一种钢件缺陷的电磁无损检测装置制造方法
【专利摘要】一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，属于无损检测【技术领域】。由探头、信号发生器、功率放大器、前置放大器、信号采集和处理系统组成；其中，探头由“E”型磁芯、激励线圈、第一感应线圈、第二感应线圈、第一永磁体、第二永磁体、外壳组成；在“E”型磁芯的两边分别放置与磁芯平面相平行的第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体在钢件内部形成的磁场方向与磁芯磁轭方向及检测方向相垂直；第一永磁体、第二永磁体和“E”型磁芯共同放置在探测钢件的表面，并与探测钢件的表面契合。本发明所述装置结构简单、低功耗，能够快速准确测量钢材表面下存在的缺陷和应力累积区域。
【专利说明】-种钢件缺陷的电磁无损检测装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于无损检测【技术领域】，具体涉及一种钢件缺陷的电磁无损检测装置。
【背景技术】
[0002] 钢材作为一种重要建筑材料，其种类繁多，广泛应用于工农业生产科研各个领域， 如石油管线、桥梁、铁路及建筑等。在钢件的使用过程中会造成一定的应力累积，以致损坏 断裂形成缺陷。尤其是缺陷出现在钢件表面下时，由于铁磁性材料的趋肤效应更加明显，常 规电磁方法较难探测。因此，能准确有效的对此类缺陷进行在线无损检测和估计，对于保证 钢材构件安全使用十分必要，对于无损检测方法研究领域有着重要的意义。
[0003] 近些年来，基于电磁学理论和技术的无损检测方法发展迅速，常用电磁学检测方 法包括涡流法、巴克豪森噪声法、漏磁检测法、金属磁记忆法、磁力（效应）法等。其方法和 相应的设备具有非接触，测量速度较快，无辐射等优点，在生产科研领域有着广泛应用。
[0004] 涡流检测法是最常见的金属构件缺陷的无损检测方法，但是受限于趋肤效应，该 方法多用于表面宏观缺陷的检测。巴克豪森噪声法是指铁磁性材料在受到增强的外磁场磁 化时，畴壁发生非连续和跳跃式的运动，产生的噪声信号可在一定程度上反映材料的组织 结构及应力状态。但该方法的测量深度浅，而且构件的表面粗糙度等对噪声信号都有很大 的影响。漏磁检测法是指在施加激励磁场时，磁性材料缺陷处的漏磁场会产生相应变化， 多用于检测材料表面的宏观缺陷。近年英国Newcastle大学的Tian Guiyun研究组在漏 磁检测领域做出了杰出工作，提出脉冲漏磁检测法（pulsed magnetic flux leakage field testing, PMFL)，采用低频方波脉冲做激励，结合电磁感应脉冲磁阻方法（pulsed magnetic reluctance PMR)，极大地改善了缺陷的探测深度，可达表面以下几毫米。金属磁记忆法是 俄罗斯Doubov教授在20世纪末提出的，它实质上是一种广义的漏磁效应，外激励磁场为地 磁场，通过材料表面漏磁场来显现钢件内部缺陷和应力分布情况。但是地磁场会随着地理 位置和环境的不同而改变，所以磁记忆现象将表现出一定的随机性，该方法可靠性差。磁力 法是基于电磁感应原理，获得铁磁性材料在应力作用下的磁特性曲线，利用相应磁性参数 如：矫顽力、剩磁、磁导率、饱和磁化强度等来表征构件的应力和缺陷状况。但是在实际应用 时线圈不可能绕制在材料构件上，难以实现在线测量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，本发明所述装置结构简 单、低功耗，能够快速准确测量钢材表面下存在的缺陷和应力累积区域。
[0006] 本发明所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，由探头（1)、信号发生器（2)、 功率放大器（3)、前置放大器（4)、信号采集和处理系统（5)组成。其中，探头（1)由"E"型 磁芯（6)、激励线圈（7)、第一感应线圈（8)、第二感应线圈（9)、第一补偿电感（10)、第二补 偿电感（11)、第一永磁体（12)、第二永磁体（13)、外壳（14)组成；其中，激励线圈（7)绕制 在"E"型磁芯（6)中间的磁轭上，第一感应线圈（8)和第二感应线圈（9)分别绕制在"E" 型磁芯（6)两边的磁轭上并串联反接，特别的，两个感应线圈的缠绕方式、材料、线径及匝 数相同；第一感应线圈（8)与第一补偿电感（10)串联、第二感应线圈（9)与第二补偿电感 (11)串联后分别接前置放大器（4)的两个输入端进行初步差动放大；在与"E"型磁芯（6) 两边分别放置与磁芯（6)平面（即图1(a)中所示的Y-Z平面，X轴方向沿纸面向外）相平 行的第一永磁体（12)和第二永磁体（13);第一永磁体（12)、第二永磁体（13)和"E"型磁 芯（6)共同放置在探测钢件（15)的表面，并与探测钢件（15)的表面契合（探头与探测表 面最大限度的贴合紧密）；第一永磁体（12)的S极和第二永磁体（13)的N极（或第一永 磁体（12)的N极和第二永磁体（13)的S极）与探测钢件（15)的表面相接触，从而使第一 永磁体（12)和第二永磁体（13)在钢件内部形成的磁场方向（X轴方向）与磁芯（6)磁轭 方向（Z轴方向）及检测方向（Y轴方向）相垂直。第一永磁体（12)内部的磁化强度M方 向是沿+ Z轴方向（或-Z轴方向），第二永磁体（13)内部的磁化强度M方向沿-Z轴方 向（或+ Z轴方向）。
[0007] 信号发生器（2)产生一定频率和幅值的周期信号（方波或锯齿波），该周期信号再 经功率放大器（3)放大（放大2?100倍）加载到探头（1)的激励线圈（7)上，由于第一 感应线圈（8)和第二感应线圈（9)是串联反接的，所以两个感应线圈总的输出电压为ε (t) =el(t)-e2(t)，其中两个感应线圈的感应信号分别为ε?α)和e2(t)。经过前置放大 器（4)进行初步差动放大得到总输出信号U(t) = K ε (t) (K为前置放大器（4)的增益）； U(t) =Κε (t)再由信号采集和处理系统（5)进行FFT转换后得到包含多次谐波的频域信 号U (ω )，将该频域信号U (ω)的各次谐波的幅值与经验数据进行比对，从而获得待测钢件 缺陷深度和尺寸的信息。
[0008] "Ε"型磁芯（6)的材质可以是铁氧体（锰锌铁氧体）、硅钢片或非晶及纳米晶软 磁材料，永磁体材质可以是铁氧体、钕铁硼或铝镍钴，外壳（14)为非铁磁性硬质材料，外壳 (14)内的其他空间由硬质胶填充。
[0009] 其中，信号发生器2提供的周期性脉冲信号的频率为0. 1?10kHz，幅值为50? IOOOOmV,本装置的探测深度为Imm?20mm。
[0010] 其中，信号采集和处理系统（5)是由多通道的数据采集卡和上位机（PC机）及数 据处理软件构成，在检测精度要求不高的情况下可用多路示波器代替数据采集卡。
[0011] 探头1的典型尺寸：长c为10?200臟,宽e为2?IOCtam,高q为2?lOCtam。
[0012] 本发明的钢材缺陷的电磁无损检测装置工作原理如下：
[0013] 信号发生器（2)提供周期性脉冲信号，信号为方波或锯齿波。信号再经由功率放 大器（3)加载到探头（1)的激励线圈（7)，功率放大器（3)也可以是高功率运算放大器或电 压电流转换电路。激励线圈内部就会产生与激励电流i(t)变化趋势相同的磁通Φα)，其 形式也近似方波或锯齿波。μ e是磁芯和探测钢件复合磁路的等效磁导率，是磁路长度， N。和S。分别是激励线圈的匝数和截面积。
[0014] Φ ⑴=μ eNci(t)Sc/le (I)
[0015] 由于磁芯的E型对称结构，在探测钢件下表面无缺陷时，由E型磁芯两边磁轭和 钢件构成两个完全一样的并联磁路。忽略漏磁，则第一、第二感应线圈（8)、（9)中的磁通 Φ?α) = Φ2α) = Φα)/2。由于激励线圈电感量的存在，激励电流i(t)在信号突变时 (方波或锯齿波上升沿或下降沿）形成周期性的暂态过程，波形会有一定的畸变，但也可以 进行傅里叶变换：
【权利要求】
1. 一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：由探头（I)、信号发生器（2)、功 率放大器（3)、前置放大器（4)、信号采集和处理系统（5)组成；其中，探头（1)由"E"型磁 芯（6)、激励线圈（7)、第一感应线圈（8)、第二感应线圈（9)、第一永磁体（12)、第二永磁体 (13)、外壳（14)组成；激励线圈（7)绕制在"E"型磁芯（6)中间的磁轭上，第一感应线圈 (8)和第二感应线圈（9)分别绕制在"E"型磁芯（6)两边的磁轭上并串联反接；第一感应 线圈（8)和第二感应线圈（9)分别接前置放大器（4)的两个输入端进行初步差动放大；在 "E"型磁芯（6)的两边分别放置与磁芯（6)平面相平行的第一永磁体（12)和第二永磁体 (13)，第一永磁体（12)和第二永磁体（13)在钢件内部形成的磁场方向与磁芯（6)磁轭方 向及检测方向相垂直；第一永磁体（12)、第二永磁体（13)和"E"型磁芯（6)共同放置在探 测钢件（15)的表面，并与探测钢件（15)的表面契合；信号发生器（2)产生一定频率和幅值 的周期信号，该周期信号经功率放大器（3)放大后加载到探头（1)的激励线圈（7)上，第一 感应线圈⑶和第二感应线圈（9)总的输出电压为e (t) = e l(t)-e2(t)，其中两个感 应线圈的感应信号分别为e l(t)和e 2(t)，e (t)经过前置放大器（4)进行初步差动放大 后得到总输出信号U(t) = K e (t)，K为前置放大器（4)的增益；U(t) = K e (t)再由信号 采集和处理系统（5)进行FFT转换后得到包含多次谐波的频域信号U(?)，将该频域信号 U(?)的各次谐波的幅值与经验数据进行比对，从而获得待测钢件缺陷深度和尺寸的信息。
2. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：第一感应线 圈（8)和第二感应线圈（9)缠绕方式、材料、线径及匝数均相同。
3. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：还设置有第 一补偿电感（10)和第二补偿电感（11)，第一感应线圈（8)和第二感应线圈（9)分别与第一 补偿电感（10)和第二补偿电感（11)串联后再分别接前置放大器（4)的两个输入端。
4. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于："E"型磁芯 (6)的材质是铁氧体、硅钢片或非晶及纳米晶软磁材料。
5. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：永磁体的材 质是铁氧体、钕铁硼或铝镍钴。
6. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：外壳（14)的 材料是非铁磁性硬质材料，外壳（14)内的其他空间由硬质胶填充。
7. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：经验数据的 获得是利用权利要求1所述装置测量一系列已知宽度和深度的缺陷钢件，获得频域信号 U (?)各次谐波的幅值矩阵Akfaxn0，矩阵元素aku为测定该组缺陷样品时装置输出的U (?) 幅值的极小值，其中1彡i彡n，l彡j彡m，k代表输出信号U(?)的第k次谐波。
8. 如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：与经验数据 进行比对，是将测量未知宽度和深度缺陷时获得的频域信号U (?)的主频信号Ul的幅值与 幅值矩阵Al中的各个元素Blij进行比较；固定行数i,若Blij < Ul < aliCj+1),则记录Blij 对应行列数组（il，jl) ;i从1开始，按照从小到大的顺序依次比较，找到每行符合条件a、 对应的行列数i、j，构成数组（isl，j sl)，但各数组中的列数参数j与先前选取的数组列数j 不能取相同数值，将这些数组组成数组集合SI = {(isll, jsll), (isl2, jsl2), ......}，其中isll =Lisl2 = 2,……;若SI中数组唯一，则数组（isl，jsl)的行isl、列j sl对应的深度和宽度 就是装置测得缺陷的信息；若数组集合Sl中数组不唯一，则将测量未知缺陷时获得的频域 信号U (?)的二次谐波信号U2的幅值与幅值矩阵A2中的各个元素值a2ij进行比较；同理，i从1开始，按照从小到大的顺序依次比较，找到每行符合a2ij<Ul<a2iU+1)时a2ij对应 的行列数数组（is2, js2);将这些数组组成数组集合S2 = {(is21, js21), (is22, js22), ......},其 中is21 = l，is22 = 2,……，取SI与S2的交集SI n S2,看SI n S2数组是否唯一；若不唯 一则将测量未知缺陷时获得的频域信号U (?)的三次谐波信号U3的幅值与幅值矩阵A3中 的各个元素值&3^进行比较，同理可以得到数组集合S3 = {(is31，js31)，（is32, js32)，……}， 其中 is31 = i，is32 = 2，……，再取 si，S2 与 S3 的交集 si n S2 n S3,看 si n S2 n S3 数 组是否唯一；以此类推，依次将测量未知缺陷时获得的频域信号U(CO)的k次谐波信号Uk 的幅值与幅值矩阵Ak中的各个元素值akij进行比较，可以得到数组集合Sk = {(iskl，jskl)， (iSk2, U，......丨，iSki = L iSk2 = 2，......，直到SI到Sk的交集中的数组唯一,则该唯一 的数组（i，j)的行列对应的深度和宽度就是装置测得缺陷的深度和宽度。
9. 如权利要求1?8任何一项所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在 于：信号发生器（2)为安捷伦33250A信号发生器；功率放大器（3)为高功率运算放大器 opa549,增益为2 ;前置放大器（4)为仪表放大器AD620,增益为9 ;信号米集和处理系统（5) 为RIGOL DSl 102示波器和PC机。
10. 如权利要求1?8任何一项所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在 于：信号发生器（2)提供周期性脉冲信号，信号为方波或锯齿波，频率为0. 1?10kHz，幅值 为 50 ?lOOOOmV。
【文档编号】G01N27/83GK104316594SQ201410649980
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月16日 优先权日:2014年11月16日
【发明者】韩冰, 张涛, 黄东岩, 王鑫, 郑伟涛, 李陈孝 申请人:吉林大学