（控制理论与控制工程专业论文）智能型钢材无损检测仪的研制与开发.pdf

摘要 摘要 电磁无损检测方法具有非破坏性、简便、快速等优点，广泛地被应用到金属t 件的质量检测中。本 文采用电磁无损检测方法，对钢材材质特性参数与磁导率相互关系问题进行探讨，研制开发了一台智能 型钢材无损检测仪，并对钢铁材料的硬度、含碳量及钢种分选进行检测实验。 传统仪器建立在材质特性参数与其磁导率参数成线性关系的基础上，用最小二乘进行数值处理、以 两点法进行标定，从而实现对钢材材质特性的榆测。但是实际的材质特性一磁导率曲线关系并1 f 线性， 因而传统仪器的测量误差较大。本仪器采用分段最小二乘法进行数值处理，基于钢材材质特性参数与磁 导率非线性关系进行数据拟合。论文的主要工作如下： 1 、通过对多种电磁检测原理研究和分析，确立初始磁导率法作为检测方法。该方法对t 件进行检 测时，工作在磁畴畴壁的可逆位移区，具有对二r = 件表面要求低、检测速度快、误差小、结构简单等优点。 2 、硬件核心模块采用a t 8 9 s 5 2 单片机、8 1 5 5 及m c l 4 4 3 3 模数转换芯片，外围器件采_ e i jc m o s 中 小规模集成电路。该仪器硬件电路简洁、功耗低、抗干扰能力强，具有较高的性价比。 3 、针对检测过程中励磁频率和电流需要依据检测要求及工件状况经常变换，采用多路开关作为频 率和电流切换开关，以满足仪器实现智能控制的要求。实现不同材料所采用的电流和频率连续可凋，提 高了检测灵敏度。 4 、程序采用c 语言编码，由k e i lc 5 1 编译，充分利用a t 8 9 s 5 2 单片机的中断系统( 由外中断0 和外 中断1 来监视键盘、定时计数器1 中断来刷新液晶显示) ，从而提高了c p u 的工作效率。 5 、通过对多种计算方法分析，提出一种采用分段最小二乘法对材质特性一磁导率曲线进行拟合的方 案。该方案以先分段后拟合为指导原则，克服了单一函数拟合时计算复杂耗时或误差大的缺点，并且精 度有较大提高。 6 、在硬件、软件设计基础上形成样机，并对具体工件进行测试实验，结果达到预期效果。 关键词：电磁无损检测分段最小二乘初始磁导率a t 8 9 s 5 2 k e i lc 5 1 东南大学硕士学位论文 d d s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n gi sw i d e l ya p p l i e dt ot h eq u a l i t yc h e c k i n go fm e t a l l i c w o r k p i e c e ，f o ri t s e x c e l l e n tf e a t u r e so fn o n d e s t r u c t i v e , s i m p l i c i t ya n dc o n v e n i e n c e ，h i g h s p e e d u s i n g e l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n gm e t h o d ，t h ei n t e r r e l a t i o nb e t w e e ns t e e lm a t e r i a lp a r a m e t e r sa n d m a g n e t i cc o n d u c t i v i t yi sd i s c u s s e d ，a n dai n t e l l i g e n tn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n gd e v i c ei sd e v e l o p e d b e s i d e s ，t h e s t e e lh a r d n e s s , t h ec a r b o nc o n t e n ta n ds t e e lc l a s s i f i c a t i o na r et e s t e d ， b u s e do nt h el i n e a rr e l a t i o n s h i po ft h em a t e r i a lp a r a m e t e r sa n di t sm a g n e t i cc o n d u e t i v i t yp a r a m e t e r s ， t r a d i t i o n a ld e v i c ea c h i e v e st h ed e t e c t i o no fs t e e lm a t e r i a lw i t hn u m e r i c a lp r o c e s s i n gb yt h el e a s ts q u a r ea n d e q u i p m e n tc a l i b r a t i o nb yt w o p o i n tm e t h o d ，b u tt h ea c t u a lm a t e r i a lp r o p e r t i e s - m a g n e t i cc o n d u c t i v i t yc h i v ei s n o n - l i n e a r , a n dt h e r e f o r em e a s u r e m e n te r r o ro f t r a d i t i o n a ld e v i c ei so f t e ng r e a t e r t h ed e v i c ei sd e v e l o p e dw i t h n u m e r i c a lp r o c e s s i n gb ys e g m e n t e dl e a s ts q u a r em e t h o d ，a n dw i t hd a t af i t t i n ga c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dm a g n e t i cc o n d u c t i v i t y t h em a i nw o r ki su sf e l l o w s ： 1 a f t e r s t u d y i n ga n da n a l y z i n gv a r i o u se l e c t r o m a g n e t i c d e t e c t i o n p r i n c i p l e s ，t h ei n i t i a lm a g n e t i c c o n d u c t i v i t ym e t h o di sc h o s e na sd e t e c t i n gm e t h o d t h em e t h o dh a ss u c he x c e l l e n tf e a t u r e s a sl o w r e q u i r e m e n tt ow o r k p i e e es u r f a c e ，h i g hd e t e c t i n gs p e e d ，s m a l le r r o ra n ds i m p l es t r u c t u r e ， 2 a t 8 9 s 5 2 ，8 1 5 5a n dm c l 4 4 3 3a l ec h o s e na st h ec o r eo f t h eh a r d w a r e ，a n dc m o si ca r ec h o s e na si t s p e r i p h e r a ld e v i c e s t h ed e v e l o p e dd e v i c ei so fs i m p l eh a r d w a r ec i r c u i ll o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g ha b i l i t y o f a n t i - i n t e r f e r e n c e ，l o w e rc o s ta n dh i g h e rp e r f o r m a n c e 3 c o n s i d e r i n gt h a te x c i t a t i o nf r e q u e n c ya n dc u r r e n tc o n s t a n t l yc h a n g ew i t hd e t e c t i o nr e q u i r e m e n t sa n d w o r k p i e c ec o n d i t i o n s m u l t i c h a n n e ls w i t c hi sa d o p t e da sf r e q u e n c ya n dc u r r e n ts w i t c ht om e e tt h es m a r t c o n t r o lr e q u i r e m e n to ft h ed e v i c e i tc o m e st r u et h a tt h ec u r r e n ta n df r e q u e n c yu s e db yv a r i o u sm a t e r i a la r e c o n t i n u o u s l yt u n a b l e ，a n dt h ed e t e c t i o ns e n s i t i v i t yi m p r o v e s 4 t h ep r o g r a mi sc o d e db ycp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，c o m p i l e db yk e i lc 5 1 ，a n dm a k e sf u l lu s eo f t h e i n t e r r u p t i o no f a t 8 9 s 5 2 ( t h ek e y b o a r di sm o n i t o r e db yi n t 0 ，i n t la n dl c d i su p d a t e db yt i ) a n dt h e r e f o r e t h ee f f i c i e n c yo f t h ec p ui m p r o v e s 5 a f t e ra n a l y z i n gv a r i o u sc o m p u t a t i o n s as c h e m at h a ts e g m e n t e dl e a s ts q u a r em e t h o di su s e dt of i t m a t e r i a lp r o p e r t i e s - m a g n e t i cc o n d u c t i v i t yc u r v ei sp r o p o s e d i t sp r i n c i p l ei st of i td a t aa f t e rs e c t o r i n g ，w h i c h o v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so fc a l c u l a t i n gc o m p l e xa n dt i m e c o n s u m i n go rb i ge r r o r s w h a ti sm o r e ，t h e a c c u r a c yi m p r o v e sp a r t l y 6 ap r o t o t y p ei sf o r m e db a s e do nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n e x p e r i m e n t st ot e s tt h es p e c i f i c w o r k p i e c ea r ed o n e ，a n dt h e i rr e s u l t sa c h i e v et h ee x p e c t a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n g ，s e g m e n t e d l e a s t s q u a r e ，i n i t i a lm a g n e t i c c o n d u e t i v i 吼a t 8 9 s 5 2 ，k e i lc 5 1 i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：邂导师签名：拉 丫溅 第一章绪论 1 1 论文背景及意义 第一章绪论 无损检测技术( n o n d e s t m e t i v et e s t i n g ，简称n d t ) 是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内 部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，米探测各种工程材料、零部件、 结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状等做出判断平评价。无损检测技术历 经一个多世纪，其重要性在全世界己得到公认，统计资料显示。经过无损检测后的产品增值情况大致是： 机械产品为5 ，国防、宇航、原子能产品为1 2 1 8 ，火箭为2 0 左右”l 。近三十年米，随着微机技 术不断应用到无损检测领域，同时无损检测本身的新方法和新技术也不断出现，从而使无损检测技术在 工业材料的检测及质量管理中，成为一个不可缺少的重要环节。 钢铁材料电磁检测技术是无损快速检测技术领域中的一种实用技术，其目的是利用钢铁件内部结构 不同所引起的磁导率变化，来对钢铁什的硬度、含碳量进行测定以及进行钢铁件的混料分选，从而改进 制造工艺，提高产品质量。采用电磁法对钢铁材料进行性能测试和质量检验，其优点是在不影响i ：件的 形状和性能的同时，确保了检测的简便、经济、快速。然而现有的电磁无损检测仪器对于钢材及其制品 的混料、硬度和裂纹质量检测还存在许多难题，因而研发高效、智能和快速的检测仪器仍然是这一领域 的最大亮点。针对此问题，本课题经过广泛调研和充分考证，直接面向企业需要，研制开发了一种基于 分段最小二乘方法的智能型钢材无损检测仪。该仪器与采用单一最小二乘方法的仪器相比，在检测精度 和效率上均有所提高。 近些年来，随着我国钢产量的快速增长( 2 0 0 6 年我国粗钢产量为4 1 8 7 8 万吨，占世界总晕的3 4 4 ， 比2 0 0 0 年的1 2 8 5 0 万吨增加了2 2 5 9 ) ，多数钢铁企业规模不断升级。据不完全统计，我国现有的钢铁 生产及加工企业共达数百万家之多，其中绝大多数企业都存在着钢材混料、热处理质量难以控制等问题 即便按1 0 的比例计算潜在用户，市场容量也在数十万台以上，但到目前为止，拥有上述电磁检测设备 的企业不过上万家，市场前景及社会效益非常可观。 1 2 电磁无损检测技术的现状及发展趋势 1 2 1 电磁无损检测的定义 无损检测方法很多，最常用的是射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测五种常规检 测方法。文中研究的电磁无损检测方法是从某些使用电流的磁性方法一尤其是磁粉法和涡流法中分离 出来的，也称磁感应法”1 。电磁无损检测是利用材料在电磁作用下呈现出来的电学和磁学性质，从而米 判断材料有关性能的试验方法。在材料的电磁特性中，电导率和磁导率是两个基本的物理量，与材料的 其它性能往往有着对应关系，因而也是反映金属材料材质的敏感量“1 。通常情况下频率在1 5 0 0 h z 以上 时称涡流法，电导率起主要作用，用于非铁磁性材料；频率在1 5 0 0 h z 以下时称电磁法，磁导率起主要 作用，用于铁磁性材料。 电磁无损检测是一种表面或近表面的无损检测方法，检测线圈不必与被检丁件紧密接触故与其他 无损检测方法比较，有如下优点：对导磁材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高；不需用耦台荆，易 于实现管、棒、线材的高速自动化检测；可在高温、高噪声等其他检测方法不适用的场合实施监测。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 电磁无损检测的现状 电磁无损检测技术的应用可追溯到1 8 7 9 年，当时，英国人休斯就利用感生电流的方法对不同金属和 合金进行了判断试验。他发现，当金属材料的形状、大小和成分不同时，平衡线圈所需调节的程度不同， 从而揭示了应用涡流对导电材料进行检测的可能性。但在休斯以后的很长一段时间内，电磁检测技术的 应用和发展一直很慢。直到第二次世界人战后少数国家的研究单位和大企业才开始应用电磁检测设备。 其主要原冈是各种试验参数对电磁检测的影响在理论上的研究很不充分，没有找到抑制干扰因素的有效 方法，因而，电磁检测方法没有从根本上取得有效的突破和改进。 自1 9 3 9 年西德傅斯特博士等人首先将磁滞同线的分析应用于无损检测技术中以来，电磁无损检测技 术发展很快，应用非常广泛。七十年代，西德傅斯特研究所研制并出售了用于混料分选的各种电磁分选 仪，如“m a g n a t e s t v h r ”仪；八十年代，日本也研制出小型化的“异材试验器”及“金属材料简易判 断和分析器”；前苏联也研制出铸铁硬度电磁无损检测仪”1 。时至今日，国际上电磁无损检测技术已具 有相当高的水平，发达国家不仅先f l 亓成功研制了智能型无损检测分选仪和智能无损检测分选线，而且还 在高精度型无损检测技术上取得了惊人的成果。 相比之下，我国电磁无损检测技术的研究开发则比较晚，7 0 年代国内才开始着手采用电磁法对钢铁 件的性能和热处理质量进行测试；到8 0 年代才发表了若干较有份量的研究论文，如“涡流检测的有限元 模型和表面涡流探头的有限元分析”和“b 样条有限元法数值计算线圈阻抗”等，给出了应用二维有限 元理论计算线圈阻抗的方法和初步结果；并相继推出了钢铁硬度分选仪、钢铁材质分选仪等数种电磁检 测设备，取得了较好的社会和经济效益。 尽管如此，由于电磁无损检测的复杂性，国内外的电磁无损检测仪在实际生产中的检测效果不尽完 善，技术没有完全成熟。电磁无损检测技术的发展和完善还需要一个比较长的过程，还需要做人量的试 验性的工作，在检测仪器的高准确度、高灵敏度和智能化方面也有待进一步的研究以提高。 1 2 3 电磁无损检测的新技术 远场涡流( r f e c r e m o t ef i e l de d d yc u r r e n t ) 检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术。 它一般采用内通过式探头，由激励线圈和检测线圈构成，两线圈相距约2 3 倍管内径的长度。激励线罔 通以低频交流电，产生磁场，检测线圈用以接收发自激励线圈的磁场、涡流信号，利用接收到的信号能 有效地判断金属管道内外壁缺陷和管壁的厚薄情况。 电流扰动( e c p e l e c t r i cc u r r e n tp e r t u r b m i o n ) 检测技术是指在被检测部件上产生一种电流流动- 并 利用一独立的探测器测定电流流过缺陷时电流扰动引起的磁场”3 。与其他方法不同之处在于。电流扰动 系统的激励线圈和检测线圈是分立的，且相互正交取向。 磁光涡流成像( m o i m a g n e t o - o p t i c a le d d yc u r r e n tl m a g e r ) 技术的原理实际上是法拉第电磁感应定 律和法拉第磁光效应的综合应用“1 。磁光涡流成像仪用涂覆铋的石榴石铁氧体材料组成磁光效应传感 器，利用放置在片上的线圈产生交变磁场，被检测表面区涡流及其产生感生磁场的变化则以不同的偏转 角反射的磁光信号来给出，电荷耦台器件检测器接收该信号。 涡流阵列( e d d y c u r r e n t a r r a y s ) 检测技术是近十年内出现的一项新的涡流检测技术。它是通过涡 流检测线圈结构的特殊设计，并借助于计算化的涡流仪强大的分析、计算及处理功能，实现对材料和零 件的快速、有效地检测。 2 第一章绪论 1 2 4 电磁无损检测的发展趋势 电子技术和微计算机技术的迅速发展为研制高度智能化的电磁无损检测仪器奠定了良好基础，朱来 的检测仪器应当具有如下特征”1 ： 1 、模块化和插卡化 各种电磁无损检测昔( 含数据采集和数据处理及接口的插卡) 将大量问世，借助于高速、高容萤计算 机，检测仪器的研制变得十分容易。 2 、高智能化和可视化 未来的检测仪器应当是高度智能化的，具有良好的用户友好界面，可以用菜单选择仪器测试参数， 且检测结果曲线可用图像显示出来。 3 、数据库及自识别功能 具有能对被检对象的缺陷类型进行自动识别以及对被检对象的状态进行自动评价的功能，并且能够 自动学习、自动积累经验，因此，它应当拥有比较完备的数据库和专家评判系统。 4 、自动检测系统的研制 各部i - r j 对电磁无损检铆4 技术的要求是提高检测自动化程度和缩短检测时间，在环境特g 恶劣的地 方，自动检测系统更具有重要意义。 1 3 论文的主要内容 在电磁方法的应用中，金属的磁导率是最主要的变量，钢铁件的成分和组织结构不同必然导致其磁 性能和机械性能不同。本设计就是根据钢铁件的成分和机械性能与磁导率之间的这个相关性，来对钢铁 材料的硬度、含碳量进行测最以及进行钢铁混料的分选等。本设计选用初始磁导率法应用智能型钢材 无损检测仪对钢铁材料的材质参数进行非破坏性检测。当被测工件放入均匀分布着磁场的探头时就会 产生一个变化的磁场量，该变化的磁场量通过探头以感应电势或感应电流的形式传送给仪器，经仪器中 心电路分析处理后直接在液晶显示屏上显示被测丁件的材质参数，从而完成工科：的电磁无损检测。 一、硬件设计 选用a t 8 9 s 5 2 单片机配合8 1 5 5 及m c l 4 4 3 3 模数转换芯片为核心，作为整个仪器信号处理、分析的主 要部分；外围器件多采用c m o s 中小规模集成电路，具有功耗低、抗干扰能力强等优点。完成了三块电 路板的设计制作：电路板1 ( 电源、激励信号发生、信号前置处理) 9 7 m m x 7 0 m m 、电路板2 ( 数模转换、 单片机处理) 1 0 4 m m x 7 0 m r n 、电路板3 ( l c d 驱动、指示灯、蜂呜器) 7 0 m m x 4 0 m m 。 针对检测过程中励磁频率和电流需要依据检测要求及工件状况经常变换这一问题，故选用多路开关 作为频率和电流参数切换开关，因为是数字接口，所以非常适合系统后向通道设计中实现智能控制的要 求；在系统的前向通道设计中，采用高性能仪表运算放大器及相应的噪声抑制措施对探头反馈信号进行 处理，经a d 转换后，由c p u 对数据进行采样；报警部分，则由c p u 输出上下限报警信号驱动相应的声 光器件，在检测分选线中该信号可外接至机械分选装置自动将：t = 件送至相应的合格晶区和废品区。 二、软件设计 程序设计包括键盘数据处理、数字器件接口、数据定时采集、数据数值分析、结果显示报警等部分。 从总体结构上，系统程序分为如下五个大的模块： 主程序为独立个体，包含分段最小二乘算法； 四个硬件驱动模块程序：激励信号发生程序( 8 1 5 5 分频及m a x 3 3 5 选通) a d 采样程序( m c l 4 4 3 3 ) ； 3 东南大学硕士学位论文 l c d 显示驱动程序( 定时计数器1 中断服务程序) ； 键盘分析处理程序( 外部中断0 、l 服务程序) ； 程序采用c 语言编写，用g v i s i o n 2 编译，为了提高c p u a _ = 作效率，充分利用了a t 8 9 s 5 2 单片机的中断 系统。软件具有模块化的特点，结构清晰，开发调试效率高，可维护性强。在数据处理方面，采用分段 最小二乘算法对标样参数进行分析处理，灵活适应用户对检测分选精度的要求。 三、对仪器进行精度分析 分析了检测仪在实际检测中的误差来源，并且指出了具体应用中确保检测精度的要领。 1 4 论文章节安排 本论文共分六大部分，每部分的具体内容如下： 第一章为绪论。首先介绍了论文的选题背景及智能型钢材无损检测仪的研究意义，然后阐述了电磁 无损检测技术的现状及发展趋势，最后概括了本论文的主要研究内容、所采用的方法和取得的成果。 第二章为电磁无损检测理论基础。主要是对电磁无损检测技术的基础理论知识进行介绍，首先阐述 了电磁检测技术的基本原理和相关概念，然后对不同的电磁检测方法进行比较，最后分析了电磁检测系 统的三个组成部分。本文选用的是初始磁导率法。 第三章为检测仪的方案设计。首先对检测仪的功能需求进行分析，接着进行可行性分析论证，说明 了智能型钢材无损检测仪研制的可行性，然后给出系统的总体设计方案：最后结合实际情况介绍了激磁 磁场强度和激磁频率的选取方法。 第四章为检测仪的硬件设计。完成了检测仪硬件单元( 包括主控制部分、探头次级信号处理部分、 激励部分、电源部分) 的详细设计，对硬件电路的总体框架、功能设计、芯片参数及采用的一些关键技 术都一一进行了阐述。 第五章为检测仪的软件开发。首先介绍了仪器开发的软件平台，然后对各个模块的软件实现进行了 详细说明。重点分析比较了插值法、最小二乘法和分段最小二乘法三种数值处理方法，针对标样参数的 特点和性能，本文将这种分段最小二乘拟合曲线的算法引入到检测过程中，经过实验证明，这种算法的 确具有优越性。 第六章为总结与展望。总结了本论文所做的工作成果，并对今后需要进一步研究的问题进行了简述 和展望。 4 第二章电磁无损检测理论基础 第二章电磁无损检测理论基础 广义的电磁无损检测技术通常分为涡流检测和电磁检测，频率在1 5 0 0 h z 以上时称涡流法，电导率 起主要作用，用于非铁磁性材料：频率在1 5 0 0 h z 以下时称电磁法，磁导率起主要作用，用于铁磁性材 料。狭义的电磁无损检测方法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，从而成功地完成钢铁材料的性能测试、质量检商和监控，混料 分选，以及硬度、表面淬硬层或覆盖层深度的测定”_ 1 “。该方法采用低频电流通常不超过4 0 0 h z 比 较常用的是6 0 1 0 0 h z 。 2 1 电磁无损检测的基本原理 2 1 1 金属与合金的磁性 众所周知，物质是由原子组成的，而原子则是由原子核和电子所构成。近代物理证明，每个电子都 在做循轨和白旋运动，物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的”1 。物质的磁性是其在外磁场作用 下表现出的宏观磁矩的特性。自然界中的物质都具有磁性，只是不同的物质，其磁性的类别和强弱不同 而已。根据磁性的强弱。将物质分为抗磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质三类。 1 、抗磁性物质 抗磁性物质有：周期表中1 1 1 6 纵列金属元素( 锡除外) 、惰性气体和非金属( 石墨和氧除外) ，例 如氢、水、金、银、铜、铋等。这类物质被外磁场磁化后产生的附加磁场强度h l 与原外磁场强度h o 的 方向相反，其磁化率z 约为1 0 4 1 0 4 、相对磁导率， 1 ，且几乎等于1 ，略微增强了原外加磁 场。 顺磁性物质中，其原子的电子壳层中存在不成对的电子，故原子磁矩为不成对电子磁矩之和。该磁 矩在平时由于热运动而呈无序分布并反向平行排列以相互抵消，对外不显磁性。当该类物质置于磁场中。 磁场克服热运动的扰乱作用而将各原子磁矩同向排列于外加磁场的方向，对外显示出顺磁性。 3 、铁磁性物质 铁磁性物质有：铁、钴、镝等金属及其合金，铁与锌、锰、铜等组成的铁氧体和铁磁体与非金属的 化合物，例如镍、钆、铁镍合金、铁铝合金、f e s i 2 、f e 3 c 等。这类物质被外磁场磁化后产生的附加磁 场强度h l 与原外磁场强度h 0 的方向一致，其磁化率z 0 、相对磁导率“ 1 ，大大增强了原外加磁场 5 东南大学硕士学位论文 铁磁性物质与顺磁性物质一样，其原子的电子壳层中存在不成对的电子，故原子磁矩为不成对电子 磁矩之和。二者的差异在于：该类物质原子磁矩在没有外磁场作用时。已经以某种方式同向排列起来， 即已达到一定程度的磁化，称为自发磁化。这种白发磁化只基于极小的区域，这个区域被称为磁畴。各 个磁畴之间，自旋矩的方向是不同的，由于取向相反的磁畴有相反的磁场，从而相互抵消对外不显磁性。 但是每个磁畴内部却是处于饱和磁化的状态，闻而只需一不太大的外加磁场就可以把高度磁化的磁畴磁 矩从各个不同的方向转到磁场的方向，从而对外显示强磁性，磁化过程如幽2 1 所示。 h _ + ( a ) 未磁化时( b ) 未磁化到饱和时 h _ + ( c ) 磁化到饱和时 图2 - 1 铁磁性物质在磁场中磁矩改变示意图 2 1 2 钢铁材料的磁化特性 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。 钢铁铁磁材料在外加磁场中的磁化称技术磁化。技术磁化是通过磁畴的两种变动进行的，一种是磁 畴磁矩的转动，一种是畴壁的位移( 畴壁是指相邻磁畴的分界层) 。钢铁材料经技术磁化成为普通铁磁 材料( 不包括永久磁铁) 的磁响应可用磁畴理论加以解释。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。随着外磁场h 的施加，高度磁化的磁畴磁矩首先从各个不同的方向 改变为部分定向结构，然后再成为全定向结构。如图2 2 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) 。 图2 屯纯铁的技术磁化图 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 6 第二章电磁无损检测理论基础 来的位置，实用上该区域很重要。 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，畴壁会无阻碍地大幅度移动，直到所有不利 取向的畴壁完全消失为j 七，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，畴晕不能 恢复到原来的位置，这就是剩磁的来源。 在b d 段，备磁畴的磁化方向都进入了与磁场方向相近的易磁化方向，随着磁场强度的进一步增强， 畴壁的磁化方向离开易磁化方向而向外磁场方向转动。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，达到饱和磁化。b d 段是一可逆过程，称畴肇的可逆转动。 在铁磁材料磁化时，磁场强度h 与磁通密度b 之间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。两者之间的关系可用磁化曲线( 即b h 曲线) 表示如图2 3 所示。 图2 - 3 典型的铁磁材料的磁化( 磁滞) 回线 随着h 的增加，b 迅速上升到达曲线顶部a 点，此时h 的进一步增加并不能引起b 进一步增加。 把h 由最大降为零，曲线并不同到。点而经a bi t 于b 点，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 ，直至反 向h 增加到c 点时，b 才等于零，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 d 点，与a 点极性相反，此时反向h 的进一步增加并不能引起反向b 的进一步增加。把反向h 由最大 降为零，曲线并不同到o 点而经d e 止于e 点。再加一h ，随着h 的增加，b 又再次迅速上升到达曲线 顶部a 点，从而完成了磁化、退磁、反向磁化、反向退磁、正向磁化的一个循环。在这个循环过程中当 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。曲线所包罔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，消耗的能量多材 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，例如铁氧体等”1 。 由上可见，在铁磁材料的技术磁化过程中，由于存在磁滞现象，磁化规律非常复杂。铁磁材料中的 b 和h 的依赖关系不仅不是线性的，而且也不是单值的，即给定一个h 值，不能唯一确定铁磁材料中 的b 。但是磁导率曲线能克服这一问题，从b h 曲线上任何一点连到原点o 的直线的斜率，代表该磁 化状态下该点的磁导率= b h = ( 1 + z ，) 风。显然，b - - h 曲线上各点对应的值都不同，如图2 - 4 所示。当h = 0 时，磁导率有初始值“，称为起始磁导率( 或初始磁导率) ，它是b - - h 曲线在原点 o 处的切线斜率。随着h 的增大，值迅速增大；当磁场强度h 增至日，时，磁导率达到极大值，0 7 东南大学硕士学位论文 称为最大磁导率此时铁磁材料被强烈磁化，日。在b i - i 曲线上对应的磁感应强度为b 0 在继续 增加h 值时，b 值逐渐进入饱和磁化区，且b 值缓慢增加，而磁导率则从，值开始逐渐下降。 图2 4 “一h 曲线与b h 曲线关系 b h 曲线上的i n 点称为磁化曲线的拐点，在拐点处b h 曲线的斜率最大，所对应的一h 曲线 上将出现最大值，。 2 1 3 钢铁材料的磁性能及影响因素 钢铁材料的磁性能通常用两类磁性参数来表征。一类为组织敏感参数，如此、，0 、h c 和目等， 这是电磁检测中常用的几种重要磁性参数：另一类为组织不敏感参数，如，。和居里点p 等。 钢铁铁磁材料的磁性与其相状态和组织状态有关。对纯铁来讲，口一f e 是铁磁性的，而，- - f e 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， 耐热钢中的占铁素体也是铁磁性的。铁素体是碳在口一f e 中的同溶体，是铁磁性的：珠光体是铁素体 与渗碳体的机械混合物，亦是铁磁性的；马氏体是碳在口一f e 中的过饱和同溶体，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，和以依次下降，而矫顽力和剩磁依次增大。因 此以铁磁性金属为基的尉溶体中，不论溶入的是抗磁性的金属还是顺磁性的物质都会使以和以下降。 钢铁中常见的奥氏体是碳在y f c 中的固溶体由于，一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。 钢铁材料的磁性除与铁磁相或组织的种类和数量有关外，还与钢铁材料的组织形态有关。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、 普通片状珠光体( 又称索氏体) 和极细片状珠光体( 又称屈氏体) 的相对磁导率依次降低，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： 以= 以l k + 以2 k + a ( 2 1 ) 式中 y ，巧，巧分别为合金和合金组成相的体积( 立方米) l 以，以1 ，以2 分别为合金及组成相的饱和磁化强度( 安米) 。 8 第二章电磁无损检钥4 理论基础 这一规律在实用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研究和相分析的重要参 数。 影响钢铁磁性能参数如h c 、b r 、心、，以及以的因素错综复杂，其基本影响因素有：塑性形变、 晶粒大小、再结晶、应力、合金元素和杂质、钢铁件形状以及温度等“。 2 1 4 钢铁材料无损检测技术的磁性原理 钢铁件的成分和组织结构对其磁性能和机械性能均有显著影响。三者之闯的关系可用示意图2 - 5 来说明。 图2 - 5 钢铁件成分结构与其磁性能、机械性能关系 由上图可见钢铁件成分和组织结构不同，必然导致钢铁件的物理性能不同；同时钢铁件成分和组织 结构不同，也必然导致钢铁件的机械性能不同。即钢铁件成分和组织结构与其物理性能和机械性能均具 有直接相关性，从而得出钢铁件的机械性能与其物理性能之间存在间接相关性。冈此，对某种钢铁件来 说，能否用电磁法检测其质量如硬度等，取决于硬度与其磁性能指标如初始磁导率等磁性能指标之间是 否存在单值相关性。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，否则不能用电磁法来进行测量。 由于h c 、b ，、舷皆为化学成分和组织结构敏感参数，因此，只要事先获知或通过试验找出钢铁成 分、组织结构和其机械性能如硬度等与其磁性能h c 、b ，或从在相应范围内所具有的相关关系，则通过 对 i c 、b f 或他等磁性能参数进行测量，便可根据事先测得的关系曲线求出其成分或机械性能如硬度等 指标。根据被钡参数是h c 、b r 还是觞而分为矫顽力法、剩磁法和初始磁导率法“。由于h c 、b r 和以 的大小均与外加磁场、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，所以三者的 影响因素机会是均等的。在实践中究竟采用哪一种电磁检测技术，应该从这三种电磁方法所用测量仪器 的线路原理、结构、性能及使用效果等方面来综合考虑。 2 2 电磁检测方法的比较 一、矫顽力法 矫顽力法一般采用直流电源，又称直流矫顽力法，在被测工件表面放置n 型电磁铁，电磁铁中间放 9 东南大学硕士学位论文 置霍耳元件，用以测量磁路中的磁通量。测量时，先用饱和激磁电流i 。将工件在局部范围内磁化，从 而电磁铁与被测丁件形成闭合磁路，然后切断激磁电流，通入与激磁电流方向相反的退磁电流i c 逐渐 增大i c ，使得闭合磁路的磁通一直减小到零。退磁电流i c 和电磁铁线圈匝数n 之积称为磁势f c ，f 。的 值应等于闭合磁路中各部分的矫顽力与其磁路长之积。实际测量时为了避免霍茸元件特性变化和= 件 可能存在的剩磁所引起的测量误差，有时需进行反方向f c 值的测量，取两次f 。值的平均值。由于f 。 与钢铁件含碳量、硬度及淬硬层深度等在一定范围内有相关关系，因此矫顽力法在生产实际中获得一定 程度的应用。 但是，这种方法存在以下缺点：一是单件测量时间长，即分选速度低；二是经常使用1 5 a 左右 直流电流激磁和退磁，故探头易发热，导致测量误差人：三是需接触性测量并要求工件表面有较高的光 洁度。所以，矫顽力法虽然七十年代在国内外曾盛行一时，但仍未能在生产现场的大批量钢铁件检测中 获得广泛应用“”。 二、剩磁法 剩磁法的测量方法是首先用直流磁场将t 件磁化，使1 二件在去除直流磁场后带有剩磁，然后用各种 方法如磁通计或让工件通过测最线圈用模拟表等来直接显示剩磁的大小“。由于剩磁影响钢铁件随后的 加工或使用性能，故测量后尚需退磁。剩磁法易于实现自动化，其自动分选线上传送皮带的速度约为1 米秒左右，小件检测速度可达5 0 0 0 件小时，多用于铁索体可锻铸件退火硬度的检测。 这种方法的缺点有：一是工件工作在磁化曲线上的不可逆畴壁位移区，即巴克豪森跃迁磁化区，所 以直流磁化电流的轻微波动，都会引起感应电流的大幅度变化，从而导致较大的误差；二是采用3 a 左 右的直流磁化电流会引起磁化线圈的发热，也会导致测量误差；三是检测前需对工件预先退磁，防l r j 二 件因带有剩磁而影响测量精度，检测后需对工件再次退磁，以免影响钢铁件随后的加工或使用性能。检 测工序很多。 三、磁导率法 电磁检测钢铁质量的磁导率法按供电电源类型可分为直流法和交流法。直流磁导率法速度慢，不易 实现自动化，而交流磁导率法是目前国内外应用最j “泛的一种方法。交流磁导率法又分为中强磁场下的 磁导率法和弱磁场下的初始磁导率法，二者区别是前者在应用中工件的磁化区域多处于巴克豪森跃迁 区，故对供电电源要求很高，而初始磁导率法避免了上述缺陷“。所谓初始磁导率法，即工件在磁畴畴 壁的可逆位移区域被磁化的磁导率法，在这个区域，磁化的场强在1 0 0 8 0 0 0 安米范围内。由此可见， 用磁导率法进行电磁无损检测在这一领域明显占据优势”。 本论文采片；i 初始磁导率法，即通过电磁无损检测仪测出测量线圈的感麻电势或感应电流，从而求得 其磁导率；再根据钢铁件的成分和机械性能与磁导率之间的相关性，间接测量出诸如硬度、抗拉强度、 含碳量、应力等参数以及进行钢铁件的混料分选等。 2 3 电磁检测装置的基本组成 电磁检测装置通常m - - - 部分组成：交变电流的检测线圈( 探头) 、进行信号处理的检测仪器和被检 的金属工件。 一、探头部分 检测探头是电磁检测装置的关键组成部分，其类型和连接方式在很大程度上决定了检测仪的精度和 1 0 第二章电磁无损检测理论基础 灵敏度等。检测探头能提取反映被测钢铁成分、组织结构等性能不同所引起的差异量，并相应地转换成 电量，供电子仪器放大、处理、显示，从而反映出钢铁件的硬度、含碳最等指标。 检测探头包括励磁线圈和测量线圈。励磁线圈用以通过交变电流并在线圈的周同激励交变磁场，测 量线圈通过检测线圈阻抗的变化或感应电压的变化米检出涡流磁场受试件性能的影响。为满足不同t 件 形状和大小的检测需要，也要求设计出不同形式的检测探头。按检测时线圈和试样的相互位置关系，分 为穿过式探头( 螺线管式探头) 、内通过式探头和放置式探头( 点式探头) 三大类，如图2 - 6 所示”。 穿过式探头能检