磁性钥匙孔技术（MKH）用于在特定感应条件下对软磁层压材料进行多传感器局部测试 Helmut Pfützner, Georgi Shilyashki, Yusuke Kawamura, Claes Bengtsson, Neofitos Christodoulou, Georgios Christodoulou

《Sensors》：Magnetic Key Hole Technique (MKH) for Multi-Sensorics Local Tests of Soft Magnetic Laminations Under Defined Conditions of Induction Helmut Pfützner, Georgi Shilyashki, Yusuke Kawamura, Claes Bengtsson, Neofitos Christodoulou and Georgios Christodoulou

　　摘要
受显微手术中“钥匙孔”概念的启发，我们开发了一种“磁性钥匙孔”技术，用于在精确定义的感应强度B(t)条件下研究软磁层（电钢、铁基非晶带）的局部特性。样品长度为50厘米，宽度为10厘米，在一种新型的多频SST设备中对其进行磁化，该设备能够产生高达10 kHz的精确正弦波。该测试设备可以提供样品整体上的磁导率μG、功率函数pG(t)和总损耗PG等全局参数。除此之外，所谓的“实验窗口”（EW）还能提供关于局部特性的额外信息，这些信息是在样品中心的一个小“钥匙孔”区域内测得的。在这个区域，安装了一个扫描适配器，用于研究晶粒结构的局部特征以及诸如缺陷、结构变化或特定技术处理等不均匀性。在多种类型的传感器单元中，线性电机驱动器被选为最合适的工具，且几乎不需要人工操作。已开发的传感器技术包括测量局部切向场、磁导率、功率、损耗以及主畴和尖峰畴的宽度等参数。本文讨论了几个分析案例。

1. 引言
受显微手术中“钥匙孔”概念的启发[1]，我们提出了“磁性钥匙孔”技术，用于在定义的全球磁化条件下研究软磁层的局部特性。在手术中，诊断或治疗需要在器官原位进行，同时对正常功能的影响最小。通过这种方法，甚至可以使用经颅内窥镜进行治疗。类似地，我们的新型单片测试仪（SST）能够在接近自然条件的情况下进行原位测试。基于此，我们开发了上述的磁性钥匙孔（MKH）概念，用于在精确定义的感应条件下进行无损测试。在传统的软磁晶体或非晶带测试中，通常使用长度为50厘米的较大样品来测定全局参数[2,3,4]，这有利于沿样品轴的均匀磁化。精确的数字合成技术结合“真实磁场通量补偿”[2]，确保在磁化过程中产生精确的正弦波全局波形BG(t)。

与用于全局研究的概念不同，对于材料的局部参数，通常会准备尺寸仅为几厘米的小样品[7]。由于几何条件过于有限，很难实现对实验区域的精确磁化。在开发MKH的过程中，我们旨在回顾当前测试技术的现状，并记录精确的磁化条件。事实上，我们未能找到相关文献，我们认为原因有三点：确保特定局部效应研究所需的精确辅助条件需要额外的专用传感器；额外的传感器会以不必要的方式增加实验复杂性；在许多情况下，为了理解所研究的效应，系统误差是可以接受的。

2. 磁性钥匙孔技术的基本概念
本研究首次提出了MKH概念，旨在将精确的全局磁化与包含特定不均匀性源的受限实验区域内的局部研究联系起来。目标是允许进行各种类型的详细物理测试，包括局部磁导率、损耗和磁致伸缩等。同时，也应能够在不进行样品处理（如脱涂层和抛光）的情况下研究局部畴结构。

上述概念涉及三个几何层次，如图1所示：
A. 全局层次G
我们定义全局几何层次G为长度为30厘米、宽度为10厘米的检测区域（DR），该区域位于50厘米长的MF-SST样品内。选择10厘米的宽度是为了兼顾紧凑性和工业代表性。此外，10厘米的宽度也是未来SST标准化的讨论内容[6]，目前AR[8]已经确定了这一尺寸。利用非常精确的MF-SST磁化合成技术[2]，假设在整个样品的滚动方向（RD）上施加了精确定义的全局感应矢量BG(t)。

在横向（TD）方向y上，由于样品制备或其他因素的影响，存在非常微弱的区域感应分量，这些分量可以忽略不计。我们甚至忽略了中心窗口区域（WR）内的不规则性引起的y分量，认为这些应该通过所谓的旋转单片测试仪（RSST[9,10]）来研究，该测试仪配备有适用于RD和TD方向的传感器。

相比之下，目前的测试仪被定义为单片测试仪（SST），其传感器元件仅限于RD区域。我们约定系统不仅适用于基础研究，更适用于技术和工业开发。

我们假设在整个检测区域内全局感应BG保持恒定，以避免矢量复杂性带来的理论问题。如前所述，RSST应研究2D现象以及特定传感技术的复杂方面。

B. 局部层次L
我们定义局部几何层次L为实验窗口（EW）中长度为20毫米、宽度为80毫米的区域。由于这个窗口区域（WR）是我们关注的重点，因此不对该层次使用任何索引，无论是场参数还是损耗参数。更多细节将在后续讨论中阐述。

C. 纹理层次的微观层次M
最后，对于在2厘米×8厘米窗口区域（WR）内选定的单个“微观”几何子区域（框架），我们定义了层次M，用于研究畴结构。通过胶体技术[11,12]或法拉第石榴石技术[13,14]对这些框架中的主畴进行分析。对于GOES情况，我们还会考虑尖峰畴，并引入一个特定的坐标u作为易磁化方向[001]，以便进行理论解释。

3. 带有实验窗口的SST全局设计
根据上述内容，EW的基本思想是将其集成到磁化设备中，适用于通常类型的软磁层样品。这应包括晶体片材（如GOES和NOES）以及非晶带（特别是铁基非晶带AR）。

为了能够测试所有工业上重要的材料类型，我们首先开发了多频单片测试仪（MF-SST）的EW原型。如最近的研究文献[2]所述，这些测试仪的设计适用于长度为50厘米的样品。EW的宽度设置为100毫米，以符合现有的标准化标准[6]。相对于SST标准[5]，这种较小的宽度减少了实验成本，特别是对于使用胶体或法拉第技术的畴研究而言。

EW设计的主要挑战在于如何在保持不受磁化条件影响的同时，确保实验所需传感器组件的充分接入。这一要求通过将钥匙孔限制在x方向上长度为20毫米的“窗口”内来实现，如图2所示。这样，测试仪的线圈系统（M线圈、B线圈、H线圈）的间隙仅占长度的约4%，对高磁导率材料的影响可以忽略不计。

4. 实验窗口的SST全局设计
根据上述内容，EW的基本思想是将其集成到磁化设备中，适用于代表常见软磁层类型的样品。这包括晶体片材（如GOES和NOES）以及非晶带（特别是铁基非晶带AR）。

为了测试所有工业上重要的材料类型，我们首先开发了多频单片测试仪（MF-SST）的EW原型。如最近的研究文献[2]所述，这些测试仪的设计适用于长度为50厘米的样品。EW的宽度设置为100毫米，以符合现有的标准化标准[6]。这种较小的宽度降低了实验成本，特别是对于使用胶体或法拉第技术的畴研究。

EW设计的主要挑战在于如何在保持磁化条件不受影响的同时，确保实验所需传感器组件的充分接入。为此，我们将钥匙孔限制在x方向上长度为20毫米的“窗口”内，如图2所示。这样，测试仪的线圈系统（M线圈、B线圈、H线圈）的间隙仅为长度的4%，对高磁导率材料的影响可以忽略不计。

SST的一个重要改进是H线圈的设计，用于检测样品表面的磁场强度[15,16]。该线圈总高度为1.6毫米，有效检测距离为0.8毫米，因此将300毫米长的线圈分成两个各140毫米的部分。为了实现精确定位，设计了一个共同层，其在RD方向上的窗口长度为20毫米，在TD方向上的窗口长度为80毫米（图2）。

MKH的基本思想是集成不同类型的传感器，用于对2厘米×8厘米大小的样品中心区域进行局部测试。根据这一原理，EW可以应用以下类型的传感器：
(a) 场传感器，如场板和霍尔板；
(b) 基于针法[17]的感应传感器；
(c) 基于热敏电阻或电磁原理的损耗传感器；
(d) 基于法拉第效应或胶体的畴传感器（适用于正常场和液体浓度）；
(e) 磁致伸缩传感器（应变计或光学传感器；尚未进行测试）。

作为全局实用设计，这些传感器安装在可移动的传感器支架板上。如图2所示，该板可以在样品的横向（TD）方向上自动移动，范围大约是从y = ?30毫米到y = +30毫米。板子通过导轨系统进行精确定位，电动驱动基于线性电机，并通过电位器进行位置控制。这使得测试仪可以在热室中操作，用于根据量热原理进行损耗测试（图3）。

5. 实验窗口的测试应用
实验窗口的应用还包括对感应强度的局部分析。然而，在实践中，除了对畴（例如布洛赫壁位移）的非常具体的评估外，测量通常仅限于使用所谓的针法[17]。图4展示了一个相应的传感器系统，用于检测RD方向上纵向分量B的局部变化。已经在这里，需要强调的是，我们放弃了在TD（横向方向）中的测试，因为考虑到TD组件的薄弱性，高昂的测试成本是不合理的。图4展示了用于分析感应RD组件B局部变化的针技术示意图（注意：M线圈和B线圈的下部没有显示）。一对接触针垂直安装在传感器支架和玻璃管的孔中。针的负载有助于与中央EW样品区域的去涂层表面区域形成良好的电接触。众所周知，该技术使用两个尖锐的针接触点A和B来产生电压u(t) = φB ? φA = K dBG/dt（公式1），其中常数K考虑了多个参数。最终得到的电压表示了样品厚度上的平均感应值。在实际应用中，该电压相当于单匝搜索线圈的50%，因此对于常规测量来说已经足够高。

然而，有效测量的前提是针尖与磁性材料之间有良好的接触。这意味着样品表面需要处于去涂层状态，但这对于GOES（一种工业上最重要的材料）来说缺乏科学意义。这也是我们放弃在EW发展过程中应用针技术的理由。

基于以上原因，在我们的工作中，我们迄今为止一般性地忽略了感应的局部变化，假设整体感应是均匀的，这是由SST（纵向方向）的全局感应线圈确定的。因此，我们设定B(x,y,t) ≈ BG(t)（公式2）。我们用以下论点来证明这种近似是合理的：
(a) EW研究通常在高度磁化的软磁样品上进行，这些样品的磁导率很高，其不均匀性表现为磁场强度ΔH（单位：A/m）的显著百分比变化，而相应的感应变化ΔB（单位：T）非常小。
(b) 所有研究都针对RD（纵向方向）的整体磁化进行，一般性地忽略了TD方向的分量，从而避免了高昂的实验成本（将这些任务留给RSST）。
(c) 所有分析都是近似性的、定性的，因为过分追求精度在学术上是没有意义的。

因此，例如，对于全局感应BG为1.7 T的实验，可以容忍小的局部偏差。因此，我们使用公式（2）来评估局部磁导率值，同时也用于评估损耗，这将在下文进一步讨论。

最后，需要提到的是，EW概念实际上确实提供了一种估计不均匀区域局部感应值的可能性。一种有效的方法是通过域分析来评估由磁化引起的畴扩展参数，这将在第6节中详细描述。一个显著的优势是，这两种描述的方法都可以应用于带有涂层的样品——包括划痕处理后的样品。然而，评估得到的布洛赫壁运动当然不会给出横截面平均的感应值，而是观察到的样品表面的感应值。

5. 场和磁导率的局部分析
根据上述内容，局部感应B的分析受到多个影响因素的复杂化。另一方面，可以使用不同类型的传感器以相当简单的方式检测样品表面场的局部变化。这里我们分别描述了霍尔板[19]或切向场线圈[20]的应用。它们是用于分析由钢材生产、材料处理或样品局部缺陷引起的局部场变化的简单工具。

A. 霍尔板传感器系统
对于EW中的场分析，最吸引人的传感器类型是一种商业上可获得的霍尔板，它通过直接的方法[19]产生与场成比例的电压信号。为了分析EW中的局部变化H(x,y)（见图5），可以通过TD方向的线性驱动将传感器移动最多约80毫米。对于RD方向的轴向样品移动，也可以手动操作。通过将传感器旋转90°，也可以轻松检测到TD方向的分量。图5展示了EW中板传感器系统的示意图（注意：M线圈和B线圈的下部没有显示）。由于其小巧的尺寸，该传感器可以用来检测与取向钢（GOES）的粗晶粒结构相关的不均匀性。图6展示了一个例子，显示了在1.7 T交流磁化下RD方向的场峰值。我们看到场的变化幅度约为50%，而相应的感应变化可能只有2%。基于此，我们认为可以假设B = BG来进行磁导率和损耗的局部估计（详见下文讨论）。

B. 切向场线圈系统/局部磁导率
霍尔传感器的一个有效替代方案是在窗口中布置一个切向场线圈（H线圈）[20,21]。其基本优势在于它是一个非常简单的双线元件。然而，它并不直接反映场H，而是反映其时间导数dH/dt。因此，对于较低的磁化频率，信号强度较弱。此外，除非接近饱和状态或高频情况，否则通常需要较多的线圈匝数。这导致传感器的尺寸较大，与霍尔板相比。

如图7所示，H线圈可以简单地固定在玻璃管的末端。然而，与霍尔板不同，由于需要较多的匝数才能获得足够的灵敏度，因此它不能用于强局部化的分析。实际的最小尺寸例如为20毫米×20毫米×2毫米，这与EW的尺寸相匹配。例如，使用200圈100微米厚的导线或2毫米厚塑料基材上的薄印刷层可以产生足够的信号强度。使用PCB线圈也可以进行高感应测试。图7展示了切向场传感器系统的示意图（注意：M线圈和B线圈的下部没有显示）。作为应用示例，图8展示了GOES样品在1.7 T全局感应BGL = 1.7 T、f = 50 Hz磁化条件下，霍尔板传感器扫描RD方向场峰值H(s)的结果。

5. 场和磁导率的局部分析
根据上述内容，局部感应B的分析受到多个因素的影响而变得复杂。另一方面，可以使用不同类型的传感器以简单的方式检测样品表面场的局部变化。这里我们分别描述了霍尔板[19]或切向场线圈[20]的应用。它们是用于分析由钢材生产、材料处理或样品局部缺陷引起的局部场变化的简单工具。

A. 霍尔板传感器系统
对于EW中的场分析，最吸引人的传感器类型是一种商业上可获得的霍尔板，它通过直接的方法[19]产生与场成比例的电压信号。为了分析EW中的局部变化H(x,y)（见图5），可以通过TD方向的线性驱动将传感器移动最多约80毫米。对于RD方向的轴向样品移动，也可以手动操作。通过将传感器旋转90°，也可以轻松检测到TD方向的分量。图5展示了EW中板传感器系统的示意图（注意：M线圈和B线圈的下部没有显示）。由于其小巧的尺寸，该传感器可以用来检测与取向钢（GOES）的粗晶粒结构相关的不均匀性。图6展示了一个例子，显示了在1.7 T交流磁化下RD方向的场峰值。我们看到场的变化幅度约为50%，而相应的感应变化可能只有2%。基于此，我们认为可以假设B = BG来进行磁导率和损耗的局部估计（详见下文讨论）。

B. 切向场线圈系统/局部磁导率
霍尔传感器的一个有效替代方案是在窗口中布置一个切向场线圈（H线圈）[20,21]。其基本优势在于它是一个非常简单的双线元件。然而，它并不直接反映场H，而是反映其时间导数dH/dt。因此，对于较低的磁化频率，信号强度较弱。此外，除非接近饱和状态或高频情况，否则通常需要较多的线圈匝数。这导致传感器的尺寸较大，与霍尔板相比。

如图7所示，H线圈可以简单地固定在玻璃管的末端。然而，与霍尔板不同，由于需要较多的匝数才能获得足够的灵敏度，因此它不能用于强局部化的分析。实际的最小尺寸例如为20毫米×20毫米×2毫米，这与EW的尺寸相匹配。例如，使用200圈100微米厚的导线或2毫米厚塑料基材上的薄印刷层可以产生足够的信号强度。使用PCB线圈也可以进行高感应测试。图7展示了切向场传感器系统的示意图（注意：M线圈和B线圈的下部没有显示）。作为应用示例，图8展示了GOES样品表面划痕对应力涂层影响的分析。类似于激光划痕，机械划痕在横向（TD方向）应用时被证明对畴细化有效[22]。然而，在这里我们将划痕方向设置为对角线方向，以研究磁导率降低的效应。图8展示了GOES样品右半部分表面划痕对局部磁导率的影响（根据[11]的结果）。其峰值下降了多达20%。要精确确定磁导率，需要第二个移动传感器来测量局部感应B(x,y)，例如使用感应针。然而，我们认为相应的实验成本是不合理的，因为所使用的SST产生的全局感应BG预计会在样品中均匀分布，即使在材料不均匀的区域也是如此。因此，我们假设B(x,y,t) ≈ BG(t)，并根据μ(x,y) ≈ BG/[μo H(x,y)]（公式3）定义有效磁导率。原则上，可以在线圈向TD方向旋转90°后进行第二次测试以补充测量。然而，由于TD方向的分量较小，这种选择也不具有实际（工业）意义。

例如，图8包括了使用圆珠笔在窗口右半部分进行对角线表面划痕后磁导率降低的数值结果。众所周知，横向划痕（在TD方向）倾向于产生有利的畴细化效果。而对角线划痕由于对材料机械稳定性的影响较小，因此可能不太理想。然而，我们看到材料磁导率出现了不利的降低，特别是对于变压器铁芯常见的1.6 T磁化强度。

6. 能量损失的局部分析
到目前为止，我们开发了两种局部损失分析方法。第一种方法使用切向场线圈传感器，忽略了TD方向的分量，这些分量通常很弱。这一安排的一个优点是首次允许研究局部瞬时功率。第二种方法使用温度上升法，通过计算机扫描样品表面。磁化持续时间最长为10秒，这意味着无法进行瞬时研究。

A. 电动力学局部损失分析
电动力学损失测量方法基于通常用于旋转单层测试仪（RSST）[10]的损失公式：P = 1/ρ T T∫ (HRD dBRD/dt + HTD dBTD/dt) dt（公式4），其中RD和TD表示两个损失分量。原则上，上述所有场传感器选项也可以用于局部损失测试。然而，局部电动力学损失测试涉及几个特定问题：
(a) 精确测试还需要局部确定感应值，但这在实践中是不可行的，如第4节所述。设定全局感应BG(t)得到的测试结果本质上是近似的。
(b) 必须检测场，同时避免相位误差。对于强磁化情况，即使是微小的误差也可能导致P的较大误差，这意味着商用霍尔计并不适用。
(c) 应用的特定霍尔传感器需要自由浮动的直流激励，这建议使用屏蔽式电容器。
(d) 应在距离样品表面最近的位置（<1毫米）检测场，以避免局部退磁场分量对损失值的影响。

图9展示了一个相应的实验装置，其中切向霍尔传感器的有效长度约为3毫米，与样品表面的有效距离约为1毫米，由9伏电池激励。基于上述内容，类似于磁导率μ，我们将损失计算简化为P(x,y) ≈ 1/ρT T∫ H(x,y,t) dBG/dt dt（公式5）（见图9）。在EW中，霍尔板可以在TD方向移动，以检测由晶体结构或由于区域缺陷或技术处理等原因引起的样品表面场H的局部变化。为了估计局部损失，将局部场H(x,y,t)与全局感应的时间导数dBG/dt相乘。除了仅限于检测RD方向的场H外，我们还假设窗口区域内的局部感应B不会偏离全局感应BG。与磁导率μ的情况类似，我们也认为这样做是合理的，以避免学术性的繁琐程序。例如，在研究样品螺栓孔周围的局部损失变化时，技术上更关心的是BG而不是精确的局部感应值B。

对于较大样品区域的损失测试，我们用薄切向场线圈替换了霍尔板。原则上，图7中用于磁导率测试的线圈也可以在这里使用。然而，由于P(x,y) ≈ 1/ρT T∫ dH(x,y,t)/dt BG(t)（公式6），PCB线圈不适合用于损失确定，因为给定峰值感应值P取决于周期内的所有H值，包括非常弱的值。

到目前为止，我们使用了宽度为30毫米、长度为20毫米、厚度为2毫米、匝数为约200的线圈。表1显示了类似图8的表面划痕对磁导率的影响结果。效果与磁导率类似，但百分比变化幅度较小。总体趋势是，随着感应B的增加，损失降低。另一方面，随着频率f的增加，损失略有增加，这可能是由于涡流机制的作用增强。

表1. 对角线表面划痕对GOES样品局部损失P的影响结果。在这里还需要提到，方程（5）或（6）也提供了计算局部瞬时功率 p(x,y,t) ≈ 1/ρT H(x,y,t) dBG/dt 的近似值的可能性（7）。如 [19] 中更深入讨论的，以下两个瞬时值具有特别的实际意义：

A—损耗最大值 PMAX：它倾向于出现在布洛赫壁以最大速度移动的时刻，从而导致涡流损耗和通过与钉扎中心的相互作用产生的滞后损耗都达到最大值。这对于评估新型钢材的损耗机制的基础研究尤为重要。当动态磁化回路显示出较小的瞬时 B 值时，会出现这些最大值。

B—功率峰值 p+ 和 p?：在 GOES 中，它们倾向于出现在极端场值的时刻。它们表示势能的最大值，这是由于原子磁矩在磁化场方向上的角度变化所导致的，因此代表了晶体各向异性和错位的度量。

在不同晶粒内局部确定上述特性可以洞察所研究钢材的晶体不均匀性，特别是与不同的制造技术相关。

B. 作为替代的局部损耗测试方法的加热上升法

损耗产生的基本机制是将电磁能量转化为热能。因此，量热测量可以被视为最直接的损耗测试方法。特别是对于在狭窄的实验窗口（EW）内的局部测量而言。

从实验角度来看，电动力学损耗测试非常适合于测试大面积样品（例如，50 cm × 10 cm）的平均损耗 P。可以通过大 B 线圈来确定感应 B 值，通过大 H 线圈来确定场 H 值。例如，对于宽度为 10 cm 和长度为 10 cm 的样品，可以检测到足够强的信号来进行损耗评估。

对于局部 EW 测试，条件则大不相同。特别是在单个晶粒上的电动力学测试，由于几何形状较小（约 1 cm），会变得非常复杂。特别是，如果要使用相位控制来同时测量 B 和 H，则会非常困难，而这正是损耗测量所需要的。

上述情况更倾向于使用热电偶或热敏电阻进行热测试，因为它们的尺寸较小。利用已有的大量准备工作，我们专注于直径约为 1 mm 的热敏电阻，由于它们的时间常数 Tc < 1 ms，因此可以快速进行局部测试。图 10 显示了当前使用的传感器系统的示意图。线性驱动器移动一个塑料传感器支架，用于滑动一个 2 mm 厚的玻璃管，热敏电阻位于其末端。对于施加在样品表面的定义压力，传感器由 10 g 的质量加载。

图 10. 用于量热损耗测试的传感器布置示意图。为了快速进行局部损耗测试，我们用我们的新型加热上升法替换了传统的温度上升法，假设在室温（18 至 30 °C）下损耗 P 不依赖于温度。基于这一假设，我们通过一个感应 B 的脉冲来磁化样品，例如，50 Hz 下的 1.7 T。为了评估损耗，我们假设相应的加热峰值表示局部损耗，即 P = k hP（8），其中 k 是根据许多影响因素通过经验校准得到的常数。

为了简化，我们将测试时间限制在 7 秒内，每秒进行一次测量，如图 11 中的圆点所示。如果从平衡状态（h = 0）开始，hP 能够很好地反映局部损耗。但是，对于在短暂冷却后开始的后续测试，则需要考虑初始的 h 值。最关键的影响因素是热量沿材料区域传输的速度 w。我们通过用热烙铁加热窗口内的一个位置 A 来研究 w，同时监测 10 mm 距离处的 B 点的 h 值。结果表明，速度 w 大约为几毫米，尽管受到 A 和 B 接触点的影响。我们得出结论，应该从第 3 秒到第 7 秒来评估 7 秒的脉冲。

图 11. 从加热上升的最大值 h 估计局部损耗 P 的基本原理，该加热上升是由例如 10 秒持续时间的磁化脉冲引起的（对于 GOES 来说，其磁化强度约为 1 μK/s）。为了展示 GOES 样品区域内损耗变化的情况，图 12 显示了在全局感应 BG = 1.7 T、f = 50 Hz 下的测量结果。测量是在一个较小的样品上进行的，B 脉冲仅持续了 7 秒。研究的 20 mm × 90 mm 区域显示出仅 5% 的损耗变化。这表明通过热传输进行平均仍然可以产生相对平衡的损耗分布。要获得更好的局部损耗极值分辨率，需要使用更小的热敏电阻时间常数，包括使用更薄的玻璃管支架。

图 12. 对于用 50 Hz 和 1.7 T 磁化的 GOES 区域内 12 个位置的损耗变化进行测量的示例。作为一个主要结论，对由晶体学引起的损耗变化进行量热研究要求很高。另一方面，热测试被认为适用于以下任务：

- 区域比较测试，即将样品的半部分/区域相互关联，比较均匀区域和受影响区域；
- 将异常磁化条件（例如，接近饱和）下的损耗与研究充分的条件下的损耗进行比较；
- 研究由强畸变（例如，三角形或矩形感应与正弦波感应）引起的损耗；
- 研究由预先已知过量 P 特征的非常高的频率下的损耗。

7. 局部域分析

到目前为止，我们已经开发了两种用于磁性域的局部 MKH 分析方法。第一种方法使用所谓的胶体不稳定化方法。与 Bitter 方法相比，它的优点是可以用于带有涂层的样品，只需施加润湿剂即可。第二种方法也可以分析涂层样品。它使用法拉第石榴石相机扫描窗口区域，以获取 7 mm × 7 mm 子区域的域图像。

A. 带有正常场的胶体不稳定化方法（CDM）

我们早在 [12] 中就报告了 CDM 的基本原理，并且也用于通过应力涂层和/或激光刻划来细化 GOES 的域分析。实际上，这是不需要任何设备的最简单方法。不稳定的胶体颗粒倾向于通过倾斜样品被冲洗掉。由于我们的实验窗口较窄，这会变得复杂，因此我们通过额外施加一个弱的静态场来增强清晰的域对比度。

考虑到上述情况，有效的实验布置如图 13 所示。在实验窗口内，我们在样品上放置一个例如 20 mm 宽度和 60 mm 长度的胶体盆。其底部由例如 150 μm 厚的铝箔制成，这不会显著减少域的杂散场。在铝箔上，固定了一个框架线圈，作为大约 1 mm 深的基于水的铁氧体胶体的容器。矩形线圈既作为液体的壁，也作为产生磁场垂直于平面的导线。

图 13. 通过胶体不稳定化方法（CDM）和由 b 框架线圈施加的垂直于平面场的传感器布置示意图。(a) 传感器布置。(b) 微型盆的细节。在样品定义磁化后，可以通过从电机移动的滴管中滴入一滴润湿剂（最佳选择：ox gall，根据 [12]），轻松地用相机观察到选定的 5 mm × 5 mm 大小的子区域的局部域配置。

图 14 显示了一个典型的图像，图 15 显示了用于评估注册域的概念。由于垂直于平面的场，它不会显示布洛赫壁的位置，但会显示域的面，类似于克尔效应或法拉第效应的图像。我们看到一个有序的主域排列，布洛赫壁穿过晶粒边界。实际上，这些图像与下一节中描述的完全不同的实验程序得到的图像几乎完全一致。

图 14. 涂层 GOES 的域的胶体不稳定化图像。

图 15. 用于评估注册域的涂层 GOES 的概念。

B. 通过法拉第石榴石传感器进行局部域分析

作为第二种局部域分析方法，我们开发了一个移动的法拉第石榴石传感器系统，如 [23] 中所述。图 16 显示了该系统的示意图。一个法拉第磁体相机（MagEye, Matesy）安装在 MKH 传感器支架上，与扫描样品区域保持大约零距离。其敏感区域为 7 mm × 7 mm，可以沿实验窗口的长度提供大约十个局部图像。众所周知，对比度机制是基于薄石榴石箔的磁化，通过样品表面磁化模式的杂散场。这意味着结果可以直接与上述报告的 CDM 结果进行比较。

图 16. 用于从法拉第石榴石传感器系统获取域图像的传感器布置示意图，该传感器稍微安装在样品表面上方，以避免损坏传感器面或样品。

图 17 显示了涂层 GOES 的图像示例。与图 14 相比，这完全证实了胶体结果，尽管实验展示效果要低得多。然而，通过数字图像处理可以显著改善对比度，类似于众所周知的拓扑减法方法。这产生了与 CDM 相似的图像，具有非常相似的光学特征、相同的对比度和相同的分辨率。

图 17. GOES 的法拉第图像示例。(a) 主域的退磁状态，图像包括一个带有尖峰的较小晶粒。(b) 磁化约为 0.7 T 的样品，部分包括极窄的长尖峰。图 17 显示了从 GOES 样品中获得的非常有希望的初步结果，这些结果是通过完全非破坏性的方式获得的，无需脱涂层。对于退磁状态，图 17a 显示了一个具有大约 500 μm 宽度的主要域的大晶粒。作为一个特定的发现，它们系统地与相邻较小晶粒的主要布洛赫壁耦合，后者具有明显更高的垂直于平面的错位角 ?。正如新材料所典型的，后者会导致尖峰域的产生 [22,24,25]，即使在磁化情况下也是如此（图 17b）。初步结果表明，宽度约为 wS ≈ w/2、长度为几毫米的窄尖峰（与图 14 中的模型相比）与通过划痕引起的损耗减少有关，如表 1 所示。

如另一篇独立出版物中详细描述的，我们目前的工作揭示了这些尖峰对于 GOES 的磁化可能起着意想不到的、重要的作用。目前，我们正在研究通过将局部域图像与实验窗口中特定位置的局部量热结果相关联来研究其对损耗的影响。

8. 讨论

本文涉及软磁带的实验分析，包括电钢和非晶 Fe 基带。对于此类分析，我们可以传统地区分为两种类型：

I. 全局研究—在精确定义磁化（感应、频率、时间过程、形状因子等）的情况下，研究全局特性，如磁导率或损耗。通常，后者由带有 50 cm 长度的大样品的单片测试仪（SST）保证。

II. 局部研究—这包括由晶体学不均匀性或局部材料缺陷引起的特定行为。它们通常由特定的传感器在尺寸为几厘米的小样本上进行研究，并在具有近似物理定义的磁化条件下进行。作为一种全新的方法，我们提出了一种所谓的“磁键孔”（MKH）方法进行讨论，其目的是结合两种分析类型：

**方法I**——一个长50厘米、宽10厘米的大材料样本在最佳条件下通过SST进行磁化。特别是，通过合成的激励方式优化全局磁化，该激励由非晶轭和两个增强线圈共同支持。全局磁导率（μ）和损耗（P）通过超大B线圈和切向H线圈来确定，样本区域至少为30厘米长、10厘米宽，即约300平方厘米。

**方法II**——集中在中心区域，对一个2厘米×8厘米的磁键孔（MKH）进行局部分析，即16平方厘米，占样本总面积的约5%。尽管只有3厘米的长度，全局磁化几乎不受影响。然而，使用电控扫描和局部传感器可以有效地分析特征性不均匀性。这些不均匀性可能是由于材料制造过程中的晶粒结构造成的，也可能是通过应力涂层或电钢刻划等技术引入的。最后，还可以研究诸如堆垛孔之类的缺陷，同时尽量减少对软磁器件技术性能的影响。

在实际应用中，上述概念遇到了两个主要的设计问题：

**问题I**——对于50厘米长材料样本的理想磁化条件，现代SST需要使用长达约40厘米的线圈系统，该线圈系统必须在中部分割，且不能对全局磁化产生显著影响。这一要求将“实验窗口”（EW）的有效长度限制在大约2厘米。虽然这增加了设备设计的复杂性，但仍在可接受的范围内。

**问题II**——为了在EW内进行有效实验，需要设计尺寸较小的传感器。对于局部场H，使用霍尔板或样品上方的切向场线圈相对简单。但对于感应场B来说，由于钻孔会对材料造成破坏性影响，因此并不适用。使用表面针状传感器的替代方案也不可行，因为滚动方向（RD）的空间有限。因此，局部B场的测量不得不通过近似全局BG来进行。由于磁导率μ的值较高，这种折中方案对于估计局部μ值是可接受的。然而，对于局部损耗P来说，这会导致较大的误差。为了解决这个问题，整个测试装置必须在热室中操作，以便在较高的成本下进行量热损耗测试。

由于上述妥协，EW的许多定量结果都是近似的。然而，这对于研究材料中的局部不均匀性或缺陷的后果是可接受的，因为这些情况本身就没有明确的先验条件。特别是对于在微观层面分析磁畴结构时更为如此。尽管在热室中进行研究增加了复杂性，但通过从外部自动控制传感器位置（至少在横向TD方向上），并在RD方向上进行手动微调，这一问题得到了解决。

综上所述，这种新的实验窗口概念提供了一种全新的测试系统，将高精度的全球磁测量与至少具有定性意义的局部分析相结合。该系统结合了全局G级别的测试和局部L级别甚至（受限的）微观M级别的测试。

表2总结了MF-SST与EW在尺寸范围从约500毫米到0.1毫米的应用性。500毫米指的是被研究软磁样本的总长度，其宽度为100毫米。在全局层面，设备配备了一对长150毫米的B线圈来确定全局感应BG(t)。同时安装了一对H线圈来产生相应的场HG(t)。这些信号可以得出功率函数pG(t)及其时间平均值的损耗PG。这些信息为许多局部分析提供了有效的参考。

表2列出了带有实验窗口（EW）的SST的尺寸范围。这里的EW指的是EW内的局部传感器。需要强调的是，EW设计为允许单个传感器交替安装在电机驱动的传感器支架上。通常可以在15分钟内更换传感器类型，这是可以接受的。唯一的例外是热敏电阻传感器，可能需要长达一小时的稳定时间。另一方面，使用H线圈或霍尔板可以快速测试局部场H(x,y,t)。通过将局部信号H(x,y,t)与全局信号BG(t)关联起来，并假设TD方向上的均匀性，可以进行非热测试以评估局部损耗。关于磁畴，目前尚未在整个装置中应用胶体技术。然而，大量的先验研究表明这是可行的，尽管存在清除多余胶体的限制（如[12]中所描述）。另一方面，稳定安装法拉第传感器结合现有的软件增强技术可以保证有效的成像效果。

事实上，这一概念与医学领域中用于局部检查、诊断和手术操作的键孔技术有明显的相似之处。未来改进可能涉及更小传感器的定量开发，包括用于横向TD方向局部组件的传感器。

**主要结论**
本文提出的磁键孔（MKH）与实验窗口（EW）概念旨在将精确的全局磁化与包含不均匀性源的受限实验区域内的局部分析联系起来。例如，可以将理想状态的左侧样本与右侧样本中的故障样本进行比较。可以在三个层面研究故障的后果：全局G层面、窗口内的局部L层面以及窗口子区域内的微观M层面。目标是促进任意类型的详细物理测试，例如局部磁导率、损耗或磁致伸缩的测试。此外，还可以研究局部磁畴配置，包括在磁化状态下的测试。上述选项为通过改进的MF-SST磁化的晶体或非晶带的多参数研究提供了全新的传感器系统。