一种多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法
【专利摘要】本发明一种多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法属于无损检测领域，涉及到对于微裂纹的定量检测，尤其针对于多种参量集成定量检测的一种检测方法,应用于铁磁材料微裂纹检测领域。检测方法采用金属磁记忆、位移、超声波和涡流传感器相结合的复合检测方法，由中央处理器控制步进电机带动传感器固定装置夹持传感器组对试件进行裂纹检测；移动位移通过位移传感器由触摸屏实时显示。检测方法的具体步骤是先组装检测系统，进行检测系统初始化设置，最后实施检测。该测量方法通过三种传感器多参量集成克服单一检测方式裂纹量化表征难度大的问题；克服了传统手动方式稳定性差，方法简单可靠，检测准确性高，更好地满足了对微裂纹定量检测的需求。
【专利说明】
一种多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法
技术领域
[0001]本发明属于无损检测领域，涉及到对于微裂纹的定量检测，尤其针对于多种参量集成定量检测的一种检测方法，应用于铁磁材料微裂纹检测领域。
技术背景
[0002]再制造工程作为一项战略性新兴产业，是针对废旧产品进行产业化的高技术修复、改造工作，具有显著的节约资源及保护环境效果。随着科技的发展，在国民经济的各领域，诸如船舶、工程机械、核电设备、飞机等高端机械装备中，再制造技术得到了越来越广泛的应用。与此同时，大量的高端机械装备在达到报废标准后将被淘汰，新增的退役装备还在大量增加。因此，实施高端机械装备再制造，不仅能为国家节省大量资源，而且具有显著的经济效益。
[0003]再制造毛坯经过一定周期的服役之后，其内部结构组织的力学和使用性能会发生明显的变化。采用各种无损检测手段对其进行检测后发现，其性能失效主要表现在疲劳破坏、摩擦损伤和腐蚀等，而其中最主要的失效形式便是疲劳破坏。发生疲劳的试件往往在远低于其设计应力的作用下，突然发生断裂等失效。因此在毛坯进行再制造前，需要对其进行全面的可再制造性评估，这是决定其有无再制造价值的最重要环节，也是再制造领域主要研究的内容之一。但是由于毛坯内部损伤形式多种多样，想要对其进行全面准确地评价非常困难。通常对再制造毛坯进行寿命评估前，需要采用无损检测技术进行探伤，通过分析所探测到的缺陷进行后续的寿命预测工作，因此无损检测是机械装备再制造工程的重要组成部分，关系到再制造产品的服役安全。当前国内外普遍采用超声检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测等五大常规检测技术对再制造毛坯进行无损检测。鉴于各种单一检测方法检测范围的局限性，以及检测出的结果均属于经验性和概率性地推测，存在一定的漏检率，具有相对地不确定性，这对再制造毛还的寿命评估具有相当大的影响。为了提尚材料缺陷的检出率和检测结果的可靠性，常需借助其他检测手段对当前的检测结果进行进一步的分析和确定，相互取长补短，因而相应地出现了多传感器复合检测技术，即多参量无损检测技术。张清华.基于超声和涡流的复合式无损检测技术[D].广州:华南理工大学，2010.在该论文中虽然采用超声与涡流复合检测的技术，但是由于手动操作，误差较大。由于当前无损检测技术人员多数采用手持设备或单点测量的方法，不适合工业标准化和定量化检测，并且检测效率很低，重复定位精度较差。同时对多参量无损检测系统的搭建还仍存在空白。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题是克服单一传感器漏检率高以及人工操作效率低，稳定性差，采用异步驱动同步检测的工作方式，由单片机驱动步进电机带动传感器组，在同一检测位置先后由金属磁记忆、超声和涡流三种传感器复合检测，检测位置由显示屏显示，传感器测得数据上传到上位机进行处理。此方法可以有效的提高检测效率和检测精度。
[0005]本发明采用的技术方案是一种多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法，其特征是，检测方法采用金属磁记忆、位移、超声波和涡流传感器相结合的复合检测方法，由单片机控制步进电机带动传感器固定装置夹持传感器组对试件进行裂纹检测;移动位移通过位移传感器由显示器实时显示。检测方法的具体步骤如下:
[0006]第一步组装检测系统
[0007]检测系统由中央处理器1、触摸屏2、步进电机驱动器3、步进电机4、丝杠5、传感器组机械夹持装置6、位移传感器7、金属磁记忆传感器8、超声波传感器9、涡流传感器1、上位机11、待测试件12、金属磁记忆涡流检测仪13、超声波检测仪14、实验台支座15组成；中央处理器I与触摸屏2连接，中央处理器I与步进电机驱动器3连接，步进电机驱动器3连接步进电机4;步进电机4与丝杠5相连接，通过丝杠转动带动传感器夹持装置6运动，位移传感器7、金属磁记忆传感器8、超声波传感器9、涡流传感器10依次线性排列安装在传感器夹持装置6上，位移传感器7的右侧与实验台支架15固定;位移传感器7的一个接口与触摸屏2连接，通过电阻变化量转化为位移变化量显示在触摸屏上;传感器组接口分别与上位机11连接，用于分析数据，同时金属磁记忆传感器8与涡流传感器10与检测仪13连接，用于显示磁场分量与涡流的波形变化，超声波传感器9与超声波检测仪14连接，显示超声波形的变化;传感器组机械夹持装置为统一整体结构，通过六角螺钉固定在与丝杠相连接的滑台上，整个夹持结构采用有机玻璃材料；
[0008]第二步检测系统初始化设置
[0009]打开检测系统，系统默认显示位移为零，测量金属磁记忆传感器8与实验台支架15右端面的距离记为1;然后在触摸屏2上输入10组间隔固定依次增加的位移值;步进电机4正转，使用千分尺测量对应的实际位置记为In;然后重新输入十组位移依次减小的数值，位移差固定不变；电动机反转，用千分尺测量相应的位置记为Im;根据输入位移与实际位移值绘图，分析误差大小;如果实际测量值与显示数值的误差小于1%，则该系统控制准确;如果大于I %，则通过软件校准满足显示位移的准确性的要求；
[0010]第三步实施检测
[0011]首先，中央处理器I控制步进电机4带动金属磁记忆传感器8沿丝杠5转动，检测仪13记录磁信号；当此信号的水平分量HP(y)过零点时，则表明裂纹在此位置，记录触摸屏2显示的数值;然后中央处理器I驱动步进电机4带动超声波传感器9移动到记录位置，在该处采集超声波返回的回波波形，将采集到的回波传送到上位机11，分析回波的高度与宽度特征，然后点击触摸屏2上的步进电机正转按钮，步进电机4带动涡流传感器10移动到相同的裂纹位置，将采集的信号上传到上位机11，通过分析波形的上升斜率与下降斜率，以此来获得裂纹的深度;在超声与涡流传感器检测重叠区域，超声波与涡流传感器重叠检测区域试件的深度为2_?10_，通过分别提取超声与涡流传感器的采集信号，通过比对相同材料不同长度及不同缺陷类型的标准裂纹分析裂纹的长度及类型;提取特征值通过上位机数据融合来获取裂纹的特征信息。
[0012]本发明的有益效果是，通过三种传感器多参量集成克服单一检测方式裂纹量化表征难度大的问题;通过中央处理器与触摸屏的结合实现了操作的简单高效，克服了传统手动方式稳定性差，对操作人员的专员素养要求高的难处。同时异步驱动同位检测的检测方式的创新给多参量复合检测的理念提供了切实可行的操作方案。对微裂纹的准确量化表征有助于合理准确的评估再制造产品的使用寿命或者新产品的寿命预测。应用异步驱动同位检测的方法，提高了检测的效率，减少了实验误差。
【附图说明】
[0013]附图1是多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法原理图，图中:I中央处理器、2触摸屏、3步进电机驱动器、4步进电机、5丝杠、6传感器组机械夹持装置、7位移传感器、8金属磁记忆传感器、9超声波传感器、10涡流传感器、11上位机、12待测试件、13检测仪、14超声波检测仪、15实验台支座。
【具体实施方式】
[0014]以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0015]金属磁记忆方法能够检测出构件内部的应力集中区域和早期微观缺陷及损伤，但是无法实现量化表征。超声波方法具有适用性广、探伤灵敏度高、检测深度大和安全性好等优点。涡流检测的趋肤效应可以准确的检测到近表面的裂纹特征，对于深度裂纹无法实现定量检测。由于三种检测方式各有不同优缺点，所以采用金属磁记忆、超声波和涡流传感器相结合的复合检测方法。
[0016]首先打开检测系统，系统默认显示位移为零时，测量金属磁记忆传感器与实验台右端面的距离记为1;然后在触摸屏上输入10组间隔1mm依次增加的位移值。步进电机正转，使用千分尺测量对应的实际位置记为In。然后重新输入十组间隔1mm位移依次减小的数值。电动机反转，用千分尺测量相应的位置记为Im。根据输入位移与实际位移值绘图，分析误差大小。如果实际测量值与显示数值的误差小于I %，则该系统控制准确，如果大于1%，则通过软件校准以此实现显示位移的准确性。
[0017]将待检试件12放在待检测的固定位置，为了保证环境因素相同，地球磁场强度相同，试件放置的位置不随传感器的种类变化和试验次数变化而变化。打开电源，通过开关电源将220v电压转换成直流电24v，该电压分别为步进电机驱动器4与中央控制器I供电。调节步进电机驱动器3的按钮，设定步进电机4的转速为SOOPulse/rev。本系统所采用的直线滑台结构中丝杠螺距为5mm，57BYGH301型步进电机步距角为1.8°，选择步进电机的细分步数为800Pulse/rev，电机每转一圈需要800个脉冲，此时电机的工作频率为每2ms走一步，转换为步距角为1.8°，电机走完一圈360°则共需1.6s，根据单头丝杠螺母间传动规律，丝杠每转一圈，螺母向前行进一个螺距，经过计算固定传感器支架的螺母每1.6s可移动5mm，速度为3.125mm/s，完成Im的位移所需时间为320s。此转速可以提高裂纹检测的准确性。
[0018]检测系统开机初始化设置完成以后，现结合图1介绍具体操作:打开金属磁记忆检测仪，打开中央控制器I开关，在触摸屏2上点击电机正转，步进电机4带动金属磁记忆传感器8沿丝杠5转动，检测仪记录磁信号，当此信号的水平分量叫(50过零点时，则表明裂纹在此位置，记录显示屏2上显示的数值。为避免实验误差，多次重复操作，将多次数据上传到上位机11，通过绘图取平均值的方法获得裂纹位置ao。然后打开超声波检测仪，驱动步进电机4带动超声波传感器9移动到记录位置a ο，在该处采集超声波返回的回波波形，将采集到的回波传送到上位机11，分析回波的高度与宽度等特征，多次测量取其回波特征的平均值，通过比对相同材料不同长度及不同缺陷类型的标准裂纹，以此来获得此处裂纹的长度及类型。鉴于超声波检测在近表面存在检测盲区，所以应采用涡流检测，在2mm以内具有良好的灵敏性。打开涡流检测仪，点击触摸屏电机正转按钮，步进电机带动涡流传感器10移动到裂纹位置ao，将采集的信号上传到上位机11中，通过分析波形的上升斜率与下降斜率以此来获得裂纹的深度。当深度在2?4mm之间时，此区间正处于超声检测盲区与涡流检测盲区的重叠位置，因此需要将超声和涡流信号的特征值提取出来，传送到上位机11，上位机通过数据融合来实现测量裂纹大小的最大可靠置信区间。
[0019]多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法克服了人工手动操作检测仪带来的误差不稳定，采用自动控制提高的操作的便捷性，同时降低了技术人员的操作要求;多传感器相互配合，利用自身的优势保证了裂纹检测准确程度的最大化，与该检测方法相配套的多参量检测系统的设计也填补该领域的空白，为以后多参量复合检测的发展奠定了基础。
【主权项】
1.一种多参量集成铁磁金属材料微裂纹检测方法，其特征是，检测方法采用金属磁记忆、位移、超声波和涡流传感器相结合的复合检测方法，由单片机控制步进电机带动传感器固定装置夹持传感器组对试件进行裂纹检测；移动位移通过位移传感器由显示器实时显示。检测方法的具体步骤如下: 第一步组装检测系统 检测系统由中央处理器(I)、触摸屏(2)、步进电机驱动器(3)、步进电机(4)、丝杠(5)、传感器组机械夹持装置(6)、位移传感器(7)、金属磁记忆传感器(8)、超声波传感器(9)、涡流传感器(10)、上位机(11)、待测试件(12)、金属磁记忆涡流检测仪(13)、超声波检测仪(14)、实验台支座(15)组成；中央处理器(I)与触摸屏(2)连接，中央处理器(I)与步进电机驱动器(3)连接，步进电机驱动器(3)连接步进电机(4);步进电机(4)与丝杠(5)相连接，通过丝杠转动带动传感器夹持装置(6)运动，位移传感器(7)、金属磁记忆传感器(8)、超声波传感器(9)、涡流传感器(10)依次线性排列安装在传感器夹持装置(6)上，位移传感器(7)的右侧与实验台支架(15)固定;位移传感器(7)的一个接口与触摸屏(2)连接，通过电阻变化量转化为位移变化量显示在触摸屏上；传感器组接口分别与上位机(II)连接，用于分析数据，同时金属磁记忆传感器(8)与涡流传感器(10)与检测仪(13)连接，用于显示磁场分量与涡流的波形变化，超声波传感器(9)与超声波检测仪(14)连接，显示超声波形的变化;传感器组机械夹持装置为统一整体结构，通过六角螺钉固定在与丝杠相连接的滑台上，整个夹持结构采用有机玻璃材料； 第二步检测系统初始化设置 打开检测系统，系统默认显示位移为零，测量金属磁记忆传感器(8)与实验台支架(15)右端面的距离记为1;然后在触摸屏(2)上输入10组间隔固定依次增加的位移值;步进电机(4)正转，使用千分尺测量对应的实际位置记为1?;然后重新输入十组位移依次减小的数值，位移差固定不变；电动机反转，用千分尺测量相应的位置记为Im;根据输入位移与实际位移值绘图，分析误差大小；如果实际测量值与显示数值的误差小于I %，则该系统控制准确;如果大于I %，则通过软件校准满足显示位移的准确性的要求； 第三步实施检测 首先，中央处理器(I)控制步进电机(4)带动金属磁记忆传感器(8)沿丝杠(5)转动，检测仪(13)记录磁信号；当此信号的水平分量HP(y)过零点时，则表明裂纹在此位置，记录触摸屏(2)显示的数值;然后中央处理器(I)驱动步进电机(4)带动超声波传感器(9)移动到记录位置，在该处采集超声波返回的回波波形，将采集到的回波传送到上位机(U)，分析回波的高度与宽度特征，然后点击触摸屏(2)上的步进电机正转按钮，步进电机(4)带动涡流传感器(10)移动到相同的裂纹位置，将采集的信号上传到上位机(11)，通过分析波形的上升斜率与下降斜率，以此来获得裂纹的深度;在超声与涡流传感器检测重叠区域，超声波与涡流传感器重叠检测区域试件的深度为2mm?10mm，通过分别提取超声与涡流传感器的采集信号，通过比对相同材料不同长度及不同缺陷类型的标准裂纹分析裂纹的长度及类型；提取特征值通过上位机数据融合来获取裂纹的特征信息。
【文档编号】G01N27/90GK105842335SQ201610176663
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】张元良, 姜辉, 王金龙, 张 浩, 李乾坤, 李瑞品, 勾万强, 赵清晨, 王若飞, 郭俊飞, 刘全利, 何希平
【申请人】大连理工大学