（精密仪器及机械专业论文）特殊铁磁材料硬度无损检测系统的研究.pdf

摘要当前零部件硬度检测的任务逐渐增多，对硬度的测量要求越来越高，尤其是有些工件需要检测的是工作面的硬度值，普通的硬度检测方法是打点测试法。为了解决打点法容易损坏工件和检测不全面的缺点，需要研制硬度无损检测系统。电磁测量法有很多优点，这种检测方法能够进行百分之百非接触检测，不需加任何耦合剂，而且检测速度快，本文采用电磁矫顽力法进行硬度测量。本文根据铁磁材料表面热处理后矫顽力与硬度的对应关系，设计了使用矫顽力法的铁磁材料表面硬度测量系统。系统包括传感器探测头设计、控制电路设计和单片机控制程序、计算机操作界面和数据处理算法三个部分。探头是整个系统工作的基础，电路处理部分是本文重点介绍的部分，电路部分主要介绍了饱和磁化与反向磁化所需的反向电流的控制电路，b 信号探测和比较电路、单片机控制电路、l c d 显示电路、电源电路。其中磁化反向磁化电路和b 信号检测是重点。操作软件部分可以方便测量，最后通过数据处理部分得出所测工件的硬度值。关键词：硬度矫顽力反向电流无损检测a b s t r a c th a r d n e s s1 1 e s to fs p e c i a lp a r t si sg r a d u a l l yi n c r e a s e di nt h ep r e s e n tt e n d e n c y h a r d n e s sm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t sh i g h e ra n dt h ef a c eo fp a r t sn e e dm o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s t h e r ew o u l db es o m eq u e s t i o nw h e nt h o s ep a r t sa r et e s t e du s er b im e t h o d t or e s o l v et h i sc o n t r a d i c t i o nt h a tc o m p o n e n t sw o u l db ed a m a g e dm o r ew i t hr b im e t h o da n dn o tc o m p r e h e n s i v ew i t ha c c i d e n tm o r ee a s i l yt oc o m e w em u s td e t e c tt h eh a r d n e s sv a l u ew i t h o u td a m a g es u r f a c eo ft h ep a r t sa n dc o m p o n e n t s e l e c t r o m a g n e t i cm e a s u r e m e n tm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s1 0 0 n o n c o n t a c td e t e c t i o n ，w i t h o u ta n yc o u p l i n ga g e n t ，a n df a s td e t e c t i o ns p e e d ，s oi tc a nb ew i d e l yu s e di nh a r d n e s st e s t i n g b a s e do nt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh a r d n e s sa n dc o e r c i v e l yo fs u r f a c eo ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l st h a th a sb e i n gh e a tt r e a t e d s y s t e mi n c l u d e st h ed e s i g no fs e n s o r sp r o b eh e a d ，d e s i g no ft h es y s t e mc o n t r o lc i r c u i t ，a sw e l la ss i n g l e c h i pc o n t r o lp r o c e d u r e s ，t h ec o m p u t e ri n t e r f a c ea n dd a t a - p r o c e s s i n ga l g o r i t h mi nt h r e ep a r t s p r o b et h ee n t i r es y s t e ma r et h eb a s i so ft h ew o r k d e a lw i t hs o m eo ft h ec i r c u i ta r ep a r to ft h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h em a i ni n t r o d u c t i o no ft h em a g n e t i z a t i o no ft h ec o n t r o lc i r c u i tr e v e r s em a g n e t i z a t i o n ，ba n dc o m p a r i s o no fs i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t s i n g l e c h i pc o n t r o lc i r c u i t ，l c dd i s p l a yc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t o n eo ft h er e v e r s em a g n e t i z a t i o ns i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i ta n dba r et h ef o c u s p a r to fo p e r a t i n gs o f t w a r ec a nb ee a s i l ym e a s u r e db yd a t a - p r o c e s s i n gp a r to ft h er e q u e s tc a m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h eh a r d n e s sv a l u e k e yw o r d s ：h a r d n e s sc o e r c ；v ef o r c er e v e r s e sc u r r e n tn o n d e s t r u c tiv et e s tin gl i长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，特殊铁磁材料硬度无损检测系统的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。一1 1 哆三秘q作者签名：鲨3 盏年上月三妇长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：壁盏当年3 月兰细指导导师签名：暨! 虱记挣j 月丑如第一章绪论弟一早辑比随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术己成为确保产品质量以及设备安全运行的重要手段，并且已经形成一门新兴的独立的综合性应用科学技术。无损检测是在不破坏被检材料或构件的情况下采用物理、化学等方法和手段，探测被检对象内部和表面的各种缺陷及某些物理性能。现代无损检测与评价技术，如超声波、x 射线、磁粉、渗透和涡流技术对缺陷的定量测量，如缺陷的形状、大小、位置、取向、分布和内含物等以及对有缺陷的材料和产品的质量评价技术已具有相当的实力。但对测量铁磁性材料和产品的某些物理、力学性能，如内部应力、疲劳、组织结构、硬度、涂层厚度掣l j i 引，是现代无损检测更高层次的发展。1 1 目前常用的各种检测方法1 1 1x 一射线法传统的x 射线法检测应力，是通过测定具有应力的晶粒、晶格之间的应变来测定应力的大小，无损伤的对材料表面进行定量分析。该方法的缺点是：检测设备昂贵，检测精度不高，多次检测重复性不好，检测深度仅达数微米或几十微米。特别是对大晶粒材料的应力测定，当x 射线衍射线不连续时，测得的应力值将会有相当大的误差。1 1 2 电阻应变片法应变片法是目前应用相对较普遍的一种应力检测方法。应变片法检测应力是将由基片和电阻丝组成的应变片贴在材料的表面，基于材料受力后产生的形变，由应变片的电阻丝随着材料的相对变化一起发生长短变化，来测量材料内部的应力，是连续测量过程。此方法的缺点是：一个应变片只能测量构件表面一个点在某一方向的应变，不能实现全域性的测量。另外由于它是依靠材料的相对形变来测量作用力，若材料未发生形变，或找不到起始的应变应力值，则无法测量应力，特别是残余应力。另外，贴应变片程序繁琐，测量周期长，而且成本不低，故在线及工程检测应用受到限制。1 1 3 超声波法超声波法是通过测量超声波在铁磁材料中力学性能相异方向上的传播速度差异来测定应力的。但由于超声波在材料中传播速度很快，因此，在材料受力后，相异方向传播速度差异小。且超声波在材料中的传播速度受到材料冶炼处理影响，各向异性影响教大，因此要达到准确测量服役应力困难较多，目前的研究尚未达到实用阶段。1 1 4 光测法包括光弹法，激光超声干涉发，散斑干涉法。它是利用偏振光通过具有双折射效应的透明受力模型获得干涉条纹图，直接观察模型的全部应力分布，特别是可以观察到应力集中的部位，并可迅速确定应力集中系数。这种方法的缺点是：应力测量周期长，检测成本高，不是在线应用检测发展的方向。1 1 5 机械测量法包括切割法，逐次去层法，环孔法，钻孔法等。这些方法都是破坏或半破坏的检测方法。它们都是利用构件局部破坏，应力重新分布这一古老测量技术，在线检测不方便，已经逐渐被其它方法所代替。另外，穆斯堡尔效应及中子衍射法等，各有其优缺点，但与工程上测量应力还相差的较远。1 2 电磁无损检测发展现状计算机和大规模集成电路的迅猛发展对现代生活的众多领域产生了巨大的影响。特别是仪器仪表工业，在新兴电子技术的推动下。正在迈向数字化、智能化方向发展，这也成为其众所公认的发展趋势。在一砦油田的各项应用中，计算机化的程度也越来越走向深入，人们已逐渐摒弃一些传统的仪表式仪器，而利用计算速度快，智能化程度高的计算机化仪器，甚至是完全计算机处理的软仪器。未来的n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g 仪器应当具有如下特征：l o j 【，儿驯1 、模块化和插卡化目前，德国k k 公司和法国s o f r a t e s t 公司在这方面已经走在前面。2 、高智能化和图像显示功能图像显示技术己经取得很大进步，但在x 射线实时成像、磁检测结果成像和声发射源成像显示等方面还有许多工作要做。3 、数据库及自动识别功能数据库及自动识别功能是一项极富挑战性的工作。4 、自动检测系统的研制由于国外自动检测设备价格十分昂贵，所以我国在这方面投入研究具有重大意义。可以预见，随着科学技术的发展，未来基于计算机的仪器将更便于使用、更可靠，配置更容易、更灵活。这一切将有力的推动一起的智能化、标准化和网络化。2 2 。1 国内外电磁无损检测概况五十年代初期，傅斯特发表了一系列的论文，其中包括消除电磁仪中某些干扰因素的理论分析和试验研究成果，并研制了以阻抗分析法工作的补偿干扰因素的仪器，开创了现代电磁检测方法和设备的研制工作。从此，电磁检测技术有了较快的发展并广泛应用于生产实践，逐渐成为一种重要的无损检测方法们。德国f o s t e r 公司开发出m a g n e t e s t e c m 3 6 2 1 自动分选设备。1 9 8 9 年法国洛林连轧公司福斯厂研制出一种在线无损检测热处理连铸板表面质量的设备一e d i s o l ，主要检测纵向裂纹。e l k e m 采用多频涡流检测技术开发出的d e c r a c k t o r 可以获得更多的检测参数，并抑制多种干扰因素的影响。1 9 9 3 年，日本川崎制铁千叶制铁所开发出在线非金属夹杂装置。2 0 0 0 年，罗马的一家钢铁公司展示了一条价值1 5 0 万美元的检测淬火后高温线材的自动检测线。在国内，在线无损检测的研究与应用起步较晚。进入八十年代后，国外己进行在线的自动化电磁无损检测的研究与开发，1 9 8 5 年7 月机械工业部下达的科研项目新型“s z g y 型数字式钢铁材质分选仪 和“s z g y 型数字式钢铁硬度分选仪”在南京通过鉴定。“w g f i 型微机式钢铁分选仪1 9 9 5 通过机械部部级鉴定，这一系列仪器在国内两千多家工矿企业中得到了有效的应用，实现了钢材( 包括铝合金) 的混料分选与钢号鉴定：在使用螺线管式( 套筒) 、笔式探头的情况下，可以实现对局部淬火硬度进行快速电磁无损检测结构钢含碳量等成分的无损检测。磁性材料易磁化的快速判别等检测取得了良好的效果，做出了定性的分析效果。电磁法与其它方法相比有其独特的优点：与超声波法和射线法相比，它不需要耦合剂，可以进行非接触性测量：与磁粉法相比，它对磁性和非磁性材料均有效，而且不污染环境，操作简单，省工省力；与渗透法相比，它不需要清洗试件，可以实现检测的自动化。因此，电磁无损检测是检测技术中具有重要意义的一种方法。由于应用这种检测方法能够进行百分之百不接触检测，不需加任何耦合剂，而且检测速度快，故其能够广泛应用于导电材质零、部件( 构件) 的检测。近年来，在国内外无损检测工作不懈的努力下，研制出了具有相当先进水平的管材涡流探伤仪、便携式涡流探伤仪、测厚仪、电磁参数测量和分选仪等。1 3 本课题来源及研究目的和意义随着高新技术的发展，特殊零部件硬度检测的任务逐渐增多，对硬度的测黾要求越来越高，对零部件的工作面要求也越来越严格，特别是有些零部件制作工艺复杂，制作成本较高，参试工厂携带的备件有限，不允许在工作面上直接打点检测硬度，而特殊零部件工作面是经过特殊处理的，其硬度值与非e 作面不一样，需要检测的是工作面的硬度值，这就存在一种问题：如果采用抽样检测，一是使零部件损坏量增大，成本高，参试工厂不允许；二是检测不全面，容易出现试验事故。要解决这种矛盾，必须在不破坏零部件工作面的前提下，检测出硬度值，而传统的在零件工作面t - 于j 点的检测方法以及相应的硬度计已不能满足使用要求。因此，为了解决上述矛盾需要研制硬度无损柃测系统。1 4 课题主要内容1 、检测对象：以4 5 号钢为代表铁磁材料；2 、测量范围和精度：t 0 7 0 h r c ，分辨率0 1 h r c ，允许误差：0 5 枷c ；3 、被测件和测量环境要求：铁磁材料平整表面，无强电磁干扰源；4 、确定硬度测量仪结构设计5 、检测传感器输出的b 为零时枪测模块电路，使磁化装置能够进行磁化、退磁、反向磁化的磁化n 量恒流源模块电路6 、单片机控制程序、l c d 显示程序和计算机的软件设计。此外，还包括具有显示测量结果、保存、打印等功能的e 位机应用程守的设计以及系统的整体装配和综合调试等工作，最终实现一个可用于零件测量的铁磁材料矫顽力自动检测系统。硬度无损检测硬件系统设计的关键环节：1 ) 如何准确实现b 信号的是否为零检测。b 信号是否为零检测主要包括信号放大、滤波、检波等。2 ) 如何保证霍尔传感器准确的反映磁场的强度，检测信号是否稳定，直接影响到测量结果的重复性。3 ) 如何保证反向电流的准确采集，数值处理的准确性。第二章电磁无损检测技术2 1 电磁检测介绍电磁无损检测作为近代无损检测新技术的一个分支，是自1 9 3 9 年西德f o s t e r 博士等人首先对磁滞回线作深入分析并应用于无损检测领域而逐步发展起来的。随着电子、计算机技术的不断引入，电磁无损检测技术日趋兴旺，已在航空航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、电力、有色金属及汽车等领域得到了广泛的应用。电磁无损检测技术是以电磁感应为基础，利用交变磁场直接作用于铁磁材料本身，并通过对感应电流或电压振幅、相位的科学分析，从而成功的完成钢铁材料及零部件的性能测试、质量检查和监控，混料分选，以及硬度、表面淬硬层或覆盖层深度的测定。广义的电磁无损检测技术指以磁场为主要作用的方法，这种方法也叫磁感应法。通常情况下，频率在高于1 5 0 0 赫兹的称为涡流法，称涡流检测，由于是以电导率起作用，所以它一般用于非铁磁性材料，如铜及其合金等；频率低于1 5 0 0 赫兹的称为电磁法，称电磁检测。钢铁原材料和零部件质量的快速电磁无损检测技术是无损检测技术领域中的一种行之有效并在国内外获得迅速发展的新兴技术。特别是用初始幅值磁导率法进行钢铁性能测试和裂纹等缺陷检测，具有逐件、全数检测、不会破损工作面、简便、准确可靠和快速等特点。2 2 电磁无损检测的基本原理2 2 1 钢铁铁磁材料的磁化特性物质的磁性是指其在外磁场下表现宏观磁矩的特性。显然，物质的磁化率和相对磁导率能够反映其宏观特性，依据磁化率x 和相对磁导率的大小，物质可分为抗磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质。一些金属如铁、钴、镍和钇以及它们的合金如铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金、铝镍钴合金铁硅合金为铁磁性物质。锰或铬的合金如锰、s 、b i 、b 、c 、h 、n 、p 、s b 、s a 、o 、p t 、c u 和a i 、c u 和s n 、a g 和舢以及c r 与t i 、p t 、0 或s 等的合金也是如此。铁氧体与非金属的化合物f e s i 2 、心q 、厂一凡，q，砍s 、凡，c 、和f e 4 n 及f e 与z n 、m n 、c u 、b a 、n i 等组成的复合氧化物铁氧体，也是铁磁性的。工业上，常用的碳素结构钢和工具钢、各种合金钢及铸铁( 除单相奥氏体) 均称为铁磁性物质，它们具有高的和可变的磁导率。这些材料可被磁化成为电磁铁。钢铁铁磁性材料在外加磁场中的磁化成为普通铁磁材料( 不包括永久磁铁)的磁响应能用磁畴理论加以说明。在没有外加磁场时，磁畴结构取向是杂乱的，这代表材料处于最低的能量状态。随着磁化力h 的施加，结果首先改变为部分定向结构，然后成为全定向结构。如图2 1 所示，在定向磁场的作用下，纯铁的技术磁化过程分为三个阶段( o a 、a b 和b d 段) 。在o a 阶段，与外加磁场h 方向取向相近的磁畴通过畴壁的微小而可逆的移动逐渐长大，而取向不利的磁畴体积逐渐缩小。这一过程被称为磁畴界的可逆位移。即去除外磁场时，磁畴又基本恢复到原来的位置。4匡三兰卜禾磁化前的磁畴图2 1 纯铁的技术磁化示意图工程上，该区域很重要。在a b 段，畴壁的移动随h 的增加而跳跃式的进行，这种现象称为巴克豪森跃迁，磁化强度的一次增加就引起畴壁的一次跳跃位移。当h增大到一定值，畴壁会无阻碍的大幅度移动，直到所有不利取向的畴壁完全消失为止，这个过程是不可逆的，又称为不可逆的位移。此时，去除外磁场，畴壁不能恢复到原来的位置，这就是剩磁的来源。在b d 段，畴壁的磁化方向离开易磁化方向而向外加磁场方向转动。至d 点，整个金属内的磁畴都取得与外磁场方向完全一致的取向，达到饱和。b d 段是一可逆过程，称畴壁的可逆转动。在铁磁材料磁化时，磁场强度h与磁通密度b 之问并不呈现线性对应关系，h 的微小的改变可能使b 产生较大的变化。两者z i 盲- j 的关系可用磁化曲线( 即b h 曲线) 表示，如图2 2 ，随h 的增加，b 迅速上升到达曲线顶部a ，此时h 的进一步增加并不能引起b 进一步增加，这种非线性变化如图2 3 所示，曲线上最大值称为最大磁导率( 。) ，初始幅值磁导率( i t o ) 是在磁化曲线的下端磁场非常弱的( h 一0 ) 地方测得的。把h 由最大降为零，曲线并不回到o 点而止于点b 。这种b 的变化落后于h 的变化的现象叫做磁滞。b 点代表的磁感应强度称为剩余磁感应强度，即剩磁。为了去除剩磁，必须加一反向h 。c 点所代表的磁场强度称为矫顽力。进一步增加反向磁场，曲线到达点d ，与a 点极性相反。依次类推，磁场强度h 变化一个周期后，所出现的a b c d e f a 曲线称为磁滞回线。曲线所包围的面积表示了铁磁材料沿磁滞回线进行一个周期的磁化在单位面积上所消耗的能量，即磁滞损失。面积大，消耗i l i i 量多，材料易发热，因此，电磁探头磁芯材料多选用磁滞回线细而长的软磁材料，如1 j 7 9 坡莫合金及铁氧体等。图2 2 典型的铁磁材料的磁化( 磁滞) 曲线三、一胖帅越图2 3 磁导率随磁场强度( h ) 的变化2 2 2 钢铁铁磁材料的磁性能及其影响因素钢铁铁磁材料的磁性与其相的状态和组织状态有关。对纯铁来讲，q f e 是铁磁性的，而y 一屁却为顺磁性的。化合物的磁性有如下规律：凡铁磁性金属与非金属组成的化合物，常为铁磁性。不锈钢，耐热钢中的6 铁素体也是铁磁性的。铁素体是碳在f e 中的固溶体，是铁磁性的；珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，亦为铁磁性的；马氏体是碳在c t f e 中的过饱和固溶体，也是铁磁性的。依珠光体、铁素体和马氏体三者的顺序，其相对磁导率肛，和j s 依次下降，而矫顽力及剩磁依次增大。因此铁磁性金属为基的国溶体中，不论溶入的是抗磁性的金属还是顺磁性的物质，都会使肛，和j s 下降。钢铁中常见的奥氏体是碳在y f e 中的固溶体。由于y f e 为顺磁性的，因此奥氏体也是顺磁性的，合金碳化物也是顺磁相。钢铁的磁性除与铁磁相或组织的种类和数量有关外，尚与其组织形态有关。例如，粒状渗碳体的矫顽力低于片状渗碳体的矫顽力。同样，珠光体的形态对矫顽力也有影响，粗大片状珠光体、索氏体和屈氏体各个相对磁导率逐渐降低，而硬度却逐渐增加。对多相合金来讲，其饱和磁化强度由组成合金的各相的磁化强度相加而得，即：j s v = j s l v l + ，s 2 圪+ 。式中v ，k ，k 分别为合金和合金组成相的体积，m 3 ；j s ，”分别为合金及组成相的饱和磁化强度，安米；这一规律在工程上有十分重要的意义，它使得饱和磁化强度可作为定量相变和相分析的重要参数。钢铁中析出第二相以及它的形状，大小和分布对磁性能的影响极为显著。嫩性a图2 4 第二：相析出对钢铁磁性影响示意图6如图2 4 给出了第二相的影响示意图。通常，根据搀杂原理，第二相的析出会导致矫顽力的增加，而磁导率会降低。影响钢铁磁性参数如h r 、b r 、。、肛。以及j s 的因数还有塑性形变、晶粒大小、再结晶、应力、合金元素和杂质以及钢铁铸件形状，温度等。2 2 3 钢铁件热处理质量无损检测的磁性原理钢铁材料与零件的成分和组织结构对其磁性能均有显著影响。三者之间的关系可用示意图2 5 来说明。由图可见钢铁件成分和组织结构不同，必然导致其物理性能和机械性能不同，即钢铁件成分和组织结构与物理性能和机械性能是直接相关的，从而钢铁件的机械性能与其物理性能之间存在间接相关性。因此，对某种钢铁件来说，能否用电磁法检测其热处理后的质量如硬度等，则取决于硬度与其磁性能指标如初始磁导率的幅值等其他磁性能指标之间是否存在单值的相关性。如果经试验确认磁性能指标与机械性能指标在某一范围内存在单值相关关系，则可用电磁法来测量其机械性能等，否则不能。由于日r 、b r 、。和。皆为化学成分和组织结构敏感参数，尤其热处理工艺因素对其大小影响很大。因此，只要事先获知或试验找出钢铁成分，组织结构和其机械性能如硬度等与其磁性能h r 、b r 、p 。或在相应范围内所具有的相关关系，则通过对h c 、b r 或l aa 等磁性能参数的测量，便可根据事先测得的关系曲线而求得其成分或机械性能如硬度等指标。根据被测参数是日，、b r 还是u 。而电磁测量方法分为初始幅值磁导率法、剩磁法和矫顽力法。；i 司接相关图2 5 钢铁件成分、组织结构和物理性能h c 、b r 和心的大小与外加磁场、材料的成分和组织结构、应力、晶粒度和温度等诸种影响因素有关。2 3 常用测量方法介绍从铁磁材料的物理化学性能与电磁性能的关系可以得到：材料的金相组织和硬度对矫顽力、磁导率和电导率等有很大影响。因此，只要测出电导率、磁导率等变化，便可反映出材料硬度的变化。2 3 1 剩磁法剩磁法的测量方法是首先用直流磁场将工件磁化，使工件在去除直流磁场后带有剩磁，然后测量剩磁的大小。这种方法需对工件经过预先退磁，防止工件因带有剩磁而影响测量精度。测量后也必须退磁，以免影响钢铁件随后的加工或使用性能。检测工序很多。2 3 2 磁导率法所渭初始磁导率法，既i = 件在磁畴擘的可逆区域磁化的磁导率法。电磁榆测钢铁7质量的磁导率法按供电电源类型分为支流法和交流法两种。支流法速度慢，不易实现自动化，故很少应用。而交流磁导率法是目前国内外应用最广泛的一种方法。交流磁导率法又分为中强度磁场下的磁导率法和弱磁场下的初始磁导率法，前者在应用中工件的磁化区域多处于巴克豪森跃迁区，对供电电源要求较高，而初始磁导率法避免了上述缺陷。磁导率法按其检测探头来讲又分为单探头法和双探头法( 也称差动法) 两种。在这个区域，磁化的场强在0 1 8 x 1 0 3 安米范围内。磁导率方法又可以分为多种测量方法，此方法数学模型的建立比较复杂，难以找到准确的数学模型，导致测量结果的误差比较大。2 3 。3 矫顽力法矫顽力测量方法是建立在铁磁材料磁滞曲线的特性上的，先给线圈通电流i 使工件饱和磁化，保持一段时间，再反方向通退磁电流，随着反向电流的增大，磁感应强度最后为零，此时的磁场即为矫顽力，一般的碳钢硬度与矫顽力呈现比较好的线性特性，数学模型容易建立，可以较好的实现无损高质量测量出材料的硬度的大小。矫顽力虽然测量速度不高，需接触性测量并要求工件表面有较高的光洁度，但是对与定量测试某一工件却很适合，适合单个定量测量。、2 4 结论本章阐述电磁检测硬度的几种方法、选择了矫顽力法作为最终的测量方案。叙述了铁磁材料磁化特征曲线，并结合热处理工艺对钢铁电磁性能的影响，介绍了钢铁件的电磁无损硬度检测的检测原理。8第三章电磁无损检测系统总体设计3 1 电磁硬度检测系统原理图电磁硬度无损检测系统的测量原理图如图3 1 所示：图3 1 电磁硬度无损检测系统原理图本系统主要由模拟硬件平台部分、单片机控制部分、相应的外围装置和上位p c 机构成。其中，模拟硬件平台部分包括磁化电流控制电路、反向电流采集电路、b 信号采集检测触发电路和相应的电源电路；单片机控制部分包括单片机及相应的数据采集、a d 转换电路；单片机部分主要通过d a ，c o n 和a d 信号实现对系统硬件部分的测量、控制功能，通过串口与上位机进行通信。系统中主要装置有螺线管探测头、磁化电流控制电路、霍尔元件、被测工件等。对试样的磁化、退磁和反向磁化等操作是通过螺线管磁化装置及其驱动电路进行的。而何时进行磁化、退磁则是通过单片机发出控制指令来进行。根据电流的磁效应，螺管线圈通过电流时螺线管内就会产生磁场。首先通过磁化装置对试样进行快速饱和磁化，然后慢慢减小磁化电流i 。由于磁滞效应的存在，使磁化电流为零时，磁感应强度b 不为零，存在剩磁b r 。这时改变电流方向，通过螺线管装置给试样加反向磁场，使b 继续减小至零。在b 减小为零的时刻，单片机通过a d 转换器采集测量反向电流大小，后。由于零件形状的不规则性，通常进行正反两次测帚取平均值作为材料最终的反向电流，岳。系统通过霍尔传感器判断磁感应强度b 信号是否为零。试样在磁化装置中被磁化产生微弱的磁场，霍尔元件截面有磁场通过时，由磁场和霍尔元件所成角度口和控制电流大小i 便可以得出感应电动势，当b 为零时，霍尔传感器输出也为零。传感器输出信号经过b 信号检测电路，变为b 过零时发送中断信号给单片机，由此确定单片机何时进行反向电流信号的采集。传感器是在低频电流源电路的支持下工作的。表征磁性材料磁滞特性反向电流，石、剩余磁感应强度b ，都是从极限磁滞回线i t _确j 芒的。在极限磁滞回线卜，对应于磁感应强度b 等j 二零时的磁场强度，称为磁感应矫顺力h c 。为了实现材料硬度的测鼍，需要磁化装置财材料进行戡化、退磁、反向磁化等操作通过霍尔厄件来判断磁感、江强度b 的为零的时候。在b 勾零时，迎j 单片机测霍此时磁化场的磁化电流( 或电压) 。对测量的结果通过编写i ：”机程序，“接在p c 机处删址示，同t l , ij l 再过计算机l l , 、j 编氍使系统具有保存和打6 1j 测茸? 占果等功能本章首允从系统n 勺功能及指标要求、f 0 感器、需求分析、系统构成及l 怍原理等儿个方l 白i 进i 】沦迩j f i l 过以l 需求分f i i j j 姿研制的铁磁材料n 喧f 望柃测系乡村7 j 功能框h 幽3 2 所，j ：。图3 2 测量系统的原理方框图3 2 系统的功能及指标要求铁磁材料硬度检测系统的主要部件是探头矫顽力测量装置，包括矫顽力的自动测量以及测量结果显示、保存、打印等功能，具体要求指标如下：l 、硬度测试范围：i o h r c 一7 0 h r c2 、测量准确度和分辨率：0 5 h r c 和0 1 h r c3 、测量速度：2 3 m i n 次4 、被测零件尺寸范围：乏2 0 x 2 0 r a m5 、计算机控制界面，自动显示、保存、打印结果3 3 系统流程框图检测系统是将被测量与其单位进行比较，并得到其量值大小的实验设备或仪器。本文的检测系统可以由许多单独的部件组成，也可以是一个不可分的整体。前者多用于复杂的仪表或实验室中，后者多为工业用的简单仪表。不管是简单仪表，或是复杂仪表，原则上它们均是有几个环节所组成。对于简单仪表只不过各个环节的界限不大明显而已。这几个环节是：传感器、变换器、显示器以及连接它们的传输通道。本文的检测系统的流程方框图，如图3 3 所示。叫! h ! h ：卜一硷溯亳；c 旋1 。传感器2 受疑嚣，3 够，j ：器，4 。5 6 馋虢通邀图3 3 检测仪器流程方框图3 3 1 传感器传感器是检测系统中与被测对象直接发生联系的部分。它的作用是感受被测量的变化，直接从对象中提取被测量的信息，并转换成相应的输出信号。传感器的好坏，直接影响检测仪表的质最，它是检测仪表的重要部件。对传感器有如下要求：( 1 ) 准确性：传感器的输出信号必须准确地反映其输入量，即被测量变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，且最好是线性关系。即只有被测鼍的变化对传感器有作用，非被测量则没有作用。真正做到这点是困难的。一般要求被测参数对传感器的影响很小，可以忽略不计。( 2 ) 稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系是不随时间和温度而变化的，且受外界其它因素的干扰影响很小，工艺上还能准确地复现。( 3 ) 灵敏性：即要求较小的输入量便可得到较大的输出信号。( 4 ) 其它：如经济性、耐腐蚀性、低能耗等。3 3 2 变换器传感器往往也被称为敏感件、一次元件等它的作用是将传感器的输出信号进行远1 0距离传送、放大、线性化或转变成统一的信号，供给显示器等。例如，压力表中的杠杆齿轮机构将弹性敏感元件的小变形转换并放大为指针在标尺上的转动。又如，在单元合组仪表中，将各种传感器的输出信号转换成具有统一数值范围的气或电信号，使一种显示仪表能够适用于不同的被测参数。对变换器的要求是：能准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界其它因素的干扰和影响要小，即所造成的误差应尽量小。3 3 3 显示器显示器的作用是对观察者显示被测量数值的大小。它可以是瞬时值的显示，累积量的显示；也可以是相应的记录显示；有的甚至有调动功能去控制生产过程，显示仪表有时被称为二次仪表。显示器是人和仪表联系的主要环节。它有指示式、数字式和屏幕式三种。( 1 ) 指示式显示，又称模拟式显示。被测数值大小有指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。有形的指针位移或转角用于模拟无形的被测量是较方便、直观的。指示式仪表结构简单、价格低廉、显示直观，一直被大量应用。有的还带有记录的机构，以曲线形式给出被测量随时间变化的数据。但这种仪表读数的精度和仪器的灵敏度等受标尺最小分度的限制，且读数会引入主观误差。( 2 ) 数字式显示：直接以数字形式给出被测量的数值大小，也可附加打印设备，打印出数据。数字式显示减少了读数的主观误差，提高了读数的精度，还能方便地与计算机连用。这种仪表正越来越多地被采用。其中采用计算机的方法是现在主要的应用方式。( 3 ) 屏幕显示：实际上是一种电视显示方式。它结合了上述两种显示方式的优点，具有形象性和易于读数的优点，又能在电视屏幕上显示一个被测量或多个被测量的大量数据，有利于对它们进行比较分析从上面叙述可知，采用计算机来处理数据是最好的选择，而且采用编程软件控制仪器，可以是仪器方便使用。3 3 4 传输通道传输通道的作用是联系仪表的各个环节，给各个环节的输入、输出信号提供通路。它可以是导线、管路( 如光导纤维) 以及信号所通过的空间等。信号传输通道比较简单，易被人所忽视。如果不按规定的要求布置及选择，则易造成信号的大量损失。又如，传输电信号时，若传输导线阻抗不匹配，则可能导致仪表的灵敏度降低，电信号失真等。3 4 系统的设计要点针对实现软磁零件矫顽力硬度检测的需求，根据选定的基于矫顽力硬度测量方案一基于感应法原理，采用霍尔元件实现对磁场强度的测量，本检测系统的硬件设计工作主要从以下几个方面进行考虑：( 1 ) 对材料进行磁性能测量时，需要用到磁化装置。常用到的磁化装置有螺线管、磁导计、电磁铁等。用螺线管作磁化装置时，属于开磁路测量。要使螺线管能对材料进行磁化、退磁等操作，需要设计使螺线管能够工作的驱动电路。( 2 ) 系统霍尔传感器来检测磁感应强度b 的过零时刻。为了实现b 的过零检测，需要对传感器输出的微弱小信号( 微伏数量级，且动态范围很宽，n l t v n v ) 进行处理，因此需要设计实现b 信号过零检测的电路。b 过零检测电路应包括信号的放大、滤波、检波等功能。准确实现b 的过零检测是系统实现的关键环节之一。在电路的设计与实现中应采用相应的措施以保证检测电路的性能。( 3 ) 为实现系统的磁化、测量等i ：作，需要单片机部分实现系统的采集、控制、运算等操作。丰要是通过开关信号c o n ，d a 输出来控制螺线管的工作状态，何时磁化或改变测量螺线管的电流方向；在得到b 过零中断信号时，通过a d 采集测量螺线管上施加的电压( 或电流) 信号；通过正反两次测量取平均值来确定最后的反向电流值。系统的模拟硬件部分必须与单片机数字控制部分完美结合，才能实现反向电流的测量功能。( 4 ) 测量结果显示。测量数据传输到p c 机上控制测量、显示测量结果，同时还可以在上位机上方便的保存、打印测量报告。需要进行上位机应用程序的开发。( 5 ) 设计系统工作所需的各种电源。包括使螺线管工作的磁化电源，模拟电路工作电源，数字电路工作电源等，主要有1 2 v 1 a ，5 v 0 5 a 和5 v 认这几种电源需求。3 5 本章小结本章分析了硬度检测系统的原理框图和流程图，并且说明对电磁硬度无损检测系统的检测要求。第四章电磁硬度无损检测系统分系统设计电磁硬度无损检测系统主要包括传感器探头部分，控制系统，程序设计三个分系统。其中探头部分包括结构设计和磁路分析；控制部分包括b 信号检测模块，磁化退磁模块，电源模块电路设计；程序部分包括单片机控制程序，软件操作界面部分。4 1 传感器探头设计4 1 1 传感器探头结构探头应该具有以下特点：( 1 ) 能够测量任意形状的样品，而不需要缠绕线圈。( 2 ) 操作简单，可在短时间内完成测量。( 3 ) 采用高灵敏度霍尔元件作为传感器，性能可靠，不易损坏。( 4 ) 螺管口径大，磁化、退磁螺管口径大、磁场强，可测量尺寸大、形状复杂的样品或零件。探头结构如图4 1 所示，霍尔传感器在铁芯接触试件的面上，霍尔元件在轭铁内侧处可以探测到最强的磁场分布，铁芯使用的纯铁，减少由于铁芯磁化对传感器的影响。图4 1 探头结构示意图件当螺旋管作为磁化使用时，根据材料的特性，选择最大磁化场强为( 3 x 1 0 5 锄似聊) ) ，螺管在绕制过程中，要注意排线，逐层计算，并在两端绕以补偿绕组。补偿绕组需经多次改进而成。磁化和退磁电流源螺管磁化电流采用d h l 7 1 4 型直流稳压电源改造成的，最大输出电流为2 1 a ，螺管退磁电流源( 测鼍时使用) 采用通用电路设计而成。最大退磁电流为2 0 0 m a ，调节细度小于l m a ( 2 0 叫2 5 6 m a ) 。由于目前工艺的改进己使霍尔元件性能得到显著提高，为其广泛应用创造了条件。采用霍尔传感器做磁通指示器的矫顽力计，它具有操作简单，使用可靠，磁化、退磁螺管口径大、磁场强等特点，可测量尺寸大、形状复杂的样品或零件。4 1 2 传感器磁路分析磁路原理图如图4 2 所示：u u 副1 3图4 2 探头磁路不恿图检测使用顺序：先向探头线圈通入固定的直流点，使工件饱和磁化。磁化电流消失后，在工件和探头铁心组成的闭合回路中产生剩磁。再向探头线圈通反向电路，从零逐渐增大，这时磁路中的剩磁就逐渐减少，当反向电流增加到使磁感应强度b = 0 时，测得此时的反向电流值。根据安培环路定理，可列出如下方程：砟= n l c = h r c 已l + 厶) + 日r ，厶；l 1 = 厶砟：总磁势n ：探头匝数l ：磁路长度h r ，：探头材料矫顽力只，：待测工件矫顽力对于测量装置来说，侧头铁心的矫顽力坼，和磁路长度l 都是常数，待测工件磁路长度也是常数，则：耳。n l c = f ( i - i r ，) ；由此可见，对于无表面硬化层的工件，反向电流，r 与矫顽力呈线性关系。因此通过测量值，可知矫顽力日r ，的变化趋势，再根据矫顽力和硬度的线性关系，可以得出与工件硬度的数学关系，关系曲线近似三次曲线。4 1 3 传感器磁场分布测试( 1 ) 磁化器工作电压的选择试验首先测定磁轭处中心场强与电压关系如图4 3 所示，并粗略测定磁轭中心左右两边场强基本对称分布，表明磁化器在制作中两边基本对称。因此，本文图中场强分布均以距磁轭中心距离表示，并定5 0 v 为测量时的工作电压。1 02 03 04 05 06 0图4 3 磁化器中心强度与电压( 交流) 的关系( 2 ) 在磁轭处放置4 5 # 4 酮片后磁场的分布1 4加如加m如图4 4 ( a ) 、( b ) 图4 5 所示，在磁轭工作面放置4 5 社退火钢片( 事先分别切割成0 5 r a m 、1 0 m m 、1 5 r a m ) 后的场强分布被大大减弱了。而且随钢片厚度增加，场强衰减越厉害，但仍具有上述高强度场强集中的特性。只是随钢片厚度增大，底线略有宽化。图4 5 中d l c m 后出现场强回升现象，则是由于此时钢片不够宽而导致出现漏磁的原因。3203 02 01 0( a )图4 4 ( a ) 放置0 5 m m 厚4 5 拳退火钢片后的场强分布2) b 图4 4 ( b ) 放置1 0 m m 厚4 5 孝退火钢片后的场强分布况。图4 5 放置15 m m 厚4 5 # 退火钢片后的场强分布( 3 ) 磁化器通过直流电压时磁场的分布图4 6 为在直流电压并且在磁轭处不放置硅钢片的情况下，磁化嚣的磁场分布情阿4 6 在直流电压下磁场强度分布图4 7 ( a ) 是在磁轭处放置03 5 r a m 厚硅钢片的情况f ，磁化器通过2 5 v 直流电压及1 v 直流电压时磁场强度分布的比较。图中可见二者在d 5 m m 后几乎重合，且场强起伏较小，可视为准均匀磁场。对离磁轭工作面中心1 5 r a m 处由直流电压穿过03 5 r a m 后硅钢片所产生场强进行测定，其结果见图4 7 ( b ) 所示，可供观察硅钢片磁畴实验选定场强作参考。785要4j 3zc1ooo51 0152 02 53 0d ( a 图4 7 ( a ) 2 5 v 交流电压与1 v 直流电压下的场强分布o234s8d ( c m 图4 7 ( b ) 直流电压离磁轭中心1 5 m m 处场强4 2 电子电路设计电子电路设计u 副u ”在电子工程应用领域里占有很重要的地位。电子电路设计主要包括：满足性能指标要求的总体方案的选择、各部分原理电路的设计、参数计算、电路的实验与调试以及参数的修改、调整等环节，设计流程如图4 8 所示。由于电路的种类很多，器件选择的灵活性很大，因此没计流程也会因实际情况不同有所差别。有些步骤需要交叉进行，甚至多次反复，需根据具体情况，灵活掌握。sos1，适iz图4 8 电子电路设计流程图4 8 中的总体设计是针对所提出的任务、要求和条件，用具有一定功能的若干单元电路构成一个整体，实现系统的各项性能。通常符合要求的总体设计方案不止一个，需要比较、选择，择优选用。总体方案确定以后，便可进行单元电路的选择与设计。单元电路的选择与设计主要包括电路结构形式的选择与设计，元器件的选择和电路参数计算等环节。完成单元电路的设计、参数计算、器件选择之后，还要仔细全面的检查，以确定出总体电路图。总体电路图是进行装配、调试的依据。电路的设计工作完成之后，便可进入电路的装配调试阶段。硬度检测仪的主要控制部分包括传感器，a d 、d a 、采样、滤波、放大、单片机控制、电源部分设计等部分。按照模块可以分为：磁场强度b 信号测量触发传感器采集电流模块磁化电流控制模块和反向电流测量模块、电源设计模块。4 2 1 传感器b 信号检测模块磁性测量心2 1 一般是指对磁性材料试样的测试，用磁性参数反映材料的磁性能。磁性测量的主要任务是揭示材料在外磁场作用下所表现出的宏观磁特性。在工业和科研测试中，磁测量所依据的原理主要有：( 1 ) 磁极间的机械力效应( 如磁强计)( 2 ) 电磁感应定律( 3 ) 物质的磁效应，如霍尔效应、磁电阻效应、核磁谐振、磁光效应( 法拉第效应) 、半导体对磁场的敏感效应等。磁性测量可分为静态磁性测量和动态磁性测量两大类。( 4 ) 动态磁性测量是指磁性材料在交流、交直流迭加和脉冲磁化条件下的磁性能测量，其中交直流迭加和脉冲磁化下的磁性能测量比较复杂。静态磁性测量是指磁性材料在直流磁场磁化下的磁特性测量。静态磁性测量能反映磁性材料最基本的物理特性，也是磁性材料最基本的计