高分辨率巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像系统的制作方法

本发明属于电磁无损检测技术领域，结合多功能磁信号检测装置和三轴运动平台，并配置高分辨率磁敏元件，实现对铁磁性块体或磁性薄膜材料的巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像。成像结果可直接用于判定材料的磁均匀性，间接反映材料内部微观结构、残余应力的分布状态。

背景技术：

铁磁性块体或磁性薄膜材料制备工艺研究和成品质量控制中，均需要技术手段对制备样品的(厚度、磁特性、微观结构、残余应力)均匀性进行检测。已有研究表明，通过合理的标定实验(专利名称：铁磁性材料结构力学性能的微磁检测标定方法，公开号:cn105891321a)，可以建立起磁参量与多种指标(厚度、磁特性、微观结构、残余应力)的关联，也即发展出厚度、微观结构和残余应力均匀性的磁检测方法，其关键是磁均匀性检测技术。

公开号为cn104502443a的发明专利公布了一种多功能微磁检测传感器，但其励磁磁路结构不适用于小尺寸铁磁性块体或磁性薄膜材料，传感器的横向分辨率太低，无法提供高质量的磁均匀性成像结果。因此，本发明提供了一种高分辨率巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像系统，面向小尺寸铁磁性块体或磁性薄膜材料进行励磁，利用高分辨率磁头7检测局域化巴克豪森噪声、涡流与增量磁导率，借助于三轴运动平台，搭载高分辨率磁头7实现对被测材料的扫查成像。公布的高分辨率巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像系统可以评价小尺寸铁磁性块体或磁性薄膜材料的多种磁参量的均匀性，间接反映材料内部微观结构和残余应力的分布状态。

技术实现要素：

本发明搭建了高分辨率巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像系统，目的在于测得试件表面多种磁参量的分布状态，实现磁特性成像，以反映材料内部微观结构和残余应力的分布状态。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为高分辨率巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像系统，由上位机10控制多功能电磁检测装置对铁磁性块体或磁性薄膜材料进行局域化巴克豪森噪声、涡流和增量磁导率等特征磁信号检测，上位机10中的软件能从检测的特征磁信号中提取至少十四项磁参量；采用三轴运动平台搭载电磁检测装置中的磁头7对铁磁性块体或磁性薄膜材料进行平面扫查，得到磁参量的空间分布成像结果；改变磁头7采用的磁芯18末端空气间隙宽度0.2～10μm，磁头7的横向分辨率可在10～100μm范围内进行调整。

双路信号激励电路1与功率放大器2连接，励磁线圈3缠绕在励磁磁芯13上并连接到功率放大器2，被测试件8固定于励磁磁芯13极靴之间的载物台9中，磁头7与信号调整电路5连接，磁头7主要由磁芯18、检测线圈14、感应线圈17、弹簧15和传感器外壳16组成，弹簧15和磁芯18安装在传感器外壳16的中间，磁芯18位于弹簧15下方；磁芯18为不闭合的框架结构，框架结构的不闭合处设有外凸的对称钩状结构，两钩状结构的尖端间存在小于1μm的空气气隙。检测线圈14和感应线圈17缠绕于磁芯18上，将磁头7和霍尔元件4分别放置于被测试件8的上下表面，霍尔元件4和信号调整电路5与多通道数据采集卡6连接，三轴运动平台12与运动控制平台11连接，同时把多通道数据采集卡6和运动控制平台11连接到上位机10。

对试件进行巴克豪森噪声扫查成像的流程是：双路信号激励电路1中产生一路低频(0.5～200hz)正弦波信号，经功率放大器2进行功率放大后，通入励磁磁路的励磁线圈3，提供低频交变磁场对被测试件8进行周期磁化，固定放置于被测材料下表面的霍尔元件4检测切向磁场强度信号，磁头7沿被测试件8上表面检测巴克豪森噪声信号，切向磁场强度信号和巴克豪森噪声信号均被多通道数据采集卡6采集和存储，三轴运动平台12搭载磁头7，依据设定的扫描路径和步长对试件进行巴克豪森噪声检测，经过信号调整电路5滤波处理和前置放大后，由上位机10对信号进行特征提取，得到bn包络线的最大值mmax、一个磁化周期内bn包络线的平均值mmean、bn包络线与纵轴的截距mr、mmax对应的切向磁场强度h即hcm、25％mmax处对应的峰宽dh25m、50％mmax处对应的峰宽dh50m和75％mmax处对应的峰宽dh75m等磁参量，各磁参量在磁头7空间扫描轨迹处的分布即代表巴克豪森噪声扫查成像结果。

磁头7作为绝对式涡流传感器，独立对铁磁性块体或磁性薄膜材料进行涡流扫查成像，也能与励磁磁路同步运行，对铁磁性块体或磁性薄膜材料进行增量磁导率扫查成像，检测流程是：双路信号激励电路1中产生一路低频(0.5～200hz)正弦波信号，经功率放大器2进行功率放大后，通入励磁磁路的激励线圈3，提供低频交变磁场对被测试件8进行周期磁化；同步产生另一路高频(100～500khz)正弦波信号通入磁头7的感应线圈17，以在被测材料局域产生高频涡流场，固定放置于被测试件8下表面的霍尔元件4检测切向磁场强度信号，磁头7沿被测材料上表面进行涡流检测，切向磁场强度信号和涡流检测信号均被多通道数据采集卡6采集和存储，三轴运动平台12搭载磁头7，依据设定的扫描路径和步长对试件进行涡流扫查，上位机10对接收的涡流信号进行正交解调得到虚部，随切向磁场强度的变化轨迹即为增量磁导率蝶形曲线，特征磁参量包括：ip包络线的最大值μmax、一个磁化周期内ip包络线的平均值μmean、ip包络线与纵轴的截距μr、μmax对应的切向磁场强度h即hcu、25％μmax处对应的峰宽dh25u、50％μmax处对应的峰宽dh50u和75％μmax处对应的峰宽dh75u等磁参量,各磁参量在磁头7空间扫描轨迹处的分布即代表增量磁导率扫查成像结果。

本发明通过以上技术方案，能够测得试件表面多种磁参量的分布状态，实现磁特性成像，有望应用于铁磁性块体和磁性薄膜材料的磁均匀性检测，以反映材料内部微观结构和残余应力的分布状态，同时提高了检测的空间分辨率。

附图说明

图1巴克豪森噪声与增量磁导率扫查成像系统示意图；

图2检测原理示意图；

图3巴克豪森噪声信号及其蝶形曲线；

图4增量磁导率蝶形曲线；

图5上位机软件界面及成像结果；

图中：1-双路信号激励电路2-功率放大器3-励磁线圈4-霍尔元件5-信号调整电路6-多通道数据采集卡7-磁头8-被测试件9-载物台10-上位机11-运动平台控制卡12-三轴运动平台13-励磁磁芯14-检测线圈15-弹簧16-传感器外壳17-感应线圈18-磁芯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，连接各设备。双路信号激励电路1产生低频正弦励磁信号(0.5～200hz)，该信号经过功率放大器2输出到励磁线圈3，产生的交变磁场经励磁磁芯13耦合到放置于载物台9中的被测试件8表面，固定放置于被测材料下表面的霍尔元件4检测切向磁场强度信号。

磁头7主要由感应线圈17、检测线圈14、磁芯18、弹簧15和传感器外壳16组成(如图2所示)，利用弹簧15将磁头7与试件紧密贴合，信号经磁芯18的末端空气气隙被检测线圈14接收，磁头7沿被测试件8上表面检测巴克豪森噪声信号，切向磁场强度信号和巴克豪森噪声信号均被多通道数据采集卡6采集和存储，三轴运动平台12搭载磁头7，上位机10发送命令到运动平台控制卡11，三轴运动平台12依据设定的扫描路径和步长对试件进行巴克豪森噪声检测，经过信号调整电路5滤波处理和前置放大后，将切向磁场强度作为横坐标，以巴克豪森噪声信号作为纵坐标，能够得到巴克豪森噪声蝶形曲线，通过上位机10对信号进行特征提取，各磁参量在磁头7空间扫描轨迹处的分布即代表巴克豪森噪声扫查成像结果。

对铁磁性块体或磁性薄膜材料进行增量磁导率扫查成像时，通过双路信号激励电路1中产生一路低频(0.5～200hz)正弦波信号，经功率放大器2进行功率放大后，通入励磁磁路的励磁线圈3，提供低频交变磁场对被测试件8进行周期磁化；同步产生另一路高频(100～500khz)正弦波信号通入磁头7的感应线圈17，以在被测试件8局域产生高频涡流场，固定放置于被测试件8下表面的霍尔元件4检测切向磁场强度信号，磁头7沿被测材料上表面进行涡流检测，切向磁场强度信号和涡流检测信号均被多通道数据采集卡6采集和存储，三轴运动平台12搭载磁头7，上位机10发送命令到运动平台控制卡11，三轴运动平台12依据设定的扫描路径和步长对试件进行涡流扫查，上位机10对接收的涡流信号进行正交解调得到虚部，其随切向磁场强度的变化轨迹即为增量磁导率蝶形曲线(如图4所示)，从中提取多项磁参量，各磁参量在磁头7空间扫描轨迹处的分布即代表增量磁导率扫查成像结果。

从获取的磁学信号中提取多项磁参量，通过标定实验，建立试件力学性能与多种微磁信号的映射关系,利用该系统对经过激光淬火处理的45号钢进行检测，通过上位机10中软件对检测结果扫描成像(如图5所示)，能够清楚的分辨出材料的淬硬区和热影响区。