一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置制造方法
【專利摘要】一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，屬于無損檢測【技術領域】。由探頭、信號發(fā)生器、功率放大器、前置放大器、信號采集和處理系統(tǒng)組成；其中，探頭由“E”型磁芯、激勵線圈、第一感應線圈、第二感應線圈、第一永磁體、第二永磁體、外殼組成；在“E”型磁芯的兩邊分別放置與磁芯平面相平行的第一永磁體和第二永磁體，第一永磁體和第二永磁體在鋼件內(nèi)部形成的磁場方向與磁芯磁軛方向及檢測方向相垂直；第一永磁體、第二永磁體和“E”型磁芯共同放置在探測鋼件的表面，并與探測鋼件的表面契合。本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)簡單、低功耗，能夠快速準確測量鋼材表面下存在的缺陷和應力累積區(qū)域。
【專利說明】-種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無損檢測【技術領域】，具體涉及一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置。

【背景技術】
[0002] 鋼材作為一種重要建筑材料，其種類繁多，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科研各個領域， 如石油管線、橋梁、鐵路及建筑等。在鋼件的使用過程中會造成一定的應力累積，以致?lián)p壞 斷裂形成缺陷。尤其是缺陷出現(xiàn)在鋼件表面下時，由于鐵磁性材料的趨膚效應更加明顯，常 規(guī)電磁方法較難探測。因此，能準確有效的對此類缺陷進行在線無損檢測和估計，對于保證 鋼材構(gòu)件安全使用十分必要，對于無損檢測方法研究領域有著重要的意義。
[0003] 近些年來，基于電磁學理論和技術的無損檢測方法發(fā)展迅速，常用電磁學檢測方 法包括渦流法、巴克豪森噪聲法、漏磁檢測法、金屬磁記憶法、磁力（效應）法等。其方法和 相應的設備具有非接觸，測量速度較快，無輻射等優(yōu)點，在生產(chǎn)科研領域有著廣泛應用。
[0004] 渦流檢測法是最常見的金屬構(gòu)件缺陷的無損檢測方法，但是受限于趨膚效應，該 方法多用于表面宏觀缺陷的檢測。巴克豪森噪聲法是指鐵磁性材料在受到增強的外磁場磁 化時，疇壁發(fā)生非連續(xù)和跳躍式的運動，產(chǎn)生的噪聲信號可在一定程度上反映材料的組織 結(jié)構(gòu)及應力狀態(tài)。但該方法的測量深度淺，而且構(gòu)件的表面粗糙度等對噪聲信號都有很大 的影響。漏磁檢測法是指在施加激勵磁場時，磁性材料缺陷處的漏磁場會產(chǎn)生相應變化， 多用于檢測材料表面的宏觀缺陷。近年英國Newcastle大學的Tian Guiyun研究組在漏 磁檢測領域做出了杰出工作，提出脈沖漏磁檢測法（pulsed magnetic flux leakage field testing, PMFL)，采用低頻方波脈沖做激勵，結(jié)合電磁感應脈沖磁阻方法（pulsed magnetic reluctance PMR)，極大地改善了缺陷的探測深度，可達表面以下幾毫米。金屬磁記憶法是 俄羅斯Doubov教授在20世紀末提出的，它實質(zhì)上是一種廣義的漏磁效應，外激勵磁場為地 磁場，通過材料表面漏磁場來顯現(xiàn)鋼件內(nèi)部缺陷和應力分布情況。但是地磁場會隨著地理 位置和環(huán)境的不同而改變，所以磁記憶現(xiàn)象將表現(xiàn)出一定的隨機性，該方法可靠性差。磁力 法是基于電磁感應原理，獲得鐵磁性材料在應力作用下的磁特性曲線，利用相應磁性參數(shù) 如：矯頑力、剩磁、磁導率、飽和磁化強度等來表征構(gòu)件的應力和缺陷狀況。但是在實際應用 時線圈不可能繞制在材料構(gòu)件上，難以實現(xiàn)在線測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)簡 單、低功耗，能夠快速準確測量鋼材表面下存在的缺陷和應力累積區(qū)域。
[0006] 本發(fā)明所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，由探頭（1)、信號發(fā)生器（2)、 功率放大器（3)、前置放大器（4)、信號采集和處理系統(tǒng)（5)組成。其中，探頭（1)由"E"型 磁芯（6)、激勵線圈（7)、第一感應線圈（8)、第二感應線圈（9)、第一補償電感（10)、第二補 償電感（11)、第一永磁體（12)、第二永磁體（13)、外殼（14)組成；其中，激勵線圈（7)繞制 在"E"型磁芯（6)中間的磁軛上，第一感應線圈（8)和第二感應線圈（9)分別繞制在"E" 型磁芯（6)兩邊的磁軛上并串聯(lián)反接，特別的，兩個感應線圈的纏繞方式、材料、線徑及匝 數(shù)相同；第一感應線圈（8)與第一補償電感（10)串聯(lián)、第二感應線圈（9)與第二補償電感 (11)串聯(lián)后分別接前置放大器（4)的兩個輸入端進行初步差動放大；在與"E"型磁芯（6) 兩邊分別放置與磁芯（6)平面（即圖1(a)中所示的Y-Z平面，X軸方向沿紙面向外）相平 行的第一永磁體（12)和第二永磁體（13);第一永磁體（12)、第二永磁體（13)和"E"型磁 芯（6)共同放置在探測鋼件（15)的表面，并與探測鋼件（15)的表面契合（探頭與探測表 面最大限度的貼合緊密）；第一永磁體（12)的S極和第二永磁體（13)的N極（或第一永 磁體（12)的N極和第二永磁體（13)的S極）與探測鋼件（15)的表面相接觸，從而使第一 永磁體（12)和第二永磁體（13)在鋼件內(nèi)部形成的磁場方向（X軸方向）與磁芯（6)磁軛 方向（Z軸方向）及檢測方向（Y軸方向）相垂直。第一永磁體（12)內(nèi)部的磁化強度M方 向是沿+ Z軸方向（或-Z軸方向），第二永磁體（13)內(nèi)部的磁化強度M方向沿-Z軸方 向（或+ Z軸方向）。
[0007] 信號發(fā)生器（2)產(chǎn)生一定頻率和幅值的周期信號（方波或鋸齒波），該周期信號再 經(jīng)功率放大器（3)放大（放大2?100倍）加載到探頭（1)的激勵線圈（7)上，由于第一 感應線圈（8)和第二感應線圈（9)是串聯(lián)反接的，所以兩個感應線圈總的輸出電壓為ε (t) =el(t)-e2(t)，其中兩個感應線圈的感應信號分別為ε?α)和e2(t)。經(jīng)過前置放大 器（4)進行初步差動放大得到總輸出信號U(t) = K ε (t) (K為前置放大器（4)的增益）； U(t) =Κε (t)再由信號采集和處理系統(tǒng)（5)進行FFT轉(zhuǎn)換后得到包含多次諧波的頻域信 號U (ω )，將該頻域信號U (ω)的各次諧波的幅值與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行比對，從而獲得待測鋼件 缺陷深度和尺寸的信息。
[0008] "Ε"型磁芯（6)的材質(zhì)可以是鐵氧體（錳鋅鐵氧體）、硅鋼片或非晶及納米晶軟 磁材料，永磁體材質(zhì)可以是鐵氧體、釹鐵硼或鋁鎳鈷，外殼（14)為非鐵磁性硬質(zhì)材料，外殼 (14)內(nèi)的其他空間由硬質(zhì)膠填充。
[0009] 其中，信號發(fā)生器2提供的周期性脈沖信號的頻率為0. 1?10kHz，幅值為50? IOOOOmV,本裝置的探測深度為Imm?20mm。
[0010] 其中，信號采集和處理系統(tǒng)（5)是由多通道的數(shù)據(jù)采集卡和上位機（PC機）及數(shù) 據(jù)處理軟件構(gòu)成，在檢測精度要求不高的情況下可用多路示波器代替數(shù)據(jù)采集卡。
[0011] 探頭1的典型尺寸：長c為10?200臟,寬e為2?IOCtam,高q為2?lOCtam。
[0012] 本發(fā)明的鋼材缺陷的電磁無損檢測裝置工作原理如下：
[0013] 信號發(fā)生器（2)提供周期性脈沖信號，信號為方波或鋸齒波。信號再經(jīng)由功率放 大器（3)加載到探頭（1)的激勵線圈（7)，功率放大器（3)也可以是高功率運算放大器或電 壓電流轉(zhuǎn)換電路。激勵線圈內(nèi)部就會產(chǎn)生與激勵電流i(t)變化趨勢相同的磁通Φα)，其 形式也近似方波或鋸齒波。μ e是磁芯和探測鋼件復合磁路的等效磁導率，是磁路長度， N。和S。分別是激勵線圈的匝數(shù)和截面積。
[0014] Φ ⑴=μ eNci(t)Sc/le (I)
[0015] 由于磁芯的E型對稱結(jié)構(gòu)，在探測鋼件下表面無缺陷時，由E型磁芯兩邊磁軛和 鋼件構(gòu)成兩個完全一樣的并聯(lián)磁路。忽略漏磁，則第一、第二感應線圈（8)、（9)中的磁通 Φ?α) = Φ2α) = Φα)/2。由于激勵線圈電感量的存在，激勵電流i(t)在信號突變時 (方波或鋸齒波上升沿或下降沿）形成周期性的暫態(tài)過程，波形會有一定的畸變，但也可以 進行傅里葉變換：

【權(quán)利要求】
1. 一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：由探頭（I)、信號發(fā)生器（2)、功 率放大器（3)、前置放大器（4)、信號采集和處理系統(tǒng)（5)組成；其中，探頭（1)由"E"型磁 芯（6)、激勵線圈（7)、第一感應線圈（8)、第二感應線圈（9)、第一永磁體（12)、第二永磁體 (13)、外殼（14)組成；激勵線圈（7)繞制在"E"型磁芯（6)中間的磁軛上，第一感應線圈 (8)和第二感應線圈（9)分別繞制在"E"型磁芯（6)兩邊的磁軛上并串聯(lián)反接；第一感應 線圈（8)和第二感應線圈（9)分別接前置放大器（4)的兩個輸入端進行初步差動放大；在 "E"型磁芯（6)的兩邊分別放置與磁芯（6)平面相平行的第一永磁體（12)和第二永磁體 (13)，第一永磁體（12)和第二永磁體（13)在鋼件內(nèi)部形成的磁場方向與磁芯（6)磁軛方 向及檢測方向相垂直；第一永磁體（12)、第二永磁體（13)和"E"型磁芯（6)共同放置在探 測鋼件（15)的表面，并與探測鋼件（15)的表面契合；信號發(fā)生器（2)產(chǎn)生一定頻率和幅值 的周期信號，該周期信號經(jīng)功率放大器（3)放大后加載到探頭（1)的激勵線圈（7)上，第一 感應線圈⑶和第二感應線圈（9)總的輸出電壓為e (t) = e l(t)-e2(t)，其中兩個感 應線圈的感應信號分別為e l(t)和e 2(t)，e (t)經(jīng)過前置放大器（4)進行初步差動放大 后得到總輸出信號U(t) = K e (t)，K為前置放大器（4)的增益；U(t) = K e (t)再由信號 采集和處理系統(tǒng)（5)進行FFT轉(zhuǎn)換后得到包含多次諧波的頻域信號U(?)，將該頻域信號 U(?)的各次諧波的幅值與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行比對，從而獲得待測鋼件缺陷深度和尺寸的信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：第一感應線 圈（8)和第二感應線圈（9)纏繞方式、材料、線徑及匝數(shù)均相同。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：還設置有第 一補償電感（10)和第二補償電感（11)，第一感應線圈（8)和第二感應線圈（9)分別與第一 補償電感（10)和第二補償電感（11)串聯(lián)后再分別接前置放大器（4)的兩個輸入端。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于："E"型磁芯 (6)的材質(zhì)是鐵氧體、硅鋼片或非晶及納米晶軟磁材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：永磁體的材 質(zhì)是鐵氧體、釹鐵硼或鋁鎳鈷。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：外殼（14)的 材料是非鐵磁性硬質(zhì)材料，外殼（14)內(nèi)的其他空間由硬質(zhì)膠填充。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：經(jīng)驗數(shù)據(jù)的 獲得是利用權(quán)利要求1所述裝置測量一系列已知寬度和深度的缺陷鋼件，獲得頻域信號 U (?)各次諧波的幅值矩陣Akfaxn0，矩陣元素aku為測定該組缺陷樣品時裝置輸出的U (?) 幅值的極小值，其中1彡i彡n，l彡j彡m，k代表輸出信號U(?)的第k次諧波。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在于：與經(jīng)驗數(shù)據(jù) 進行比對，是將測量未知寬度和深度缺陷時獲得的頻域信號U (?)的主頻信號Ul的幅值與 幅值矩陣Al中的各個元素Blij進行比較；固定行數(shù)i,若Blij < Ul < aliCj+1),則記錄Blij 對應行列數(shù)組（il，jl) ;i從1開始，按照從小到大的順序依次比較，找到每行符合條件a、 對應的行列數(shù)i、j，構(gòu)成數(shù)組（isl，j sl)，但各數(shù)組中的列數(shù)參數(shù)j與先前選取的數(shù)組列數(shù)j 不能取相同數(shù)值，將這些數(shù)組組成數(shù)組集合SI = {(isll, jsll), (isl2, jsl2), ......}，其中isll =Lisl2 = 2,……;若SI中數(shù)組唯一，則數(shù)組（isl，jsl)的行isl、列j sl對應的深度和寬度 就是裝置測得缺陷的信息；若數(shù)組集合Sl中數(shù)組不唯一，則將測量未知缺陷時獲得的頻域 信號U (?)的二次諧波信號U2的幅值與幅值矩陣A2中的各個元素值a2ij進行比較；同理，i從1開始，按照從小到大的順序依次比較，找到每行符合a2ij<Ul<a2iU+1)時a2ij對應 的行列數(shù)數(shù)組（is2, js2);將這些數(shù)組組成數(shù)組集合S2 = {(is21, js21), (is22, js22), ......},其 中is21 = l，is22 = 2,……，取SI與S2的交集SI n S2,看SI n S2數(shù)組是否唯一；若不唯 一則將測量未知缺陷時獲得的頻域信號U (?)的三次諧波信號U3的幅值與幅值矩陣A3中 的各個元素值&3^進行比較，同理可以得到數(shù)組集合S3 = {(is31，js31)，（is32, js32)，……}， 其中 is31 = i，is32 = 2，……，再取 si，S2 與 S3 的交集 si n S2 n S3,看 si n S2 n S3 數(shù) 組是否唯一；以此類推，依次將測量未知缺陷時獲得的頻域信號U(CO)的k次諧波信號Uk 的幅值與幅值矩陣Ak中的各個元素值akij進行比較，可以得到數(shù)組集合Sk = {(iskl，jskl)， (iSk2, U，......丨，iSki = L iSk2 = 2，......，直到SI到Sk的交集中的數(shù)組唯一,則該唯一 的數(shù)組（i，j)的行列對應的深度和寬度就是裝置測得缺陷的深度和寬度。
9. 如權(quán)利要求1?8任何一項所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在 于：信號發(fā)生器（2)為安捷倫33250A信號發(fā)生器；功率放大器（3)為高功率運算放大器 opa549,增益為2 ;前置放大器（4)為儀表放大器AD620,增益為9 ;信號米集和處理系統(tǒng)（5) 為RIGOL DSl 102示波器和PC機。
10. 如權(quán)利要求1?8任何一項所述的一種鋼件缺陷的電磁無損檢測裝置，其特征在 于：信號發(fā)生器（2)提供周期性脈沖信號，信號為方波或鋸齒波，頻率為0. 1?10kHz，幅值 為 50 ?lOOOOmV。
【文檔編號】G01N27/83GK104316594SQ201410649980
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月16日
【發(fā)明者】韓冰, 張濤, 黃東巖, 王鑫, 鄭偉濤, 李陳孝 申請人:吉林大學