基于巴克豪森噪訊的曲軸殘余應(yīng)力測(cè)試儀系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘要曲軸是內(nèi)燃機(jī)最重要的零件之一，它的性能如何直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命與可靠性。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，曲軸受到交變的彎曲和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)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(yīng)力作用次數(shù)有關(guān)外，還與危險(xiǎn)部位所受應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，即受循環(huán)變應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力大小的影響。在受拉應(yīng)力的部位，當(dāng)所受應(yīng)力值超過(guò)材料疲勞極限時(shí)，極易出現(xiàn)疲勞裂紋。經(jīng)過(guò)有關(guān)科研人員的長(zhǎng)期觀察與研究，曲軸過(guò)渡圓角部位出現(xiàn)疲勞裂紋前，該部位的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，工作中有利于減小應(yīng)力幅，提高疲勞強(qiáng)度；反之，則會(huì)降低曲軸疲勞強(qiáng)度。本文研究了基于巴克豪森噪訊的曲軸殘余應(yīng)力測(cè)試儀系統(tǒng)。介紹了針對(duì)曲軸過(guò)度圓角部位的激磁裝置的特點(diǎn)及激磁強(qiáng)

2、度的計(jì)算方法；巴氏噪訊信號(hào)采集與處理處理電路及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、基本參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該儀器測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可口可以應(yīng)用于各類(lèi)曲軸殘余應(yīng)力測(cè)試。關(guān)鍵詞 巴氏噪聲 曲軸 殘余應(yīng)力 無(wú)損檢測(cè) 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(qiáng)度，用之方便，價(jià)格合理，每年鋼鐵的產(chǎn)量比任何其他金屬的產(chǎn)量都要高，因此，鐵磁材料被應(yīng)用于機(jī)械加工、石油化工、鐵路交通、航空、國(guó)防、核工業(yè)、及民用工業(yè)、領(lǐng)域。鐵磁材料及其零部件強(qiáng)度高、硬度大、耐腐，以其構(gòu)成的產(chǎn)品具有耐久性、實(shí)用性，以其構(gòu)成的工程項(xiàng)目堅(jiān)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(jiān)固、耐用抗震的特點(diǎn)，它經(jīng)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(chē)外殼、壓力容器、麻花鋼筋等等。這些產(chǎn)品具有柔軟、剛勁、剛硬、堅(jiān)韌、使用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，鋼鐵材料不僅目前是將來(lái)長(zhǎng)期內(nèi)也將仍然是最重要的、應(yīng)用最廣泛的工程材料之一。由鐵磁材料構(gòu)成的機(jī)械構(gòu)件，在加工制作和使用的過(guò)程中，由于受外力作用，溫度變化等因素的影響，在其內(nèi)部會(huì)會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中或松弛，從而引起構(gòu)件局部或全部的塑性彎曲，變形，造成構(gòu)件整體強(qiáng)度的降低，特別是構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的降低，從而造成事故隱患。在工業(yè)生產(chǎn)中，由鐵磁材料加工的零件及其他產(chǎn)品

4、，人們最關(guān)心的是他們的質(zhì)量。在工程技術(shù)領(lǐng)域，如建筑、橋梁、鐵塔等，人們關(guān)心的是他們的壽命。這是因?yàn)椋@些產(chǎn)品的工程技術(shù)指標(biāo)不僅僅關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命、和價(jià)格，而且還關(guān)系到人民的生命安全。如鐵磁材料構(gòu)成的壓力容器、核容器、鍋爐等等，它們都是有焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，當(dāng)容器內(nèi)溫度、壓力達(dá)到一定溫度時(shí)，鐵磁材料受力是十分驚人的，危險(xiǎn)經(jīng)常發(fā)生。因此，對(duì)鋼鐵材料的各種缺陷，如腐蝕、疲勞、裂紋、應(yīng)力，彈性變形和塑性變形等檢測(cè)有著十分重要的意義。它不僅有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，而且有事能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提前采取有效的措施，從而避免重大的災(zāi)難性的事故發(fā)生。1。2目前常用的各種檢測(cè)方法1。2。1 超聲波

5、法超聲波法是通過(guò)測(cè)量超聲波在鐵磁材料中力學(xué)性能相異方向上的傳播速度差異來(lái)測(cè)定應(yīng)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(dá)到準(zhǔn)且測(cè)量應(yīng)力相當(dāng)困難，目前的研究尚未達(dá)到實(shí)用階段。1。2。2光測(cè)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(guò)雙折射效應(yīng)的透明受力模型獲得干涉條紋圖，直接觀察模型的全部應(yīng)力分布，特別是可以觀察到應(yīng)力集中的部位，并可迅速確定應(yīng)力集中系數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)是：應(yīng)力測(cè)量周期長(zhǎng)，檢測(cè)成本高，不是在線應(yīng)用檢測(cè)發(fā)展的方向。1。2。3 機(jī)械檢測(cè)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(cè)方法。他們都是利用構(gòu)件局部破壞，應(yīng)力重新分布之一古老測(cè)量技術(shù)，在線檢測(cè)不方便，已逐漸被其它方法代替。1。2。4 X-射線法傳統(tǒng)的X-射線法檢測(cè)應(yīng)力，是通過(guò)測(cè)定具有應(yīng)力的晶粒、晶格之間的應(yīng)力來(lái)測(cè)定應(yīng)力的大小，無(wú)損傷的對(duì)材料表面進(jìn)行定量分析。該方法的缺點(diǎn)是：檢測(cè)設(shè)備昂貴，檢測(cè)精度不高，多次檢測(cè)重復(fù)性不好，檢測(cè)深度僅達(dá)到數(shù)微米或幾十微米。特別是對(duì)大晶粒材料的應(yīng)力測(cè)定，X-射線衍射線變得不連續(xù)時(shí)，測(cè)得的應(yīng)力值會(huì)將有相當(dāng)大的誤差。1。2。5 電阻應(yīng)變片法應(yīng)變片法是目前應(yīng)用相對(duì)較普通的一種應(yīng)力檢測(cè)方法。應(yīng)力片法檢測(cè)應(yīng)力是將由基片和電阻絲柵組成的應(yīng)變片貼在材料的

7、表面，基于材料受力后產(chǎn)生的變形，由應(yīng)力片的電阻絲柵隨材料的相對(duì)變化一起發(fā)生長(zhǎng)短變化，來(lái)測(cè)量材料內(nèi)部的應(yīng)力，是連續(xù)測(cè)量的過(guò)程。此方法的缺點(diǎn)是：一個(gè)應(yīng)力片只能測(cè)量構(gòu)件表面一個(gè)點(diǎn)在某一方面的應(yīng)變，不能實(shí)現(xiàn)全域性的測(cè)量。另外由于它是依靠材料的相對(duì)變形來(lái)測(cè)量作用力，若材料未發(fā)生變形，或找不到起始的應(yīng)力值，則無(wú)法測(cè)量應(yīng)力，特別是殘余應(yīng)力。另外，貼應(yīng)變片程序繁瑣，測(cè)量周期長(zhǎng)，而且成本不低，在線及工程檢測(cè)應(yīng)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(guó)利用巴克豪森效應(yīng)來(lái)檢測(cè)鐵磁材料的應(yīng)力，硬度等物質(zhì)的性質(zhì)。巴克豪森效應(yīng)是1919年首先由德國(guó)物理學(xué)家巴克豪森（HBarKHauSen）發(fā)現(xiàn)的，故稱(chēng)巴克

8、豪森效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為MBN。雖然巴氏噪聲效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的較早，理論研究也開(kāi)展的很早，但很多理論仍然不成熟，還需進(jìn)一步完善或重新認(rèn)識(shí)。特別是它在應(yīng)力及材料使用壽命檢測(cè)的領(lǐng)域的應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MBN與材料的受力關(guān)系密切相關(guān)，隨拉應(yīng)力的增加而增加，隨壓應(yīng)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(jī)理來(lái)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律只要將傳感器貼在被測(cè)構(gòu)件的表面，就可以通過(guò)存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)的應(yīng)力與MBN變化關(guān)系曲線，立即反映出材料服役應(yīng)力及疲勞情況，根據(jù)趨服效應(yīng)理論及實(shí)驗(yàn)測(cè)量，采用低頻磁化源應(yīng)力檢測(cè)深度可達(dá)12um。 因此，用巴氏噪聲法對(duì)鐵磁材料殘余應(yīng)力，服

9、役應(yīng)力及疲勞壽命的檢測(cè)是應(yīng)力、硬度、材質(zhì)、合格率檢測(cè)的新趨勢(shì)。1。3殘余應(yīng)力測(cè)量方法的研究現(xiàn)狀各種機(jī)械工藝如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會(huì)使工作內(nèi)出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，可分為外在原因和來(lái)源于物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻的內(nèi)在原因。殘余應(yīng)力的存在，一方面工件會(huì)降低強(qiáng)度，使工件在制造時(shí)產(chǎn)生變形和開(kāi)裂等工藝缺陷；另一方面又會(huì)在制造后的自然釋放過(guò)程中使工件的尺寸發(fā)生變化或者使其疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能降低。因此，殘余應(yīng)力的測(cè)量，對(duì)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(jié)合實(shí)際應(yīng)用綜合闡述了目前對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)量比較常用的一些方法，并介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外新型的一些殘余應(yīng)力測(cè)

10、量方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。1。3。1傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力測(cè)量方法目前傳統(tǒng)殘余應(yīng)力的測(cè)量方法主要分為兩大類(lèi)。（1）機(jī)械類(lèi)。有取條法、切槽法、剝層法、鉆孔法等。機(jī)械法測(cè)量殘余應(yīng)力需釋放應(yīng)力，這就需要對(duì)工件局部分離或者分割，從而會(huì)對(duì)工件造成一點(diǎn)的損傷或者破壞，但機(jī)械法理論完善，技術(shù)成熟，目前在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中廣泛應(yīng)用，其中尤以淺盲空法的破壞性最小。（2）物理檢測(cè)法。主要有X射線法、超聲法和磁性法。這些方法均屬無(wú)損檢測(cè)法，對(duì)工件不會(huì)造成破壞。1。3。2 新型的殘余應(yīng)力測(cè)量方法 1。多空差方法 過(guò)去研究測(cè)量三維殘余應(yīng)力方法都著眼于廣義虎克定律的應(yīng)用。通過(guò)測(cè)量應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力。多空差方法是對(duì)三

11、維殘余應(yīng)力測(cè)量進(jìn)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(guò)測(cè)量孔深度計(jì)算應(yīng)力，該方法采用一個(gè)已知應(yīng)力解的算例進(jìn)行了驗(yàn)證。2。裂紋柔度法 裂紋柔度法的測(cè)定原理是基于線彈性斷裂力學(xué)原理，在被測(cè)物體表面引入一條逐漸增加的裂紋來(lái)釋放殘余應(yīng)力，從而通過(guò)測(cè)定零件表面的殘余應(yīng)力釋放量來(lái)測(cè)定相應(yīng)的應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角等量值，用來(lái)分析與計(jì)算殘余應(yīng)力。 研究結(jié)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(cè)定板類(lèi)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力。作為一種殘余應(yīng)力測(cè)試新技術(shù)，裂紋柔度法具有很大的工程應(yīng)用潛力，但對(duì)其適用的范圍及測(cè)試誤差等課題還有待更深入的研究。

12、3。磁記憶應(yīng)力檢測(cè)方法 磁記憶檢測(cè)方法是一種全新的鐵磁金屬材料診斷檢測(cè)技術(shù)，其原理：處于地磁環(huán)境下的鐵制構(gòu)件受工作荷載的作用，內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與應(yīng)變集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)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(qiáng)后的磁場(chǎng)“記憶”了構(gòu)件應(yīng)力集中的位置，這就是磁記憶效應(yīng)。從而通過(guò)測(cè)定漏磁場(chǎng)法向分量，便可準(zhǔn)確地推斷構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)。 研究表明，鐵磁性金屬構(gòu)件表面上的磁場(chǎng)分布與其內(nèi)部應(yīng)力有一定的關(guān)系，因此可通過(guò)檢測(cè)構(gòu)件表面的磁場(chǎng)分布情況間接地對(duì)部件應(yīng)力集中位置進(jìn)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(xué)

13、技術(shù)結(jié)合而研制成的技術(shù)。該技術(shù)基于熱波成像原理，當(dāng)一束周期性強(qiáng)度調(diào)制的電子束經(jīng)聚焦入射于試樣時(shí)，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(duì)材料熱學(xué)或熱彈性質(zhì)的微小變化進(jìn)行成像，這些宏觀量的微小變化是由于試樣的局部晶格結(jié)構(gòu)的改變而引起的，因此它能反映出光學(xué)和電子顯微鏡不能反映的微觀熱性質(zhì)或熱彈性質(zhì)的差異，可用于殘余應(yīng)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(yīng)力的橫向分布，并且利用掃描電子聲圖像獨(dú)特的分層成像能力，揭示了殘余應(yīng)力的深度分布狀況，使不測(cè)定殘余應(yīng)力三維分布成為可能。掃描電子聲顯微鏡的穿透能力較強(qiáng)，適合對(duì)不透明材料中的殘余應(yīng)力進(jìn)行無(wú)損測(cè)定

14、。 5.激光超聲檢測(cè)法 人們對(duì)用PZT換能器、EMAT探頭和聲顯微鏡等技術(shù)測(cè)量表面波聲速來(lái)評(píng)估其近表面的應(yīng)力分布，做了大量研究。結(jié)果表明，可以用測(cè)得的材料自由表面上傳播的表面波聲速的大小變化來(lái)評(píng)估其殘余應(yīng)力的分布。但應(yīng)力所引起的聲速相對(duì)變化很小，檢測(cè)難度很大。激光超聲波是最近發(fā)展起來(lái)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其顯著優(yōu)點(diǎn)是非接觸、高的空間和時(shí)間分辨率，容易實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，已被成功用來(lái)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(guò)測(cè)得的表面波聲速在不同的位置上的相對(duì)變化反映材料的殘余應(yīng)力分布。對(duì)無(wú)殘余應(yīng)力、有壓縮殘余應(yīng)力、有拉伸殘余應(yīng)力的3個(gè)

15、試樣應(yīng)力分布，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。結(jié)果證實(shí)了試樣的殘余應(yīng)力分布可引發(fā)聲表面波的不同位置上聲速的相對(duì)變化，證實(shí)了激光發(fā)聲表面波及其接收技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)材料內(nèi)殘余應(yīng)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(xì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量的方法，其中有木斯保爾效應(yīng)、核磁共振和核聲共振等3中。這些方法需昂貴的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，因此發(fā)展較慢。1。3。3發(fā)展趨勢(shì)分析 對(duì)于機(jī)械檢測(cè)法中具有代表性并且廣泛應(yīng)用于工程的鉆孔法目前技術(shù)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(cè)量殘余應(yīng)力，但它多少帶有破壞性，在許多重要工程結(jié)構(gòu)上不能使用，而且檢測(cè)設(shè)備的裝拆不便，也達(dá)不到實(shí)時(shí)測(cè)

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(wú)限制的無(wú)損測(cè)量殘余應(yīng)力技術(shù)，但它的價(jià)格昂貴，對(duì)被測(cè)物體的表面有較嚴(yán)格的要求，測(cè)量時(shí)要格外小心謹(jǐn)慎，否則可能帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。另外，某些材料的焊接金屬較大時(shí)很難找到衍射面；在測(cè)內(nèi)部應(yīng)力時(shí)必須剝層，這對(duì)于大型工件有一定困難。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)一種無(wú)損、高精度、廉價(jià)、綠色環(huán)保、可在線測(cè)量殘余應(yīng)力的方法具有重大意義。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的物理原理的出現(xiàn)也為殘余應(yīng)力的測(cè)量提供了新的發(fā)展方向。1.4 設(shè)計(jì)主要任務(wù)1、了解巴克豪森噪訊的產(chǎn)生機(jī)理，研究BN信號(hào)影響因素及其影響關(guān)系，得出BN信號(hào)依賴(lài)于殘余應(yīng)力變化的條件，為測(cè)試儀器信

17、號(hào)采集與處理提供理論依據(jù)。2、激磁方案設(shè)計(jì)：選擇適合曲軸的激磁方案；設(shè)計(jì)激磁電路。設(shè)計(jì)探頭，探頭應(yīng)盡量細(xì)長(zhǎng)，并充分考慮屏蔽和干擾抑制的問(wèn)題。3、根據(jù)巴氏噪訊為微伏級(jí)，易受干擾的特點(diǎn)設(shè)計(jì)前置放大電路。設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)采集到的巴克豪森信號(hào)進(jìn)行放大、逐級(jí)濾波、帶通濾波、包絡(luò)檢波等處理。設(shè)計(jì)電源電路等。4、確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)： USB2。0接口模塊設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)，數(shù)字I/O模塊設(shè)計(jì)，復(fù)雜大規(guī)?？删幊碳呻娐?CPLD)設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：Firmware固件設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為：第2章 巴克豪森效應(yīng)概述2.1 巴

18、克豪森效應(yīng) 鐵磁材料包含著許多的小磁疇，每一個(gè)磁疇都有一個(gè)特定的自發(fā)磁化方向，各磁疇之間由一個(gè)被稱(chēng)為疇壁的邊界分開(kāi)。在外加交變磁場(chǎng)的作用下，鐵磁材料被磁化，在磁化過(guò)程中疇壁出現(xiàn)不可逆的跳動(dòng)式移動(dòng)，從而在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)疊加到一塊時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似噪聲的信號(hào)，這些電脈沖是由德國(guó)物理學(xué)家Barkhaus-en教授發(fā)現(xiàn)的，因而被稱(chēng)為巴克豪森噪聲。2.1.1 磁巴克豪森原理 1919年德國(guó)科學(xué)家H。Barkhausen發(fā)現(xiàn)鐵磁物質(zhì)被交流磁場(chǎng)磁化時(shí)，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(guò)程，這種不連續(xù)的磁化來(lái)源于內(nèi)部900、180、疇壁錯(cuò)動(dòng)向外輻射能量，置于鐵磁材料表面的探測(cè)線圈

19、中將接收到一定功率譜分布的微弱噪聲電信號(hào)，稱(chēng)為巴克豪森噪聲（BarkllausenNnise簡(jiǎn)記為BN）。鐵磁材料的磁疇發(fā)生不可逆運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生巴克豪森噪聲電信號(hào)的同時(shí)，由于磁致伸縮作用，導(dǎo)致材料內(nèi)部激起的應(yīng)力波，稱(chēng)為磁力聲發(fā)射（MagnetomeehanicalAcoustic-Emission簡(jiǎn)稱(chēng)磁聲發(fā)射MAE），它的頻率在超聲波范圍，因?yàn)榇怕暟l(fā)射也來(lái)源于磁疇的巴克豪森跳躍，所以也稱(chēng)為聲巴克豪森效應(yīng)。MAE信號(hào)也隨應(yīng)力而變化，與BN不同的是一般的鐵、鋼材料在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下MAE都是降低的，并且實(shí)驗(yàn)表明在不同的頻率范圍內(nèi)，應(yīng)力對(duì)MAE的影響也是不同的。但上述僅考慮了應(yīng)力對(duì)磁疇體積的影響，實(shí)際

20、上應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生的位移，會(huì)影響磁疇壁的運(yùn)動(dòng)，因而許多情況下信號(hào)隨應(yīng)力的變化比較復(fù)雜。 整個(gè)不可逆壁移磁化階段所產(chǎn)生的磁化效果可以用圖2-1所示出的磁化曲線來(lái)代表。這里縱坐標(biāo)為磁化強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為磁場(chǎng)強(qiáng)度，oa段是不可逆磁化階段，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，先有幾個(gè)小跳躍，接著有一個(gè)大跳躍結(jié)束壁移過(guò)程。B點(diǎn)以后壁移已完成，進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)磁化階段。 巴克豪森物理效應(yīng)，經(jīng)過(guò)數(shù)代科學(xué)家的完善，使之用于工程技術(shù)領(lǐng)域，這源于美國(guó)的Titto博士。而該技術(shù)的應(yīng)用和解釋又伴隨著磁彈一動(dòng)力學(xué)理論的建立和完善。磁彈一動(dòng)力學(xué)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(chǎng)和漩渦場(chǎng)的疊加。鐵磁材料在局部交變磁場(chǎng)作用下，受力釋放的MagnetioBar勸ausenNnise(又記為MBN)脈沖滿足經(jīng)典的Maxwell方程，彈性動(dòng)力方程。它的研究工作無(wú)論在基礎(chǔ)理論界和應(yīng)用科學(xué)界都非常有實(shí)用意義。MBN技術(shù)檢測(cè)法是利用磁彈噪訊技術(shù)可以檢測(cè)鐵磁材料的服役應(yīng)力，它的檢測(cè)機(jī)理是鐵磁材料在受到外磁場(chǎng)的磁化后，內(nèi)部的磁疇會(huì)發(fā)生位錯(cuò)，同時(shí)磁疇壁也會(huì)發(fā)生位移，而磁疇壁的運(yùn)動(dòng)正是MBN信號(hào)產(chǎn)生的根源。當(dāng)材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力時(shí)會(huì)對(duì)磁疇的旋轉(zhuǎn)和位移產(chǎn)生附加的阻力，這時(shí)外部應(yīng)力和內(nèi)部的殘余應(yīng)力是等效的，材料的磁化曲線和釋放的MBN信號(hào)的大小，隨應(yīng)力大小、方向的不同而發(fā)生變化，故可以通過(guò)

22、測(cè)量MBN信號(hào)的大小，來(lái)判斷材料受應(yīng)力的，情況和估計(jì)疲勞損傷的程度。2.2巴克豪森噪聲信號(hào)的特征2.2.1巴克豪森噪聲信號(hào)的特征巴克豪森噪聲信號(hào)通過(guò)不同的收集方法所得到的信號(hào)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(hào)”（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(hào)”（Surface Barkhausen Noise）。它們的收集原理均源于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)接收線圈內(nèi)產(chǎn)生磁通量的變化時(shí)，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流信號(hào)。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(cè)的需要，應(yīng)研制專(zhuān)用傳感器，以收集有用的

23、BN信號(hào)，濾掉對(duì)材料狀態(tài)反應(yīng)不敏感的BN信號(hào)，使電流變化信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓盘?hào)輸出。經(jīng)多次摸索實(shí)驗(yàn)，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(hào)效果比較，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)接受線圈內(nèi)帶有高頻磁芯時(shí)，磁芯的頻率與接收材料內(nèi)某點(diǎn)的BN信號(hào)頻率接近的情況下，信號(hào)接收效果更佳，更能反映材料某點(diǎn)的應(yīng)力和狀態(tài)的變化。在試驗(yàn)制作BN信號(hào)接收器部分時(shí)，發(fā)現(xiàn)接受到的BN 信號(hào)電壓取決于：1. 探測(cè)線圈的匝數(shù)；2. 每一臺(tái)階的磁變化量；3. 每一臺(tái)階磁變化量所需時(shí)間； 因此，設(shè)計(jì)BN信號(hào)接收器時(shí)，選擇磁芯頻率，使之與材料磁化時(shí)釋放的BN信號(hào)頻率想匹配；選擇

24、線圈的長(zhǎng)度與規(guī)格，使之接收BN信號(hào)的反應(yīng)靈敏，就成了制作接收器的關(guān)鍵技術(shù)2.2.2 巴克豪森噪聲信號(hào)的頻率特征 通過(guò)大量試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，BN信號(hào)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(lài)于纖維組織、應(yīng)力狀態(tài)的變化的特征。利用試驗(yàn)裝置對(duì)曲軸進(jìn)行加載試驗(yàn)，對(duì)曲軸材料磁化過(guò)程中釋放的BN信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)BN信號(hào)在20KHz-230KHz頻段隨不同載荷的變化明顯，且頻帶隨應(yīng)力變化幾乎無(wú)移動(dòng)現(xiàn)象，其BN信號(hào)強(qiáng)度與頻率間關(guān)系如同2-3所示，可見(jiàn)BN信號(hào)峰值出現(xiàn)在120KHz附近。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電源及空中無(wú)線電信號(hào)對(duì)其影響也很大。尤其是接近頻率的無(wú)

25、線電信號(hào)，其強(qiáng)度是BN信號(hào)的數(shù)十倍，對(duì)接收器收到的BN信號(hào)產(chǎn)生很大的干擾。為了避開(kāi)空中無(wú)線電信號(hào)的干擾，希望頻帶能夠向低頻壓縮；前述內(nèi)容中也已闡明，激磁電源應(yīng)采用低頻激磁。為了避開(kāi)電源對(duì)信號(hào)的干擾，同時(shí)又希望信號(hào)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(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，壓縮信號(hào)頻帶以外，還必須采用選擇放大等技術(shù)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)這些處理和未經(jīng)這些處理接收到的BN信號(hào)如圖2-4所示。2.3 鐵磁物質(zhì)技術(shù)磁化過(guò)程與BN信號(hào)的產(chǎn)生2.3.1 鐵磁物質(zhì)磁化過(guò)程與疇壁運(yùn)動(dòng) 鐵磁物質(zhì)在外加磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象稱(chēng)為鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化。對(duì)鐵磁物質(zhì)的磁化曲線進(jìn)行進(jìn)一

26、步深入分析。磁化曲線按其特點(diǎn)可分為四個(gè)階段，這四個(gè)階段是由于磁疇在外加磁場(chǎng)的作用下變化的情況不同而造成的，見(jiàn)圖2-3。在弱磁場(chǎng)的作用下，對(duì)于與磁場(chǎng)成銳角的磁疇有利，因?yàn)檫@些磁疇磁位能較低，而對(duì)于成鈍角的磁疇不利，因此，磁疇壁上將會(huì)有壓力，與磁場(chǎng)成銳角的磁疇產(chǎn)生擴(kuò)張，成鈍角的磁疇縮小，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為磁疇壁遷移，宏觀上表現(xiàn)出有微弱的磁化，見(jiàn)圖2-5曲線的a點(diǎn)。一般，磁疇壁這種微小的移動(dòng)是可逆的。磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，磁疇壁發(fā)生瞬時(shí)的跳動(dòng)，即與磁場(chǎng)成鈍角的磁疇轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)成銳角的易磁化方向，由于大量的自旋瞬時(shí)轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁化而產(chǎn)生了巴克豪森效應(yīng)，這種遷移是不可逆的，如圖2-5所示曲線上的b點(diǎn)。磁場(chǎng)再增加時(shí)

27、，所有的自旋磁矩在外磁場(chǎng)的作用下同時(shí)轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)是很困難的，因此隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，磁化進(jìn)行的狠微弱，如曲線的c至e點(diǎn)，這個(gè)階段通常稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)過(guò)程。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到Hs時(shí)，磁疇的磁化向量基本上和磁場(chǎng)方向完全一致，即達(dá)磁飽和狀態(tài)，這時(shí)的磁化強(qiáng)度等于Is。2.3.2疇壁運(yùn)動(dòng)方程 為了求出疇壁的運(yùn)動(dòng)方程，可以將磁疇的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化成如圖2-4所示的力學(xué)模型，則鐵磁體在外磁場(chǎng)作用下的疇壁運(yùn)動(dòng)方程可以等效的看成質(zhì)量為mw的物體懸掛在彈性回復(fù)系數(shù)為的彈簧下，在受一保守力20IsH和一摩擦力dz/dt作用下的運(yùn)動(dòng)。由牛頓第二定律可得疇壁的運(yùn)動(dòng)方程為： （2-1） 若假設(shè)疇壁運(yùn)動(dòng)的速度均勻或疇壁的有效質(zhì)量，mw很小可

28、以忽略不計(jì)，則上式中的二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng) 可以略去不計(jì)，這時(shí)疇壁的運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋菏街校簔-疇壁位移離開(kāi)原來(lái)的平衡位置Z后所具有的回復(fù)力，且等于 ；H0-使疇壁發(fā)生位移的臨界磁場(chǎng)。因而疇壁的移動(dòng)速度為：式中：-Is與H的夾角。上式表明，疇壁的移動(dòng)速度與外磁場(chǎng)和臨界磁場(chǎng)呈線性關(guān)系，而HO的變化主要有以下幾個(gè)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(nèi)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(shù)、微觀組織結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力或外加應(yīng)力等因素。 在材料的磁化過(guò)程中磁疇的突然的、不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，一般認(rèn)

29、為來(lái)自于上述的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和所受應(yīng)力狀態(tài)互相依賴(lài)的能量關(guān)系的變化。因此，在磁化過(guò)程中的陡峻階段所產(chǎn)生的疇壁不連續(xù)、不可逆的運(yùn)動(dòng)引發(fā)Barkhausen跳躍，可以作為一種可測(cè)的信號(hào)，利用探測(cè)裝置來(lái)探測(cè)。2.3.3 BN(Barkhausen Noise)的特征BN信號(hào)出現(xiàn)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(hào)活性相對(duì)減弱，所謂信號(hào)的活性（Activity）是指BN信號(hào)跳躍的幅度、次數(shù)、持續(xù)時(shí)間及相對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度等因素，如圖2-6所示，將磁滯回線最陡的階段放大來(lái)看是階梯狀上升的，階梯狀上升的水平線表示等待時(shí)間，垂直直線表

30、示疇壁移動(dòng)時(shí)磁化強(qiáng)度的變化。上述表明BN信號(hào)與材料的磁特性有關(guān)，而且磁特性與材料內(nèi)部的組織狀態(tài)及所受應(yīng)力有關(guān)。一般認(rèn)為BN信號(hào)產(chǎn)生的主要機(jī)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(zhì)的磁性與鐵磁性材料相差很遠(yuǎn)，稱(chēng)其為鐵磁材料磁化過(guò)程的雜質(zhì)，例如珠光體中的Fe3C就是這樣的雜質(zhì)。這些物質(zhì)對(duì)疇壁形成釘扎，為了保證內(nèi)部自由能最小，疇壁總是附著在這些雜質(zhì)上，當(dāng)外磁場(chǎng)變化時(shí)，疇壁會(huì)產(chǎn)生脫離原來(lái)形成釘扎的雜質(zhì)而移動(dòng)的趨勢(shì)，由于這些雜質(zhì)的存在，使疇壁移動(dòng)時(shí)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(lái)解釋。疇壁在雜質(zhì)位置形成釘扎時(shí)疇壁面積最小，能量最低，如圖2-7（a）中0位置所示。當(dāng)加上一外磁場(chǎng)使磁疇移動(dòng)離開(kāi)該位置時(shí)，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(chǎng)的作用下，磁疇吸收能量，當(dāng)疇壁能增加到一定程度時(shí)，疇壁脫離原來(lái)釘扎的位置，產(chǎn)生一突然的運(yùn)動(dòng)，到另一平衡位置暫時(shí)穩(wěn)定下來(lái)，如圖2-7（a）中位置2所示，其外在表現(xiàn)是出現(xiàn)一次Barkhausen跳躍，同樣在測(cè)試過(guò)程中也會(huì)遇到BN信號(hào)的出現(xiàn)。由于疇壁的運(yùn)動(dòng)受到上述多種因素的影響，因此鐵磁材料磁化過(guò)程中釋放的BN 信號(hào)強(qiáng)度可以表示為上述各因素的函數(shù)：BN=f(，HRC，Dg，、，H

32、)式中：BN-Barkhausen信號(hào)強(qiáng)度；-材料內(nèi)部應(yīng)力；HRC-材料表面洛氏硬度；Dg-材料平均晶粒直徑；H-外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 重要結(jié)論： （1）、BN信號(hào)的產(chǎn)生是鐵磁材料在磁化過(guò)程中疇壁不可逆移動(dòng)所致，是鐵磁材料在磁場(chǎng)力作用下微觀能量變化的結(jié)果，是材料微觀組織為了維持能量最小狀態(tài)而出現(xiàn)能量的釋放過(guò)程； （2）在每一次Barkhausen跳躍時(shí)，磁疇疇壁的移動(dòng)速度是均勻的。2.4影響巴氏噪聲信號(hào)的因素的研究2.4.1材料性質(zhì)BN信號(hào)的影響 實(shí)驗(yàn)證明，巴氏噪聲對(duì)材料的各種性質(zhì)是十分敏感的。我們知道，巴氏信號(hào)主要是由磁疇壁的突然的，不連續(xù)的，跳躍式的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。因此，一切影響磁疇壁運(yùn)動(dòng)方式的

33、因素，一切與磁疇壁的運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)的因素，都會(huì)直接或間接地對(duì)巴氏信號(hào)產(chǎn)生影響。這樣的因素很多，但是從根本上來(lái)說(shuō)，對(duì)巴氏信號(hào)直接產(chǎn)生影響的因素卻是材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。材料有什么樣形式的微觀組織結(jié)構(gòu)，就有什么樣形式的巴氏噪聲信號(hào)。材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的形成直接決定了巴氏信號(hào)的形式。其他原因，比如：應(yīng)力，應(yīng)變，裂紋等等，實(shí)際上都是通過(guò)對(duì)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的影響才能對(duì)巴氏信號(hào)產(chǎn)生影響。總之，我們說(shuō)凡是能對(duì)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的因素最終都能對(duì)巴氏信號(hào)產(chǎn)生影響。決定和影響材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的因素很多，比如材料的組成成分，受力，變形，熱處理過(guò)程等等。這些因素都會(huì)直接或間接的決定或改變材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，因

34、此都會(huì)對(duì)巴氏信號(hào)產(chǎn)生影響。這樣，材料中巴氏信號(hào)對(duì)其敏感從而可以利用巴氏信號(hào)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的參數(shù)很多，比如：含碳量，硬度，應(yīng)力，塑性變形，疲勞裂紋，腐蝕缺陷等等。同時(shí)也正因?yàn)榘褪闲盘?hào)對(duì)其敏感的因素很多從而給利用巴氏信號(hào)対這些因素進(jìn)行檢測(cè)也帶來(lái)了一些問(wèn)題。比如當(dāng)我們要利用巴氏信號(hào)對(duì)某些材料的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，巴氏信號(hào)除了對(duì)該種材料的殘余應(yīng)力狀態(tài)敏感外，它還對(duì)該種材料的其他微觀組織結(jié)構(gòu)方面的性質(zhì)同樣敏感。這就是說(shuō)對(duì)于性質(zhì)不同的材料來(lái)說(shuō)，它的應(yīng)力與巴氏信號(hào)的依賴(lài)關(guān)系是不同的。解決這一問(wèn)題的辦法是：制定標(biāo)定曲線。 下面重點(diǎn)討論應(yīng)力與巴氏噪聲信號(hào)的關(guān)系。圖2-8為45號(hào)鋼試樣在不同應(yīng)力作用下MBN

35、峰值隨應(yīng)力的變化關(guān)系曲線。磁化源頻率為50HZ，大小為6V。拉應(yīng)力使MBN增大，壓應(yīng)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(guān)），也不對(duì)稱(chēng)。壓應(yīng)力使MBN的變化小于拉應(yīng)力使MBN的變化。消除磁致伸縮引起的磁彈性能E的影響，實(shí)驗(yàn)中磁化源的N，S極應(yīng)與應(yīng)力保持一個(gè)方向，即應(yīng)力主軸是磁化軸。2.4.2磁化強(qiáng)度對(duì)BN信號(hào)的影響采用的激勵(lì)磁場(chǎng)的強(qiáng)度不同，MBN隨應(yīng)力的變化關(guān)系也不同。圖2-9表示不同的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度下MBN隨應(yīng)力的變化關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，磁化強(qiáng)度太強(qiáng)或太弱，MBN隨應(yīng)力變化都不敏感，且兩側(cè)飽和現(xiàn)象嚴(yán)重，這樣給兩側(cè)應(yīng)力標(biāo)定曲線的制作帶來(lái)困難。只要磁化強(qiáng)度適中，M

36、BN隨應(yīng)力的變化才不敏感，且不飽和，材料內(nèi)磁疇的不可逆運(yùn)動(dòng)同時(shí)受磁場(chǎng)和應(yīng)力的影響，當(dāng)磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)時(shí)，磁疇的磁化矢量很快轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，磁疇位移已經(jīng)很大，再受應(yīng)力作用，壁移已經(jīng)完成，磁化矢量已經(jīng)于磁場(chǎng)方向一致，各種能量已趨于穩(wěn)定，很難再產(chǎn)生巴氏噪訊。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度太弱時(shí)，磁疇矢量難以想磁場(chǎng)方向偏移，靠釋放的巴氏噪訊相應(yīng)的就少，且MBN信號(hào)在應(yīng)力限附近趨于飽和。曲線A是激勵(lì)電壓為6V時(shí)測(cè)得的V 關(guān)系曲線。該曲線在拉、壓兩端變化的趨勢(shì)無(wú)應(yīng)力飽和現(xiàn)象。因此，采用巴克豪森噪訊測(cè)量應(yīng)力，應(yīng)注意選擇合適的激勵(lì)電壓，使被測(cè)材料在交變磁場(chǎng)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(cè)量技術(shù)以及設(shè)計(jì)巴氏噪聲

37、檢測(cè)儀的關(guān)鍵。2.4.3材料硬度對(duì)BN的影響 材料磁化過(guò)程中釋放的BN信號(hào)受到材料內(nèi)部雜質(zhì)的影響，所謂雜質(zhì)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(zhì)的磁性與鐵磁性材料母相的磁性相差很遠(yuǎn)，故稱(chēng)為鐵磁材料磁化過(guò)程的雜質(zhì)。鋼材為了提高其硬度，多通過(guò)淬火-回火的工藝實(shí)現(xiàn)。鋼材在加熱和冷卻的過(guò)程中要發(fā)生相變，生成不同的組織，因此經(jīng)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(guò)程中組織的轉(zhuǎn)變必然伴隨產(chǎn)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(dāng)回火溫度降低時(shí)

38、針狀馬氏體比較明顯，而馬氏體結(jié)構(gòu)是碳原子在-Fe中的過(guò)飽和間隙式固溶體，碳原子使晶格點(diǎn)陣產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)畸變，這種非畸變對(duì)稱(chēng)中心(碳原子)所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)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(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因而其強(qiáng)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(shí)固溶體也不斷的回復(fù)、再結(jié)晶、長(zhǎng)大，而材料中的-Fe屬于硬度較低的一組，這樣導(dǎo)致了硬度隨回火溫度的提高而下降。對(duì)于低溫回火馬氏體，由于-Fe中碳原子的過(guò)飽和產(chǎn)生了強(qiáng)烈的釘扎作用，影響了磁疇結(jié)構(gòu)，限制疇壁的遷移運(yùn)動(dòng)，使其發(fā)生磁化

39、更加困難，材料的矯頑力相對(duì)較高，這樣的材料磁時(shí)，產(chǎn)生巴克豪森跳躍的強(qiáng)度也較弱，BN值也較小，隨著回火溫度的不斷提高，-Fe中過(guò)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(fù)、長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)較小，磁化時(shí)產(chǎn)生巴克豪森跳躍的強(qiáng)度增強(qiáng)，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(guān)系。從圖中可以看出，材料磁化過(guò)程中是釋放的BN信號(hào)隨材料的硬度增大而減小對(duì)于多相材料，按照雜質(zhì)理論，其矯頑力Hc可以

40、由下式表示：由上式可以得知，當(dāng)材料中雜質(zhì)直徑d增大，矯頑力Hc減小。因?yàn)榫Ы缡欠恋K材料磁化的一個(gè)因素，晶粒越小，晶界就越多，材料的磁導(dǎo)率越小，矯頑力Hc越打，在外磁場(chǎng)作用下材料磁化就越困難。隨其矯頑力Hc的變化，磁化時(shí)釋放的BN信號(hào)也就產(chǎn)生相應(yīng)的變化材料硬度對(duì)磁化過(guò)程中釋放的BN信號(hào)有影響，BN信號(hào)強(qiáng)度隨材料的硬度增大而減?。徊牧蟽?nèi)部晶粒度通過(guò)影響的矯頑力來(lái)影響材料的磁化曲線，進(jìn)而影響釋放的BN信號(hào)。第3章測(cè)試儀器硬件設(shè)計(jì)曲軸是內(nèi)燃機(jī)最重要的零件之一，它的性能如何直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命與可靠性。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，曲軸受到交變的彎曲和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)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(yīng)

41、力作用次數(shù)有關(guān)外，還與危險(xiǎn)部位所受應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，即受循環(huán)變應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力大小的影響。在受拉應(yīng)力的部位，當(dāng)所受應(yīng)力值超過(guò)材料疲勞極限時(shí)，極易出現(xiàn)疲勞裂紋。經(jīng)過(guò)有關(guān)科研人員的長(zhǎng)期觀察與研究，曲軸過(guò)渡圓角部位出現(xiàn)疲勞裂紋前，該部位的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，工作中有利于減小應(yīng)力幅，提高疲勞強(qiáng)度；反之，則會(huì)降低曲軸疲勞強(qiáng)度。因此在曲軸使用過(guò)程中，我們期望能方便的、無(wú)損的測(cè)量出圓角部位的殘余應(yīng)力狀態(tài)與大小，以便能夠?qū)ηS的早期疲勞損傷狀況做出預(yù)測(cè)。本檢測(cè)裝置的功能就是利用巴克豪森噪聲信號(hào)對(duì)曲軸的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。3。1 測(cè)試儀器的組成本測(cè)試裝置由以下部分組成：電源電路、激磁電路、信號(hào)接收放大電路、信號(hào)

42、處理電路等。儀器的整機(jī)框圖如圖1所示。圖3-1 整機(jī)框圖3.2 激磁電路激磁電路由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器及磁化器組成。3.2.1 信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器選用Inter公司生產(chǎn)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(jīng)緩沖放大器后輸出。功率放大器采用了意大利SGS公司生產(chǎn)的TDA2030A芯片為核心，把正弦波發(fā)生器輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，生成激磁信號(hào)。激磁信號(hào)的頻率可在2060Hz范圍內(nèi)調(diào)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(diào)整個(gè)別的外部組件就能產(chǎn)生從0。001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈

43、沖信號(hào)。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(diào)頻信號(hào)輸入端， 所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL 8038 的主要特點(diǎn):(1) 可同時(shí)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(jià)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(diào)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(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對(duì)稱(chēng)調(diào)節(jié)；腳6（V+）：正電源±10V±18V；腳7（FMBias）：內(nèi)部頻率調(diào)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(kāi)路結(jié)構(gòu)；腳10（TimingCapacitor）：外接振蕩電容；腳11（V orGND）：負(fù)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(shè)計(jì)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(diào)頻信號(hào)輸入端，電路的震蕩頻率與調(diào)頻電壓成正比；引腳4、5為占空比調(diào)節(jié)信號(hào)輸入端，可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩引腳所接電阻來(lái)調(diào)整方波的占空比。當(dāng)RA=RB時(shí)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(jù)設(shè)計(jì)要求，ICL8038低頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)只有幾個(gè)毫安，不能提供給磁化線圈，所以必須進(jìn)行功率放大之后，才能對(duì)線圈進(jìn)行激

46、勵(lì)。本設(shè)計(jì)采用了意大利SGS公司生產(chǎn)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(diǎn)：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(kāi)機(jī)沖擊極小。 5.內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線偶然開(kāi)路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負(fù)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(shí)能夠輸出16W

47、的有效功率，THD0.1%。無(wú)疑，用它來(lái)做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過(guò)了。7 諧波失真和叫越失真小。8 產(chǎn)品價(jià)格低，易以合成產(chǎn)品等特點(diǎn)。9 使用溫度域?qū)?。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(fù)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(shù)電源電壓1236V上升速度8 V/s靜態(tài)電流4060mA開(kāi)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(shè)計(jì)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(hào)發(fā)生器輸出的正玄波信號(hào)

48、，經(jīng)過(guò)RC有源濾波電路（低通濾波）進(jìn)入功率放大TDA2030芯片，由4管腳輸出放大的信號(hào)。管腳3和管腳5分別為T(mén)DA2030提供-15V和+15V的電源，其中D1和D2組成限流保護(hù)電路，保證輸出信號(hào)穩(wěn)定輸出。3.3.3 磁化器的設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)曲軸過(guò)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(jié)構(gòu)的曲柄臂部分相聯(lián)結(jié)，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(guò)渡。需測(cè)試殘余應(yīng)力的部位為圖中所指A圓角處。圖2曲軸測(cè)試點(diǎn)常用磁化器的結(jié)構(gòu)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(cè)試時(shí)，鐵芯與試件間的氣隙變化所引起的激磁

49、磁場(chǎng)的變化會(huì)直接影響到試樣的磁化過(guò)程，從而影響釋放的BN信號(hào)的強(qiáng)度。因此為了消除該影響，一般應(yīng)對(duì)試樣的表面進(jìn)行平整處理，若所測(cè)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(dǎo)線作為激磁線圈的軸向激磁方式，將所測(cè)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(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)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(guò)程達(dá)到飽和狀態(tài)，以激發(fā)出大量的BN信號(hào)。當(dāng)激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度為40奧斯特時(shí)，曲軸圓角部位釋放的BN信號(hào)豐富，能量較高。磁化器設(shè)計(jì)指標(biāo)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(yīng)強(qiáng)度； Q

50、為漏磁系數(shù)，一般取1。82。5；根據(jù)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(duì)總磁路的漏磁系數(shù)；線圈匝數(shù)： 式中：E為感生電動(dòng)勢(shì)，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(dǎo)率； 為線圈對(duì)角線與軸線的夾角；由于磁化器激磁過(guò)程為交流激磁，電流反復(fù)變化，故取導(dǎo)線過(guò)流為j=1。5A/2，空載時(shí)電流值為2A，則導(dǎo)線截面積s與導(dǎo)線線徑d分別為： 3.3 信號(hào)接受放大電路3.3.1 巴克豪森信號(hào)拾取探頭的設(shè)計(jì)曲軸拐角部位的結(jié)構(gòu)如圖2所示，A、B兩處為過(guò)渡圓角，是曲軸遭受破壞的危險(xiǎn)部位，也是需要測(cè)試殘余應(yīng)力的重點(diǎn)部位。

51、該部位的特點(diǎn)是以小圓環(huán)面，與其相鄰一側(cè)是曲柄平面，另一側(cè)是連桿軸徑或主軸頸圓柱面。按常規(guī)設(shè)計(jì)方法，一般將激磁線圈與信號(hào)拾取線圈設(shè)計(jì)為一體，集中封裝在同一個(gè)探頭殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)在測(cè)試曲軸拐角部位時(shí)存在以下缺點(diǎn)：首先是由于將激磁線圈與信號(hào)拾取線圈合成一體，增大了探頭的結(jié)構(gòu)，在測(cè)量如圖2所示的B點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成信號(hào)拾取探頭無(wú)法到達(dá)測(cè)試部位；另外激磁線圈鐵芯兩腳不能調(diào)整，對(duì)于不同尺寸的曲軸，激磁線圈鐵芯和信號(hào)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(cè)量時(shí)會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。圖2 曲軸示意圖圖3 探頭結(jié)構(gòu)為此，采用了激磁與信號(hào)拾取分體設(shè)計(jì)的方法。利用曲軸上纏繞的導(dǎo)線作為激

52、磁線圈，鐵磁體的曲軸作為激磁線圈的鐵芯。測(cè)量時(shí)，利用計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)激磁回路中的激磁電壓，以控制對(duì)曲軸的激磁強(qiáng)度，調(diào)節(jié)激磁頻率，以測(cè)量不同的材質(zhì)工件與工件不同層深度的應(yīng)力狀態(tài)。信號(hào)拾取探頭設(shè)計(jì)為筆式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。通過(guò)大量試驗(yàn)研究證明，利用帶磁芯的線圈接收巴克豪森信號(hào)效果優(yōu)于空心線圈的接收效果，當(dāng)接受線圈內(nèi)帶有高頻磁芯時(shí)，磁芯的頻率與接收材料內(nèi)某點(diǎn)的巴克豪森信號(hào)頻率接近的情況下，信號(hào)接收效果更佳，更能反映材料某點(diǎn)的應(yīng)力和狀態(tài)的變化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，巴克豪森信號(hào)的頻帶在1KHZ-2MHZ 通常一般材料在1KHZ-500KHZ頻段較豐富。筆者通過(guò)對(duì)曲軸進(jìn)行加載試驗(yàn)，對(duì)曲軸材料磁化過(guò)程中釋放的巴克豪森信

53、號(hào)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)在20KHz230KHz頻段隨不同載荷的變化明顯。故此，要求信號(hào)拾取探頭應(yīng)能夠適應(yīng)上述不同頻段的巴克豪森信號(hào)，亦即對(duì)信號(hào)拾取線圈的鐵芯提出的要求就是：適應(yīng)的頻率范圍要寬、適用的頻率要適當(dāng)。在選擇鐵芯材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，很難找到某一種材料能夠達(dá)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(shè)計(jì)了如圖3所示的結(jié)構(gòu)。探頭前端為測(cè)量端，有測(cè)量線圈及其鐵芯，后端為補(bǔ)償端，有補(bǔ)償線圈及其鐵芯，探頭中部安放信號(hào)前置比較放大電路板，信號(hào)由屏蔽線從探頭尾部輸出。測(cè)量線圈與補(bǔ)償線圈固定封裝在探頭封裝材料內(nèi)，鐵芯與探頭孔采用小間隙過(guò)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(yīng)不同頻段的鐵芯，使用時(shí)可以根據(jù)所測(cè)的材料調(diào)換。在測(cè)量端，測(cè)量鐵芯尾部安裝緩沖彈簧，保證測(cè)量時(shí)鐵芯能夠與所測(cè)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(hào)非常小，僅為微付級(jí)別，所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，以便為后面信號(hào)采集做準(zhǔn)備。前置放大器設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為1000倍，得到mV級(jí)別的信號(hào)，同時(shí)也是為主電路得到更強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)采用二級(jí)放大，由于本設(shè)計(jì)精度要求過(guò)高，所以首先對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行處理，消除抗干擾的因素。所以一級(jí)放大采用差動(dòng)式放大電路，放大倍數(shù)10左右，電路圖如3-9所示，它具有高共模抑制比

55、的特點(diǎn)。圖3-9 差動(dòng)放大電路第二級(jí)放大電路本設(shè)計(jì)第二級(jí)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(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。如圖所示OP07的外形圖。圖3-10 OP07外形圖特點(diǎn)：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(diào)電壓10V3)極低的輸入失調(diào)電壓溫漂0.2V/4)具有長(zhǎng)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(shuō)明：1和8為偏置平衡(調(diào)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(duì)最大額定值：(TA=250C)。OP07 主要參數(shù)電源電壓±22工作溫度范圍-55+125內(nèi)部功耗500mW儲(chǔ)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(diào)電壓0.2V/輸出短路持續(xù)時(shí)間不限低輸入偏置電流1.8nA圖3-13 OP07內(nèi)部電路圖具體設(shè)計(jì)電路圖如圖3-14所示。圖3-14 二級(jí)同向雙運(yùn)放電3.3.3 帶通濾波器本設(shè)計(jì)采用了美國(guó)DATEL 公司生產(chǎn)的一種數(shù)字可