（采矿工程专业论文）强力钢绳芯胶带漏磁检测和图像采集实验系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 强力钢绳芯胶带漏磁检测和图象采集 实验系统的研究 摘要 本文主要研究强力钢绳：占胶带无损检测技术，以电磁学和 辐射成像理论为基础，以试验和现代数字信号处理技术为手段， 对强力钢绳芯胶带钢丝绳断口漏磁信号的变化规律做了深入的 研究，对强力钢绳芯胶带断口漏磁信号的特征参数和x 射线成 像原理做了详细的分析，设计了一套强力胶带实时在线综合检 测试验系统。 首先，基于电磁学理论，对皮带钢丝绳的磁化和相关参数 做了理论探讨和研究，分析了影响漏磁场强弱的因素，根据磁 场检测的基本要求，选择漏磁检测原件，采用被动式一维多点 差动检测的方法，设计出皮带钢丝绳的漏磁检测探头，进一步 对漏磁探头的性能进行了试验分析，完成皮带钢丝绳断口漏磁 检测部分的设计。同时探讨了x 射线衰减成像的原理，确定了 整个系统中x 射线检测部分的设计方案。最后完成软件的流程 太原理t 大学硕士研究生学位论文 设计和性能试验分析。通过实验证明，该套综合检测系统对强 力胶带钢丝的断绳检测结果与实际情况完全一致，取得了预期 效果。 本课题的创新之处在于把x 射线检测和电磁检测技术融合 在一起，充分利用它们各自在检测方面的优势。该课题的完成 必将推动皮带无损检测技术的进一步发展。 关键词：无损检测，漏磁，x 射线，传感器 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h et e s ts y s t e mo f n o n d e s t r u c t l v et e s t l n ga n di m a g e c o l l e c t i o nf o rp o w e r f u lb e i j rw i t h w i r er o p ec o r e a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) t e c h n o l o g yi s r e s e a r c h e dm a i n l yo np o w e r f u lb e l t sw i t hw i r er o p ec o r e o nt h e b a s eo ft h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i ca n dr a d i o g r a p h y , u s i n gt h e m e t h o do fe x p e r i m e n t sa n dt h em o d e md i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , t h ew r i t e rd o e sad e e pr e s e a r c ho i lt h ec h a n g er u l ea b o u t m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ( m f l ) s i g n a lo ft h e s t e e lw i r er o p e ，a tt h e s a m et i m em a k e sad e t a i l e da n a l y s e st ot h ec h a r a c t e rp a r a m e t e ro f m a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a la n d t h ep r i n c i p l eo fx - r a yr a d i o g r a p h y a tl a s t ，a ni n t e g r a t i o nm o n i t o rs y s t e mo n - l i n ei sd e s i g n e da b o u t 太原理工大学硕士研究生学位论文 h i g h - t e n s i l es t r e n g t hb e l t s f i r s t ，o nt h eb a s eo fe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , t h ew r i t e rd o e sa d i s c u s s i o na n dr e s e a r c ht ot h em a g n e t i z a t i o na n dt h ec o r r e l a t i o n p a r a m e t e ro fs t e e lw i r e ，a n dm a k ea na n a l y s i st ot h e i n f l u e n c e f a c t o r so ft h em a g n e t i cf l u xl e a k a g ef i e l d a c c o r d i n gt ot h eb a s i c r e q u e s to fm a g n e t i cf i e l de x a m i n a t i o n ，as e n s o ri sd e s i g n e di no r d e r t ot e s tt h e lo fs t e e lw i r e a tt h es a m et i m et h ew r i t e rd i s c u s s e s t h e p r i n c i p l e o fx - r a yr a d i o g r a p h y , a n dd e t e r m i n e st h ed e s i g n p r o p o s a li nt h eo v e r a l ls y s t e m f i n a l l y , t h ed e s i g no fs o f t w a r ef l o w a n dt h ep e r f o r m a n c et e s ta n a l y s i sa r ea c c o m p l i s h e d t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ，i ti sp r o v e dt h a tt h ee x a m i n a t i o nr e s u l ta b o u ts t e e lw i r e b r e a k si s c o m p l e t e l y c o n s i s t e n tw i t ht h ef a c t ，a n do b t a i n st h e a n t i c i p a t e de f f e c t t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e rl i e si nt h ea m a l g a m a t i o nb e t w e e n x - r a y e x a m i n a t i o na n dt h e e l e c t r o m a g n e t i s m e x a m i n a t i o n t e c h n o l o g y , a n du s e sf u l l y t h e i rs u p e r i o r i t yi nt h ee x a m i n a t i o n a s p e c t t h ea c c o m p l i s h m e n to f t h i st o p i cw i l li m p e lt h el e a t h e rb e l t n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g yt ot h ef u r t h e r 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) ，m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ， x r a y ，s e n s o r 太原理工大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 强力钢绳芯胶带无损检测的意义 钢绳芯胶带运输机是煤炭、冶会、码头等重工业场所普遍使用的一种 重型运输设备。皮带在运行过程中，由于长期使用和老化，皮带钢绳芯很 可能出现断绳或硫化接头抽动。如不及时采取措施，会导致整条皮带报废。 不雾；三主 兰 葛二薹喜蓄曼主三二三三 主羔三主 主量薹墓爹堇誊 2 0 0 2 0 4 0 8 采矿工程 系统工程 刘志河 教授 学位授予单位：太原理工大学 地 址：山西太原 太原理工大 x 太原理工大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 强力钢绳芯胶带无损检测的意义 钢绳芯胶带运输机是煤炭、冶会、码头等重工业场所普遍使用的一种 重型运输设备。皮带在运行过程中，由于长期使用和老化，皮带钢绳芯很 可能出现断绳或硫化接头抽动。如不及时采取措施，会导爹切薜毂硝罪偿； 瓢“霸刊氍剽丑芄沓零甬削是奎：嘎莲潲德惬豸i 留峪强璐耀强吲邕篇 凇川m 磷坦嶙和 生产现代 化步伐的需要，因而研制先进的皮带钢绳芯无损 探伤检测仪器，其经济效 益和社会效益都是可观的。 1 2 钢绳芯胶带无损检测技术简介 随着计算机发展，检测技术的新突破及诸多科研人员在皮带检测方面 的研究，皮带钢绳芯无损检测技术也有了较大的发展。 12 1 钢绳芯胶带无损检测技术的分类 皮带钢绳芯无损检测技术可分为两大类型： ( 1 ) 传统的人工携带x 光机，全部由人工手动检测。主要是检测皮 带接头状态，察看硫化接头是否抽动。这种检测方法是检测人员，用x 光机垂直照射皮带，x 光机成像原理是根据x 射线衰减成像，该像与物体 的密度有关，不同物质密度不同，那么x 射线的衰减程度也不相同，橡胶 密度小，x 射线衰减少，在荧光屏上显得亮，而钢丝密度大，x 射线衰减 多，则在荧光屏上显得暗。皮带内部钢丝绳的影像轮廓就会显示到皮带另 太原理工大学硕士研究生学位论文 带钢丝绳检测效率。随着世界经济的高速发展，港口、冶金、矿山、海洋 石油及其它行业的运输设备越来越大型化，运输皮带长度越来越长，宽度 也越来越宽。有长达十几公里的皮带投入使用。传统的x 光检查法满足不 了现代化的工作要求，迫切需要高精度、高可靠性、多功能的智能化检测 仪器，用来保证皮带运行的安全可靠。满足因经济的快速发展和生产现代 化步伐的需要，因而研制先进的皮带钢绳芯无损探伤检测仪器，其经济效 益和社会效益都是可观的。 1 2 钢绳芯胶带无损检测技术简介 随着计算机发展，检测技术的新突破及诸多科研人员在皮带检测方面 的研究，皮带钢绳芯无损检测技术也有了较大的发展。 12 1 钢绳芯胶带无损检测技术的分类 皮带钢绳芯无损检测技术可分为两大类型： ( 1 ) 传统的人工携带x 光机，全部由人工手动检测。主要是检测皮 带接头状态，察看硫化接头是否抽动。这种检测方法是检测人员，用x 光机垂直照射皮带，x 光机成像原理是根据x 射线衰减成像，该像与物体 的密度有关，不同物质密度不同，那么x 射线的衰减程度也不相同，橡胶 密度小，x 射线衰减少，在荧光屏上显得亮，而钢丝密度大，x 射线衰减 多，则在荧光屏上显得暗。皮带内部钢丝绳的影像轮廓就会显示到皮带另 一侧的荧光屏上，检测人员通过观察荧光屏，就可以判断当前接头处钢丝 是否抽动。这种方式比较直观，检测人员可以准确判断。 ( 2 ) 利用各种探测仪器、传感器组成的无损自动检测，可以实现对 2 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 全皮带检测，既可以检测硫化接头是否抽动，又可以用以发现新的断绳， 同时还可以检测皮带钢绳芯的锈蚀状况。根据检测的仪器和传感器原理不 同，可以分为电磁式、超声波及微波等多种。 1 2 2 钢绳芯胶带无损检测技术的的现状和发展趋势 钢丝芯胶带无损检测技术研究一直是国内外研究的一个重要课题，近 几年来随着计算机技术的发展，运行速度、存储容量都有飞速提高，对钢 丝芯胶带无损检测研究也有了快速的发展，已由常规的x 光机观测发展到 先进的无光检测技术，国内外的发展概况如下： ( 1 ) 国外发展概况 近几年来美国、德国对该项研究投入较大，发展也较快，他们的研究 成果为“c b m 检测器”，这种检测器是利用磁感应原理对钢绳芯胶带进行 监测，图1 1 是该检测器的示 意图。该检测器由上下两个传 感器和固定架组成。通过上下 传感器对中间皮带内的钢丝绳 检测，将检测信号进行处理， 显示就可以知道钢丝绳的受损 情况。这种检测器完全抛开x 光机的检测，实现了电磁检测 图卜1c b m 检测器 f i 9 1 1c b md e t e c t o r 的目标，对皮带钢丝绳检测研究的发展迈出了很大的一步。 ( 2 ) 国内发展概况 多年来我国也有不少单位进行了这方面的研究，对于无损检测技术虽 然有了较大的发展，特别是在钢丝绳检测方面，但是在皮带检测方面发展 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 较慢。甚至许多地方的皮带检测仍然采用传统的x 光机人工检测。这种检 测方法不仅对操作人员身体有损害，而且检测速度很慢，最主要的问题是 不能实现实时检测。为了解决x 射线对操作人员的身体损害和实现全皮带 检测的难题，中国矿业大学作了较大的努力，他们研制出了x 射线的点阵 排列探测器，模拟成像信号转变成数字信号送入计算机进行处理，然后由 显示器显示图形和打印机打印出结果。这一研究对皮带钢丝绳检测的发展 起到巨大的推动作用。但是由于x 光机本身的原因，不能连续不间断的扫 描，其检测的最小周期与x 光机的待机时问有关，所以还不能实现实时检 测。另外其探测器点阵排列数据采集处理量特别大，处理速度慢，且系统 太过复杂。9 8 年原山西矿院的一些科研人员，在刘志河教授的带领下经过 大量研究试验，利用电磁转换技术，采用感应中频调制传感器，成功研发 了电磁式皮带钢丝绳无损检测设备。这一成果是皮带无损检测技术的又一 次突破，又一次推动了皮带检测技术的发展。当然这种检测技术也有其不 足之处，由于在不同钢丝绳里电磁信号并不完全相同，同时漏磁信号的磁 力线受皮带所处工业环境影响，不可能是理想的形状，另外电路参数会受 外界环境、运行时间等影响而变化，出现误报警。综合来看，电磁式无损 检测技术在钢绳芯皮带检测中，更具有优越性。它的安全、实时在线检测 是x 光机检测所不能比的。 另外，还有研究人员提出利用微波或超声波检测钢绳芯皮带。微波是 电磁波的一种，其频率在3 0 0 m h z 一3 0 0 g h z 之间，相应的波长为( 1 m m l m ) 。与无线电波相比，微波具有频率高、频带宽、信息容量大、波长短、 能穿透电离层、方向性好等特点，因此微波的应用范围很广，涉及雷达、 通信、遥感、微波加热、医疗、科研等领域。和无线电波一样，微波也是 靠天线传播和接收，并进入微波电路中去的，不同之处在于可以使用微型 4 太原理工人学硕士研究生学位论文 天线实现微波宽频带的指向性，这点特别有利于无损检测。在我国，微波 用于材料的无损检测，始于2 0 世纪8 0 年代，利用微波检测技术检测非会 属制品、火箭壳体、民用板管材等内部缺陷和金属夹杂、金属表面裂纹等。 微波由于其似光性、透射性、指向性，对物质的电导率及介电常数非常敏 感等特点，越来越多的引起人们的关注。 微波无损检测原理是综合研究微波与物质的相互作用，一方面微波在 不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被测材料产 生相互作用( 称穿透性) ，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参 数的影响。通过测量复合介电常数值的大小和微波幅度、频率、相位的变 化，来判断被测物内部结构分布。然后利用反演算法进行还原重构，就可 对被测物的结构进行成像从而实现对钢绳芯皮带的检测。但微波由于波长 较长，由于物体的尺寸与波长可以比拟，波的传播不再遵循简单的直线传 播定律，而呈现出明显的绕射、散射特性，这是在研究微波成像算法时所 面临的重要难题。在测量的过程中，由于测量只能在有限的范围内进行， 这样会造成所得到的散射数据不完整；在测量的过程中又不可避免地受到 随机噪声的影响，会使测量数据偏离真实散射场的分布，这是在研究微波 成像重建算法中又一大难点。 同样，在无损检测技术上，超声波成像也是一种较流行的检测方法， 但是，超声波很难穿透诸如复合材料、塑料等材料，而且检测时需要耦合 剂，在皮带检测领域难度可想而知，几乎不可能实现。 无损检测设备的计算机化已成为一种趋势。这些设备抗干扰能力强， 检测精度高，速度快，可以全面采集、存贮和分析各种数据，并进行实时 处理和再现，使无损检测技术逐步走上自动化、数字化的轨道。总之，皮 带钢丝绳无损电磁检测技术向着多功能、高精度、操作简单、智能化、计 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 算机辅助的实时在线检测方向发展。 1 3 钢绳芯胶带无损检测技术的发展现状 当前钢绳芯胶带无损检测主要的检测技术涉及磁检测技术和x 射线 检技术两个方面。 磁检测技术与钢绳芯皮带电磁检测技术紧密相关。其基础理论的研究 是钢绳芯胶带电磁检测技术发展的基础。磁检测技术主要分为两类：磁粉 探伤m p i ( m a g n e t i cp a r t i c l ei n s p e c t i o n ) 和漏磁通探测( m a g n e t i cf 1l i x l e a k a g e ) 。由于皮带钢丝绳检测主要涉及漏磁检测，所以下面重点介绍漏 磁通检测技术。磁检测技术的起源可追溯到上个世纪。技术的系统发展基 于h i k e 在1 9 1 8 年偶然发现钢铁中的缺陷附近磁通会发生扰动。1 9 3 2 年， 历，f o r e s t 深入研究了磁粉探伤技术。1 9 3 3 年s t u m m 采用磁力计，首次测 量缺陷漏磁通获得成功。此后由于相关理论及技术发展停止不前，经过一 段时间的沉寂后，1 9 6 5 年z a t s p i n 和s c h e r b i n i n 提出无限长矩形裂纹的 磁偶极子模型，成为漏磁检测基础理论之一。1 9 8 2 年，f o r s t e r 详细报告 了利用漏磁通检测矩形裂纹的试验数据、数学物理模型以及技术手段。自 那以后，大量的学者开始对漏磁通检测技术加以重视，在理论模型、数值 计算、试验数据分析以及测试装置方面做了大量的工作，深入分析了材料 特性、磁场强度、检测元件对漏磁检测的影响。在广泛研究的基础之上， 发明了一些磁检测仪器。在钢绳芯皮带检测方面，利用这方面的检测技术， 可以用来检测皮带内部钢绳的疲劳锈蚀状态，在一般情况下，人们更注意 皮带内钢丝是否断开，接头是否抽动。因此在利用漏磁检测技术方面，就 可以绕开由于内部钢丝疲劳或张力引起的电磁变化，不易检测的难题，只 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 算机辅助的实时在线检测方向发展。 1 3 钢绳芯胶带无损检测技术的发展现状 当前钢绳芯胶带无损检测主要的检测技术涉及磁检测技术和x 射线 检技术两个方面。 磁检测技术与钢绳芯皮带电磁检测技术紧密相关。其基础理论的研究 是钢绳芯胶带电磁检测技术发展的基础。磁检测技术主要分为两类：磁粉 探伤m p i ( m a g n e t i cp a r t i c l ei n s p e c t i o n ) 和漏磁通探测( m a g n e t i cf 1l i x l e a k a g e ) 。由于皮带钢丝绳检测主要涉及漏磁检测，所以下面重点介绍漏 磁通检测技术。磁检测技术的起源可追溯到上个世纪。技术的系统发展基 于h i k e 在1 9 1 8 年偶然发现钢铁中的缺陷附近磁通会发生扰动。1 9 3 2 年， 历，f o r e s t 深入研究了磁粉探伤技术。1 9 3 3 年s t u m m 采用磁力计，首次测 量缺陷漏磁通获得成功。此后由于相关理论及技术发展停止不前，经过一 段时间的沉寂后，1 9 6 5 年z a t s p i n 和s c h e r b i n i n 提出无限长矩形裂纹的 磁偶极子模型，成为漏磁检测基础理论之一。1 9 8 2 年，f o r s t e r 详细报告 了利用漏磁通检测矩形裂纹的试验数据、数学物理模型以及技术手段。自 那以后，大量的学者开始对漏磁通检测技术加以重视，在理论模型、数值 计算、试验数据分析以及测试装置方面做了大量的工作，深入分析了材 x 太原理工大学硕十研究生学位论文 需要漏磁突变信号，这就使得在钢绳芯皮带检测可行性方面得到保障。 在x 射线检测技术方面，从1 8 9 5 年德国物理学家伦琴发现x 射线开 始，经过大量学者对x 射线特性的研究，使人们对x 射线有了充分的认 识，并利用其特性在各个领域得到广泛应用。x 射线检测技术很早就在皮 带检测中得到应用，常见的利用便携式x 光机人工检测皮带。1 9 9 5 年中 国矿业大学研制成功利用x 光机投影成像皮带无损检测装簧，推动了x 射线无损检测技术在皮带检测中的发展，开拓了一个新方向，随着成像技 术的发展，计算机速度提高以及摄像采集技术的成熟，更为x 射线检测 技术在皮带检测中的应用提供了技术支持，操作性和实用性更强。 总的来看，当前钢绳芯胶带的无损检测技术尚处于探索发展阶段，单 一的电磁式或x 射线检测都还有自己的缺陷。 1 4 当前钢绳芯胶带无损检测技术中存在的问题 1 皮带钢丝绳疲劳损伤磁信号监测问题。利用磁检测技术监测铁磁 材料的疲劳损伤是近几年无损检测技术一个新的研究方向。铁磁材料的疲 劳损伤是一个累积过程，材料的微结构会发生变化，从而导致磁化特性发 生变化，致使钢丝绳的剩磁衰减。皮带钢丝绳疲劳破坏能否会影响漏磁检 测的结果，还在试验研究中。 2 目前电磁式钢绳芯胶带无损检测装置，在实际的应用中，由于为了 提高它的灵敏度，经常会出现误报警的情况。造成这些误报警的原因，主 要包括：偶然的外界电磁干扰，包括临近的大容量设备或非线性负载设备 突然起停：运输负载突然变化造成钢丝张力变化，从而导致漏磁变化，单 根钢丝的漏磁变化虽然不大，但皮带内钢绳芯并排多根其相互之间的漏磁 7 太原理t 大学硕士研究生学位论文 干扰叠加，有可能超过测量仪器报警的设定值；另外还有，检测装置长期 运行，电路内部元件受外界环境、运行时间影响，导致参数变化，也可能 出现误报警。 3 x 光机在检测启动初始一段时间，x 射线强度相对于稳定阶段较弱， 此时采集到的皮带钢丝绳图像信号与稳定阶段采集到的信号有差别，可能 会影响处理结果。 1 5 本学位论文的主要内容 针对当前钢丝绳电磁检测技术的发展现状及存在的问题，本文主要在 硬件设计方面，从以下几个方面对强力钢绳芯胶带漏磁信号的检测技术和 x 射线检测成像技术做了深入的理论分析和实验研究。 1 皮带钢丝绳的漏磁特征参数。运用电磁学的概念和理论对铁磁材 料的磁化进行解释，在分析铁磁材料的一些特征参数的基础上，重点研究 了铁磁材料的磁导率及其影响因素，从而为漏磁检测设计提供理论依据。 2 皮带钢丝绳漏磁检测。由磁信号检测的基本要求和检测原理，根 据不同检测元件特性和检测方法，确定漏磁测量探头的设计方案，并设计 漏磁测量探头，然后通过实验分析探头的性能，最后完成试验系统设计。 3 由x 射线的特性及应用的发展，就x 射线衰减成像理论作详细的探 讨，重点研究x 射线在皮带钢丝绳检测中的实际应用和数字化处理和相关 设备的选型、防护。 4 在软件方面，简要介绍整个系统和各子程序的流程。重点就整个系 统的试验结果进行分析，最后由试验分析结果得出结论：该系统是否完全 能够满足检测的要求，实现钢绳芯胶带检测的目的，完成课题的设计任务。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章铁磁材料的特征参数 由于钢绳芯皮带内部是由多根钢丝绳在皮带内同一平面并排分布，任 何一根钢丝，在皮带检测过程中，都被饱和磁化，而每根钢丝绳的状态在 理论研究中，都可以假定为完全相同，这样就可以用单一钢丝为对象，进 行研究分析。 2 1 铁磁材料的基本概念 ( 1 ) 磁畴 铁磁性物质区别非铁磁性物质的根本点是：铁磁性物质内部存在自发 磁化现象。自发磁化是指由于物质内部的原子交换作用，使任一小区域内 的所有原子磁矩都按一定的规则排列起来的现象，这些小区域被称为磁 畴。磁畴宽度约为1 0 厘米，体积约为1 0 。立方厘米。磁畴与磁畴之间有 一过渡层称为畴壁，厚度约为1 0 4 厘米。磁畴的形状、大小及它们之间的 搭配方式，称为磁畴结构，如图2 一l 所 示。虽然磁畴的磁矩取向为一定，但由 于退磁场的作用，物质内部所有磁畴磁 矩取向杂乱无章，叠加起来总和为零， 对外并不显磁性。当有外磁场作用时， 9 i ! ! 些竺i 图2 1 磁畴结构 f i g2 一lm a g n e t i cd o m a i n s t n l c t u r e x 太原理工大学硕士研究生学位论文 一附加的磁各向异性能，称为磁弹性能e 。对于磁致伸缩各向同性的立方 晶系材料e 。可表示为： e 。= 一詈五，仃c o s2 目 ( 2 一1 ) 其中： 五，材料的磁致伸缩系数； 盯晶体所受的应力； 目自发饱和磁化方向与应力仃方向的兴角。 这项能量既依赖于晶体应力，又是饱和磁化方向的函数，故亦可称为 应力各向异性能。对于磁致伸缩系数为正的材料，张力使晶体的易磁化方 向偏向应力方向，压力使晶体的易磁化方向垂直于应力方向。 ( j ) 外磁场能与退磁场能 当强磁体被磁化后，它本身要产生一个退磁场，其方向与磁化强度相 反。材料内的总磁场强度是外磁场强度和退磁场强度的矢量和，当没有外 磁场时，仍有不均匀的退磁场，它是多畴结构产生的主要原因。 单位体积的外磁场能： e 2 一从埘c o s p ( 2 2 ) 式中：m 单位体积的磁矩； h 外加磁场强度； 从真空磁导率； 口m 与日的夹角。 单位体积退磁场能： 巴= 一 从删2 ( 2 3 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中：n 是退磁因子，它与磁导率和材料尺寸有关。理论上无法计算形状 复杂的退磁因子。 综上所述，材料的磁化可以用以上有关的各种能量的变化柬表示成： e | = e i 。+ ek + e ，+ ed + e h 啦一4 ) 应遵循热力学平衡条件，即自由能极小的原则。在没有外磁场的情况 下，晶体的易磁化方向是前四种能量综合作用的结果。如果对材料施加外 力，沿外力方向的应力异性能增加，晶体的易磁化方向向应力方向偏转， 但由于其它能量的共同作用，磁体并不显示磁性。 2 2 铁磁材料磁化分析 钢丝绳作为一种强磁介质，基于检测的设计要求，在检测前必须磁化 到饱和状态。作为一种磁介质，它的磁化过程可以用磁荷观点来解释。 一、磁化过程 从磁荷观点看来，磁介质的最小单元是磁偶极子。然而在介质未磁化 时，各个磁偶极子的取向是杂乱无章的，它们的磁偶极距p 的作用相互 抵消，宏观看来，钢丝绳对外不显示磁性，即它处于未磁化的状态。当有 一个磁场h o 靠近磁化，将对每一个磁偶极子分子产生一个力矩，使它们 的磁偶极距p 转向磁场方向，这样一来，在磁化场的力矩作用下，各个 磁偶极分子在一定程度上沿着磁化场的方向排列起来，宏观效果在钢丝的 两端出现磁极性。 为了描述磁介质磁化状态，通常引入磁极化强度矢量j 的概念。定义 为：单位体积内分子磁偶极距的矢量和。如果在磁介质内取一个宏观体积 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中：n 是退磁因子；篓两糯罐菇嚣纛簇骺骰笔；鬻年孺拦瞎翰爿筹潞 粥崇鬃捌裂瑙臻。 辨鲢雒骂：嚣甜税鞋酬昝土掉鲫虬蓝鲤醚 麟断鸶蛆塑蓄黜黪坚旦； 薹e 。m a e 。鲁萎鸶j 主事篓。簪囊冀j 州嚣鏊 ! ! 篓嚣氍纠酣 引譬引型，黪爨鎏戢嘏鲥酣* 鲻。颡张瓤鲻强懿酗鲋目月 腩；霆葛罐滔拦彰商萋黔醐罢“喾靠簸澍醣卜 警是婿；臻撵堡行 。 各种因素引起的局部磁化不均匀将导致交换能的提高。宏观晶体的交换能 e 。是等效交换场与自发饱和磁化强度的函数。原子交换能的描述需用量 子力学理论，这里不再对此深入分析。 ( 3 ) 磁晶各向异性能 材料晶体中原子排列的各向异性导致许多物理、化学性能的各向异 性，磁晶各向异性就是其中之一。它指的是磁化曲线随晶轴方向的不同而 有所差别，就是说某些方向容易磁化，在另一些方向不容易磁化。这种现 象存在于任何铁磁晶体中，容易磁化的方向称为易轴，不容易磁化的方向 称为难轴。铁单晶的易磁化方向为易轴方向。磁晶的各向异性能e k 是磁 晶各向异性常数、晶轴方向与自发磁化方向夹角目的函数。从本质上讲， 磁晶各向异性是原予中电子自旋运动与轨道运动耦合所致。 ( 4 ) 磁致伸缩与磁弹性能 磁致伸缩是指强磁体被磁场磁化时，导致晶格应变。它的形状和体积 随之变化，其中长度的相对变化称为线磁致伸缩，体积相对变化称为体积 磁致伸缩。由于体积相对变化非常小，所以影响磁畴结构和技术磁化性能 的主要是线磁致伸缩。磁致伸缩就是磁场引起的应变，其逆效应为品格应 太原理工大学硕士研究生学位论文 a v ，在这个体积元内包含了大量的磁偶极分子。用尸。代表这个体积 元内所有分子磁偶极距的矢量和，用j 代表磁极化强度矢量，则得到： l ，：堕( 2 5 ) v 对于未磁化时，各个分子磁偶极距尸。的取向杂乱无章，它们的矢量和 p 。= 0 ，从而得介质内部磁极化强度j = o 。在有磁化场i k 的情况下， 介质内的分子磁偶极距在一定程度上沿着h 。的方向排列起来，这时 p 。0 ，且合成p o 具有n o 的方向。从而磁极化强度矢量j 就是一 个沿着h n 方向的矢量。分子偶极距尸。，定向排列得程度越高，它们的矢量 和的数值愈大，从而磁极化强度矢量j 的数值就越大，从以上的分析可以 知道磁极化强度矢量j 的大小表明了磁介质磁化的程度，j 越大磁化程度 就越高，反之就越低，这样有必要准确知道磁极化强度矢量j 与磁荷分布 的关系。 二、磁荷分布与磁极化强度矢量j 的关系 显然磁极化强度j 可以建立公式： 护d s = 一g 。 ( 2 _ 6 ) ”警= j c o s o = j n = ，。 z ， 其中s 是任意的闭合面，g 。为包含在s 内磁荷的代数和，仃。为磁介 质表面上磁荷的面密度，n 是磁介质表面的单位外法向矢量，护是j 与n 之间的夹角，j o 是j 在n 上的投影。 太原理一l ：人学硕士研究生学位论文 2 3 铁磁材料的参数 铁磁材料的主要参数有磁导率、矫顽力和剩磁强度等，其中磁导率相 对是最重要的一个参数。铁磁材料的磁导率同导体的电阻率相似，值的大 小代表着该介质的磁化难度。不同磁介质在相同面积、相同长度的情况下， 磁导率大的磁阻小，容易磁化，磁场通过时磁能损耗就小。磁导率与磁介 质的本身属性有关，所以磁导率对于磁介质来说，是一个最重要的参数。 一、磁导率 磁导率的一般定义为： ：尝 ( 2 - 8 ) 声2 百 0 2 8 式中：b 磁感应强度： h 磁场强度。 另外 2 。，( 1 + x ) 式中：。真空中的磁导率，。= 4 万1 0 一7 ； ，相对磁导率： x 磁化率。 非铁磁材料的全部物质，磁导率均认为与真空磁导率一致，而铁磁材 料的磁导率差别很大。通过式( 2 8 ) 依据磁化曲线可求得磁导率曲线，如 图2 2 所示。在不同的磁场强度下，不同。在不太大的磁场强度下磁导 率达到极大值后，随磁场强度增加不断下降，趋近常数，磁导率曲线上 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的极大值称为最大磁导率“。磁场强度h = o 时，磁化曲线的斜率称为初 始磁导率。磁导率反映了材料磁化的难易程度，磁化强度增k 的快慢。近 半个世纪的铁磁学研究表明，磁导率曲线是由材料内的微结构形式所决 定，不同材料的磁导率曲线不相同。即使同一种材料，微结构不同，磁导 率曲线也不尽相同。 二、磁化过程对铁磁材料相关参数的影响 铁磁材料的几个重要参数：起始磁导率“、最大磁导率“、矫顽 力h 。、剩磁强度b ，都与磁畴结构的式样及其运动变化有关。铁磁材料在 2 4 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 雎i 2 0 0 8 0 0 4 0 0 0 i 6 1 2 1 3 8 b ( 舛b 乇2 ) 0 1 4 皇1 0 3 图2 - 2 铁磁材料的磁导率曲线 f i 9 2 - 2m a g n e t i cp e r m e a b i l i t yc u r v eo f f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l 外磁场作用下，从磁中性状态到饱和状态的过程称为磁化过程。在外磁场 作用下，从饱和状态返回到退磁状态的过程，称为反磁化过程。图2 3 所示，图中，h e m 为内禀矫顽力，m r 为剩余磁化强度。磁化过程与反磁化 过程的磁畴运动是不同的。这是磁畴运动的特有方式。 磁化过程大体分为四个阶段。 第一阶段是畴壁的可逆位移。图2 - 3 所示的起始部分，这时若把外磁 场透掉，畴壁退回到原位，材料又返回到磁中性状态。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 导率将是无穷大。畴壁移动的阻力来自材料的内应力、参杂、弥散磁场和 非均匀区。其中内应力和参杂是主要阻力。 内应力的存在使畴壁移动时会发生三种能量的变化，即磁弹性能，畴 壁能和退磁能增加。这三种能量的增加会阻碍畴壁移动。参杂就是指材料 内部的非磁性杂质、缺陷、空隙、晶粒边界等。参杂的存在使磁畴结构复 杂化。磁导率与参杂体积成反比例，杂质或空隙越多，畴壁移动越困难， 磁导率越低。弥散磁场是由于在内应力中心和参杂附近的磁力线不连续而 产生的。弥散磁场对畴壁的移动是起阻碍作用的。 材料的非均匀区是指材料内部存在一些各向异性常数和交换积分常 数都与周围不同的区域。在这些非均匀区，畴壁能较小，稍有移动，能量 就增加，从而阻碍畴壁移动。 ( 2 ) 磁畴磁矩的转动。磁矩转动的障碍主要来自磁晶各向异性能、磁 弹性能、内部退磁场。磁晶各向异性能将磁矩往易轴方向拉动。磁弹性能 使磁矩向应力方向转动。对于磁致伸缩系数为正的材料，张力将使磁矩更 容易向应力方向转动。内部退磁场使磁矩向退磁场方向转动。 2 4 铁磁性材料漏磁分析 2 ，4 1 铁磁材料漏磁场 不同物质的导磁能力不同，以真空磁导率为相对基准，抗磁性物质的 相对磁导率略小于l ，顺磁性物质的相对磁导率略大于1 ，而铁磁性物质 的相对磁导率非常大，从数百到数千，典型的铁磁性物质有：铁、钻、镍 等。当外加强磁场施与铁磁性工件时，高密度的磁力线沿磁化方向在工件 1 7 太原理工大学硕士聊 究生学位论文 内部穿过，旦工件材料出现不连续性即表层或内部有空隙等缺陷时， 部分磁力线就会向外逸出，对材料表面缺陷附近的空气中低密度磁力线形 成局部干扰，如图2 4 a 所示。这种磁力线传递到不同磁介质的界面时， 发生的逸出现象，称为磁力线折射现象。所形成的逸出磁场，称为漏磁场。 缺陷处的漏磁通密度分解为水平分量b 。和垂直分量b 。，水平方向b 。 与磁化方向平行，垂直分量b ，与磁化方向垂直。图2 4 b 是极端情况下钢 ( a ) 图2 4 材料缺陷漏磁场 f i 9 2 4m a g n e t i cn u xi e a k a g ef i e l do f t h em a t e r i a l 门a w 丝断开的情况，在这种极端情况下从n 到s 极的磁力线全部溢出，磁力线 呈“球形”。磁力线的密度随距离中心轴和断口距离增大而稀薄。水平分 量在断口中心最大，垂直分量在断口最大，左右对称。 图2 5 ( a ) 表示水平分量b x 和垂直分量b ，在矩形缺陷处的变化曲线。 垂直分量在缺陷的两边最大，是一个过中心点的曲线，呈双极形。水平分 量在缺陷中心最大，左右对称，呈铃形。两个分量合成就形成缺陷处的漏 磁场分布。 漏磁信号的强度常用b ，分量的峰值或b 、分量的最大值表示。在漏磁 检测技术中，漏磁场假定是一恒定磁场，根据麦克斯韦方程，恒定磁场所 满足的基本方程为： 1 8 它 太原理上大学硕士研究生学位论文 v b = o v h = j 匡三兰世巨兰目 il ( a ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( b ) b x b y f 如铷 图2 5 矩形缺陷的漏磁分布 f i 蜉- 5m a g n e t i cn u xl e a k a g ed i s t r i b u t i n go f t h er e c t a n g l en a w 式中：v 哈密尔顿算子，v = 丢+ 言+ 昙； b 漏磁场的磁感应强度： h 漏磁场的磁场强度； j 电流密度，永久磁铁磁化时，j = o 。 磁场强度h 和磁感应强度b 通过磁介质的磁导率联系 b = = “h( 2 一1 1 ) 因为磁感应强度的散度等于零，必然存在一个矢量磁位a ，使 b = v a( 2 1 2 ) 1 9 太原理t 大学硕士研究生学位论文 由式( 2 一l o ) 、( 2 一1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得： v 2 a ：o( 2 一1 3 ) 式( 2 1 3 ) 称为矢量磁位的拉普拉斯方程。 由以上二式可得铁磁性材料与空气的边界条件： 法向磁感应强度相等b 。= b ! 。 切向磁场强度相等h 。= h 。 恒定磁场的折射定理 ! 盟：丝 ( 2 一1 4 ) t a n 鼠 式中，0 2 、鼠分别为在铁磁材料和空气中磁感应强度线和交界 面法线央角，为材料的磁导率，为空气的磁导率。 以上方程虽然可以完整表示漏磁场的空间分布，但是要用它们根据材料具 体的几何形状来求漏磁场的空间解析式，是极其困难，甚至是不可能的。 有些学者利用磁荷理论研究漏磁分布，得到了一些近似结论，更多的学者 采用实验和计算机数值计算研究材料缺陷的漏磁特征。 2 4 2 影响漏磁场强弱的因素 影响材料缺陷附近的漏磁强弱分布的主要因素可分为：缺陷的尺寸形 状、磁场强度、受力状态。漏磁检测的效果除了和以上三个因素有关，还 与检测元件的布置方式和性能参数有关。 ( 1 ) 缺陷的几何尺寸参数 材料尺寸主要是指厚度t ，缺陷几何尺寸是指沿磁化方向的缺陷宽度 b 和深度h ，图2 - 5 ( a ) 所示的为矩形槽。对于非矩形槽，缺陷参数还应包 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 括：缺陷锐度。锐度以边锐角和底锐角的大小来表示。边锐角多是指缺陷 尺寸的斜边与材料表面形成的锐角，底锐角a 是指缺陷的斜边与缺陷底边 所形成的锐角，如图2 5 ( b ) 所示。漏磁通与缺陷尺寸之间有一定的对应 关系，缺陷的宽度近似等于漏磁通垂直分量b ，的峰值之间的距离或水平 分量b ，达到最大值一半时的宽度。缺陷宽度在一定范围内与峰值幅度成 反比，即缺陷宽度越大，峰值幅度越小。在材料厚度t 一定时，漏磁信号 的强度对应缺陷的深度，即正比于b ，的峰值或b x 的最大值。深厚比( h t ) 越大，漏磁信号越强，深厚比( h t ) 越小，漏磁信号越弱。当材料厚度t 大到一定时，内部缺陷引起的磁通密度变化无法测出。缺陷的边锐角对水 平分量b ，边缘的磁信号有较大影响，而底锐角对漏磁信号影响较小。较 长的、渐变的、平滑的材料厚度变化缺陷对垂直分量b 。的强度影响较弱。 在一般的漏磁通检测中，不考虑垂直于磁化方向的缺陷长度。 ( 2 ) 磁场强度 众多的研究表明，材料的磁化水平是提供可靠精确检测结果的关键因 素。被测工件的磁化水平达到深度饱和，至少是近饱和水平，是良好检测 效果的前提条件。实验己证明，低分辨率的检测设备在强磁化水平下要比 高分辨率的检测设备在弱磁化水平下的检测效果更好。常用的励磁方法有 a c 交流法、d c 直流法和永久磁铁法，其中稀土永久磁铁以优良的性能成 为最佳励磁方法。励磁设备的磁场强度主要取决于被测工件的厚度( 或直 径) 、磁导率、极靴与工件的提离值等，在实际应用中，由于要求考虑成 本和技术要求等因素，在本设计中，对皮带的磁化采用1 2 v 的d c 直流磁 化。 ( 3 ) 受力状态 介质受力后，磁导率在受力方向上发生变化，从而影响漏磁分布。这 2 1 查璺堡三丛堂堡主塑茎生鲎! ! 堡苎 种现象称为磁弹效应。 ( 4 ) 检测元件的性能及布置 常用的检测元件有线圈、霍尔元件、磁通门等，检测元件使用方式虽 不影响漏磁分布，但却影响漏磁检测效果，具体原理和实用场合在第三章 介绍。除了检测元件本身的性能参数外，影响检测效果的最大因素是检测 元件与被测元件表面之间的距离，即检测元件的提离值。由于漏磁场强度 随着离工件纵向表面的距离的增加呈指数衰减，例如，对于0 2 m m 深的裂 纹，同样的励磁强度，提离值从o 0 5 舢到1 2 肿时，漏磁信号减弱了 6 0 倍，所以提离值不宜过大。但提离值也不能太小，过小的提离值，检 测结果不稳定。检测仪器的扫描速度也会影响测试效果，漏磁场检测原理 是基于材料内部稳定的饱和磁场，如仪器移动速度过快、材料内部磁性达 不到均匀一致，将会影响检测效果，基于这方面的考虑，根据实际情况， 经过多次试验，效果比较，确定提离值为l o m ，具体驭法在第三章的性 能试验及分析中，详细介绍。 ( 5 ) 被测物件的移动速度 另外影响电磁检测的因素还有被测物件的移动速度，过快的速度使材 料内部还会产生感生电流，从而产生“对抗磁场”对检测磁路产生干扰。 如果磁化强度较高，就会使仪器扫描速度对检测结果的影响减弱。 从以上分析可以得出，漏磁通检测技术定量判断材料断口或缺陷尺寸 大小的主要依据是测得的漏磁曲线形态。垂直方向分量的峰值与缺陷深度 成正比，峰极之间的距离近似等于缺陷宽度；水平方向的最大峰值与缺陷 深度成正比，达到最大峰值一半的两侧距离近似等于缺陷宽度。但由于各 种因素影响，漏磁检测的精确定量判别水平依然受到客观条件限制。 2 2 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 2 5 本章小结 本章首先介绍了铁磁材料的一些基本概念，然后用磁荷观点解释了磁 场的形成原因，接着就磁介质的重要参数着重介绍了磁导率并从磁化过程 中分析影响磁介质参数的原因。最后重点就漏磁场的形成，提出了分析方 法并探讨了影响漏磁场强弱的一些因素，为后面漏磁传感器设计，提供理 论依据。 2 3 查堕堡兰丕堂堕主堕塞生堂生笙壅 而言，