第四章磁致伸縮與巴克好森效應(yīng)

第二章力磁效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)與壓磁效應(yīng)

鐵磁體在外磁場中被磁化時(shí)，其長度和體積都要發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。線磁致伸縮是由焦耳（Joule）于1842年發(fā)現(xiàn)的。與磁致伸縮效應(yīng)相反，若給已磁化了的鐵磁體（如棒狀鐵磁體）施加壓力或拉力，從而產(chǎn)生應(yīng)變并伴隨磁體內(nèi)磁通密度的變化，這種現(xiàn)象是磁致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)，稱為壓磁效應(yīng)，或維里拉（Vilfari）效應(yīng)。通?？煞譃榫€磁致伸縮和體磁致伸縮。體磁致伸縮比線磁致伸縮要微弱得多，用途又少，因此，人們主要研究線磁致伸縮。除特別指明，磁致伸縮即指線磁致伸縮。如圖４－１所示，當(dāng)線圈中通以電流時(shí)便產(chǎn)生磁場，這磁場會(huì)使置于線圈中的鐵磁體磁化且伴隨長度的微小伸長Δl。這一伸長是由于在磁化過程中磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)造成的。線磁致伸縮是很微小的，相對(duì)變化只有10－６～10一５數(shù)量級(jí)，其數(shù)值隨磁場增加而增加，最后達(dá)到飽和第一節(jié)鐵磁性的基本概念

（1）物質(zhì)的磁性：物質(zhì)的磁性可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性，前三種是弱磁性，后兩種是強(qiáng)磁性。這里只簡單介紹與磁致伸縮關(guān)系密切的順磁性和鐵磁性。

順磁質(zhì)受外磁場Ｈ作用后，感生出與磁場同方向的磁化強(qiáng)度Ｍ＝H，其磁化率＞0，數(shù)值很?。?0一６～10一３數(shù)量級(jí)），僅顯示微弱磁性，稱為順磁性。稀土金屬、堿金屬和鐵族元素的鹽類等都是順磁質(zhì)。鐵磁質(zhì)只要在不大的磁場下就能被磁化到飽和，很大（10１～10６數(shù)量級(jí)），磁化強(qiáng)度Ｍ與磁場強(qiáng)度Ｈ之間的關(guān)系是非線性的復(fù)雜關(guān)系，反復(fù)磁化時(shí)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象（如圖４－２），這種性質(zhì)稱為鐵磁性。當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度高于鐵磁居里溫度TＣ時(shí)，鐵磁性將轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。純元素鐵磁質(zhì)只有具3ｄ電子的鐵鎳鈷三種金屬和具有4f電子的六種金屬，但具有鐵磁性的合金和化合物卻多種多樣。（2）鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化

物質(zhì)是由原子組成的，原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)要產(chǎn)生磁矩（這磁矩相當(dāng)于38A的環(huán)形電流形成的），如果原子內(nèi)不同電子產(chǎn)生的總磁矩為零，或者，雖然原子總磁矩不為零，但各原子的磁矩方向紊亂，則這種物質(zhì)就不會(huì)顯示磁性。鐵磁質(zhì)原子的磁矩不為零，且在任一小區(qū)域內(nèi)所有原子的磁矩都按一定方向排列，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)磁化。自發(fā)磁化是磁有序物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子中電子之間的交換作用，克服了熱運(yùn)動(dòng)的無序效應(yīng)，讓原子磁矩有序取向的結(jié)果。這種交換作用是非常強(qiáng)大的，若把它等效成磁場的作用，可相當(dāng)于H＝10９Ａ／m的強(qiáng)磁場。人們平常見到的永久磁體的磁場就是由自發(fā)磁化產(chǎn)生的。（3）磁疇

鐵磁體內(nèi)部分成許多小區(qū)域（10一５m數(shù)量級(jí)），每一小區(qū)域內(nèi)的原子磁矩都整齊排列起來，這就是磁疇。

從理論上可證明磁疇的形成是以能量最低為原則的，在無外磁場時(shí)，磁疇都是自發(fā)磁化到飽和，但其磁化方向各不相同，整個(gè)鐵磁體的磁化強(qiáng)度是各個(gè)磁疇磁化強(qiáng)度的矢量和，其大小仍然為零，所以鐵磁體從整體來看對(duì)外并不顯示磁性。鐵磁體的自發(fā)磁化和具有磁疇的特點(diǎn)使其當(dāng)溫度小于ＴC時(shí)很容易磁化到飽和狀態(tài)，即用較小的磁場就能使各磁疇磁化強(qiáng)度排列在一個(gè)方向而顯示很大的磁化強(qiáng)度；當(dāng)溫度升高接近TＣ時(shí)，熱效應(yīng)變得越來越顯著，使磁化方向偏離原來方向，飽和磁化強(qiáng)度越來越小，達(dá)到ＴＣ時(shí)，打破這種有序的自發(fā)磁化，變成順磁體。鐵磁體的飽和自發(fā)磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖４－３所示。第二節(jié).鐵磁體中的各種相互作用能磁致伸縮是滿足能量最小條件的必然結(jié)果，因此分析鐵磁體內(nèi)的相互作用能對(duì)我們分析磁致伸縮的原因是大有好處的。鐵磁體的總能量是以下5種相互作用能的總和（這里及以后提到的能量都理解成能量密度）(1)交換能：是由電子自旋間交換相互作用產(chǎn)生的能量，這種相互作用使電子自旋平行取向。它沒有經(jīng)典的類比，純屬量子效應(yīng)，來源于全同粒子系統(tǒng)中電子云的重疊。原子內(nèi)兩個(gè)電子的相互交換作用能可表示為：一2AＳａＳｂ其中Ｓａ、Ｓｂ為兩電子的自旋角動(dòng)量，A稱為交換積分，是原子間距離的函數(shù)，如圖４－４所示。如考慮的系統(tǒng)為Ａ<0，則自旋反平行為能量最低狀態(tài)；氫分子屬于這種情況；如A＞0，則自旋平行為能量最低狀態(tài)，相應(yīng)于鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化，若晶體單位體積內(nèi)含有Ｎ個(gè)原于，則交換能可寫成其中：Ｓｉ，Ｓｊ分別為ｉ，ｊ原子的總自旋角動(dòng)量;當(dāng)不考慮自旋與軌道耦合時(shí)，交換能只依賴于原子自旋間的夾角，而與自旋取什么方向無關(guān)，所以交換能是各向同性的。C原子電子云（2）磁晶各向異性能鐵鈷鎳三種鐵磁單晶體，在不同晶軸方向上測得的磁化曲線如圖４－５所示?？梢钥闯霾煌лS方向的磁化有難易之分，因而相應(yīng)有難、易磁化軸。

磁晶各向異性能定義為沿某方向磁化所需能量。顯然，在易磁化軸方向各向異性能最小，在難磁化軸方向各向異性能最大。自發(fā)磁化矢量和磁疇分布不會(huì)是任意的，而是傾向于取在各向異性能最小的易磁化軸上。磁晶各向異性能可表示為自發(fā)磁化強(qiáng)度對(duì)晶軸的方向余弦α１，α２，α３函數(shù)，對(duì)立方晶體：對(duì)六角晶體：

磁晶各向異性能各向異性能是自旋－自旋、自旋－軌道磁矩耦合作用產(chǎn)生的能量（前者常常不是主要部分），它也是量子效應(yīng)的結(jié)果。分布在晶體晶格上的原子，由于受到近鄰原子的靜電性質(zhì)的晶體電場作用，導(dǎo)致電子軌道矩失去了自由狀態(tài)時(shí)在空間的各向同性，使電子云的分布變?yōu)楦飨虍愋?。此時(shí)，自旋－軌道相互耦合作用使非球形對(duì)稱的電子云分布隨自旋取向而變化，導(dǎo)致波函數(shù)交疊程度依賴于自旋取向，因此產(chǎn)生了各向異性的交換作用，使晶體具有依賴于磁化方向的能量。其中θ為自發(fā)磁化強(qiáng)度與易磁化軸的夾角，各向異性常數(shù)ｋ１、ｋ２的符號(hào)變化反映了晶體易磁化方向的不同，例如，鐵：ｋ１>０，鎳：ｋ１<０，鈷：ｋ１＞0，一般|ｋ１|＞|ｋ２（3）磁彈性能

是由晶體磁性與彈性相互作用引起的，它也具有各向異性的特點(diǎn)。它包括由外應(yīng)力作用而產(chǎn)生的非自發(fā)形變的磁應(yīng)力能，應(yīng)力可以通過磁應(yīng)力能對(duì)磁化過程起促進(jìn)或阻礙作用，這與壓磁效應(yīng)有聯(lián)系。（4）退磁場能

如圖4-6所示，即為退磁場能，可表為：有限幾何尺寸的鐵磁體，在外磁場Ｈ中被磁化后，其兩端面上出現(xiàn)的Ｎ、Ｓ磁極，在鐵磁體內(nèi)部產(chǎn)生的與磁化強(qiáng)度矢量Ｍ方向相反的磁場Ｈｄ，稱為退磁場。當(dāng)鐵磁體被均勻磁化時(shí)，退磁場可表成：

Hｄ＝一ＮM式中Ｎ是退磁因子，決定于鐵磁體的幾何形狀。鐵磁體與此退磁場相互作用的能量。Ed＝－0μ0Hd·dM＝

μ00NM

·dM＝1/2μ0N

M

2MM（５）外磁場能

是由鐵磁體與外磁場相互作用產(chǎn)生的能量。若鐵磁體磁化強(qiáng)度為M，外磁場為H，它們的夾角為θ，則外磁場能

ＥＨ＝－μｏＭＨ＝－μｏMHｃｏｓθ因此它也是各向異性能，它是鐵磁體磁化的動(dòng)力。第三節(jié)磁致伸縮

前面已提到，磁致伸縮是為滿足總自由能最小而發(fā)生的，下面簡略分析以上各種能量的變化是如何影響鐵磁體的形狀、大小、長短的。假設(shè)一球形單疇樣品除退磁場能μ０ＮＭ２ＳV外，沒有其他相互作用，為降低這一能量，除體積要縮小外，還要在自發(fā)磁化方向伸長而變?yōu)闄E球形狀，以減小退磁因子Ｎ，這就是形狀效應(yīng)（如圖４－７）。有一單疇樣品在居里點(diǎn)ＴC以上是順磁球體，當(dāng)它冷卻至TC以下時(shí)發(fā)生自發(fā)磁化。對(duì)于鐵，為了降低交換能，須使交換積分A增大，因而原子間距離須相應(yīng)地增大（見圖４－４），結(jié)果體積也就隨磁化而增大，這就是自發(fā)體磁致伸縮（如圖４－８（b））同時(shí)由于各向異性能的影響，產(chǎn)生線磁致伸縮，其結(jié)果使圓球變?yōu)闄E球（如圖４－８（c））。在ＴＣ＜T，下，把上面的鐵磁橢球放在外磁場Ｈ中，當(dāng)H比飽和磁化場HＳ小時(shí)，橢球的形變主要是線性磁致伸縮（體積幾乎不變）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，線磁致伸縮與磁化過程密切相關(guān)，并表現(xiàn)出各向異性，被認(rèn)為是由各向異性能引起的。當(dāng)Ｈ比ＨＳ大時(shí)，橢球的形變主要是體磁致伸縮。假若鐵磁球是多疇結(jié)構(gòu)，自居里溫度冷卻下來后，疇要自發(fā)形變，但球只改變大小，不改變形狀（如圖４－９（b））。在某方向加磁場磁化，各疇取向基本沿外磁場，各個(gè)自發(fā)磁化的形變伸長方向也要排列在外磁場方向，因此球在磁場方向伸長，在垂直于此方向縮短（如圖４－９（ｃ）所示）。當(dāng)鐵磁體發(fā)生磁致伸縮時(shí)，其磁彈性能將會(huì)升高，致使這種形變不可能無限制地進(jìn)行下去，它實(shí)際上是多種能量相互制約，最后達(dá)總能量為最小的狀態(tài)。磁致伸縮的程度可用磁致伸縮系數(shù)來表征，它定義為鐵磁質(zhì)長度的相對(duì)變化λ＝Δl/l，

圖4-10表明了λ隨外磁場H的變化規(guī)律。達(dá)到飽和磁化時(shí)，λ為一確定值，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，以λＳ表示，λＳ有正（鐵）有負(fù)（鎳）。由于各向異性，不同晶軸方向的飽和磁致伸縮系數(shù)是不同的。磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用

利用此效應(yīng)可制成電聲換能器（磁致伸縮振子），它們很早就被用于超聲波的發(fā)生和檢測，應(yīng)用于音響探測儀、聲吶、超聲波洗滌滅菌，以及打孔、焊接等方面。為了獲得較強(qiáng)的超聲波，它們大多都在機(jī)械共振頻率下使用，由于振子尺寸的限制，頻率主要在幾千赫到幾百千赫。此外還可制成穩(wěn)頻器、濾波器、振蕩器、自動(dòng)控制器件等。磁致伸縮的另一個(gè)重要應(yīng)用是可制成應(yīng)力傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器。這種應(yīng)力傳感器多用于檢測１噸以上的重量，現(xiàn)在一般采用磁致伸縮系數(shù)較大的硅鋼片制成。在傳感器電路中，輸入應(yīng)力與輸出電壓成正比，精度一般為：１％～２％，最高可達(dá)0.3％～0·5％。轉(zhuǎn)矩傳感器可直接利用機(jī)器轉(zhuǎn)軸測量，且可測量出較小扭角轉(zhuǎn)矩。當(dāng)變壓器、鎮(zhèn)流器工作時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，這是由磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的，是它不利的一面。一般動(dòng)態(tài)磁致伸縮效應(yīng)大的材料有純鎳、鎳鈷、鎳鐵、鐵鈷、鐵鋁等的以及鎳、鎳鈷、鎳銅鈷鐵氧體（陶瓷）等，它們具有較大的磁致伸縮系數(shù)（10一５數(shù)量級(jí)），某些烯土鐵金屬化合物（TbＦｅ２鋱，TbFｅ３）甚至高達(dá)１０－３數(shù)量級(jí)。近來又出現(xiàn)了一些非晶磁致伸縮材料，例如金屬玻璃等。第４節(jié)威德曼效應(yīng)及逆效應(yīng)

威德曼效應(yīng)是沿著管狀鐵磁體的軸向通以電流，再在這個(gè)軸向施加磁場時(shí)，在這個(gè)軸的四周發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，電流產(chǎn)生的環(huán)狀磁場和軸向磁場的合成磁場使得磁疇的排列發(fā)生變化，引起自發(fā)磁化強(qiáng)度MＳ轉(zhuǎn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)造成了扭轉(zhuǎn)。因此，威德曼效應(yīng)即剪切磁致伸縮效應(yīng)。若在圓周方向加的是交流磁場，則產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。雖然在１9世紀(jì)60年代就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)效應(yīng)，但近來這種扭轉(zhuǎn)振子才找到應(yīng)用。逆威德曼效應(yīng)是指把管狀鐵磁體繞軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，若沿軸向施加磁場，則沿管的圓周方向產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象。IHMs問題16以下哪個(gè)量對(duì)磁致伸縮影響較小A、材料各向異性B、磁疇取向C、居里溫度D、自發(fā)磁化E、楊氏模量第５節(jié)巴克好森效應(yīng)

當(dāng)鐵磁物質(zhì)被磁化時(shí)，由于其中磁疇大小和取向變小的不連續(xù)性，以致磁化過程以一系列小跳躍的形式進(jìn)行（如圖４－１１（ａ）所示），這種效應(yīng)稱為巴克好森(Barkhousen)效應(yīng)。如果把正在磁化的樣品放在一個(gè)連接到放大器和揚(yáng)聲器的線圈之內(nèi)，跳躍式的磁化過程，會(huì)引起一系列咔嗒聲。巴克好森效應(yīng)一般發(fā)生在磁滯回線的陡峭部分，是支持磁疇理論的一項(xiàng)重要依據(jù)。此效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)特征依賴于材料的微組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。此效應(yīng)是巴克好森在1919年發(fā)現(xiàn)的，他的目的在于闡明磁疇的運(yùn)動(dòng)。６０年代后，它得到了更深入的理論研究，同時(shí)開拓了眾多應(yīng)用領(lǐng)域。我們知道，鐵磁質(zhì)都是由一個(gè)個(gè)小磁疇組成，每個(gè)磁疇內(nèi)的原子磁矩都沿同一方向排列，但不同磁疇的磁矩取向不同。兩個(gè)磁疇交界為疇壁，無外磁場時(shí)，由于磁疇磁矩取向的雜亂，對(duì)外不顯示磁性。當(dāng)施加外磁場，鐵磁質(zhì)被磁化。圖４－１１（b）表明磁場逐步增大時(shí)，磁化過程中磁疇運(yùn)動(dòng)變化的四個(gè)階段。第一階段是疇壁的可逆位移。在外磁場較小時(shí)，通過疇壁的移動(dòng)，使取向與磁場方向一致的疇得以擴(kuò)展，而取向與磁場方向相差大的疇則收縮，這樣造成了樣品的磁化。這時(shí)若把磁場去掉，疇壁又會(huì)退回原地，整個(gè)樣品回至無磁性體態(tài)，由此可見，在這個(gè)階段疇壁的移動(dòng)是可逆的。第二階段是不可逆的磁化。隨著外磁場的增大，磁化強(qiáng)度急劇增加，并且出現(xiàn)了巴克好森效應(yīng)，這是因?yàn)楫牨诘囊苿?dòng)和磁疇結(jié)構(gòu)的變化是跳躍式的。第三階段是磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著外磁場的進(jìn)一步增加，疇壁移動(dòng)基本完畢，這時(shí)只有靠磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)，才能使磁化強(qiáng)度增加。一般情況下，可逆與不可逆的疇轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生于這一階段，因此也有巴克好森效應(yīng)存在。第四階段是趨近飽和階段。其特點(diǎn)是，盡管外磁場增加很大，磁化強(qiáng)度增加卻很小，它是由磁疇磁矩可逆轉(zhuǎn)動(dòng)造成的。從磁疇變化角度看，磁化過程包括兩種基本形式：①疇壁移動(dòng)；②磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)不同的鐵磁材料，它們發(fā)生于哪一階段不盡相同，但上述分析還是具有一般性的。1．疇壁的移動(dòng)引起巴克好森效應(yīng)

巴克好森效應(yīng)主要由疇壁的移動(dòng)產(chǎn)生的。布洛赫認(rèn)為疇壁是一個(gè)磁矩方向逐漸改變的過渡層（如圖4-12(a)），這里以180°疇壁來說明疇壁移動(dòng)的過程。EＨ=（－μ０ＨＭＳcos０°＋μ０ＨＭＳcos180°）Ｘ＝－２μ０ＨＭＳＸ所以：Ｅ總＝－２μ０ＨＭＳＸ＋ＥＷ若外加磁場H與A疇的磁化強(qiáng)度MＳ一致，而與Ｂ疇的ＭＳ相反，則在Ｈ作用下，各磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得疇壁中靠近A疇的磁矩轉(zhuǎn)至Ｈ方向而進(jìn)入A疇，B疇的磁矩偏離原來方向而進(jìn)入疇壁。結(jié)果使Ａ疇體積增大，B疇體積縮小，相當(dāng)于疇壁移動(dòng)了一段距離Ｘ,此時(shí)單位面積的180°疇壁的總自由能由兩部分組成：疇壁能ＥＷ和靜磁能隨著壁移Ｘ的增大，靜磁能減小，但疇壁能增大，故由自由能極小條件

Ｅ總/＝0可求得平衡條件（疇壁不移動(dòng)的條件）:

20HMS=EW/

疇壁能的增大產(chǎn)生了疇壁移動(dòng)的阻力，這些阻力來源于鐵磁體內(nèi)的不均勻性，例如：內(nèi)應(yīng)力的起伏分布，組成成分的起伏分布、雜質(zhì)、氣孔和非磁性等。設(shè)疇壁能EＷ在材料中的分布及

ＥＷ/

如圖4-13(b)、(c)所示，在退磁狀態(tài)H＝0時(shí)；疇壁應(yīng)在ＥＷ/Ｘ＝0處，即0點(diǎn)；當(dāng)外加適當(dāng)磁場H＝H１時(shí)，疇壁移到Ｘ１位置，且滿足

20H１MS=EW/ＸＸ＝Ｘ１圖４－１４１８０疇磁滯回線從０到a這一段疇壁移動(dòng)是可逆的，當(dāng)疇壁移到a點(diǎn)時(shí)，便達(dá)ＥＷ/Ｘ的極大值點(diǎn)，這時(shí)Ｈ稍增大一點(diǎn)，疇壁便會(huì)移動(dòng)很大一段距離，達(dá)b點(diǎn)才停止，從a到b這一段是疇壁移動(dòng)的不可逆階段，是一個(gè)跳躍式的過程，因?yàn)槿魧⑼獯艌鯤減為零，疇壁不能退回到0點(diǎn)，只能到C點(diǎn)。

所以可逆遇不可逆的臨界外磁場為：1EW

H0＝20MS

X

max巴克好森效應(yīng)疇壁移動(dòng)由a到b后，減小外場至H＝0，由于壁移的不可逆性，進(jìn)到剩磁狀態(tài)c。若要將疇壁移動(dòng)到ｘ＝0處，必須加一反向磁場，即矯頑力HC，疇壁就經(jīng)歷了cdf的反磁化，df也是一個(gè)跳躍式的位移過程，因此巴克好森效應(yīng)也能發(fā)生在磁滯回線的其他陡峭部分。圖4-14為180°疇壁位移形成的磁疇的磁化曲線和磁滯回線。在磁化過程中，疇壁到達(dá)a點(diǎn)以后，便出現(xiàn)不可逆壁移，是因?yàn)閍點(diǎn)阻力是極大值ＥＷ

＝

ＥＷＸaＸmax所以可逆與不可逆的臨界外磁場力大于H0時(shí)，疇壁就會(huì)出現(xiàn)多次跳躍式的位移（如圖4-15（ａ）所示），相應(yīng)磁化曲線的巴克好森效應(yīng)如圖４－１５（ｂ）所示。OA，BC，DE是可逆壁移階段，AB，CD，EF是不可逆壁移階段，AF在磁化曲線上就是陡峭部分。巴克好森跳躍往往被作為不可逆壁移的標(biāo)志。2．磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)引起巴克好森效應(yīng)

磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)也可產(chǎn)生巴克好森效應(yīng)，如圖4-16，以單軸物質(zhì)為例，當(dāng)外磁場H＝0時(shí)，磁疇磁矩在易磁化方向；當(dāng)加一與此方向成０角的外場Ｈ，若沒有阻礙，磁矩會(huì)轉(zhuǎn)至＝０的位置，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，雖然靜磁能ＥＨ減小，但磁晶各向異性能Ｅｋ增大，所以只能轉(zhuǎn)至

0的位置（如圖4-16（ａ）所示）。單位體積總自由能：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)引起巴克好森效應(yīng)

于是由平衡條件Ｅ/＝０即可決定平衡時(shí)角度。這時(shí)若把Ｈ去掉,ＭＳ仍可回到原來的易軸方向，因此是可逆轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]圖4-16（b）的情況，

90，當(dāng)H由零起增加，也由零逐漸增加，當(dāng)不大時(shí)，若把Ｈ去掉，ＭＳ仍回到原來易軸上，這也是可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。若繼續(xù)增大Ｈ至臨界磁場H０，MＳ旋轉(zhuǎn)大到某處，會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)至H并在各向異性能等效場作用下，超過H達(dá)d到圖4-16(c)的位置，這是一個(gè)急劇跳躍式的轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)若去掉Ｈ，MＳ將不能回到原來向上的易軸上，而達(dá)到向下的易軸上，因此這是不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)，也是巴克好森效應(yīng)的來源之一。近年來此效應(yīng)在材料研究和測量技術(shù)方面得到應(yīng)用

（1）微結(jié)構(gòu)和晶粒度的測量：鐵磁材料的多晶結(jié)構(gòu)中的空隙、雜質(zhì)、脫溶物、位錯(cuò)等缺陷以及晶粒度的大小，都對(duì)疇壁移動(dòng)有制約作用，因而影響巴克好森信號(hào)。通過測量這種信號(hào)，可分析材料的微結(jié)構(gòu)和晶粒度分布，同常用的光學(xué)分析方法相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：測量速度快，可對(duì)大物體進(jìn)行快速檢測．且可迅速反饋給生產(chǎn)過程，是無損檢測，結(jié)果客觀，費(fèi)用低廉。另外，用這種技術(shù)還可測量硅鋼晶粒取向的各向異性參數(shù)，馬氏體硬度、奧氏體鋼中鐵素體含量等。（2）應(yīng)力的測量：應(yīng)力作用于鐵磁體上引起磁彈性能變化，從而改變巴克好森效應(yīng)的信號(hào)。用此效應(yīng)測量應(yīng)力就是基于信號(hào)對(duì)應(yīng)力的這種依賴關(guān)系，這種技術(shù)與用應(yīng)變儀、X射線、超聲、光學(xué)以及穆斯堡爾譜測量應(yīng)力相比，具有快速簡便、無損傷的特點(diǎn)。此技術(shù)目前已用于檢測焊接和熱處理時(shí)的殘余應(yīng)力爆炸時(shí)的瞬間應(yīng)力以及監(jiān)視構(gòu)件應(yīng)力變化以預(yù)測其安全性。在軍事上用于炮殼、槍筒、炮車的檢測。（３）鐵損測量：磁性材料的鐵損是決定變壓器、電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)等設(shè)備性能的重要參量，測量鐵損用巴克好森效應(yīng)的方法省時(shí)省力、簡便。第六節(jié)金屬磁記憶效應(yīng)1994年，杜波夫教授在“Metalmagneticmemory”一文中首次介紹了金屬磁記憶概念，經(jīng)過20多年來的理論和實(shí)踐研究，金屬磁記憶檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成較為成熟的無損檢測方法。針對(duì)該項(xiàng)檢測技術(shù)，俄羅斯聯(lián)邦工程監(jiān)督部門(RussianFederationStateEngineeringSupervision)已通過了30多種指導(dǎo)性文件，如：pp10-262-98，pp153-34.1-17.421-98，火力發(fā)電廠鍋爐、汽輪機(jī)管道主要部件金屬檢測和延長使用壽命典型規(guī)程；pp34.17.446-97蒸汽和熱水鍋爐表面受熱管件技術(shù)診斷方法指導(dǎo)規(guī)程；pp03-380-00儲(chǔ)存可燃?xì)怏w的壓力球罐和氣罐檢測規(guī)程等，有效的應(yīng)用于各工業(yè)部門。一、金屬磁記憶物理機(jī)制金屬磁記憶檢測的物理基礎(chǔ)是自發(fā)磁化現(xiàn)象、磁機(jī)械效應(yīng)、磁致伸縮，磁彈性效應(yīng)、金屬疲勞。自發(fā)磁化現(xiàn)象：原先不顯磁性的某些鐵磁性材料工件經(jīng)切削加工后，工件本身和刀具被強(qiáng)烈磁化，而某些本來并無磁性的機(jī)器零部件在運(yùn)行一段時(shí)間之后卻顯出了磁性，稱前者為“加工磁化”，后者為運(yùn)行磁化；磁記憶效應(yīng)即為運(yùn)行磁化現(xiàn)象。磁機(jī)械效應(yīng)，在地磁場作用的條件下，缺陷處的磁導(dǎo)率減小，工件表面的漏磁場增大，鐵磁材料的這一特性稱為磁機(jī)械效應(yīng)。磁致伸縮是指伴隨著鐵磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)而產(chǎn)生的大小和形狀的變化，同時(shí)也包括由應(yīng)力產(chǎn)生的磁化狀態(tài)的變化。鐵磁性物質(zhì)磁化時(shí)其長度發(fā)生變化的效應(yīng)稱為線性磁致伸縮，體積發(fā)生變化時(shí)稱為體積磁致伸縮。該效應(yīng)的產(chǎn)生使單晶在晶軸方向磁化時(shí)發(fā)生線性磁致伸縮，大小可用磁致伸縮系數(shù)λs表示，λs=ΔL/L，式中L為晶體在某晶軸上的長度；ΔL為由于磁致伸縮引起的該晶軸方向上長度的變化量。λs為正時(shí)表現(xiàn)為沿晶軸方向伸長，為負(fù)時(shí)則表現(xiàn)為縮短。鐵磁學(xué)指出當(dāng)彈性應(yīng)力作用于鐵磁體時(shí)，鐵磁體不但會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變現(xiàn)象，從而引起磁疇壁的位移，改變自發(fā)磁化強(qiáng)度的方向和應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率，即磁彈性效應(yīng)。圖1為磁彈性效應(yīng)示意圖，它表明當(dāng)鐵質(zhì)工件的某一部位在周期性負(fù)載和外部磁場（如地球磁場）的共同作用時(shí)，該處會(huì)出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度和自磁化的增長，即在振動(dòng)負(fù)載的作用下，處于地球磁場中的鐵磁體磁化——退磁過程具有非對(duì)稱性，在磁化或退磁過程中分別積累或放出的磁性能不相等，故每經(jīng)過一次磁化——退磁循環(huán)，鐵磁質(zhì)都會(huì)獲得一個(gè)由其磁化——退磁曲線決定的磁感應(yīng)增量。雖然十分微小，但如果這種磁化——退磁過程的循環(huán)次數(shù)十分巨大的話，則可達(dá)到相當(dāng)大的量值，最終使該物體趨近并達(dá)到其最大剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（,為外部磁場）。對(duì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，因?yàn)樗鼈兊拇呕屯舜徘€都是相同的直線，故其磁化和退磁作用相互抵消，不會(huì)積累出可觀的剩磁，所以導(dǎo)體在地球磁場中運(yùn)動(dòng)而自發(fā)強(qiáng)烈磁化的充分條件是：必須是鐵磁性物質(zhì)，且其磁化——退磁過程的循環(huán)次數(shù)十分巨大。設(shè)備金屬構(gòu)件和零部件發(fā)生損壞的主要原因是機(jī)械應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞失效。金屬疲勞是指在交變應(yīng)力的作用下，金屬材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象。機(jī)械零件在交變壓力的作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后，在局部高應(yīng)力區(qū)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴(kuò)展以致斷裂。疲勞破壞具有突發(fā)性、局部性以及對(duì)環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn)，故疲勞破壞常不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)是影響金屬疲勞的三個(gè)主要因素。二、金屬磁記憶現(xiàn)象鐵磁體在載荷和地球磁場的共同作用下會(huì)產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象，是磁彈性效應(yīng)和磁機(jī)械效應(yīng)共同作用的結(jié)果。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的內(nèi)部原因取決于鐵磁晶體的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即鐵磁工件在經(jīng)熔煉、鍛造及熱處理等加工工藝時(shí)，溫度大大超過居里點(diǎn)，構(gòu)件內(nèi)部的磁疇組織會(huì)被瓦解，磁性消失，隨后在金屬冷卻到居里點(diǎn)以下的過程中，一方面鐵磁晶體重新形成磁構(gòu)造，另一方面，會(huì)由于材料內(nèi)部的各種不均勻性（如形狀，結(jié)構(gòu)及含有夾雜或缺陷等）而形成組織結(jié)構(gòu)不均勻的遺傳性。這些組織結(jié)構(gòu)的不均勻部位往往是缺陷或應(yīng)力集中的部位，一般以位錯(cuò)的形式存在，并在地球磁場的環(huán)境中由于磁機(jī)械效應(yīng)的作用會(huì)出現(xiàn)磁疇的固定節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生磁極，形成退磁場，以微弱的漏磁場形式在工件表面出現(xiàn)，表現(xiàn)為金屬磁記憶。三、金屬磁記憶現(xiàn)象能量平衡解說鐵磁體內(nèi)存在的相互作用能量決定著鐵磁性物質(zhì)中磁疇的形成。在外磁場作用下，鐵磁體受外應(yīng)力或者本來存在的內(nèi)應(yīng)力作用，由于其處于穩(wěn)定狀態(tài)，故內(nèi)部的相互作用能量可表述為：（1）在外磁場作用下鐵磁體增加的自由能等于磁化功，由于任何鐵磁晶體在磁化特性上都顯示各向異性，表現(xiàn)為磁晶各向異性能，晶體的這部分自由能與磁化方向有關(guān)，以立方晶系為例，（2）K1,K2為各向異性常數(shù)，a1,a2,a3為磁化方向與三個(gè)晶軸間的夾角，它是在假設(shè)磁晶體無任何形變情形下，由于磁化強(qiáng)度矢量離開易磁化軸方向而增加的自由能部分。當(dāng)磁化強(qiáng)度矢量離開易磁化軸方向或鐵磁體受到彈性應(yīng)力時(shí)，鐵磁體不但發(fā)生彈性形變還會(huì)發(fā)生磁致伸縮性質(zhì)的形變，這部分由磁致伸縮而產(chǎn)生的形變能稱為磁彈性能，如立方晶系的磁彈性能為（3）B1,B2為磁化與形變相互作用的磁彈性耦合系數(shù)，ai,aj為磁化方向與各晶軸間的夾角余弦，eii,eij為形變分量（i,j=x,y,z）即沿各軸的拉伸應(yīng)變。根據(jù)彈性力學(xué)，當(dāng)把晶體看成無磁性時(shí)，晶體內(nèi)原子位置發(fā)生變化產(chǎn)生彈性形變，這部分形變能表現(xiàn)為晶體的彈性能（4）Exx,Eyy,Ezz,Exy,Eyz,Ezx為形變的6個(gè)分量，沿x,y,z軸的拉伸應(yīng)變C11,C44,C12為彈性模量。若對(duì)鐵磁構(gòu)件施加載荷，動(dòng)態(tài)應(yīng)力的存在會(huì)使物體產(chǎn)生應(yīng)變，從而使構(gòu)件內(nèi)部的位錯(cuò)沿由位錯(cuò)線與伯格斯矢量所確定的滑移面產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)，且在滑移過程中要克服晶格點(diǎn)陣阻力以及與雜質(zhì)或缺陷之間的交互作用力從而引起晶體位錯(cuò)密度的增加，即位錯(cuò)的增殖，產(chǎn)生很高的應(yīng)力能，形成應(yīng)力集中區(qū)[4]。應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力能大小與動(dòng)態(tài)應(yīng)力的大小、作用時(shí)間及頻率有關(guān)，例如各向同性磁致伸縮材料的應(yīng)力能為（5）式中s為應(yīng)力，ls為磁致伸縮系數(shù)，q為應(yīng)力方向與磁化強(qiáng)度矢量之間的夾角。根據(jù)“實(shí)際存在的狀態(tài)必然是能量最小狀態(tài)”的原則，由（1）式可以看出要達(dá)能量最小狀態(tài)只能通過減小應(yīng)力能和磁彈性能來實(shí)現(xiàn)，又由（5）式可知改變磁化強(qiáng)度矢量的方向可減小應(yīng)力能。當(dāng)鐵磁體受到彈性應(yīng)力作用后，對(duì)于各向同性材料，磁致伸縮系數(shù)s為正時(shí)，疇壁趨向平行于張力的方向；s為負(fù)時(shí)，趨向垂直于張力方向，即鐵磁體磁化強(qiáng)度會(huì)在應(yīng)力作用下被迫改變方向從而減小應(yīng)力能。但彈性應(yīng)力或殘余應(yīng)力會(huì)使應(yīng)力能增加，根據(jù)磁機(jī)械效應(yīng)機(jī)理可知，由于磁機(jī)械效應(yīng)的作用引起構(gòu)件內(nèi)部的磁疇在地球磁場中作疇壁位移甚至不可逆的重新取向排列，用以增加磁彈性能的形式來抵消應(yīng)力能的增加，從而鐵磁構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生大大高于地球磁場強(qiáng)度的磁場強(qiáng)度，使鐵磁質(zhì)的總能量處于最低狀態(tài)。由于鐵磁材料存在多種內(nèi)耗效應(yīng)，加載時(shí)在材料內(nèi)部形成的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)得以保留下來，保留下來的應(yīng)力集中區(qū)具有較高的應(yīng)力能，為抵消應(yīng)力能引發(fā)的組織重新取向也保留下來，并在應(yīng)力集中區(qū)形成類似缺陷的漏磁場分布形式，即磁場的切向分量有最大值，法向分量過零點(diǎn)。四、金屬磁記憶檢測原理及檢測儀

1、檢測原理由金屬磁記憶效應(yīng)可知，當(dāng)鐵磁性金屬零件在加工和運(yùn)行時(shí)，由于受載荷和地磁場共同作用會(huì)產(chǎn)生疲勞、蠕變形成微裂紋，在應(yīng)力集中區(qū)會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇定向和不可逆的重新取向。這種磁狀態(tài)的不可逆變化，在工作載荷消除后不僅會(huì)保留，還與曾經(jīng)有過的最大作用應(yīng)力有關(guān)，金屬構(gòu)件表面的這種剩磁狀態(tài)記憶著微觀缺陷或應(yīng)力集中的位置。理論與實(shí)踐研究證明，在部件缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，且法向分量Hp(y)改變符號(hào)具有零值（圖2）。實(shí)踐中，一般通過檢測法向分量Hp(y)來完成部件的檢測[4,]。在量值方面動(dòng)力診斷公司首先提出漏磁場磁場強(qiáng)度為：（6）其中為磁彈性效應(yīng)的不可逆分量，BH為殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度，為外磁場強(qiáng)度，是該環(huán)境下的特定常量，式中m0=4×10-7為真空磁導(dǎo)率。金屬磁記憶的優(yōu)缺點(diǎn)金屬磁記憶檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要采用專門的磁化裝置，而是利用構(gòu)件的自發(fā)磁化現(xiàn)象；不需要對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行專門的清理，可保持零部件在原始狀態(tài)下進(jìn)行檢測；探頭提離效應(yīng)小，采用傳感器探測時(shí)可離開金屬表面（提離幾毫米甚至幾十毫米對(duì)檢測結(jié)果影響不大），是目前唯一能以1mm精度確定應(yīng)力集中區(qū)的方法；不需要采用耦合技術(shù)，添加耦合劑，特別適合野外操作；與其它磁檢測法相比，它可快速準(zhǔn)確測定應(yīng)力集中區(qū)（100m/h），且檢測靈敏度高。其缺點(diǎn)是它是一種弱磁信號(hào)檢測方法，信號(hào)易于受干擾，如材質(zhì)、缺陷大小和種類、外激勵(lì)或殘余磁場的大小和方向以及表面粗糙程度。檢測時(shí)只能發(fā)現(xiàn)缺陷可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)部位，尚不能對(duì)缺陷的形狀、大小及性質(zhì)進(jìn)行定性定量的具體分析。金屬磁記憶檢測技術(shù)的不完善性1、金屬磁記憶這一現(xiàn)象，物理基礎(chǔ)很明確，且存在從電磁學(xué)角度出發(fā)的電磁感應(yīng)學(xué)說以及基于鐵磁學(xué)基本理論的能量平衡說等（其中能量學(xué)說是比較受關(guān)注的理論），但至今還未建立令人滿意的鐵磁構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力與表面漏磁場之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究。如最近周俊華等[]，從鐵磁性的唯象理論出發(fā)，利用近似的分子場，得到了受力金屬桿件有效場表達(dá)式，對(duì)磁致伸縮為正的鐵磁體材料在應(yīng)力集中處漏磁場切向分量出現(xiàn)最大值、同時(shí)法向分量為零值的現(xiàn)象給出了理論解釋，為磁記憶研究提供了一定的理論依據(jù)。2、影響磁記憶信號(hào)的因素很多，如材質(zhì)、表面粗糙程度、外激勵(lì)或殘余應(yīng)力場的大小和方向等，需要我們確定各種因素的主次關(guān)系。要建立特定條件下部件磁記憶信號(hào)和應(yīng)力、變形集中區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來制定評(píng)判應(yīng)力和變形集中區(qū)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。3、初始狀態(tài)的過零點(diǎn)不能表征工件潛在危險(xiǎn)部位。在磁記憶信號(hào)的過零點(diǎn)、幅度和梯度值隨應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化情況的研究有所欠缺。沈功田、陳玉玲等對(duì)磁記憶信號(hào)幅度和梯度隨應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行了研究，但對(duì)在小區(qū)域應(yīng)力釋放時(shí)磁記憶信號(hào)的幅度值為何會(huì)出現(xiàn)下降和上升的振蕩還無合理的解釋。4、鐵磁性材料塑性形變后漏磁信號(hào)的變化，雖然已有不少的報(bào)道，但磁信號(hào)會(huì)增強(qiáng)、無明顯變化、亦或減弱，說法不一。5、金屬磁記憶檢測的目的就是檢測應(yīng)力集中區(qū)裂紋、夾雜等缺陷是否存在以及其位置和大小。但檢測到的結(jié)果通常是裂紋、缺陷相互影響的情況下的漏磁場。因此，研究相鄰缺陷的識(shí)別和評(píng)估對(duì)缺陷的精確識(shí)別具有重要的意義[]。理論上可通過建模來實(shí)現(xiàn)，如：張衛(wèi)明，Doubov等建立圓筒狀零件的磁彈性理論模型[]，丁輝等建立了磁記憶檢測裂紋類缺陷理論模型[]，為深入挖掘“變化應(yīng)力場(變化磁通量)、裂紋的具體類型、外界條件”三者之間的聯(lián)系奠定了基礎(chǔ)。

6、進(jìn)一步完善金屬磁記憶檢測儀器，包括探頭、主機(jī)和信號(hào)識(shí)別與分析軟件。由于影響磁記憶信號(hào)的因素很多且為弱磁信號(hào)檢測易受外部干擾，故采用單參數(shù)Hp(y)診斷有時(shí)很難給出令人信服的答案，不利于對(duì)部件整體應(yīng)力分布進(jìn)行評(píng)判，特別是對(duì)磁場強(qiáng)度變化斜率K曲線的智能判斷，因此，發(fā)展多通道、多參量診斷技術(shù)是解決這一問題的有效途徑。7、建立磁記憶方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從長期的目標(biāo)來看，定量分析漏磁信號(hào)與應(yīng)力集中和變形集中區(qū)的關(guān)系，使金屬磁記憶法能用于定量判斷，并能方便地應(yīng)用工程實(shí)際。在此基礎(chǔ)上開發(fā)相關(guān)弱磁檢測方法，開辟一個(gè)新的弱磁檢測技術(shù)科學(xué)。目前國內(nèi)在這方面的研究無論是從理論上還是在實(shí)際應(yīng)用方面與國外尚有一定的差距，雖然在電力、石油石化等領(lǐng)域有了初步的應(yīng)用，但目前還沒有形成這一技術(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）無損檢測超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）無損檢測也是目前研究比較多的一種檢測技術(shù)。雖然基于SQUID的無損檢測系統(tǒng)價(jià)格較貴、操作不方便（附帶低溫冷卻裝置）會(huì)限制其使用范圍，但SQUID的高帶寬、高磁場靈敏度特性，預(yù)示它在該領(lǐng)域會(huì)具有很大的發(fā)展?jié)摿筒豢商娲淖饔茫貏e是高溫SQUID制備技術(shù)的發(fā)展和成熟SQUID在無損檢測中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。SQUID無損檢測SQUID無損檢測實(shí)質(zhì)上是探測被測物體附近的磁場分布從而非接觸地獲得與磁信號(hào)有關(guān)的信息（如缺陷大小、深度等等）。根據(jù)磁場產(chǎn)生的特點(diǎn)通常可分為：無源法：前者無需激勵(lì)場，主要用于探測非鐵磁材料內(nèi)的磁參雜、檢測鐵磁材料的應(yīng)力分布、探測鐵磁體表面的磁通泄漏（MFL）等。有源法：需要對(duì)被測材料施加電流或利用電磁激勵(lì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，電流（或渦流）的分布與導(dǎo)體的導(dǎo)電特性有關(guān)，如果導(dǎo)體中存在缺陷，該缺陷將會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，例如導(dǎo)體塊中如果存在裂縫，電流（或渦流）在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)會(huì)繞過裂縫而重新分布，通過SQUID檢測該電流（或渦流）所產(chǎn)生的磁場，就可得到有關(guān)缺陷的信息。

SQUID無損檢測原理

激勵(lì)頻率與激勵(lì)線圈SQUID無損檢測中的電磁激勵(lì)方法，激勵(lì)信號(hào)常用正弦交變電流，其檢測深度（或SQUID最佳信號(hào)響應(yīng)大?。?huì)受趨膚深度的限制（如圖１所示），其中f表示激勵(lì)信號(hào)頻率，和分別為被測材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)特定的非鐵磁性金屬材料，如果缺陷位于所選激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)的趨膚深度附近，可獲得最大的響應(yīng)信號(hào)。因此通常對(duì)深層缺陷，使用較低頻率的激勵(lì)電壓，對(duì)表層缺陷，則使用較高頻率的激勵(lì)電壓。圖１.SQUID電磁檢測中趨膚深度與激勵(lì)頻率關(guān)系示意圖圖5.SQUID電磁檢測中趨膚深度與激勵(lì)頻率關(guān)系示意圖激勵(lì)線圈的作用就是產(chǎn)生交變電磁場，以便在被測材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生渦旋電流。不同類型的激勵(lì)線圈如圖２所示，實(shí)際應(yīng)用中更多采用梯度型線圈，如雙“D”型，由于SQUID位于雙“D”線圈中心軸上方位置，所以理想情況下線圈產(chǎn)生的激勵(lì)場對(duì)SQUID的響應(yīng)為零，SQUID的輸出只反映被測材料中渦流產(chǎn)生的磁場分布，這樣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可大大提高。最近的研究表明，利用兩個(gè)對(duì)稱的激勵(lì)線圈放置在杜瓦突出部位外側(cè)，結(jié)合平衡處理電路，很容易實(shí)現(xiàn)相對(duì)SQUID的精確平衡（類似雙“D”線圈），提高了對(duì)深層缺陷的檢測能力和高的空間分辨率。鐵磁材料檢測如果對(duì)鐵磁材料，由于其磁導(dǎo)率較高，在相同的激勵(lì)頻率下，鐵磁材料的趨膚深度比非鐵磁材料小很多，因此檢測鐵磁材料內(nèi)部缺陷時(shí)，一般要使用較低的激勵(lì)頻率。在低頻區(qū)域，SQUID無損檢測比傳統(tǒng)的渦流檢測具有更高的靈敏度。但是鐵磁材料產(chǎn)生的殘余磁場通常超過SQUID系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，即鐵磁材料的移動(dòng)容易導(dǎo)致SQUID系統(tǒng)失去鎖定狀態(tài)。在應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁材料的檢測，SQUID檢測系統(tǒng)必須利用相關(guān)設(shè)計(jì)以補(bǔ)償鐵磁材料所產(chǎn)生的殘余磁場。例如DFHe等人用rfSQUID磁強(qiáng)計(jì)、補(bǔ)償線圈和補(bǔ)償電路組成的渦流檢測系統(tǒng)，在激勵(lì)頻率為33Hz，激勵(lì)線圈電流為10mA時(shí)，成功探測出鑄鐵樣品內(nèi)約3mm深的缺陷。MvKreutzbruck等人同樣利用補(bǔ)償電路提高了檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)了高背景場下的缺陷檢測。電磁反演方法通常在應(yīng)用中為了更好地表征探測結(jié)果，有時(shí)需要將磁場信號(hào)經(jīng)過電磁反演方法生成源電流圖像。這樣一方面可以直觀地提取與缺陷相關(guān)的信息，如形狀、大小、深度等等，另一方面通過空間濾波處理可提高檢測結(jié)果的空間分辨率。在電磁反演中，通過選擇合適的空間截止頻率，過濾噪聲能夠在最終圖像上得到更高的信噪比，使空間分辨率優(yōu)于未過濾前的圖像。S.Chatraphorn等，經(jīng)過數(shù)值處理的電流圖像的分辨率超過原磁場圖像分辨率的20倍、達(dá)到樣品與SQUID間距的五分之一。通過研究，他們得出了電流密度成像的空間分辨率s的表達(dá)式，即s與SQUID和樣品之間的距離Z0呈線性關(guān)系，與電流圖像的像素尺寸、信號(hào)電流、磁場噪聲和最終的電流圖像信噪比呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

SQUID無損檢測系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)性研究或基礎(chǔ)性研究的SQUID無損檢測系統(tǒng)，其傳感部件通常是固定的，掃描檢測時(shí)移動(dòng)的是被測樣品，圖３為一種典型的SQUID無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中核心部件為SQUID和低溫杜瓦。圖３.無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖SQUID無損檢測應(yīng)用航空器零部件檢測

目前雖然傳統(tǒng)的渦流檢測（典型工作頻率100kHz-10MHz）仍然是航空器件的一種標(biāo)準(zhǔn)無損檢測方法，但如果缺陷較小或缺陷位于部件深處時(shí)，傳統(tǒng)渦流檢測的靈敏度不夠（例如當(dāng)檢測頻率小于100Hz時(shí)），因此需要借助SQUID。如圖1所示，樣品為空中巴士A380的中外部機(jī)翼接合處，由3層厚板結(jié)合而成，總厚度達(dá)62mm，第二層與鈦螺釘相連處存在長度達(dá)30mm的裂縫，裂縫位于表面下方31-46mm處。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于這種位于厚板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷只能依靠SQUID檢測系統(tǒng)來完成。圖1.空中巴士A380機(jī)翼連接處示意圖半導(dǎo)體摻雜均勻性檢測

半導(dǎo)體材料摻雜的均勻性很大程度上影響著半導(dǎo)體器件的性能，均勻性主要是指摻雜的空間分布和摻雜的純度。通過SQUID探測