本发明涉及磁性材料中缺陷探索领域，具体涉及一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法及系统。
背景技术
doubov提出的金属磁记忆检测技术(mmmt-metalmagneticmemorytesting)，既可检测出已存在的缺陷，又可探测出铁磁性材料内部以应力集中为特征的危险部位，在缺陷检测中起到“提前预知、事先预防”的作用，在无损检测领域受到极大关注。但是，已有的研究主要是针对表面缺陷的研究，对于磁记忆场与埋藏缺陷关系的理论研究鲜有报道。
缺陷按其所处位置分两类：表面缺陷和埋藏缺陷，见图1-a和图1-b，埋藏缺陷与表面缺陷产生漏磁场的重要区别在于：表面缺陷在地磁场作用下产生的漏磁场在空气中传播，被传感器直接测量；而埋藏缺陷产生的漏磁场是先在铁磁性材料中传播，然后再传播到空气中，最后被传感器接收测量。埋藏缺陷漏磁场在传播过程中经过不同磁导率的介质而发生“折射”，磁场强度发生变化。埋藏缺陷无法用肉眼直接观测到，必须借助于射线、超声等ndt予以探测，但是并不能去顶埋藏缺陷的深度。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法，包括以下步骤，
s1，基于磁屏蔽作用和磁导率变化理论，利用等效磁荷法在磁性材料外部建立埋藏缺陷漏磁场强度模型；
s2，测量待测磁性材料试样外部的磁场参数，并将所述磁场参数代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到待测磁性材料试样的埋藏缺陷的深度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述s1具体为，
s11，基于磁屏蔽作用建立埋藏缺陷内部磁场强度模型；同时，基于磁导率变化理论，利用等效磁荷法建立磁性材料内部磁场强度等效模型；
s12，基于埋藏缺陷与磁性材料分界面的中点，将埋藏缺陷内部磁场强度模型与磁性材料内部磁场强度等效模型联立，计算得到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型；
s13，将埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型代入到磁性材料内部磁场强度等效模型中，得到磁性材料内部磁场强度模型；同时，基于磁导率变化理论，利用等效磁荷法建立磁性材料外部磁场强度等效模型；
s14，将磁性材料内部磁场强度模型与磁性材料外部磁场强度等效模型联立，计算得到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型；
s15，将埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型代入磁性材料外部磁场强度等效模型，得到磁性材料外部磁场强度模型，磁性材料外部磁场强度模型即为埋藏缺陷漏磁场强度模型。
进一步，所述埋藏缺陷漏磁场强度模型具体为，
在所述埋藏缺陷磁场强度模型中，设磁化使磁性材料中埋藏缺陷的两侧面上均匀分布着极性相反、面密度ρms相等的两条磁荷带，且埋藏缺陷的上、下面无磁荷分布；
hx为待测磁性材料试样外部任意一点的磁场强度的切向分量；
hy为待测磁性材料试样外部任意一点的磁场强度的法向分量；
b”和η”分别为埋藏缺陷对应侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的横、纵坐标；
dη为埋藏缺陷对应侧面上的无限长面元的宽度；
μ3为待测铁磁性材料试样外部的磁导率；
x和y分别为磁性材料外部任意一点的横、纵坐标；
r111为埋藏缺陷一个侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷到磁性材料外部任一点的方向矢量；
r222为埋藏缺陷另一个侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷到磁性材料外部任一点的方向矢量。
进一步，所述r111的模型为，
所述r222的模型为，
其中，
b和η分别为埋藏缺陷侧面上的磁荷的横、纵坐标，μ1为埋藏缺陷内部的磁导率，μ2为磁性材料内部的磁导率。
进一步，所述s2具体为，
s21，用磁记忆检测仪器的传感器扫描待测磁性材料试样表面，得到待测磁性材料试样外部的磁场强度切向分量分布图或磁场强度法向分量分布图；
s22，在所述磁场强度切向分量分布图或磁场强度法向分量分布图中找出磁场强度切向分量或磁场强度法向分量中磁场梯度峰点；
s23，将所述磁场强度峰点在长度或宽度方向的对应点代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到埋藏缺陷的侧面上的磁荷密度；
s24，将埋藏缺陷的侧面上的磁荷密度和所述磁场强度峰点对应的磁场强度分别代入到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型和磁性材料外部磁场强度等效模型中进行计算，得到埋藏缺陷在待测磁性材料试样内部的深度。
本发明的有益效果是：本发明的方法利用等效磁荷法建立埋藏缺陷漏磁场模型可以比较准确的计算出磁性材料内部埋藏缺陷的深度。
基于上述一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法，本发明还提供一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的系统。
一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的系统，包括以下模块，
埋藏缺陷漏磁场强度模型建立模块，其用于基于磁屏蔽作用和磁导率变化理论，利用等效磁荷法在磁性材料外部建立埋藏缺陷漏磁场强度模型；
埋藏缺陷深度计算模块，其用于测量待测磁性材料试样外部的磁场参数，并将所述磁场参数代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到待测磁性材料试样的埋藏缺陷的深度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述埋藏缺陷漏磁场强度模型建立模块包括以下单元，
埋藏缺陷内部磁场强度模型建立单元，其用于基于磁屏蔽作用建立埋藏缺陷内部磁场强度模型；
磁性材料内部磁场强度等效模型建立单元，其用于基于磁导率变化理论，利用等效磁荷法建立磁性材料内部磁场强度等效模型；
磁性材料内部等效磁荷位置模型计算单元，其用于基于埋藏缺陷与磁性材料分界面的中点，将埋藏缺陷内部磁场强度模型与磁性材料内部磁场强度等效模型联立，计算得到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型；
磁性材料内部磁场强度模型计算单元，其用于将埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型代入到磁性材料内部磁场强度等效模型中，得到磁性材料内部磁场强度模型；
磁性材料外部磁场强度等效模型建立单元，其用于基于磁导率变化理论，利用等效磁荷法建立磁性材料外部磁场强度等效模型；
磁性材料外部等效磁荷位置模型计算单元，其用于将磁性材料内部磁场强度模型与磁性材料外部磁场强度等效模型联立，计算得到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型；
磁性材料外部磁场强度模型计算单元，其用于将埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型代入磁性材料外部磁场强度等效模型，得到磁性材料外部磁场强度模型，磁性材料外部磁场强度模型即为埋藏缺陷漏磁场强度模型。
进一步，所述埋藏缺陷漏磁场强度模型具体为，
在所述埋藏缺陷磁场强度模型中，设磁化使磁性材料中埋藏缺陷的两侧面上均匀分布着极性相反、面密度ρms相等的两条磁荷带，且埋藏缺陷的上、下面无磁荷分布；
hx为待测磁性材料试样外部任意一点的磁场强度的切向分量；
hy为待测磁性材料试样外部任意一点的磁场强度的法向分量；
b”和η”分别为埋藏缺陷对应侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的横、纵坐标；
dη为埋藏缺陷对应侧面上的无限长面元的宽度；
μ3为待测铁磁性材料试样外部的磁导率；
x和y分别为磁性材料外部任意一点的横、纵坐标；
r111为埋藏缺陷一个侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷到磁性材料外部任一点的方向矢量；
r222为埋藏缺陷另一个侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷到磁性材料外部任一点的方向矢量。
进一步，所述r111的模型为，
所述r222的模型为，
其中，
b和η分别为埋藏缺陷侧面上的磁荷的横、纵坐标，μ1为埋藏缺陷内部的磁导率，μ2为磁性材料内部的磁导率。
进一步，所述埋藏缺陷深度计算模块包括以下单元，
磁场强度切向分量分布图获取单元，其用于用磁记忆检测仪器的传感器扫描待测磁性材料试样表面，得到待测磁性材料试样外部的磁场强度切向分量分布图；
磁场梯度峰点寻找单元，其用于在所述磁场强度切向分量分布图中找出磁场强度切向分量中磁场梯度峰点；
磁荷密度计算单元，其用于将所述磁场强度峰点在长度方向的对应点代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到埋藏缺陷的侧面上的磁荷密度；
埋藏缺陷深度计算单元，其用于将埋藏缺陷的侧面上的磁荷密度和所述磁场强度峰点对应的磁场强度分别代入到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型和磁性材料外部磁场强度等效模型中进行计算，得到埋藏缺陷在待测磁性材料试样内部的深度。
本发明的有益效果是：本发明的系统利用等效磁荷法建立埋藏缺陷漏磁场模型可以比较准确的计算出磁性材料内部埋藏缺陷的深度。
附图说明
图1-a为磁性材料内表面缺陷的结构示意图；
图1-b为磁性材料内埋藏缺陷的结构示意图；
图2为本发明一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法的流程图；
图3为埋藏缺陷磁场强度计算物理模型；
图4为磁感应线折射过程示意图；
图5为缺陷深度对磁场强度切向分量影响的示意图；
图6为缺陷深度对磁场强度法向分量影响的示意图；
图7为不同深度缺陷的磁场强度切向分量；
图8为本发明一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的系统的结构框图。
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。
如图2所示，一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法，包括以下步骤，
s1，基于磁屏蔽作用和磁导率变化理论，利用等效磁荷法在磁性材料外部建立埋藏缺陷漏磁场强度模型；
s2，测量待测磁性材料试样外部的磁场参数，并将所述磁场参数代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到待测磁性材料试样的埋藏缺陷的深度。
在本具体实施例中，为了更方便的理解本发明的思想，我们有必要来了解一下磁性材料的埋藏缺陷产生的磁感应线的传播过程，具体介绍如下：
磁感应线在埋藏缺陷边界的“折射”：
图3给出了埋藏缺陷上方有厚度为h'的磁性材料的缺陷磁场强度计算物理模型；在图3中，埋藏缺陷的两个面s1和s2上的磁偶极带产生的磁感应线穿过缺陷上方覆盖的磁性材料，经过两次折射，然后到达磁性材料外任意点p'。
磁感应线两次折射过程如图4所示，磁感应线首先在宽度为2b、高为h的埋藏缺陷空间内传播，磁导率为μ1，在缺陷与磁性材料基体分界面发生第一次折射；然后进入磁性材料内部，磁导率为μ2；最后通过磁性材料上边界到达空间点p'，磁导率为μ3，完成在传播过程中的第二次折射。
基于图3和图4对步骤s1进行详细的说明：
埋藏缺陷磁性材料内部磁场
设磁化使埋藏缺陷的侧面上均匀分布着极性相反、面密度ρms相等的两条磁荷带，并设埋藏缺陷其它部位(埋藏缺陷的上、下面)无磁荷分布，则：
埋藏缺陷的侧面s1上宽度为dη(沿y轴方向)的无限长面元上的磁荷在埋藏缺陷空间内任一点p0产生的磁场为，
埋藏缺陷的侧面s2上宽度为dη(沿y轴方向)的无限长面元上的磁荷在埋藏缺陷空间内任一点p0产生的磁场为，
式(1-1)和式(1-2)即为埋藏缺陷内部磁场强度模型；
磁导率在埋藏缺陷与磁性材料边界发生变化，磁感应线发生折射，应用等效磁荷法求解磁性材料区域内的磁场强度。
埋藏缺陷侧面s1上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷在磁性材料内部任一点p产生的磁场为，
埋藏缺陷侧面s2上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷在磁性材料内部任一点p产生的磁场为，
式(2-1)和式(2-2)即为磁性材料内部磁场强度等效模型；
在埋藏缺陷与磁性材料分界面的中点处有，
由式(3-1)得，
同理，由式(3-2)得，
b、η分别为埋藏缺陷侧面s1或s2上的磁荷的横、纵坐标，由折射定律，得，
故埋藏缺陷侧面s1上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置为，
同理，埋藏缺陷侧面s2上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置为，
其中，b1'和η1'分别为埋藏缺陷侧面s1上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的横、纵坐标，b2'和η2'分别为埋藏缺陷侧面s2上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的横、纵坐标；
式(6-1)、式(7-1)、式(6-2)和式(7-2)即为埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型。
在磁性材料内部任意点p磁场强度可由埋藏缺陷两侧面磁场强度叠加求得。
将式(6-1)、式(7-1)代入到式(2-1)，可得埋藏缺陷侧面s1上的磁荷在磁性材料内点p引起的磁场强度见式(8)和式(9)，
同理，将式(6-2)、式(7-2)代入到式(2-2)，可得埋藏缺陷侧面s2上的磁荷在磁性材料内点p引起的磁场强度见式(10)、式(11)所示，
因此，埋藏缺陷在磁性材料内部任意点p磁场强度切向分量和法向分量分别为，
将式(8)和式(10)代入到式(12)可得埋藏缺陷在磁性材料内部任意点p的磁场强度切向分量，
同理，将式(9)和式(11)代入到式(13)可得埋藏缺陷在磁性材料内部任意一点p的磁场强度法向分量，
式(14)和式(15)即为磁性材料内部磁场强度模型。
埋藏缺陷磁性材料外部磁场
在磁性材料外，磁导率为μ3，埋藏缺陷侧面s1上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷在磁性材料外部任一点p'产生的磁场为，
埋藏缺陷侧面s2上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷在磁性材料外部任一点p'产生的磁场为，
其中，
式(16-1)和式(16-2)即为磁性材料外部磁场强度等效模型。
将(8)和(9)代入
其中，
同理，将(10)和(11)代入
其中，
由折射定律得，
故埋藏缺陷侧面s1上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置为，
b1”＝r111·sinα3(20-1)
η1”＝r111·cosα3(21-1)
同理，埋藏缺陷侧面s2上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置为，
b2”＝r222·sinα3(20-2)
η2”＝r222·cosα3(21-2)
式(20-1)、式(21-1)、式(20-2)和式(21-2)即为埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型。
埋藏缺陷侧面s1上的磁荷在磁性材料外点p'引起的磁场强度为，
埋藏缺陷侧面s2上的磁荷在磁性材料外点p'引起的磁场强度为，
则磁性材料外部任意一点p'的磁场强度切向分量和法向分量分别，
将式(22)和式(24)代入式(26)可以得到磁性材料外部任意一点p'的磁场强度切向分量，
将式(23)和式(25)代入到式(27)可以得到磁性材料外部任意一点p'的磁场强度法向分量，
式(28)和式(29)即为磁性材料外部磁场强度模型。
埋藏缺陷深度模拟
根据埋藏缺陷磁场模型式(28)、式(29)进行埋藏缺陷尺度反演：
设μ2取4000，埋藏缺陷内部磁导率μ1和空气的磁导率μ3取1，真空磁导率μ0为4π×10-7h/m。磁荷密度ρms＝0.01wb/m。p'点距离磁性材料表面的垂直距离设为0.5mm。
埋藏缺陷宽度2b＝6mm不变，埋藏缺陷深度变化时，根据式(28)、式(29)，计算得到p'点磁场强度切向分量和法向分量与缺陷深度关系见图5、图6。
由图5和图6可见，在埋藏缺陷宽度保持不变时，随着埋藏缺陷深度h’的增加，磁场强度都呈现出逐渐减小的规律，这与变深度凹槽缺陷试样的试验结果一致。
验证本发明一种铁磁性材料内部缺陷埋藏深度测算方法的正确性
1)准备待测磁性材料试样
制作含有埋藏缺陷的待测磁性材料试样，埋藏缺陷1和埋藏缺陷2的宽度和高度均为6mm，埋藏深度分别为2mm和4mm。
2)用磁记忆检测仪器的传感器扫描待测磁性材料试样表面，得到磁场强度切向分量分布如图7所示。
3)找出磁场强度切向分量中磁场梯度峰点，其峰点在长度方向的对应点为缺陷长度方向位置点。由测量结果图7可见，两个埋藏缺陷的磁场强度切向分量的峰值为80a/m和63a/m，对应的位移坐标分别为65mm和145mm。
4)根据磁性材料外部磁场强度模型式(28)，推导得到的磁荷密度模型如下式：
将右边峰值为63a/m(对应缺陷深度6mm)，代入到磁荷密度模型(30)，得到磁荷密度ρms＝0.015785913wb/(m2)。
5)将峰点对应的磁场强度切向分量值、磁荷密度分别带入磁场模型式(16-1)、式(17-1)，计算得到对应的缺陷埋藏深度值h’＝2.2mm。
因此，建立的埋藏凹槽缺陷磁场模型能够比较准确的计算缺陷的埋藏深度。
本发明的方法利用等效磁荷法建立埋藏缺陷漏磁场模型可以比较准确的计算出磁性材料内部埋藏缺陷的深度。
基于上述一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的方法，本发明还提供一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的系统。
如图8所示，一种确定磁性材料中埋藏缺陷深度的系统，包括以下模块，
埋藏缺陷漏磁场强度模型建立模块，其用于基于磁屏蔽作用和磁导率变化理论，利用等效磁荷法在磁性材料外部建立埋藏缺陷漏磁场强度模型；
埋藏缺陷深度计算模块，其用于测量待测磁性材料试样外部的磁场参数，并将所述磁场参数代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到待测磁性材料试样的埋藏缺陷的深度。
具体的，所述埋藏缺陷漏磁场强度模型建立模块包括以下单元，
埋藏缺陷内部磁场强度模型建立单元，其用于基于磁屏蔽作用建立埋藏缺陷内部磁场强度模型；
磁性材料内部磁场强度等效模型建立单元，其用于基于磁导率变化理论，利用等效磁荷法建立磁性材料内部磁场强度等效模型；
磁性材料内部等效磁荷位置模型计算单元，其用于基于埋藏缺陷与磁性材料分界面的中点，将埋藏缺陷内部磁场强度模型与磁性材料内部磁场强度等效模型联立，计算得到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型；
磁性材料内部磁场强度模型计算单元，其用于将埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型代入到磁性材料内部磁场强度等效模型中，得到磁性材料内部磁场强度模型；
磁性材料外部磁场强度等效模型建立单元，其用于基于磁导率变化理论，利用等效磁荷法建立磁性材料外部磁场强度等效模型；
磁性材料外部等效磁荷位置模型计算单元，其用于将磁性材料内部磁场强度模型与磁性材料外部磁场强度等效模型联立，计算得到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型；
磁性材料外部磁场强度模型计算单元，其用于将埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的位置模型代入磁性材料外部磁场强度等效模型，得到磁性材料外部磁场强度模型，磁性材料外部磁场强度模型即为埋藏缺陷漏磁场强度模型。
所述埋藏缺陷漏磁场强度模型具体为，
在所述埋藏缺陷磁场强度模型中，设磁化使磁性材料中埋藏缺陷的两侧面上均匀分布着极性相反、面密度ρms相等的两条磁荷带，且埋藏缺陷的上、下面无磁荷分布；
hx为待测磁性材料试样外部任意一点的磁场强度的切向分量；
hy为待测磁性材料试样外部任意一点的磁场强度的法向分量；
b”和η”分别为埋藏缺陷对应侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷的横、纵坐标；
dη为埋藏缺陷对应侧面上的无限长面元的宽度；
μ3为待测铁磁性材料试样外部的磁导率；
x和y分别为磁性材料外部任意一点的横、纵坐标；
r111为埋藏缺陷一个侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷到磁性材料外部任一点的方向矢量；
r222为埋藏缺陷另一个侧面上的磁荷相对于磁性材料外部所对应的等效磁荷到磁性材料外部任一点的方向矢量。
所述r111的模型为，
所述r222的模型为，
其中，
b和η分别为埋藏缺陷侧面上的磁荷的横、纵坐标，μ1为埋藏缺陷内部的磁导率，μ2为磁性材料内部的磁导率。
所述埋藏缺陷深度计算模块包括以下单元，
磁场强度切向分量分布图获取单元，其用于用磁记忆检测仪器的传感器扫描待测磁性材料试样表面，得到待测磁性材料试样外部的磁场强度切向分量分布图或磁场强度法向分量分布图；
磁场梯度峰点寻找单元，其用于在所述磁场强度切向分量分布图或磁场强度法向分量分布图中找出磁场强度切向分量或磁场强度法向分量中磁场梯度峰点；
磁荷密度计算单元，其用于将所述磁场强度峰点在长度或宽度方向的对应点代入到所述埋藏缺陷漏磁场强度模型中进行计算，得到埋藏缺陷的侧面上的磁荷密度；
埋藏缺陷深度计算单元，其用于将埋藏缺陷的侧面上的磁荷密度和所述磁场强度峰点对应的磁场强度分别代入到埋藏缺陷侧面上的磁荷相对于磁性材料内部所对应的等效磁荷的位置模型和磁性材料外部磁场强度等效模型中进行计算，得到埋藏缺陷在待测磁性材料试样内部的深度。
本发明的系统利用等效磁荷法建立埋藏缺陷漏磁场模型可以比较准确的计算出磁性材料内部埋藏缺陷的深度。
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。