪森效应来检测铁磁材料的应力，硬度等物质的性质。巴克豪森效应是1919年首先由德国物理学家巴克豪森（HBarKHauSen）发现的，故称巴克

8、豪森效应，简称为MBN。虽然巴氏噪声效应发现的较早，理论研究也开展的很早，但很多理论仍然不成熟，还需进一步完善或重新认识。特别是它在应力及材料使用寿命检测的领域的应用研究。实验发现，MBN与材料的受力关系密切相关，随拉应力的增加而增加，随压应力的增加而减少。巴氏噪声法师利用材料受力后，畴壁跳跃释放的噪讯的大小随受力大小的变化的机理来进行应力检测的。根据法拉第电磁感应定律只要将传感器贴在被测构件的表面，就可以通过存储在单片机内的应力与MBN变化关系曲线，立即反映出材料服役应力及疲劳情况，根据趋服效应理论及实验测量，采用低频磁化源应力检测深度可达12um。 因此，用巴氏噪声法对铁磁材料残余应力，服

9、役应力及疲劳寿命的检测是应力、硬度、材质、合格率检测的新趋势。1。3残余应力测量方法的研究现状各种机械工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工作内出现不同程度的残余应力。残余应力产生的原因，可分为外在原因和来源于物体内部组织结构不均匀的内在原因。残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此，残余应力的测量，对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。本文结合实际应用综合阐述了目前对残余应力测量比较常用的一些方法，并介绍了当前国内外新型的一些残余应力测

10、量方法，在此基础上对残余应力测量的发展趋势进行了分析。1。3。1传统的残余应力测量方法目前传统残余应力的测量方法主要分为两大类。（1）机械类。有取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。机械法测量残余应力需释放应力，这就需要对工件局部分离或者分割，从而会对工件造成一点的损伤或者破坏，但机械法理论完善，技术成熟，目前在现场测试中广泛应用，其中尤以浅盲空法的破坏性最小。（2）物理检测法。主要有X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测法，对工件不会造成破坏。1。3。2 新型的残余应力测量方法 1。多空差方法 过去研究测量三维残余应力方法都着眼于广义虎克定律的应用。通过测量应变计算应力。多空差方法是对三

11、维残余应力测量进行探索，建立试样的三维静力平衡方程的偏微分方程，用有限差分法解该偏微分方程，通过测量孔深度计算应力，该方法采用一个已知应力解的算例进行了验证。2。裂纹柔度法 裂纹柔度法的测定原理是基于线弹性断裂力学原理，在被测物体表面引入一条逐渐增加的裂纹来释放残余应力，从而通过测定零件表面的残余应力释放量来测定相应的应变、位移或转角等量值，用来分析与计算残余应力。 研究结果表明，裂纹柔度法与逐层钻孔法及X射线衍射法相比，具有更好的敏感性和精确度，可用于测定板类构件内部残余应力。作为一种残余应力测试新技术，裂纹柔度法具有很大的工程应用潜力，但对其适用的范围及测试误差等课题还有待更深入的研究。

12、3。磁记忆应力检测方法 磁记忆检测方法是一种全新的铁磁金属材料诊断检测技术，其原理：处于地磁环境下的铁制构件受工作荷载的作用，内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与应变集中区形成最大的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后继续保留，增强后的磁场“记忆”了构件应力集中的位置，这就是磁记忆效应。从而通过测定漏磁场法向分量，便可准确地推断构件的应力集中区。 研究表明，铁磁性金属构件表面上的磁场分布与其内部应力有一定的关系，因此可通过检测构件表面的磁场分布情况间接地对部件应力集中位置进行推断。4.扫描电子声显微镜 扫面电子声显微镜是将扫面电子显微镜和声学

13、技术结合而研制成的技术。该技术基于热波成像原理，当一束周期性强度调制的电子束经聚焦入射于试样时，试样表面受到局部的周期加热，激发出热波，利用热波在试样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，这些宏观量的微小变化是由于试样的局部晶格结构的改变而引起的，因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的微观热性质或热弹性质的差异，可用于残余应力的定征，由此得到的电子声图像显示了在金属中由韦氏硬度压痕引起的残余应力的横向分布，并且利用扫描电子声图像独特的分层成像能力，揭示了残余应力的深度分布状况，使不测定残余应力三维分布成为可能。扫描电子声显微镜的穿透能力较强，适合对不透明材料中的残余应力进行无损测定

14、。 5.激光超声检测法 人们对用PZT换能器、EMAT探头和声显微镜等技术测量表面波声速来评估其近表面的应力分布，做了大量研究。结果表明，可以用测得的材料自由表面上传播的表面波声速的大小变化来评估其残余应力的分布。但应力所引起的声速相对变化很小，检测难度很大。激光超声波是最近发展起来的无损检测技术，其显著优点是非接触、高的空间和时间分辨率，容易实现高精度测量，已被成功用来表面特性。 激光超声法的原理是用Nd:YAG脉冲激光发声表面波，激光激发声表面波，并用外差激光干涉仪接收。并通过测得的表面波声速在不同的位置上的相对变化反映材料的残余应力分布。对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的3个

15、试样应力分布，进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波的不同位置上声速的相对变化，证实了激光发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残余应力分布的有效方法。 6。 其他方法 除去上面所述的种种方法以外，还有用核超精细结构效应进行应力测量的方法，其中有木斯保尔效应、核磁共振和核声共振等3中。这些方法需昂贵的设备，实验条件复杂，因此发展较慢。1。3。3发展趋势分析 对于机械检测法中具有代表性并且广泛应用于工程的钻孔法目前技术成熟，理论完善，采用这种盈亏释放的方法虽然能比较有效地测量残余应力，但它多少带有破坏性，在许多重要工程结构上不能使用，而且检测设备的装拆不便，也达不到实时测

16、量的要求，所以，该方法的发展空间受到限制。X射线衍射法是具有代表性的无限制的无损测量残余应力技术，但它的价格昂贵，对被测物体的表面有较严格的要求，测量时要格外小心谨慎，否则可能带来较大的测量误差。另外，某些材料的焊接金属较大时很难找到衍射面；在测内部应力时必须剥层，这对于大型工件有一定困难。由此可见，开发一种无损、高精度、廉价、绿色环保、可在线测量残余应力的方法具有重大意义。此外，随着科学技术的不断发展，新的物理原理的出现也为残余应力的测量提供了新的发展方向。1.4 设计主要任务1、了解巴克豪森噪讯的产生机理，研究BN信号影响因素及其影响关系，得出BN信号依赖于残余应力变化的条件，为测试仪器信

17、号采集与处理提供理论依据。2、激磁方案设计：选择适合曲轴的激磁方案；设计激磁电路。设计探头，探头应尽量细长，并充分考虑屏蔽和干扰抑制的问题。3、根据巴氏噪讯为微伏级，易受干扰的特点设计前置放大电路。设计信号调理电路，对采集到的巴克豪森信号进行放大、逐级滤波、带通滤波、包络检波等处理。设计电源电路等。4、确定数据采集系统总体方案。数据采集系统硬件设计： USB2。0接口模块设计，A/D转换模块设计，数字I/O模块设计，复杂大规模可编程集成电路(CPLD)设计，电源设计等。数据采集系统软件设计：Firmware固件设计，驱动程序设计，应用程序设计。本设计的重点为：第2章 巴克豪森效应概述2.1 巴

18、克豪森效应 铁磁材料包含着许多的小磁畴，每一个磁畴都有一个特定的自发磁化方向，各磁畴之间由一个被称为畴壁的边界分开。在外加交变磁场的作用下，铁磁材料被磁化，在磁化过程中畴壁出现不可逆的跳动式移动，从而在检测线圈中产生一个电脉冲信号叠加到一块时，就产生一个类似噪声的信号，这些电脉冲是由德国物理学家Barkhaus-en教授发现的，因而被称为巴克豪森噪声。2.1.1 磁巴克豪森原理 1919年德国科学家H。Barkhausen发现铁磁物质被交流磁场磁化时，在磁带回线最陡的区域其磁化是阶梯式的不可逆的跳跃过程，这种不连续的磁化来源于内部900、180、畴壁错动向外辐射能量，置于铁磁材料表面的探测线圈

19、中将接收到一定功率谱分布的微弱噪声电信号，称为巴克豪森噪声（BarkllausenNnise简记为BN）。铁磁材料的磁畴发生不可逆运动产生巴克豪森噪声电信号的同时，由于磁致伸缩作用，导致材料内部激起的应力波，称为磁力声发射（MagnetomeehanicalAcoustic-Emission简称磁声发射MAE），它的频率在超声波范围，因为磁声发射也来源于磁畴的巴克豪森跳跃，所以也称为声巴克豪森效应。MAE信号也随应力而变化，与BN不同的是一般的铁、钢材料在拉应力和压应力作用下MAE都是降低的，并且实验表明在不同的频率范围内，应力对MAE的影响也是不同的。但上述仅考虑了应力对磁畴体积的影响，实际

20、上应力和应变发生的位移，会影响磁畴壁的运动，因而许多情况下信号随应力的变化比较复杂。 整个不可逆壁移磁化阶段所产生的磁化效果可以用图2-1所示出的磁化曲线来代表。这里纵坐标为磁化强度，横坐标为磁场强度，oa段是不可逆磁化阶段，随着磁场强度的增加，先有几个小跳跃，接着有一个大跳跃结束壁移过程。B点以后壁移已完成，进入转动磁化阶段。 巴克豪森物理效应，经过数代科学家的完善，使之用于工程技术领域，这源于美国的Titto博士。而该技术的应用和解释又伴随着磁弹一动力学理论的建立和完善。磁弹一动力学理论解释了磁弹噪讯为理想的弹性体和铁磁体释放相互作用的磁弹波。该磁弹波为弹性的纵、横波，电磁横波。讨论的是平

21、面场和漩涡场的叠加。铁磁材料在局部交变磁场作用下，受力释放的MagnetioBar劝ausenNnise(又记为MBN)脉冲满足经典的Maxwell方程，弹性动力方程。它的研究工作无论在基础理论界和应用科学界都非常有实用意义。MBN技术检测法是利用磁弹噪讯技术可以检测铁磁材料的服役应力，它的检测机理是铁磁材料在受到外磁场的磁化后，内部的磁畴会发生位错，同时磁畴壁也会发生位移，而磁畴壁的运动正是MBN信号产生的根源。当材料内部存在残余应力时会对磁畴的旋转和位移产生附加的阻力，这时外部应力和内部的残余应力是等效的，材料的磁化曲线和释放的MBN信号的大小，随应力大小、方向的不同而发生变化，故可以通过

22、测量MBN信号的大小，来判断材料受应力的，情况和估计疲劳损伤的程度。2.2巴克豪森噪声信号的特征2.2.1巴克豪森噪声信号的特征巴克豪森噪声信号通过不同的收集方法所得到的信号也不尽相同，比如将接收线圈缠绕在试样截面所接收到的是“截面BN信号”（EncirclingBarkausen Noise），而将线圈放置在试样的表面所接收到的是“表面BN信号”（Surface Barkhausen Noise）。它们的收集原理均源于法拉第电磁感应定律，当接收线圈内产生磁通量的变化时，在线圈内产生感应电流信号。这种接受方式不易排除外界干扰，且工程检查也不可行。为在线检测的需要，应研制专用传感器，以收集有用的

23、BN信号，滤掉对材料状态反应不敏感的BN信号，使电流变化信号转变为电压变化信号输出。经多次摸索实验，证明利用带磁芯的线圈接收BN优于空心线圈的接收效果。图2-2所示为空心线圈与带磁芯线圈在试样表面接收的BN信号效果比较，实验发现当接受线圈内带有高频磁芯时，磁芯的频率与接收材料内某点的BN信号频率接近的情况下，信号接收效果更佳，更能反映材料某点的应力和状态的变化。在试验制作BN信号接收器部分时，发现接受到的BN 信号电压取决于：1. 探测线圈的匝数；2. 每一台阶的磁变化量；3. 每一台阶磁变化量所需时间； 因此，设计BN信号接收器时，选择磁芯频率，使之与材料磁化时释放的BN信号频率想匹配；选择

24、线圈的长度与规格，使之接收BN信号的反应灵敏，就成了制作接收器的关键技术2.2.2 巴克豪森噪声信号的频率特征 通过大量试验研究，国内外学者认为，BN信号的频带为1KHz-2MHz。通常一般材料在1KHz-200KHz频段较丰富，且有明显依赖于纤维组织、应力状态的变化的特征。利用试验装置对曲轴进行加载试验，对曲轴材料磁化过程中释放的BN信号进行频谱分析，发现BN信号在20KHz-230KHz频段随不同载荷的变化明显，且频带随应力变化几乎无移动现象，其BN信号强度与频率间关系如同2-3所示，可见BN信号峰值出现在120KHz附近。 试验发现，电源及空中无线电信号对其影响也很大。尤其是接近频率的无

25、线电信号，其强度是BN信号的数十倍，对接收器收到的BN信号产生很大的干扰。为了避开空中无线电信号的干扰，希望频带能够向低频压缩；前述内容中也已阐明，激磁电源应采用低频激磁。为了避开电源对信号的干扰，同时又希望信号频带向高频部分靠近。为了消除噪声干扰，提高信噪比，除利用带通滤波器对接受到的信号进行滤波处理，压缩信号频带以外，还必须采用选择放大等技术来对信号进行处理。经过这些处理和未经这些处理接收到的BN信号如图2-4所示。2.3 铁磁物质技术磁化过程与BN信号的产生2.3.1 铁磁物质磁化过程与畴壁运动 铁磁物质在外加磁场的作用下产生磁化的现象称为铁磁物质的技术磁化。对铁磁物质的磁化曲线进行进一

26、步深入分析。磁化曲线按其特点可分为四个阶段，这四个阶段是由于磁畴在外加磁场的作用下变化的情况不同而造成的，见图2-3。在弱磁场的作用下，对于与磁场成锐角的磁畴有利，因为这些磁畴磁位能较低，而对于成钝角的磁畴不利，因此，磁畴壁上将会有压力，与磁场成锐角的磁畴产生扩张，成钝角的磁畴缩小，这种现象称之为磁畴壁迁移，宏观上表现出有微弱的磁化，见图2-5曲线的a点。一般，磁畴壁这种微小的移动是可逆的。磁场增强时，磁畴壁发生瞬时的跳动，即与磁场成钝角的磁畴转向与磁场成锐角的易磁化方向，由于大量的自旋瞬时转向，表现出强烈的磁化而产生了巴克豪森效应，这种迁移是不可逆的，如图2-5所示曲线上的b点。磁场再增加时

27、，所有的自旋磁矩在外磁场的作用下同时转向磁场方向，这个转动是很困难的，因此随着磁场的增强，磁化进行的狠微弱，如曲线的c至e点，这个阶段通常称为旋转过程。当磁场达到Hs时，磁畴的磁化向量基本上和磁场方向完全一致，即达磁饱和状态，这时的磁化强度等于Is。2.3.2畴壁运动方程 为了求出畴壁的运动方程，可以将磁畴的运动简化成如图2-4所示的力学模型，则铁磁体在外磁场作用下的畴壁运动方程可以等效的看成质量为mw的物体悬挂在弹性回复系数为的弹簧下，在受一保守力20IsH和一摩擦力dz/dt作用下的运动。由牛顿第二定律可得畴壁的运动方程为： （2-1） 若假设畴壁运动的速度均匀或畴壁的有效质量，mw很小可

28、以忽略不计，则上式中的二阶导数项 可以略去不计，这时畴壁的运动方程变为：式中：z-畴壁位移离开原来的平衡位置Z后所具有的回复力，且等于 ；H0-使畴壁发生位移的临界磁场。因而畴壁的移动速度为：式中：-Is与H的夹角。上式表明，畴壁的移动速度与外磁场和临界磁场呈线性关系，而HO的变化主要有以下几个原因所引起：（1）、磁畴中能量的变化梯度；（2）、磁壁面积的变化梯度；（3）、磁静态能的变化梯度；（4）、封闭畴壁与180磁壁间的内部作用。H0客观变化是由于 和 的变化所引起，而这些变化取决于材料的物理参数、微观组织结构及残余应力或外加应力等因素。 在材料的磁化过程中磁畴的突然的、不连续的运动，一般认

29、为来自于上述的内部结构特征和所受应力状态互相依赖的能量关系的变化。因此，在磁化过程中的陡峻阶段所产生的畴壁不连续、不可逆的运动引发Barkhausen跳跃，可以作为一种可测的信号，利用探测装置来探测。2.3.3 BN(Barkhausen Noise)的特征BN信号出现在磁滞回线的最陡阶段，而且在B(或Is)=0处，即在矫顽力附近其活性最大，在此以前或在此以后接近饱和的阶段BN信号活性相对减弱，所谓信号的活性（Activity）是指BN信号跳跃的幅度、次数、持续时间及相对应的磁感应强度等因素，如图2-6所示，将磁滞回线最陡的阶段放大来看是阶梯状上升的，阶梯状上升的水平线表示等待时间，垂直直线表

30、示畴壁移动时磁化强度的变化。上述表明BN信号与材料的磁特性有关，而且磁特性与材料内部的组织状态及所受应力有关。一般认为BN信号产生的主要机制是180畴壁不可逆位移所致。在一般的铁磁材料中，总是存在着一些不可以磁化的夹杂颗粒或缺陷（包括晶界面等），这些物质的磁性与铁磁性材料相差很远，称其为铁磁材料磁化过程的杂质，例如珠光体中的Fe3C就是这样的杂质。这些物质对畴壁形成钉扎，为了保证内部自由能最小，畴壁总是附着在这些杂质上，当外磁场变化时，畴壁会产生脱离原来形成钉扎的杂质而移动的趋势，由于这些杂质的存在，使畴壁移动时不仅其表面能密度发生变化，而且畴壁的面积变化也十分显著。这种情况下可以用磁畴的全部

31、自由能来解释。畴壁在杂质位置形成钉扎时畴壁面积最小，能量最低，如图2-7（a）中0位置所示。当加上一外磁场使磁畴移动离开该位置时，磁畴的面积就要增大，如图2-7（a）中1所示。畴壁的能量增高，这就给畴壁迁移造成阻力。在外磁场的作用下，磁畴吸收能量，当畴壁能增加到一定程度时，畴壁脱离原来钉扎的位置，产生一突然的运动，到另一平衡位置暂时稳定下来，如图2-7（a）中位置2所示，其外在表现是出现一次Barkhausen跳跃，同样在测试过程中也会遇到BN信号的出现。由于畴壁的运动受到上述多种因素的影响，因此铁磁材料磁化过程中释放的BN 信号强度可以表示为上述各因素的函数：BN=f(，HRC，Dg，、，H

32、)式中：BN-Barkhausen信号强度；-材料内部应力；HRC-材料表面洛氏硬度；Dg-材料平均晶粒直径；H-外磁场的磁场强度。 重要结论： （1）、BN信号的产生是铁磁材料在磁化过程中畴壁不可逆移动所致，是铁磁材料在磁场力作用下微观能量变化的结果，是材料微观组织为了维持能量最小状态而出现能量的释放过程； （2）在每一次Barkhausen跳跃时，磁畴畴壁的移动速度是均匀的。2.4影响巴氏噪声信号的因素的研究2.4.1材料性质BN信号的影响 实验证明，巴氏噪声对材料的各种性质是十分敏感的。我们知道，巴氏信号主要是由磁畴壁的突然的，不连续的，跳跃式的运动产生的。因此，一切影响磁畴壁运动方式的

33、因素，一切与磁畴壁的运动方式有关的因素，都会直接或间接地对巴氏信号产生影响。这样的因素很多，但是从根本上来说，对巴氏信号直接产生影响的因素却是材料的微观组织结构。材料有什么样形式的微观组织结构，就有什么样形式的巴氏噪声信号。材料的微观组织结构的形成直接决定了巴氏信号的形式。其他原因，比如：应力，应变，裂纹等等，实际上都是通过对材料的微观组织结构的影响才能对巴氏信号产生影响。总之，我们说凡是能对材料的微观组织结构产生影响的因素最终都能对巴氏信号产生影响。决定和影响材料的微观组织结构的因素很多，比如材料的组成成分，受力，变形，热处理过程等等。这些因素都会直接或间接的决定或改变材料的微观组织结构，因

34、此都会对巴氏信号产生影响。这样，材料中巴氏信号对其敏感从而可以利用巴氏信号对其进行检测的参数很多，比如：含碳量，硬度，应力，塑性变形，疲劳裂纹，腐蚀缺陷等等。同时也正因为巴氏信号对其敏感的因素很多从而给利用巴氏信号対这些因素进行检测也带来了一些问题。比如当我们要利用巴氏信号对某些材料的残余应力进行检测时就会发现，巴氏信号除了对该种材料的残余应力状态敏感外，它还对该种材料的其他微观组织结构方面的性质同样敏感。这就是说对于性质不同的材料来说，它的应力与巴氏信号的依赖关系是不同的。解决这一问题的办法是：制定标定曲线。 下面重点讨论应力与巴氏噪声信号的关系。图2-8为45号钢试样在不同应力作用下MBN

35、峰值随应力的变化关系曲线。磁化源频率为50HZ，大小为6V。拉应力使MBN增大，压应力使MBN减小。曲线不连续（未打磨状态，MBN与材料，晶粒度，表面状态有关），也不对称。压应力使MBN的变化小于拉应力使MBN的变化。消除磁致伸缩引起的磁弹性能E的影响，实验中磁化源的N，S极应与应力保持一个方向，即应力主轴是磁化轴。2.4.2磁化强度对BN信号的影响采用的激励磁场的强度不同，MBN随应力的变化关系也不同。图2-9表示不同的激励磁场强度下MBN随应力的变化关系。从图中可见，磁化强度太强或太弱，MBN随应力变化都不敏感，且两侧饱和现象严重，这样给两侧应力标定曲线的制作带来困难。只要磁化强度适中，M

36、BN随应力的变化才不敏感，且不饱和，材料内磁畴的不可逆运动同时受磁场和应力的影响，当磁场过强时，磁畴的磁化矢量很快转向磁场方向，磁畴位移已经很大，再受应力作用，壁移已经完成，磁化矢量已经于磁场方向一致，各种能量已趋于稳定，很难再产生巴氏噪讯。当磁场强度太弱时，磁畴矢量难以想磁场方向偏移，靠释放的巴氏噪讯相应的就少，且MBN信号在应力限附近趋于饱和。曲线A是激励电压为6V时测得的V 关系曲线。该曲线在拉、压两端变化的趋势无应力饱和现象。因此，采用巴克豪森噪讯测量应力，应注意选择合适的激励电压，使被测材料在交变磁场作用下，局部充分磁化，大量释放MBN，而不饱和。这是巴氏噪声测量技术以及设计巴氏噪声

37、检测仪的关键。2.4.3材料硬度对BN的影响 材料磁化过程中释放的BN信号受到材料内部杂质的影响，所谓杂质是指在铁磁材料中，存在的一些不可以磁化的夹杂颗粒或缺陷（包括晶界面等），这些物质的磁性与铁磁性材料母相的磁性相差很远，故称为铁磁材料磁化过程的杂质。钢材为了提高其硬度，多通过淬火-回火的工艺实现。钢材在加热和冷却的过程中要发生相变，生成不同的组织，因此经淬火-回火后的钢材为多混合物。在所有组织及其组成相中只有奥氏体、参与奥氏体及合金碳化物是顺磁相，其余的组织多为铁磁性的。因此钢在加热及冷却过程中组织的转变必然伴随产生显著的磁性变化。众所周知，钢的硬度随回火温度的上升而下降。当回火温度降低时

38、针状马氏体比较明显，而马氏体结构是碳原子在-Fe中的过饱和间隙式固溶体，碳原子使晶格点阵产生非对称畸变，这种非畸变对称中心(碳原子)所产生的应力场与位错产生强烈的交互作用。而由于碳原子的定扎作用，参与案子往往多偏聚与马氏体的板条界面和孪晶界面上，阻碍位错的运动，因而其强度和硬度都较高。随回火温度的提高，马氏体不断的分解，所析出的碳化物逐渐变成渗碳体；渗碳体不断聚集球化，同时固溶体也不断的回复、再结晶、长大，而材料中的-Fe属于硬度较低的一组，这样导致了硬度随回火温度的提高而下降。对于低温回火马氏体，由于-Fe中碳原子的过饱和产生了强烈的钉扎作用，影响了磁畴结构，限制畴壁的迁移运动，使其发生磁化

39、更加困难，材料的矫顽力相对较高，这样的材料磁时，产生巴克豪森跳跃的强度也较弱，BN值也较小，随着回火温度的不断提高，-Fe中过饱和固溶的碳原子不断地以碳化物的形式析出，并且逐渐恢复、长大。而-Fe是良好的铁磁材料，这样使材料的磁化变的更加容易。另一方面，由于马氏体的分解，碳化物的析出、球化并逐渐聚集长大，使碳原子的钉扎作用减弱，畴壁的迁移变得更加容易，矫顽力相对较小，磁化时产生巴克豪森跳跃的强度增强，BN值较大。 图2-10为材料的矫顽力与回火温度、材料硬度以及BN值材料硬度的关系。从图中可以看出，材料磁化过程中是释放的BN信号随材料的硬度增大而减小对于多相材料，按照杂质理论，其矫顽力Hc可以

40、由下式表示：由上式可以得知，当材料中杂质直径d增大，矫顽力Hc减小。因为晶界是妨碍材料磁化的一个因素，晶粒越小，晶界就越多，材料的磁导率越小，矫顽力Hc越打，在外磁场作用下材料磁化就越困难。随其矫顽力Hc的变化，磁化时释放的BN信号也就产生相应的变化材料硬度对磁化过程中释放的BN信号有影响，BN信号强度随材料的硬度增大而减小；材料内部晶粒度通过影响的矫顽力来影响材料的磁化曲线，进而影响释放的BN信号。第3章测试仪器硬件设计曲轴是内燃机最重要的零件之一，它的性能如何直接影响着发动机的寿命与可靠性。内燃机工作时，曲轴受到交变的弯曲和扭转的联合作用，主要破坏形式为疲劳破坏。材料的疲劳极限除了与循环应

41、力作用次数有关外，还与危险部位所受应力状态有关，即受循环变应力的应力幅和平均应力大小的影响。在受拉应力的部位，当所受应力值超过材料疲劳极限时，极易出现疲劳裂纹。经过有关科研人员的长期观察与研究，曲轴过渡圆角部位出现疲劳裂纹前，该部位的残余应力为压应力时，工作中有利于减小应力幅，提高疲劳强度；反之，则会降低曲轴疲劳强度。因此在曲轴使用过程中，我们期望能方便的、无损的测量出圆角部位的残余应力状态与大小，以便能够对曲轴的早期疲劳损伤状况做出预测。本检测装置的功能就是利用巴克豪森噪声信号对曲轴的残余应力进行测量。3。1 测试仪器的组成本测试装置由以下部分组成：电源电路、激磁电路、信号接收放大电路、信号

42、处理电路等。仪器的整机框图如图1所示。图3-1 整机框图3.2 激磁电路激磁电路由信号发生器、功率放大器及磁化器组成。3.2.1 信号发生器信号发生器选用Inter公司生产的精确波形发生器芯片ICL8038，与少量的外围元件组成正弦波发生器。ICL8038输出的正弦波经缓冲放大器后输出。功率放大器采用了意大利SGS公司生产的TDA2030A芯片为核心，把正弦波发生器输出的信号进行功率放大，生成激磁信号。激磁信号的频率可在2060Hz范围内调节。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路， 只需调整个别的外部组件就能产生从0。001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉

43、冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端， 所以可以用来对低频信号进行频率调制。ICL 8038 的主要特点:(1) 可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2) 频率范围: 0。001HZ300kHz(3) 占空比范围: 2% 98%(4) 低失真正弦波: 1%(5) 低温度漂移: 50ppm/(6) 工作电源: ±5V ±12V 或者+ 12V + 25V(7) 价格便宜、使用方便、性能优异。ICL 8038 管脚的功能：脚1、12（Sine Wave Adjust）：正弦波失真度调节；脚2（Sine Wave Out）

44、：正弦波输出；脚3（Triangle Out）：三角波输出；脚4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V+）：正电源±10V±18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏置电压输入；脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（SquareWaveOut）：方波输出，为开路结构；脚10（TimingCapacitor）：外接振荡电容；脚11（V orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。ICL8038C 可用单电源供电，也可用双电源供电，本设计供电采用双电源供电，取供电电压为±15。

45、该芯片输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制，其中引脚8为调频信号输入端，电路的震荡频率与调频电压成正比；引脚4、5为占空比调节信号输入端，可以通过调节两引脚所接电阻来调整方波的占空比。当RA=RB时引脚2输出为正玄波。3-2 ICL8038引脚图ICL8038输出的频率公式为：f=0。33/(R0C)根据设计要求，ICL8038低频信号发生器选择电阻R0为82。4k，而选择电容C为1F，带入公式可得频率大约为4HZ。如图3-3所示，R1=R2=R0=82。3.3.2 功率放大电路由于信号发生器所产生的正弦波信号只有几个毫安，不能提供给磁化线圈，所以必须进行功率放大之后，才能对线圈进行激

46、励。本设计采用了意大利SGS公司生产的TDA2030芯片，以该芯片为核心，连接外围元件组成功率放大器。TDA2030管脚如图3-4所示：图3-4 TDA2030管脚图TDA2030电路特点：1.外接元件非常少。 2.输出功率大，Po=18W(RL=4)。 3.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。 4.开机冲击极小。 5.内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。 6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8阻抗时能够输出16W

47、的有效功率，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。7 谐波失真和叫越失真小。8 产品价格低，易以合成产品等特点。9 使用温度域宽。TDA2030引脚的概况： 1脚是正向输入端 2脚是反向输入端 3脚是负电源输入端 4脚是功率输出端 5脚是正电源输入端。TDA2030A 的主要参数电源电压1236V上升速度8 V/s静态电流4060mA开环增益80dB输出功率1518W闭环增益26dB功率带宽100KHZ信噪比106dBTDA2030可以单电源或双电源工作，本设计采用双电源供电。如图3-5所示。图3-5 功率放大电路图工作原理：信号发生器输出的正玄波信号

48、，经过RC有源滤波电路（低通滤波）进入功率放大TDA2030芯片，由4管脚输出放大的信号。管脚3和管脚5分别为TDA2030提供-15V和+15V的电源，其中D1和D2组成限流保护电路，保证输出信号稳定输出。3.3.3 磁化器的设计内燃机曲轴过渡圆角部位如图2所示。其连杆轴径为圆柱面，两端与平面结构的曲柄臂部分相联结，连杆轴径的轴线垂直于曲柄臂平面，连杆轴径圆柱面与曲柄臂平面的连接部位一般有R3R5mm的圆弧过渡。需测试残余应力的部位为图中所指A圆角处。图2曲轴测试点常用磁化器的结构多为在U形铁芯上绕制线圈，线圈通以激磁电流，激磁线圈与铁芯封装为一体。测试时，铁芯与试件间的气隙变化所引起的激磁

49、磁场的变化会直接影响到试样的磁化过程，从而影响释放的BN信号的强度。因此为了消除该影响，一般应对试样的表面进行平整处理，若所测试件表面为曲面，就难以解决。本仪器采用在曲轴的曲柄和轴径上缠绕导线作为激磁线圈的轴向激磁方式，将所测曲轴作为铁芯，与空气中的漏磁形成封闭磁路。激磁线圈所产生的磁场强度的大小即要保证曲轴材料被充分磁化，但又不能使磁化过程达到饱和状态，以激发出大量的BN信号。当激磁磁场强度为40奥斯特时，曲轴圆角部位释放的BN信号丰富，能量较高。磁化器设计指标如下：作为铁心的主轴径截面积： ，磁通：连杆轴截面积：，磁通：其中：R1，R2分别为主轴颈和连杆轴径截面半径； B为磁感应强度； Q

50、为漏磁系数，一般取1。82。5；根据磁通连续原理和磁路的叠加特性，总磁通：其中：k1，k2分别为两段线圈对总磁路的漏磁系数；线圈匝数： 式中：E为感生电动势，取E=0。96V电，V电为电源供电电压；f为磁化频率，本装置激磁频率为50Hz；磁化电流I为：其中：为磁导率； 为线圈对角线与轴线的夹角；由于磁化器激磁过程为交流激磁，电流反复变化，故取导线过流为j=1。5A/2，空载时电流值为2A，则导线截面积s与导线线径d分别为： 3.3 信号接受放大电路3.3.1 巴克豪森信号拾取探头的设计曲轴拐角部位的结构如图2所示，A、B两处为过渡圆角，是曲轴遭受破坏的危险部位，也是需要测试残余应力的重点部位。

51、该部位的特点是以小圆环面，与其相邻一侧是曲柄平面，另一侧是连杆轴径或主轴颈圆柱面。按常规设计方法，一般将激磁线圈与信号拾取线圈设计为一体，集中封装在同一个探头壳内。这种结构在测试曲轴拐角部位时存在以下缺点：首先是由于将激磁线圈与信号拾取线圈合成一体，增大了探头的结构，在测量如图2所示的B点时，会造成信号拾取探头无法到达测试部位；另外激磁线圈铁芯两脚不能调整，对于不同尺寸的曲轴，激磁线圈铁芯和信号拾取线圈铁芯与曲轴间的接触间隙各不相同，因此磁回路间的磁隙也各不相同，这样在测量时会引起较大的测量误差。图2 曲轴示意图图3 探头结构为此，采用了激磁与信号拾取分体设计的方法。利用曲轴上缠绕的导线作为激

52、磁线圈，铁磁体的曲轴作为激磁线圈的铁芯。测量时，利用计算机调节激磁回路中的激磁电压，以控制对曲轴的激磁强度，调节激磁频率，以测量不同的材质工件与工件不同层深度的应力状态。信号拾取探头设计为笔式结构，如图3所示。通过大量试验研究证明，利用带磁芯的线圈接收巴克豪森信号效果优于空心线圈的接收效果，当接受线圈内带有高频磁芯时，磁芯的频率与接收材料内某点的巴克豪森信号频率接近的情况下，信号接收效果更佳，更能反映材料某点的应力和状态的变化。国内外学者认为，巴克豪森信号的频带在1KHZ-2MHZ 通常一般材料在1KHZ-500KHZ频段较丰富。笔者通过对曲轴进行加载试验，对曲轴材料磁化过程中释放的巴克豪森信

53、号进行频谱分析，发现信号在20KHz230KHz频段随不同载荷的变化明显。故此，要求信号拾取探头应能够适应上述不同频段的巴克豪森信号，亦即对信号拾取线圈的铁芯提出的要求就是：适应的频率范围要宽、适用的频率要适当。在选择铁芯材料时发现，很难找到某一种材料能够达到以上要求，即使有些材料能够满足要求，但是探头铁芯的直径只有5mm，加工制作也比较困难，故此设计了如图3所示的结构。探头前端为测量端，有测量线圈及其铁芯，后端为补偿端，有补偿线圈及其铁芯，探头中部安放信号前置比较放大电路板，信号由屏蔽线从探头尾部输出。测量线圈与补偿线圈固定封装在探头封装材料内，铁芯与探头孔采用小间隙过渡配合（如H7/k6）

54、。铁芯采用适用于不同频率的低损耗钴基粉末冶金材料压铸成型，一套探头配备一组适应不同频段的铁芯，使用时可以根据所测的材料调换。在测量端，测量铁芯尾部安装缓冲弹簧，保证测量时铁芯能够与所测工件良好接触。3.3.2 前置放大器由于接受线器的线圈接受到的MBN信号非常小，仅为微付级别，所以必须对信号进行放大，以便为后面信号采集做准备。前置放大器设计放大倍数为1000倍，得到mV级别的信号，同时也是为主电路得到更强的信号强度。本设计采用二级放大，由于本设计精度要求过高，所以首先对正弦波信号进行处理，消除抗干扰的因素。所以一级放大采用差动式放大电路，放大倍数10左右，电路图如3-9所示，它具有高共模抑制比

55、的特点。图3-9 差动放大电路第二级放大电路本设计第二级放大电路采用的是OP07【】，Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。如图所示OP07的外形图。图3-10 OP07外形图特点：1)低的输入噪声电压幅度0.35VP-P(0.1Hz10Hz)

56、2)极低的输入失调电压10V3)极低的输入失调电压温漂0.2V/4)具有长期的稳定性0.2V/MO5)低的输入偏置电流±1nA6)高的共模抑制比126dB7)宽的共模输入电压范围±14V8)宽的电源电压范围±3V±22V9)可替代725,108A,741,AD510等电路图3-11 OP07 管脚图OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+，绝对最大额定值：(TA=250C)。OP07 主要参数电源电压±22工作温度范围-55+125内部功耗500mW储存温度范围-65+150差模输入电压±30引线温度范围300输入电压±22低失调电压0.2V/输出短路持续时间不限低输入偏置电流1.8nA图3-13 OP07内部电路图具体设计电路图如图3-14所示。图3-14 二级同向双运放电3.3.3 带通滤波器本设计采用了美国DATEL 公司生产的一种数字可