2024年4月4日发(作者：过若雁)
Ｖｏｌ。５Ｏ Ｎ（）．４ 丁＿程与试验ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ Ｄｅｃ．２Ｏ１Ｏ
磁巴克豪森噪音（ＭＢＮ）法对产品厚度测量的影响
郭 健 ，刘振朝 ，于 力。
（１．国家试验机质量监督检验中心，吉林长春１３００６２；
２．中国路桥有限责任公司塔吉克斯坦办事处，北京１０００００；
３．大唐长春热力有限责任公司，吉林长春１３００１２）
摘要：本文试图说明通过变化被测产品横截面和标定试块的厚度做出依据巴克豪森噪音法测量产品残余应力的
结论。将测量和比较不同试块厚度获取的ＲＭＳ值和巴克豪森脉冲的整体数目作为巴克豪森噪音参数，间接有效
地反映了试块各种横截面厚度对巴克豪森噪音电平的影响。文中还分析了磁化频率和磁化电流对灵敏度的影响。
关键词：无损检测；巴克豪森噪音法；残余应力
中圈分类号：０４４１．５ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—３４０７．２０１０．０４．０１２
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ Ｍｅｔｈｏｄ
Ｇｕｏ Ｊｉａｎ ，Ｉ ｉｕ Ｚｈｅｎｃｈａｏ 。Ｙｕ Ｌ
（１．Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００６２，Ｊ ｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｔａｊｉｋｉｓｔａｎ Ｏｆｆｉｃｅ，Ｃｈｉｎａ Ｒｏａｄ＆Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００００，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｄａｔａｎｇ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．。Ｌｔｄ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｏ ｓｈｏｗ ｈｏｗ ｖａｒｙｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａ—
ｔｉｏｎ ｓａｍｐｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃａｎ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｂｙ ｔｈｅ Ｂａｒｋｈａｕｓ—
ｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｓ ＲＭＳ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｂａｒｋｈａｕｓ～
ｅｎ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｄｉ—
ｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ ｏｎ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｌｅｖｅｌ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ・ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｏｏ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ—ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ；Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ Ｍｅｔｈｏｄ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ
结构检测采用巴克豪森法。
１ 前 言
巴克豪森法是基于铁磁性材料在磁化过程中出
现的物理现象，最早是由德国物理学家Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ
残余应力（钢铁材料和构件在焊接、热处理、使
于１９１９年发现的，故称巴克豪森效应。材料在外部
用变形过程中引发的）的测量方法可分为两种：破坏
磁场的作用下磁化时，磁畴壁发生位移或磁畴转动，
性和非破坏性（无损）。与耗时且在实验室进行的破
磁畴壁位移需克服材料内部存在的不均匀应力、杂
坏性方法相比较，无损检测法满足了工业上的要求，
质、空穴（缺陷）等因素造成的多个势垒壁。外部磁
可以在被测产品没有任何损伤的情况下快速、简捷 场周期性的变化会引起不连续的、跳跃式Ｂｌｏｃｋ
地测量残余应力。过去，大量使用的方法是超声波
ｗａｌｌ（巴克豪森跃变）的不可逆运动并周期性建立和
和移动式ｘ射线系统。最近，人们提出对钢材的微
重新排列磁畴组织结构。不连续的磁畴壁运动表现
［收稿日期］２０１０一１０—１９
［作者简介］郭健（１９５２一），男，高级工程师，中国机械工程学会无损检测学会委员，主要研究方向：电子仪器测量和自动控制。
・ ３２ ・
郭健，等：磁巴克豪森噪音（ＭＢＮ）法对产品厚度测量的影响
了被检测材料内部磁感应发生局部扰动，可以使用
专用设备对其进行测量。
采用巴克豪森法进行理想应力测量是根据比较
便物理模拟被研究产品的不同厚度。试块由铁磁性
材料切割制成。试块具体尺寸：９０×２Ｏ×５ｍｍ。试
块表面进行抛光处理以便使试块之间尽可能好地接
被研究材料的磁巴克豪森噪音（ＭＢＮ）测量参数与
材料应力检测过程中采集的标定曲线间的关系获取
的。材料在应力状态下呈现磁各向异性的状态，即
平行拉伸应力方向为易磁化方向，垂直方向为难磁
化方向。压应力效应则相反。此时，拉伸应力增加
ＭＢＮ灵敏度，而压缩应力会减少ＭＢＮ灵敏度。
材料性质决定无论怎样改变磁化现象，都会对
ＭＢＮ电平产生很大的非线性影响。在大多数情况
下，当被研究产品的横截面远大于所用标定试块的
横截面时，磁场强度发生变化是客观存在的事实。
值得注意的是，由于材料横截面域的变化将使其次
表面的磁感应和磁场灵敏度也发生变化。
本文以物理方式模拟各种厚度的产品并根据磁
场灵敏度的变化，利用ＭＢＮ参数找出间接影响不
同厚度标定试块和被检材料问的真实关系。
２ 巴克豪森法的描述
２．１检测仪器
利用精密仪器测量ＭＢＮ参数，测量设备如图ｌ
所示。ＭＢＮ参数测量系统由３个各自独立部分组
成：磁化、巴克豪森信号调节和ＭＢＮ信号处理单
元。
图１ ＭＢＮ测量设备示图
磁化部分包括带有三角波调谐频率的ＲＣ示波
器和电压一电流变换器。磁化部分为激磁线圈提供
磁化电流磁化被检测材料。利用测量线圈从材料的
次表面区域拾取处于初始状态的巴克豪森信号并用
信号调节单元对这些信号进行放大和滤波。ＭＢＮ
参数：方均根值（ＲＭｓ ）巴克豪森脉冲数和用信号
处理单元测定的信号幅值。
２．２试样
使用１～５个扁平棒试块。它们被摞成一堆以
触。仅有一个试样表面不做抛光处理，以避免引入
材料中的残余应力或微观结构发生变化并尽可能保
持与实际材料表面一致的理想状态。在检测过程中
制备的标定试块应尽可能反映被测量材料的实际状
况，即具有相同的显微组织结构，包括热处理状态、
化学成分、硬度以及其他冶金参数。
为了维持稳定的实验条件，如图２所示将测量
头放置到一个试块表面。这种作法避免了由于各个
试块间微观结构或残余应力的变化引起ＭＢＮ信号
发生变化。
试块
图２实验设置详图
２．３实验
利用ＭＢＮ参数电平可以有效地测量不同厚度
的试块，试块厚度从５ｍｍ（适宜于标定试块）到
２５ｍｍ（５个试块一适宜于强波束）。
对不同类型的磁化条件进行研究。首先，将磁
化电流值维持在２００ｍＡ并依次使用３Ｈｚ、６Ｈｚ、
１２Ｈｚ、２２Ｈｚ和３８Ｈｚ的跟踪频率，然后保持恒定频
率ｆ 一１２Ｈｚ，此时，应在１８０ｍＡ、２２０ｍＡ、２５０ｍＡ、
２８０ｍＡ、３１０ｍＡ和３４０ｍＡ间获取６个磁化电流Ｌ
值。在实验期间，测量巴克豪森有效值ＲＭＳ 及其
脉冲数目。
３ ＭＢＮ参数的描述
图３是试块厚度函数ＲＭＳ 初期研究的例子。
图３表述了ＲＭＳ 与试块厚度相互问的关系。试
块厚度摞得愈高，ＭＢＮ参数ＲＭＳ 愈小。
图３还介绍了变化试块厚度以补偿比例电流
Ｊ ／， 变化的情况。为了维持相同的磁化条件，应
以厚度５ｍｍ的试块为标定试块，当试块厚度增加
到２５ｍｍ时，经过标定的磁化电流 值大约比磁化
・ ３３ ’
工程与试验 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１０
Ｉ１０ｆ）
ｌ０（）０
ＲＭＳＢＮ９００
８００
７ｆ）ｏ
６０ｏ
ｄ（ｍｍ）
图３模拟产品厚度ｄ、ＢＮ电平和直接
磁化电流间的相互关系
电流的初始值Ｊ 增加了４０ 。．
图４说明了磁化频率 对ＲＭＳｎ 的影响。在
试块相同厚度条件下，磁化频率愈高，ＭＢＮ参数
ＲＭＳＢ 愈大。
５ ｌ０ ｌ５
ｄ（ｍｍ）
图４不同磁化频率条件下ＲＭＳ
随试块厚度ｄ变化的相互关系
不同磁化频率条件下，ＲＭＳ 随试块厚度ｄ变
化的相互关系可以用公式（１）中给出的幂指数形式
近似表示：
ＲＭＳＢＮ—ａ０＋ａ１・Ｐ （１）
将系数值ａ。、ａ 和ｔ 集中列于表１。使用ＯＲ—
ＧＩＮ软件进行评价。在表１中还加入了数据一拟
合比Ｒ 。
表ｌ公式（１）的系数（磁化电流恒定）
分析图表特性曲线的走向，说明磁化频率对其
有效影响的程度。根据已知涡流效应的理论公式
（２），描述电磁场穿透深度ｄ ：
・
３４・
一
南Ｉ
式中： 一电磁穿透率；ｙ一被测量材料的电导
率。
仅在小于磁场穿透深度ｄ 的情况下才考虑试
块厚度变化过程的影响，磁场强度取决于磁化频率
。
由公式（２），使用最低磁化频率时要比使用较
高频率的磁场穿透深度大。根据此原理，在试块内
部有效横截面域，由闭合磁轭产生磁通量，此时频率
变化，磁通量也发生变化。假设试块宽度固定并且
由磁轭产生的磁通量是恒定的，则磁场灵敏度Ｈ
与试块厚度成反比。若试块截面小于磁通量磁路的
有效截面（例如：薄校准试块），则磁场灵敏度Ｈ 增
加且与试块厚度成正比例关系。以上实验表明，
ＭＢＮ源的变化过程是由不同厚度的试块引起的，
而与材料的性质无关。
由不同磁化电流值 获取的厚度ｄ的函数
ＲＭＳ 的相关特性曲线见图５。在试块相同厚度条
件下，磁化电流愈大，测量的ＭＢＮ参数ＲＭＳ 愈
高。
ｌ８ｏｏ
ｌ６ｏ０
萎１４００
（ １２００
ｌ０ｏ０
８０ｏ
６００
５ １０ １５ ２０ ２５ ｄ（ｍｍ）
圈５不同磁化电流Ｌ对试块厚度ｄ
相关函数ＲＭＳＢ 的影响
与每个磁化电流值相对应的ＲＭＳ 变化特性
也可以用幂指数公式（１）近似表示，其系数值集中于
表２。
表２公式（１）的系数（磁化频率恒定）
（下转第５３页）
许彬彬，等：加工中心自动换刀系统可靠性试验台的研制
械手装刀故障等。
３ 自动换刀系统的台架试验
４ 结 论
通过在恰当的时间，采集刀套与虚拟主轴位置
的传感器数据来判断故障类型，其原理如图６所示。
加工中心自动换刀系统可靠性试验台试验室的
使用表明，该试验台工作性能稳定。同时，试验得到
了自动换刀系统的故障信息，这些故障信息与现场
试验故障信息相似，从而可以正确评估和提高加工
刀套 机械手换 刀套水
中心自动换刀系统的可靠性水平。
垂直 刀图 过程 平围 过程 圉
参考文献
时随
［１］张朝昆，施丽娜．Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ数据库开发基础与应用
检测点 掉刀 机械手装刀故障
［Ｍ］．人民邮电出版社，２００５．
［２］ 吉涛，刘乘．多工位转塔刀架的数控实现［Ｊ］．机床与液
压，２００６，（９）．
［３３ ＯＭＲＯＮ公司．ＣＰＭ２Ａ／ＣＰＭ２ＡＨ可编程序控制器操
作手册［Ｚ］．２Ｏ０３．
［４］ ＯＭＲＯＮ公司．ＣＰＭ１／ＣＰＭ１Ａ／ＣＰＭ２Ａ／ＣＰＭ２ＡＨ／
图６故障分析原理图
ＣＰＭ２ｃ／ｓＲＭ１（一Ｖ２）可编程序控制器编程手册［ｚ］．
按照２节所述，将试验台进行线路连接以及零
２００３．
件安装，进行试验室试验。通过所获得的数据分析，
Ｅ５３ 宋伯生．ＰＩ ｃ编程理论、算法及技巧［Ｍ］．北京：机械工
机械手故障有：掉刀、机械手电机传动系统故障、机
业出版社，２００５．
（上接第３４页Ｊ
同样，由图６可以观测幂指数的相关性和第２
个测量参数Ｎ ～在一个磁化周期内的巴克豪森跃４ 结论
变计数数目。
在执行ＭＢＮ法过程中，本文比较详尽地揭示了
２Ｏ００
磁化频率和磁化电流灵敏度对材料测量的影响，使用
１８００
相对高频率和较大磁化电流值的状态时可使误差达
１６０ｏ
到最小化。根据ＭＢＮ法，在实验期间获取的结果可
１４Ｏ０
以推论标定试块和被检测产品间的厚度差的影响。
。
１２０ｏ
Ｚ
实践证明，利用ＭＢＮ法和应力变化曲线，可以测量
１Ｏ０ｏ
材料和结构内部存在的残余应力并对其进行校正。
８０ｏ
６００
参考文献
４ＯＯ
５ ｌ０ １５
ｄ（ｍｍ）
［１］Ｊ．Ｇｒｕｍ，Ｐ．Ｚｅｒｏｖｉｎｋ，Ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ
ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｓｔｅｅｌ［Ｊ ｊ．ＩＮ—
图６在不同磁化电流Ｊ瑚情况下Ｎ
ＳＩＧＨＴ ２０００，（４２）：７９６—８００．
计数数目与试块厚度间的关系
Ｅ２］ Ｃ．Ｈａｋａｎ Ｇｕｒ，１．Ｃａｍ，Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｓ ｑｕｅｎｃｈｅｄ
ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｔｅｅ［ｓ ｂｙ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｒｋｈａｕｓ—
ｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔ；ｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ—
由图６可以看出，在试块相同厚度条件下，磁化
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，２００６．（１）：２０８—
电流值， 愈高，ＭＢＮ参数计数测量值Ｎ 愈小。
２１８．
Ｅ３３任吉林，林俊明．电磁无损检测［Ｍ］．北京：科学出版
社，２００８．
・
５３ ・
2024年4月4日发(作者：过若雁)
Ｖｏｌ。５Ｏ Ｎ（）．４ 丁＿程与试验ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ Ｄｅｃ．２Ｏ１Ｏ
磁巴克豪森噪音（ＭＢＮ）法对产品厚度测量的影响
郭 健 ，刘振朝 ，于 力。
（１．国家试验机质量监督检验中心，吉林长春１３００６２；
２．中国路桥有限责任公司塔吉克斯坦办事处，北京１０００００；
３．大唐长春热力有限责任公司，吉林长春１３００１２）
摘要：本文试图说明通过变化被测产品横截面和标定试块的厚度做出依据巴克豪森噪音法测量产品残余应力的
结论。将测量和比较不同试块厚度获取的ＲＭＳ值和巴克豪森脉冲的整体数目作为巴克豪森噪音参数，间接有效
地反映了试块各种横截面厚度对巴克豪森噪音电平的影响。文中还分析了磁化频率和磁化电流对灵敏度的影响。
关键词：无损检测；巴克豪森噪音法；残余应力
中圈分类号：０４４１．５ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—３４０７．２０１０．０４．０１２
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ Ｍｅｔｈｏｄ
Ｇｕｏ Ｊｉａｎ ，Ｉ ｉｕ Ｚｈｅｎｃｈａｏ 。Ｙｕ Ｌ
（１．Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００６２，Ｊ ｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｔａｊｉｋｉｓｔａｎ Ｏｆｆｉｃｅ，Ｃｈｉｎａ Ｒｏａｄ＆Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００００，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｄａｔａｎｇ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．。Ｌｔｄ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｏ ｓｈｏｗ ｈｏｗ ｖａｒｙｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａ—
ｔｉｏｎ ｓａｍｐｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃａｎ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｂｙ ｔｈｅ Ｂａｒｋｈａｕｓ—
ｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｓ ＲＭＳ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｂａｒｋｈａｕｓ～
ｅｎ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｄｉ—
ｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ ｏｎ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｌｅｖｅｌ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ・ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｏｏ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ—ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ；Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ Ｎｏｉｓｅ Ｍｅｔｈｏｄ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ
结构检测采用巴克豪森法。
１ 前 言
巴克豪森法是基于铁磁性材料在磁化过程中出
现的物理现象，最早是由德国物理学家Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ
残余应力（钢铁材料和构件在焊接、热处理、使
于１９１９年发现的，故称巴克豪森效应。材料在外部
用变形过程中引发的）的测量方法可分为两种：破坏
磁场的作用下磁化时，磁畴壁发生位移或磁畴转动，
性和非破坏性（无损）。与耗时且在实验室进行的破
磁畴壁位移需克服材料内部存在的不均匀应力、杂
坏性方法相比较，无损检测法满足了工业上的要求，
质、空穴（缺陷）等因素造成的多个势垒壁。外部磁
可以在被测产品没有任何损伤的情况下快速、简捷 场周期性的变化会引起不连续的、跳跃式Ｂｌｏｃｋ
地测量残余应力。过去，大量使用的方法是超声波
ｗａｌｌ（巴克豪森跃变）的不可逆运动并周期性建立和
和移动式ｘ射线系统。最近，人们提出对钢材的微
重新排列磁畴组织结构。不连续的磁畴壁运动表现
［收稿日期］２０１０一１０—１９
［作者简介］郭健（１９５２一），男，高级工程师，中国机械工程学会无损检测学会委员，主要研究方向：电子仪器测量和自动控制。
・ ３２ ・
郭健，等：磁巴克豪森噪音（ＭＢＮ）法对产品厚度测量的影响
了被检测材料内部磁感应发生局部扰动，可以使用
专用设备对其进行测量。
采用巴克豪森法进行理想应力测量是根据比较
便物理模拟被研究产品的不同厚度。试块由铁磁性
材料切割制成。试块具体尺寸：９０×２Ｏ×５ｍｍ。试
块表面进行抛光处理以便使试块之间尽可能好地接
被研究材料的磁巴克豪森噪音（ＭＢＮ）测量参数与
材料应力检测过程中采集的标定曲线间的关系获取
的。材料在应力状态下呈现磁各向异性的状态，即
平行拉伸应力方向为易磁化方向，垂直方向为难磁
化方向。压应力效应则相反。此时，拉伸应力增加
ＭＢＮ灵敏度，而压缩应力会减少ＭＢＮ灵敏度。
材料性质决定无论怎样改变磁化现象，都会对
ＭＢＮ电平产生很大的非线性影响。在大多数情况
下，当被研究产品的横截面远大于所用标定试块的
横截面时，磁场强度发生变化是客观存在的事实。
值得注意的是，由于材料横截面域的变化将使其次
表面的磁感应和磁场灵敏度也发生变化。
本文以物理方式模拟各种厚度的产品并根据磁
场灵敏度的变化，利用ＭＢＮ参数找出间接影响不
同厚度标定试块和被检材料问的真实关系。
２ 巴克豪森法的描述
２．１检测仪器
利用精密仪器测量ＭＢＮ参数，测量设备如图ｌ
所示。ＭＢＮ参数测量系统由３个各自独立部分组
成：磁化、巴克豪森信号调节和ＭＢＮ信号处理单
元。
图１ ＭＢＮ测量设备示图
磁化部分包括带有三角波调谐频率的ＲＣ示波
器和电压一电流变换器。磁化部分为激磁线圈提供
磁化电流磁化被检测材料。利用测量线圈从材料的
次表面区域拾取处于初始状态的巴克豪森信号并用
信号调节单元对这些信号进行放大和滤波。ＭＢＮ
参数：方均根值（ＲＭｓ ）巴克豪森脉冲数和用信号
处理单元测定的信号幅值。
２．２试样
使用１～５个扁平棒试块。它们被摞成一堆以
触。仅有一个试样表面不做抛光处理，以避免引入
材料中的残余应力或微观结构发生变化并尽可能保
持与实际材料表面一致的理想状态。在检测过程中
制备的标定试块应尽可能反映被测量材料的实际状
况，即具有相同的显微组织结构，包括热处理状态、
化学成分、硬度以及其他冶金参数。
为了维持稳定的实验条件，如图２所示将测量
头放置到一个试块表面。这种作法避免了由于各个
试块间微观结构或残余应力的变化引起ＭＢＮ信号
发生变化。
试块
图２实验设置详图
２．３实验
利用ＭＢＮ参数电平可以有效地测量不同厚度
的试块，试块厚度从５ｍｍ（适宜于标定试块）到
２５ｍｍ（５个试块一适宜于强波束）。
对不同类型的磁化条件进行研究。首先，将磁
化电流值维持在２００ｍＡ并依次使用３Ｈｚ、６Ｈｚ、
１２Ｈｚ、２２Ｈｚ和３８Ｈｚ的跟踪频率，然后保持恒定频
率ｆ 一１２Ｈｚ，此时，应在１８０ｍＡ、２２０ｍＡ、２５０ｍＡ、
２８０ｍＡ、３１０ｍＡ和３４０ｍＡ间获取６个磁化电流Ｌ
值。在实验期间，测量巴克豪森有效值ＲＭＳ 及其
脉冲数目。
３ ＭＢＮ参数的描述
图３是试块厚度函数ＲＭＳ 初期研究的例子。
图３表述了ＲＭＳ 与试块厚度相互问的关系。试
块厚度摞得愈高，ＭＢＮ参数ＲＭＳ 愈小。
图３还介绍了变化试块厚度以补偿比例电流
Ｊ ／， 变化的情况。为了维持相同的磁化条件，应
以厚度５ｍｍ的试块为标定试块，当试块厚度增加
到２５ｍｍ时，经过标定的磁化电流 值大约比磁化
・ ３３ ’
工程与试验 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１０
Ｉ１０ｆ）
ｌ０（）０
ＲＭＳＢＮ９００
８００
７ｆ）ｏ
６０ｏ
ｄ（ｍｍ）
图３模拟产品厚度ｄ、ＢＮ电平和直接
磁化电流间的相互关系
电流的初始值Ｊ 增加了４０ 。．
图４说明了磁化频率 对ＲＭＳｎ 的影响。在
试块相同厚度条件下，磁化频率愈高，ＭＢＮ参数
ＲＭＳＢ 愈大。
５ ｌ０ ｌ５
ｄ（ｍｍ）
图４不同磁化频率条件下ＲＭＳ
随试块厚度ｄ变化的相互关系
不同磁化频率条件下，ＲＭＳ 随试块厚度ｄ变
化的相互关系可以用公式（１）中给出的幂指数形式
近似表示：
ＲＭＳＢＮ—ａ０＋ａ１・Ｐ （１）
将系数值ａ。、ａ 和ｔ 集中列于表１。使用ＯＲ—
ＧＩＮ软件进行评价。在表１中还加入了数据一拟
合比Ｒ 。
表ｌ公式（１）的系数（磁化电流恒定）
分析图表特性曲线的走向，说明磁化频率对其
有效影响的程度。根据已知涡流效应的理论公式
（２），描述电磁场穿透深度ｄ ：
・
３４・
一
南Ｉ
式中： 一电磁穿透率；ｙ一被测量材料的电导
率。
仅在小于磁场穿透深度ｄ 的情况下才考虑试
块厚度变化过程的影响，磁场强度取决于磁化频率
。
由公式（２），使用最低磁化频率时要比使用较
高频率的磁场穿透深度大。根据此原理，在试块内
部有效横截面域，由闭合磁轭产生磁通量，此时频率
变化，磁通量也发生变化。假设试块宽度固定并且
由磁轭产生的磁通量是恒定的，则磁场灵敏度Ｈ
与试块厚度成反比。若试块截面小于磁通量磁路的
有效截面（例如：薄校准试块），则磁场灵敏度Ｈ 增
加且与试块厚度成正比例关系。以上实验表明，
ＭＢＮ源的变化过程是由不同厚度的试块引起的，
而与材料的性质无关。
由不同磁化电流值 获取的厚度ｄ的函数
ＲＭＳ 的相关特性曲线见图５。在试块相同厚度条
件下，磁化电流愈大，测量的ＭＢＮ参数ＲＭＳ 愈
高。
ｌ８ｏｏ
ｌ６ｏ０
萎１４００
（ １２００
ｌ０ｏ０
８０ｏ
６００
５ １０ １５ ２０ ２５ ｄ（ｍｍ）
圈５不同磁化电流Ｌ对试块厚度ｄ
相关函数ＲＭＳＢ 的影响
与每个磁化电流值相对应的ＲＭＳ 变化特性
也可以用幂指数公式（１）近似表示，其系数值集中于
表２。
表２公式（１）的系数（磁化频率恒定）
（下转第５３页）
许彬彬，等：加工中心自动换刀系统可靠性试验台的研制
械手装刀故障等。
３ 自动换刀系统的台架试验
４ 结 论
通过在恰当的时间，采集刀套与虚拟主轴位置
的传感器数据来判断故障类型，其原理如图６所示。
加工中心自动换刀系统可靠性试验台试验室的
使用表明，该试验台工作性能稳定。同时，试验得到
了自动换刀系统的故障信息，这些故障信息与现场
试验故障信息相似，从而可以正确评估和提高加工
刀套 机械手换 刀套水
中心自动换刀系统的可靠性水平。
垂直 刀图 过程 平围 过程 圉
参考文献
时随
［１］张朝昆，施丽娜．Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ数据库开发基础与应用
检测点 掉刀 机械手装刀故障
［Ｍ］．人民邮电出版社，２００５．
［２］ 吉涛，刘乘．多工位转塔刀架的数控实现［Ｊ］．机床与液
压，２００６，（９）．
［３３ ＯＭＲＯＮ公司．ＣＰＭ２Ａ／ＣＰＭ２ＡＨ可编程序控制器操
作手册［Ｚ］．２Ｏ０３．
［４］ ＯＭＲＯＮ公司．ＣＰＭ１／ＣＰＭ１Ａ／ＣＰＭ２Ａ／ＣＰＭ２ＡＨ／
图６故障分析原理图
ＣＰＭ２ｃ／ｓＲＭ１（一Ｖ２）可编程序控制器编程手册［ｚ］．
按照２节所述，将试验台进行线路连接以及零
２００３．
件安装，进行试验室试验。通过所获得的数据分析，
Ｅ５３ 宋伯生．ＰＩ ｃ编程理论、算法及技巧［Ｍ］．北京：机械工
机械手故障有：掉刀、机械手电机传动系统故障、机
业出版社，２００５．
（上接第３４页Ｊ
同样，由图６可以观测幂指数的相关性和第２
个测量参数Ｎ ～在一个磁化周期内的巴克豪森跃４ 结论
变计数数目。
在执行ＭＢＮ法过程中，本文比较详尽地揭示了
２Ｏ００
磁化频率和磁化电流灵敏度对材料测量的影响，使用
１８００
相对高频率和较大磁化电流值的状态时可使误差达
１６０ｏ
到最小化。根据ＭＢＮ法，在实验期间获取的结果可
１４Ｏ０
以推论标定试块和被检测产品间的厚度差的影响。
。
１２０ｏ
Ｚ
实践证明，利用ＭＢＮ法和应力变化曲线，可以测量
１Ｏ０ｏ
材料和结构内部存在的残余应力并对其进行校正。
８０ｏ
６００
参考文献
４ＯＯ
５ ｌ０ １５
ｄ（ｍｍ）
［１］Ｊ．Ｇｒｕｍ，Ｐ．Ｚｅｒｏｖｉｎｋ，Ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ
ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｓｔｅｅｌ［Ｊ ｊ．ＩＮ—
图６在不同磁化电流Ｊ瑚情况下Ｎ
ＳＩＧＨＴ ２０００，（４２）：７９６—８００．
计数数目与试块厚度间的关系
Ｅ２］ Ｃ．Ｈａｋａｎ Ｇｕｒ，１．Ｃａｍ，Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｓ ｑｕｅｎｃｈｅｄ
ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｔｅｅ［ｓ ｂｙ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｒｋｈａｕｓ—
ｅｎ Ｎｏｉｓｅ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔ；ｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ—
由图６可以看出，在试块相同厚度条件下，磁化
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，２００６．（１）：２０８—
电流值， 愈高，ＭＢＮ参数计数测量值Ｎ 愈小。
２１８．
Ｅ３３任吉林，林俊明．电磁无损检测［Ｍ］．北京：科学出版
社，２００８．
・
５３ ・