一种高空间分辨率的电磁无损检测方法

本发明为一种高空间分辨率的电磁无损检测方法，可将漏磁检测及巴克豪森噪声检测技术空间分辨率提升至微米量级。

背景技术：

1、漏磁、巴克豪森噪声检测是电磁无损检测中较为常用的检测手段，其利用材料在电磁场作用下呈现出的磁学性质变化，来判断材料表面缺陷、力学性能及残余应力等性质，已广泛应用于对铁磁性材料的无损检测。这些检测手段需对被测试样施加较大的电磁场激励，其检测原理本质上为强背景磁场下试样激发的局域弱磁场信号检测。但已有的磁场检测传感器难以满足在微米尺度下对这一弱磁信号的高性能探测。原子力显微镜具有微纳米级空间分辨率，但现有的基于原子力显微镜的磁测量方法，其使用的磁性探针易被强背景磁场磁化。因此，为将漏磁检测、巴克豪森噪声检测等电磁无损检测技术空间分辨率提升至微米量级，设计了一种基于无磁性材料闭合线圈的磁力传感器，并集成至原子力显微镜，从而提供了一种高空间分辨率的电磁无损检测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的为提供一种高空间分辨率的电磁无损检测方法，利用制备于原子力显微镜微悬臂梁的无磁性材料闭合线圈作为磁力传感器感应元件，实现强背景磁场下的弱磁场信号测量，将漏磁检测及巴克豪森噪声检测等电磁无损检测技术空间分辨率提升至微米量级。已有的磁场检测传感器难以满足在微米空间分辨率下对局域待测磁信号的高性能探测。原子力显微镜虽具有微纳米级空间分辨率，但现有的基于原子力显微镜的磁场测量方法，其使用的磁性探针易被强背景磁场磁化。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：在探针悬臂梁或尖端处制备闭合线圈作为磁力传感器，探针周边的耦合磁场(背景磁场和待测样品磁场)垂直分量将在闭合线圈内感生出微弱电流。微弱电流在耦合磁场水平分量下受到洛伦兹力作用，产生了引起悬臂梁垂直方向偏转的力矩。利用原子力显微镜的光电探测系统测量悬臂梁的垂直方向上的转角，即可计算出磁力矩，进而反推出待测磁场。

3、所述磁力传感器的闭合线圈，尺寸为微纳米量级，形状任意，可采用离子束诱导沉积或者电子束诱导沉积等工艺制备，制备于探针悬臂梁或者探针末端；

4、所述磁力传感器的闭合线圈为无磁性导电材料，可避免与背景磁场直接磁力相互作用；

5、所述磁力传感器对背景磁场有着较强的抑制效果。如图3所示，所示探针在背景磁场作用下承载电流的两线圈侧面受力大小相等且方向反向，对悬臂梁形成力矩大部分相互抵消，引起的磁力矩有效力臂约为线圈的直径。而样品待测磁场分布如图4所示，磁力线将近似对称地穿过闭合线圈，线圈两侧边承受的洛伦兹力方向始终保持一致。因此样品磁场作用下引起的磁力矩有效力臂约为悬臂梁的长度。由于制作的线圈直径约在微米量级，而悬臂梁长度约为百微米量级，这使得传感器对背景磁场有较好的抑制效果。

6、所述磁力传感器在输出端设置合适的滤波器，将得到仅与样品磁场相关的信号，实现与背景磁场的解耦。

7、所述原子力显微镜系统包括样品励磁装置、扫描头、光电探测模块、压电驱动模块等组成；

8、所述电磁无损检测实验采用两步骤扫描方法，首先励磁关闭，利用原子力显微镜对样品形貌成像，接着探针在恒提离距离条件下对样品表面形貌进行跟踪，并开启励磁，对样品待测磁信号进行检测。

9、本发明的有益效果为：

10、本发明采用的磁力传感器利用微加工工艺制备，加工尺寸为微米量级，同时利用了原子力显微镜的高灵敏度检测机理，因此可实现微米级高空间分辨率的弱磁场检测。同时该磁力传感器采用无磁材料设计，避免了与电磁无损检测中强背景磁场的直接磁力作用，因此克服了传统的原子力显微镜磁场测量受强背景磁场干扰的难题，从而提供了一种可实现空间分辨率达微米级别的漏磁、巴克豪森噪声检测等电磁无损测量手段。

技术特征：

1.一种高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：将无磁闭合线圈制备于原子力显微镜探针尖端或悬臂梁上构成磁力传感器感应元件，来感测探针周边的耦合磁场，耦合磁场包括强背景磁场和弱待测样品磁场；耦合磁场作用磁力传感器引起原子力显微镜悬臂梁发生偏转，利用原子力显微镜的光电探测系统测量悬臂梁的垂直方向上的转角计算出磁力矩，反推出待测样品磁场；基于原子力显微镜的新型磁力传感器尺寸为微米量级，实现空间分辨率达微米级别的漏磁、巴克豪森噪声检测电磁无损测量。

2.根据权利要求1所述的高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：所述磁力传感器的闭合线圈，尺寸为微纳米量级，形状任意，采用离子束诱导沉积或者电子束诱导沉积工艺制备，制备于探针悬臂梁或者探针尖端。

3.根据权利要求1所述的高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：所述磁力传感器的闭合线圈为无磁性导电材料。

4.根据权利要求1所述的高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：所述磁力传感器对背景磁场检测有抑制效果；探针在背景磁场作用下承载电流的线圈两侧面受力大小相等且方向反向，对悬臂梁形成力矩大部分相互抵消，引起磁力矩有效力臂为线圈的直径；样品磁场作用下引起的磁力矩有效力臂为悬臂梁的长度；线圈直径为微米量级，悬臂梁长度为百微米量级，磁力传感器对背景磁场有抑制效果。

5.根据权利要求1所述的高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：所述磁力传感器在输出端设置滤波器，得到与样品磁场相关的信号，实现与背景磁场的解耦测量。

6.根据权利要求1所述的高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：将样品励磁装置、扫描头、光电探测模块、压电驱动模块集成至原子力显微镜系统；样品励磁装置使待测样品在表面处激发巴克豪森噪声磁场，或者待测样品表面缺陷处激发漏磁场。

7.根据权利要求1所述的高空间分辨率的电磁无损检测方法，其特征在于：电磁无损检测实验采用两步骤扫描方法，首先励磁关闭，利用原子力显微镜对样品形貌成像，接着探针在恒提离距离条件下对样品表面形貌进行跟踪，并开启励磁，对样品待测磁信号进行检测。

技术总结
本发明公开了一种高空间分辨率的电磁无损检测方法，属于无损检测技术领域。将微米尺寸的无磁闭合线圈制备于原子力显微镜探针尖端或悬臂梁上构成磁力传感器感应元件，来感测探针周边的耦合磁场(背景磁场和待测样品磁场)。磁场作用下磁力传感器会引起原子力显微镜悬臂梁发生偏转，再利用原子力显微镜的光电探测系统测量悬臂梁的垂直方向上的转角，即可计算出磁力矩，再设置合适的滤波器，进而解耦测得待测样品磁场。所述的电磁无损检测方法具有高空间分辨率、背景磁场抑制检测等优点，可以实现铁磁材料的漏磁、巴克豪森噪声等电磁无损测量。

技术研发人员：刘秀成,梁彭福,李鹏,王钰钰,吴斌
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15