CN102928502B - 便携式磁性金属疲劳检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式磁性金属疲劳检测仪，包括探头、与探头相连的数据处理装置和与数据处理装置相连并用于显示波形的显示器，所述探头包括用于检测磁场变化率的霍尔传感器和与稳压直流电源相连并用于产生磁场的电磁铁线圈，所述霍尔传感器安装在电磁铁线圈的一端并位于探头的顶部。本发明的便携式磁性金属疲劳检测仪，通过在探头上设置电磁铁线圈用于产生磁场，霍尔传感器用于检测磁场变化并产生电压信号，该电压信号经过数据处理装置处理后，由显示器显示波形，通过对比磁导率变化规律，可以方便直观的判定疲劳损伤发生位置。

Description

便携式磁性金属疲劳检测仪

技术领域

本发明涉及一种金属材料疲劳损伤检测仪，具体的为一种用于检测磁性金属材料疲劳损伤的便携式磁性金属疲劳检测仪。

背景技术

自上世纪八九十年代以来，钢结构已广泛应用于国内桥梁施工、高层建筑、铁路修筑等行业。随着钢材在建筑材料中所占比例的逐年增加，由金属疲劳破坏导致的安全事故的发生率也在逐年增长。在世界范围内，由金属疲劳破坏引起的安全事故给人们造成了十分惨痛的伤害，如：在1998年6月3日德国艾须德高铁车祸事故中，高速列车出轨并撞上陆桥，导致101人死亡，而造成该事故的原因则是列车车轮在高速行驶中产生了疲劳损伤，列车的轮轨滚动接触疲劳（Roiling Contact Fatigue，RCF）载荷使铁轨表面产生的裂纹，但究其根本原因却是那时的德国缺乏探测车轮真实损耗的设备。

反观国内，随着技术发展和创新，促使高速铁路的大量铺设，而高速铁路是一柄双刃剑，既给人们带来方便，也带来了隐患，一个小小的裂缝就会给列车的安全运营造成潜在的危险。据有关数据显示，普通铁轨，如京九铁路交通枢纽郑州站平均每天每根铁轨要接受近千次的冲击。一方面是高速、超高速列车的迅速发展与普及，另一方面是相关安全检测设备的落后和缺乏，这样的矛盾使得研发用于检测金属疲劳程度的仪器已经迫在眉睫，只有对铁轨频繁的检测与维护才能确保列车行驶的畅通无阻，将事故扼杀在摇篮中。

现有的金属探伤方法有X光射线探伤、γ射线探伤、超声波探伤等方法。考虑到实际情况，X光射线探伤和γ射线探伤均为放射元素射线探伤，不仅需要用放射源发出射线，而且放射元素射线探伤对人的伤害极大，操作不慎会导致操作人员受到辐射伤害，给操作人员的健康造成威胁；超声波探伤的结果不直观，无法准确确定焊接及其他缺陷的性质、数量、尺寸、形状、位置等，不能为焊接及其他缺陷的确诊、修复提供明确的依据。另外，现有的各种射线、超声波探伤检测仪器还具有笨重、价格昂贵的缺点，无法方便实时的实现对整个铁路沿线的检测。

鉴于此，本发明旨在探索一种便携式磁性金属疲劳检测仪，该便携式磁性金属疲劳检测仪不仅能够有效检测出磁性金属材料中的疲劳损伤位置，而且重量小，携带方便，能够对铁路沿线进行实时方便的检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种便携式磁性金属疲劳检测仪，该便携式磁性金属疲劳检测仪不仅能够有效检测出磁性金属材料中的疲劳损伤位置，而且重量小，携带方便，能够对铁路沿线进行实时方便的检测。

要实现上述技术目的，本发明的便携式磁性金属疲劳检测仪，包括探头、与探头相连的数据处理装置和与数据处理装置相连并用于显示波形的显示器，所述探头包括用于检测磁场变化率的霍尔传感器和与稳压直流电源相连并用于产生磁场的电磁铁线圈，所述霍尔传感器安装在电磁铁线圈的一端并位于探头的顶部。

进一步，所述探头上还设有位置传感装置，所述位置传感装置包括设置在所述探头顶端的滚轮，所述滚轮上环形均布设有感应孔，所述滚轮的两侧与感应孔对应设有光电传感器。

进一步，所述数据处理装置包括单片机、与所述霍尔传感器相连并用于使霍尔传感器输出的微弱电信号与位置传感装置的输出电信号匹配的放大器，以及分别与单片机相连的用于接收来自所述放大器的电信号的A/D转换器和用于采集所述位置传感装置的位置信号的数据采集器。

进一步，所述电磁铁线圈的匝数

$n=\frac{2U_r}{K{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}I}$

其中：n为电磁铁线圈的匝数；

U_r为霍尔传感器输出电压工作段的中间值，所述霍尔传感器输出电压选用段位于霍尔传感器电压输出特性曲线的线性区；

K为霍尔系数；

μ₀为空气的磁导率；

μ_r为磁性金属的磁导率；

I为通入所述电磁铁线圈的电流。

本发明的工作原理为：

金属的微观结构为由一个个晶粒构成的多晶结构组成，对于磁性金属材料来说，这一个个晶粒构成磁畴，这些磁畴在外磁场的作用下，体现出典型的磁滞特性，在磁饱和前具有很高的磁导率，磁导率与磁性金属的磁畴结构紧密相关，磁畴结构的变化会明显的影响材料的磁导率，从而影响作用在该铁磁性金属的外磁场。

用磁性材料做成的构件，比如我们很多建筑使用的钢结构材料，在长期使用中会不断的发生形变，出现疲劳损伤，金属疲劳过程中其内部晶粒结构和晶粒间隔均发生变化，从而磁畴结构被改变，进而导致材料的磁导率变化，而这些变化在出现肉眼可见的明显疲劳裂痕前就存在了，因此作为磁性金属材料，我们可以通过检测被测磁性金属磁导率变化，来预见隐藏导致金属材料断裂的安全隐患。

本发明的有益效果为：

本发明的便携式磁性金属疲劳检测仪，通过在探头上设置电磁铁线圈用于产生磁场，霍尔传感器用于检测磁场变化并产生电压信号，该电压信号经过数据处理装置处理后，由显示器显示波形；

该便携式磁性金属疲劳检测仪的工作原理如下：

霍尔传感器的转换关系式为：

U_H＝KB

式中，U_H为霍尔电压，B为磁场强度，K为霍尔系数；

在使用过程中，为了保证霍尔传感器对磁场变化检测的精度，需要保证电磁铁线圈的磁场变化范围在霍尔传感器的电压输出曲线的线性区内，采用该原则选用磁铁线圈的磁场强度的工作段，其中B_r为磁铁线圈磁场强度工作段的中间值，即B_r为磁铁线圈工作段内磁场强度变化的最大值与最小值的平均值，由于霍尔传感器的电压输出特性曲线在该磁场强度变化范围内为线形变化，即霍尔传感器中的磁通量B_r对应的霍尔传感器输出电压U_r也为霍尔传感器在磁铁线圈磁场强度工作段的输出电压范围的中间值，即U_r为霍尔传感器输出电压工作段的最大值与最小值的平均值；

在磁铁线圈内通入稳定直流I，得到霍尔传感器处的磁场强度B为：

$B=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{nI}$

其中，n为电磁铁线圈的匝数，μ₀为空气磁导率，μ_r为被检测磁性金属的磁导率；

同理可知：

$U_H=\frac{1}{2}K{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{nI}$

由于稳定直流I和电磁线圈匝数n为定值，可知：

$\mathrm{\Δ}{U}_H=\left(\frac{1}{2}K{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{nI}\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_r=K^{\′}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_r$

由于磁性金属由于疲劳损伤，其磁导率μ_r会发生变化，则霍尔传感器输出电压U_H也会发生相应的变化，即通过检测霍尔传感器输出电压U_H的变化规律，可以实现对磁性金属疲劳损伤的检测；

由于本发明的便携式磁性金属疲劳检测仪仅仅采用霍尔传感器和电磁铁线圈即可对疲劳损伤进行检测，不需要其他大型设备，因此其重量小，移动灵活，操作人员可以方便地携带，并实时检测被检测磁性金属的疲劳损伤。

附图说明

图1为本发明便携式磁性金属疲劳检测仪实施例的结构示意图；

图2为探头结构示意图；

图3为霍尔传感器输出电压特性曲线；

图4为采用本发明便携式磁性金属疲劳检测仪对扁钢条疲劳弯曲50次后测得的磁导率变化曲线；

图5为采用本发明便携式磁性金属疲劳检测仪对扁钢条疲劳弯曲100次后测得的磁导率变化曲线；

图6为采用本发明便携式磁性金属疲劳检测仪对扁钢条疲劳弯曲150次后测得的磁导率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，为本发明便携式磁性金属疲劳检测仪实施例的结构示意图。本实施例的便携式磁性金属疲劳检测仪包括探头1、与探头1相连的数据处理装置和与数据处理装置相连并用于显示波形的显示器2，探头1包括用于检测磁场变化率的霍尔传感器3和与稳压直流电源5相连并用于产生磁场的电磁铁线圈4，霍尔传感器3安装在电磁铁线圈4的一端并位于探头1的顶部。

本实施例的便携式磁性金属疲劳检测仪，通过在探头1上设置电磁铁线圈4用于产生磁场，霍尔传感器3用于检测磁场变化并产生电压信号，该电压信号经过数据处理装置处理后，由显示器显示波形，通过波形的变化，可直观方便判断磁性金属的疲劳损伤情况，本实施例的便携式磁性金属疲劳检测仪的工作原理如下：

霍尔传感器3的转换关系式为：

U_H＝KB

式中，U_H为霍尔电压，B为磁场强度，K为霍尔系数；

如图3所示，在使用过程中，为了保证霍尔传感器3对磁场变化检测的精度，需要保证电磁铁线圈4的磁场变化范围在霍尔传感器3的电压输出曲线的线性区内，采用该原则选用磁铁线圈4的磁场强度的工作段，其中B_r为磁铁线圈4磁场强度工作段的中间值，即B_r为磁铁线圈4工作段内磁场强度变化的最大值与最小值的平均值，由于霍尔传感器的电压输出特性曲线在该磁场强度变化范围内为线形变化，即霍尔传感器中的磁通量B_r对应的霍尔传感器输出电压U_r也为霍尔传感器在磁铁线圈4磁场强度工作段的输出电压范围的中间值，即U_r为霍尔传感器输出电压工作段的最大值与最小值的平均值。由图3可知，该霍尔传感器的霍尔系数K=11.43mV/mT，磁铁线圈4的磁场强度的工作段的范围为2.0～9.0mT，对应的B_r＝5.5mT，由U_H＝KB可知，霍尔传感器输出电压工作范围为25～105mV，对应的中间值U_r=65mV。

在磁铁线圈内通入稳定直流I，得到霍尔传感器3处的磁场强度B为：

$B=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{nI}$

其中，n为电磁铁线圈4的匝数，μ₀为空气磁导率，μ_r为被检测磁性金属的磁导率；

同理可知：

$U_H=\frac{1}{2}K{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{nI}$

由于稳定直流I和电磁线圈匝数n为定值，可知：

$\mathrm{\Δ}{U}_H=\left(\frac{1}{2}K{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{nI}\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_r=K^{\′}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_r$

由于磁性金属由于疲劳损伤，其磁导率μ_r会发生变化，则霍尔传感器3输出电压U_H也会发生相应的变化，即通过检测霍尔传感器3输出电压U_H的变化规律，可以实现对磁性金属疲劳损伤的检测。

由于本实施例的便携式磁性金属疲劳检测仪仅仅采用霍尔传感器3和电磁铁线圈4即可对疲劳损伤进行检测，不需要其他大型设备，因此其重量小，移动灵活，操作人员可以方便地携带，并实时检测被检测磁性金属的疲劳损伤，同时，该便携式磁性金属疲劳检测仪也不会对操作人员的健康带来影响。

进一步，如图2所示，探头1上还设有位置传感装置，位置传感装置包括设置在探头1顶端的滚轮6，滚轮6上环形均布设有感应孔7，滚轮6的两侧与感应孔7对应设有光电传感器8，光电传感器8通过感应孔7，能够检测探头1的移动距离，并将探头1的位置信号传递至数据处理装置，便于与霍尔传感器3传递至数据处理装置的信号匹配，并组成U_H-X或μ_r-X曲线，并从显示器上显示输出，便于通过波形曲线直接判断产生疲劳损伤的位置。

进一步，数据处理装置包括单片机、与霍尔传感器3相连并用于使霍尔传感器3输出的微弱电信号与位置传感装置的输出电信号匹配的放大器9，以及分别与单片机相连的用于接收来自放大器9的电信号的A/D转换器和用于采集所述位置传感装置的位置信号的数据采集器。通过设置数据处理装置，便于显示器精确显示霍尔传感器3输出电压或被测磁性金属的磁导率变化规律。

进一步，由可知，电磁铁线圈4的匝数

$n=\frac{2U_r}{K{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}I}$

其中：n为电磁铁线圈4的匝数；

U_r为霍尔传感器3输出电压工作段的中间值，霍尔传感器3输出电压工作位于霍尔传感器3电压输出特性曲线的线性区，如图3所示，为霍尔传感器电压输出特性曲线，可知磁铁线圈4磁场强度工作段的中间值B_r与霍尔传感器3输出电压工作段的中间值U_r的对应关系；

K为霍尔系数；

μ₀为空气的磁导率；

μ_r为磁性金属未受疲劳损伤时的磁导率；

I为通入所述电磁铁线圈的电流；

即通过确定通入电磁铁线圈的电流I和确定霍尔传感器3在输出电压的中间值。

下面结合具体实验对本发明的便携式磁性金属疲劳检测仪的检测效果进行说明。

如图3所示的霍尔传感器3的霍尔系数K=11.43mV/mT，本实施例选用常见的扁钢条作为被测磁性金属材料，通过测试与计算，绕制探头励磁线圈匝数为150匝，在1.8mm长度上密绕3层，参考励磁电流定为200mA。

有 $\mathrm{\Δ}{U}_H=\left(\frac{1}{2}K{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{nI}\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_r=K^{\′}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_r,$ 可得到 $K^{\′}=\frac{1}{2}K{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{nI}=11.969(\mathrm{mV}/\mathrm{mT}).$

待测扁钢条长40cm，宽3cm，厚度3mm，在距扁钢条一端12～18cm区间分别人为弯曲50/100/150次作为疲劳损伤区，其余部分保持无损状态，测量结果得到的μ_r-X曲线分别如图4-6所示，通过μ_r-X曲线可知，本实施例的便携式磁性金属疲劳检测仪在疲劳弯曲部位处均能灵敏的检测到磁导率变化，与无损部位区别明显，疲劳弯曲部位处的磁导率变化波动剧烈，即磁导率变化明显。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种便携式磁性金属疲劳检测仪，其特征在于：包括探头、与探头相连的数据处理装置和与数据处理装置相连并用于显示波形的显示器，所述探头包括用于检测磁场变化率的霍尔传感器和与稳压直流电源相连并用于产生磁场的电磁铁线圈，所述霍尔传感器安装在电磁铁线圈的一端并位于探头的顶部，所述探头上还设有位置传感装置，所述位置传感装置包括设置在所述探头顶端的滚轮，所述滚轮上环形均布设有感应孔，所述滚轮的两侧与感应孔对应设有光电传感器。

2.根据权利要求1所述的便携式磁性金属疲劳检测仪，其特征在于：所述数据处理装置包括单片机、与所述霍尔传感器相连并用于使霍尔传感器输出的微弱电信号与位置传感装置的输出电信号匹配的放大器，以及分别与单片机相连的用于接收来自所述放大器的电信号的A/D转换器和用于采集所述位置传感装置的位置信号的数据采集器。

3.根据权利要求1-2任一项所述的便携式磁性金属疲劳检测仪，其特征在于：所述电磁铁线圈的匝数

$n=\frac{2U_r}{K{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}I}$

其中：n为电磁铁线圈的匝数；

U_r为霍尔传感器输出电压工作段的中间值，所述霍尔传感器输出电压工作段位于霍尔传感器电压输出特性曲线的线性区；

K为霍尔系数；

μ₀为空气的磁导率；

μ_r为磁性金属的磁导率；

I为通入所述电磁铁线圈的电流。