一种基于趋肤效应的铁磁性导体表面硬度测量方法及系统与流程

本发明涉及电磁无损检测技术领域，尤其涉及一种基于趋肤效应的铁磁性导体表面硬度测量方法及系统。

背景技术：

工程结构钢、钢轨踏面、舰船钢板、轴承、螺栓、刀具、武器等钢铁件的表面硬度关系到产品质量、使用寿命、成本甚至生命财产安全。硬度测量也能用于评价或改进热处理、材料配方、精密机械加工等工艺，评估安全风险、预防事故，并可辅助精密机械调校。因此准确可靠地测量钢铁等铁磁性导体构件的表面硬度具有重要意义。

常规的硬度检测方法分为有损分析和无损分析。常规有损分析法有：(微)压痕法、成分分析法等。常规无损分析方法有：弹跳法(难以表征表面硬度)、x射线结构分析法(使用不便，容易受表面状况的影响，仅适合表面平整干净未污损的表面)、涡流法和电磁感应法(容易受表面状况、提离度等影响)、超声波法和特征振动谱(难以表征表面硬度)分析法等。常规分析法还有一共同的局限，就是都需要逐点逐区检测，效率较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于趋肤效应的铁磁性导体表面硬度测量方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

依据本发明的一个方面，提供了一种基于趋肤效应的铁磁性导体表面硬度测量方法，包括如下步骤：

步骤1：选取多个表面硬度hs(i)互不相同、材质和几何参数均相同的标样，在每个标样上选取两个目标检测点；

步骤2：在所述标样两端加上幅度和频率均相同的高频恒流信号，检测不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个所述目标检测点之间的高频电压值vsh(i)；

步骤3：根据不同已知表面硬度hs(i)下两个所述目标检测点之间的高频电压值vsh(i)绘制标样的表面硬度hs(i)随高频电压值vsh(i)的变化曲线hs(i)～vsh(i)；

步骤4：测量待测样品上两个所述目标检测点之间部分在相同高频恒流信号激励时的高频电压值vsh'；

步骤5：在变化曲线hs(i)～vsh(i)中读取所述高频电压值vsh'对应的表面硬度hs'；

其中，标样与待测样品为材质和几何参数均相同的铁磁性导体材料，且系列标样的表面硬度范围涵盖待测样品的表面硬度范围。

依据本发明的另一个方面，提供了一种基于趋肤效应的铁磁性导体表面硬度测量系统，包括交流恒流信号模块、交流电压检测模块和主控制模块。

其中，所述交流恒流信号模块用于为标样或待测样品提供电流有效值恒定的高频或低频恒流信号；所述交流电压检测模块用于检测各已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间的部分的高频电压值vsh(i)；以及检测待测样品上两个所述目标检测点之间部分在高频恒流信号时的高频电压值vsh'；所述主控制模块用于根据不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间部分的高频电压值vsh(i)绘制标样的表面硬度hs(i)随高频电压值vsh(i)的变化曲线hs(i)～vsh(i)；还用于在所述变化曲线hs(i)～vsh(i)中读取所述高频电压值vsh'对应的表面硬度hs'；其中，标样与待测样品为材质和几何参数均相同的铁磁性导体材料，且系列标样的表面硬度范围涵盖待测样品的表面硬度范围。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法及系统，受表面状况影响小，可检测表面复杂和表面污染等样品，没有提离度问题，对样品几何参数无定量要求，测试简单可靠，可获取待测样品的淬火深度、渗碳深度等样品表面硬度强化层的深度信息。

附图说明

图1为本发明的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法流程示意图；

图2为本发明的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

需要说明的是，本发明中以圆柱形样品为例进行说明，并不能看做是对待测样品的限制，在实际中针对其它形状的待测样品也可以按照本发明的方法进行类似处理，这些皆在本发明的保护范围内。

实施例一、一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法。下面将结合图1对本实施例的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法进行详细地说明。

如图1所示，一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法，包括如下步骤：

步骤1：选取多个表面硬度hs(i)互不相同、材质和几何参数均相同的标样，在每个标样上选取两个目标检测点；

步骤2：在所述标样两端加上幅度和频率均相同的高频恒流信号，检测不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个所述目标检测点之间的高频电压值vsh(i)；

步骤3：根据不同已知表面硬度hs(i)下两个所述目标检测点之间的高频电压值vsh(i)绘制标样的表面硬度hs(i)随高频电压值vsh(i)的变化曲线hs(i)～vsh(i)；

步骤4：测量待测样品上两个所述目标检测点之间部分在相同高频恒流信号激励时的高频电压值vsh'；

步骤5：在变化曲线hs(i)～vsh(i)中读取所述高频电压值vsh'对应的表面硬度hs'；

其中，标样与待测样品为材质和几何参数均相同的铁磁性导体材料，且系列标样的表面硬度范围涵盖待测样品的表面硬度范围。

本实施例中，当标样和待测样品为圆柱形时，所述步骤2和步骤4中，所述高频恒流信号的频率范围为：

其中，ρ为待测样品的电阻率，μr为待测样品的平均相对磁导率，r为圆柱形待测样品的半径。

这里对高频频率的范围之所以要如此限定，是因为趋肤深度应明显小于样品半径r，且不应该太小，以免样品表面缺陷和损伤对硬度测量的干扰。而在不同频率的激励信号时，其趋肤深度不同，随着激励信号的频率的增加，趋肤深度会减小，如果激励信号的频率太小，趋肤深度相对会比较大，如果激励信号的频率太大，趋肤深度相对会很小，此时，待测样品表面损伤的影响不能忽略，而且频率过高时磁导率和电阻率都会变化。经过反复试验，当所述高频恒流信号的频率范围为上式限定的范围时，检测结果比较精确。

若是其它形状样品，原则上与上述圆柱形样品类似，取高频频率反比于截面积和相对磁导率，正比于电阻率。具体高频频率值可通过试验不同频率值，测试系列标样使hs(i)～vsh曲线变化明显来决定高频频率f。

需要说明的是，所述步骤1至步骤5中，选定高频恒流信号的频率f后即保持不变，直至完成整个测量过程。

优选地，所述高频恒流信号的频率f和幅度可调。这里，通过调整所述高频恒流信号的频率f，可以获样品表面不同深度的硬度信息。所述高频恒流信号的频率f越小，可以检测标样和待测样品表面硬度的深度越深。这样，就可以通过调整所述高频恒流信号的频率f获取待测样品的淬火深度、渗碳深度等样品表面硬度强化层的深度信息。

实施例二、一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法，下面将对本发明的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法进行详细介绍。

一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法，与实施例一所不同的是，本实施例中，优选地，步骤2和步骤3之间还包括步骤21a：

步骤21a:在各所述标样两端加上频率相同的低频恒流信号，检测两个所述目标检测点之间的部分在不同已知表面硬度hs(i)下的低频电压值vsl(i)；

步骤3:根据在不同已知表面硬度hs(i)下的低频电压值vsl(i)和高频电压值vsh(i)计算待各标样的相对电压值v相对1(i)，并绘制标样的相对电压值v相对1(i)随表面硬度hs(i)的变化曲线v相对1(i)～hs(i)；

所述步骤4与步骤5之间还包括步骤41a：

步骤41a：测量待测样品上两个所述目标检测点之间部分的低频电压值vsl'和高频电压值vsh'；

步骤5：根据高频电压值vsh'与低频电压值vsl'计算待测样品的相对电压值v相对1'，并根据变化曲线v相对1(i)～～hs(i)读取所述相对电压值v相对1'对应的表面硬度hs'。

本实施例中，所述步骤3中相对电压值v相对1(i)的具体计算为：将已知表面硬度hs(i)的标样的高频电压值vsh(i)依次除以低频电压值vsl(i)，得到相对电压值v相对1(i)；

所述步骤5中相对电压值v相对1'的具体计算为：将待测样品上两个所述目标检测点之间的高频电压值vsh'依次除以低频电压值vsl'，得到相对电压值v相对1'。

这里，将低频电压值vsl(i)和高频电压值vsh(i)转化为相对电压值v相对1(i)，是为了通过相对电压值v相对1(i)随表面硬度hs(i)的变化曲线v相对1(i)～hs(i)来减小与表面硬度无关的因素影响，并减小两个目标检测点之间的无关因素变化引起表面硬度测量产生误差，方便检测。

本实施例中，所述低频恒流信号的频率范围为1hz-240hz。

实施例三、一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法，下面将对本发明的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法进行详细介绍。

一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法，与实施例一所不同的是，本实施例中，所述步骤2和步骤3之间还包括步骤21b：

步骤21b：在标样两端加上低频恒流信号，检测两个所述目标检测点之间的部分在已知表面硬度hsmid下的低频电压值vslmid；

其中，表面硬度hsmid为已知表面硬度范围的中间值；

步骤3：根据低频电压值vslmid和不同已知硬度hs(i)对应的高频电压值vsh(i)计算待测样品的相对电压值v相对2(i)，并绘制标样相对电压值v相对2(i)随表面硬度的变化曲线v相对2(i)～hs(i)；

所述步骤4和步骤5之间还包括步骤41b：

步骤41b：测量待测样品上两个所述目标检测点之间部分的高频电压值vsh'；

步骤5：根据高频电压值vsh'与低频电压值vslmid计算待测样品的相对电压值v相对2'；并根据变化曲线v相对2(i)～hs(i)读取所述相对电压值v相对2'对应的表面硬度hs'。

本实施例中，所述步骤3中相对电压值v相对2(i)的具体计算为：将已知表面硬度hs(i)的标样的高频电压值vsh(i)依次除以低频电压值vslmid，得到相对电压值v相对2(i)；所述步骤5中相对电压值v相对2'的具体计算为：将待测样品上两个所述目标检测点之间的高频电压值vsh'除以低频电压值vslmid得到相对电压值v相对2'。

这里，选取表面硬度范围的中间值hsmid下的低频电压值vslmid来作为两个目标检测点之间部分的低频电压值，并通过高频电压值vsh(i)和低频电压值vslmid转化为相对电压值v相对2(i)，也是为了通过相对电压值v相对2(i)随表面硬度hs(i)的变化曲线v相对2(i)～hs(i)来减小与表面硬度无关的因素影响，并减小两个目标检测点之间的无关因素变化引起表面硬度测量产生误差，方便检测。

当然，如果待测样品的表面硬度hs(i)变化不大，且工艺条件基本稳定(其他参数一样，仅仅只是硬度不同)，或只需要对比表面硬度的大小，不需要定量测量硬度时，可以直接由所测量的电压参量表征硬度。例如，表面硬度仅由碳含量引起时，表面硬度越高，在一定范围内，测量的高频电压值或低频电压值越小；若表面硬度仅由表面疲劳引起时，硬度越高，测量的高频电压值或低频电压值越大等。

对于已知电压参量随表面硬度变化规律的样品，可以仅测量一个标样的电压参量即可定量确定校正曲线，实现表面硬度的测量或相对比较。

实施例四、一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统。下面将结合图2对本实施例进行详细地说明。

如图2所示，一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统，包括交流恒流信号模块、交流电压检测模块和主控制模块。

其中，所述交流恒流信号模块用于为标样或待测样品提供电流有效值恒定的高频或低频恒流信号；所述交流电压检测模块用于检测各已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间的部分的高频电压值vsh(i)；以及检测待测样品上两个所述目标检测点之间部分在高频恒流信号时的高频电压值vsh'；所述主控制模块用于根据不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间部分的高频电压值vsh(i)绘制标样的表面硬度hs(i)随高频电压值vsh(i)的变化曲线hs(i)～vsh(i)；还用于在所述变化曲线hs(i)～vsh(i)中读取所述高频电压值vsh'对应的表面硬度hs'；其中，标样与待测样品为材质和几何参数均相同的铁磁性导体材料，且系列标样的表面硬度范围涵盖待测样品的表面硬度范围。

实施例五、一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统。下面将对本实施例进行详细地说明。

一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统，与实施例四所不同的是，本实施例中，所述交流电压检测模块还用于检测不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间的低频电压值vsl(i)；以及获取待测样品上两个目标检测点之间的低频电压值vsl'；所述主控制模块包括第一曲线绘制单元、第一计算单元和第一mcu。

其中，所述第一计算单元用于根据不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间的低频电压值vsl(i)和高频电压值vsh(i)计算标样的相对电压值v相对1(i)；还用于根据待测样品上两个目标检测点之间的部分在高频恒流信号时的高频电压值vsh'和低频电压值vsl'计算待测样品的相对电压值v相对1'；所述第一曲线绘制单元用于绘制标样的相对电压值v相对1(i)随表面硬度hs(i)的变化曲线v相对1(i)～hs(i)；所述第一mcu用于根据变化曲线v相对1(i)～hs(i)读取所述待测样品相对电压值v相对1'对应的表面硬度hs'。

实施例六、一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统。下面将对本实施例进行详细地说明。

一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量系统，与实施例四所不同的是，本实施例中，所述交流电压检测模块还用于检测标样上两个所述目标检测点之间的部分在已知表面硬度hsmid下的低频电压值vslmid；其中，表面硬度hsmid为待测样品表面硬度范围的中间值；所述主控制模块包括第二曲线绘制单元、第二计算单元和第二mcu。

其中，所述第二计算单元用于根据不同已知表面硬度hs(i)的标样上两个目标检测点之间的高频电压值vsh(i)和低频电压值vslmid计算标样的相对电压值v相对2(i)；还用于根据待测样品上两个目标检测点之间的部分在高频恒流信号时的高频电压值vsh'和低频电压值vslmid计算待测样品的相对电压值v相对2'；所述第二曲线绘制单元用于绘制标样的相对电压值v相对2(i)随表面硬度hs(i)的变化曲线v相对2(i)～hs(i)；所述第二mcu用于根据变化曲线v相对2(i)～hs(i)读取所述待测样品的相对电压值v相对2'对应的表面硬度hs'。

本发明的一种基于趋肤效应的铁磁性导体材料表面硬度测量方法及系统，受表面影响小，可检测表面复杂和表面污染等样品，没有提离度问题，对样品几何参数无定量要求，测试简单可靠，可获取待测样品的淬火深度、渗碳深度等样品表面硬度强化层的深度信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。