CN103713041B - 铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置及测量方法，包括铁基体缺陷、测量辅助片和磁场发射装置；铁基体缺陷上端面有凹槽，测量输助片中部开有通孔，磁场发射装置由弹力测试件、螺旋线圈、铁芯和触发头构成，螺旋线圈套在铁芯上，弹力测试件一端与铁芯一端相连或相触，铁芯另一端为触发头。优点：提出新型测量方法（比差法）对其缺陷深度进行精确测量，其检测精度可达到±30um。

Description

铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种借用磁吸法测涂覆测厚度原理，用比差法的数学方法消除不确定度、粗糙度、外在因素和不确定度的干扰，引入磁阻抗与铁基体相差较大的介质，用测量调整片使其达到测量微小缺陷深度功能的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置及测量方法，属钢轨表面开口性微缺陷的深度测量装置制造领域。

背景技术

现有对铁磁性材料的深度测量有机械法、超声法等。机械法：利用深度游标卡尺的原理来测量，但是对于微小缺陷的测量，要求测量端面积小于0.5mm2，测量基准误差大，只适用于缺陷开口大于0.8 mm2，深度较大，基准面光滑平整的缺陷。超声波法：利用超声波反射原理测量，但是该方法只适用于长远距离测量，而且误差在5mm以上，不能满足微小缺陷的测量。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种借用磁吸法测涂覆测厚度原理，用比差法的数学方法消除不确定度、粗糙度、外在因素和不确定度的干扰，引入磁阻抗与铁基体相差较大的介质，用测量调整片使其达到测量微小缺陷深度功能的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置及测量方法。

设计方案：本发明利用磁吸法的原理，配合现代电子测量技术，利用加入磁介质和磁粉的方法，并利用的比差法的数学手段，解决的该测量问题。在道岔制造过程中常常会出现钢轨表面材质缺陷，依据《客运专线60Kg/m钢轨暂行技术条件》4.10.3在热状态下形成的钢轨纵向导位板刮伤、磨痕、热刮伤、纵向线纹、折迭、氧化皮压入、轧痕等的最大允许深度：钢轨踏面≤0.35mm、钢轨其它部位≤0.5mm为界限判定该缺陷是否影响钢轨继续使用。该缺陷产生的原因一般是由于钢厂热轧制或道岔制造过程中压型所造成的，表面通常会有很薄的氧化膜且不易剥离，肉眼可见但对其深度的准确测量至今未找到有效而适用的方法，本发明正是为了解决该问题二设计的。

利用磁铁与铁磁材料之间发生作用时，磁通量不同，产生的力不同来实现测量的，所以这注定了它只能测量铁基体材料且测量范围狭小。该方法对磁源与铁基体材料之间的介质的磁阻抗有严格的要求。根据其原理与现代电子技术相结合，可用于精确测量微缺陷的深度。本发明用该原理，用比差法的数学方法消除不确定度、粗糙度、外在因素和不确定度的干扰，引入磁阻抗与铁基体相差较大的耦合剂，在耦合剂中加入磁介质补偿调节磁场，用厚度适合的测量调整片使其达到测量微小缺陷深度的目的。

本发明与背景技术相比，现有的国标、铁标要求铁质材料表面缺陷不得超过一定数值，但现有的测量方法无法对开口性缺陷精确测量，现针对这一问题，提出可行的测量方法，现对于这一方法进行理论论证、提出新型测量方法（比差法）对其缺陷深度进行精确测量，其检测精度可达到±30um。

附图说明

图1-1是铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置结构示意图。

图1-2是铁基体缺陷的示意图。

图1-3是测量辅助片的示意图。

图2是铁基体的局部结构示意图中用于测量L1。

图3是铁基体的局部结构示意图中用于测量L2。

图4是磁场发射装置的结构示意图。

图5是图1应用结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1-1至5。一种铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置，包括铁基体缺陷1、测量辅助片2和磁场发射装置3；铁基体缺陷1上端面有凹槽，测量输助片2中部开有通孔，磁场发射装置3由弹力测试件31、螺旋线圈32、铁芯33和触发头34构成，螺旋线圈32套在铁芯33上，弹力测试件31一端与铁芯33一端相连或相触，铁芯33另一端为触发头34。所述弹力测试件31为弹簧或弹性测量传感器。测量辅助片2位于铁基体缺陷1上端面的凹槽上且测量辅助片2中通孔与铁基体缺陷1上端面的凹槽相对，液态磁介质和磁粉位于铁基体缺陷1上端面的凹槽和测量辅助片2中通孔内。所述液态磁耦合剂介质为液压油。每升耦合剂介质中加入2g磁粉。

实施例2：在实施例1的基础上，一种铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量方法，如图1所示， 1铁基体缺陷、2测量辅助片、3磁场发射装置。

设： 磁吸法测量值分别为C1、C2；不确定度影响为Δ1；外在因素干扰为Δ2；粗糙度影响Δ3；缺陷深度X。其他距离如各图所示。

第一步：如图2所示，在该铁基体非缺陷面上测量其L1值。

H＞T （略大于） 影响测量范围

L1=C1-Δ1-Δ2-Δ3 （1）

第二步：如图3所示，测量L2值。

采用同第一步骤相同的铁基体缺陷、磁场发射装置、测量辅助垫片。H＞T （略大于）

L2=C2-Δ1-Δ2-Δ3 （2）

由图可见：X=L2-L1 （3）

把（1）、（2）两式代入（3）式得：

X=C2-C1 （4）

由于同环境、同人操作、同样设备，所以Δ1、Δ2、Δ3第一次测量与第二次测量为同数值。

论证测量数（C1、C2）的正确性：根据磁吸法测厚原理

设：R为螺旋线圈半径、I为线圈中的电流、u_o为真空中的介电常数、X为线圈中轴线上距离线圈的距离、B为磁感应强度、B`为放入铁磁性材料后的附加磁感应强度、B_o为没有磁介质时的磁感应强度、µ_r为不同介质的磁导率、N为线圈匝数。

B= B_o+ B` (5)

B_o=µ。IR²∕2（R²+X²） （6）

铁磁性材料µ_r在18000左右，µ。为4π×10。铁磁性材料B`远大于B<sub>o</sub>，一般B`/ B_o在几百至几千范围内，所以（6）式中通电线圈所产生的磁感应强度B_o可忽略不计。

B≈B` （7）

在不考虑线圈漏磁场和铁心漏磁场的情况下，触发头作为磁极一端，则有下列推导：

绝对磁导率 µ=µ。×µ_r （8）

铁磁心触发头与铁基体之间的吸引力F= B²S/2µ。 （9）

µ=H/B （10）

H为铁磁材料的磁感应磁场强度、Rm为触发头与铁基体之间介质的磁阻、L为触发头与铁基体之间的距离（磁路的有效长度）。（图3、图4中L1与L2值）、S为触发头的横截面积；

Rm=L/µS （11）

将（10）式代入（11）式得：

B=HL/RmS （12）

将式（12）代入（9）式得：

F=H²S³Rm²/2L²µ。 （13）

由式（12）可以看出铁磁心触发头与铁基体之间的力F和触发头与铁基体之间介质的距离L的平方成反比，而且与介质的绝对磁导率µ有关系。有公式（13）可以看出，磁吸法测量缺陷深度是可行的。

本发明目前主要用于钢轨表面开口性缺陷的测量（刮伤、磨痕、热刮伤、纵向线纹、折迭、氧化皮压入、轧痕），有效的、客观的保证了产品质量，完善了测量体系对于该类缺陷的测量空白。

为了提高精确度，加入磁粉的耦合剂介质来补偿深度在一定范围的漏磁场。在图一、图二中测量空间内（触发头与铁基体表面）加入耦合剂，这可以改善以下几个不良测量因素：

1、测量精度要求至少在50um以内，而机加工的表面粗糙度为12.5um-25um，加入耦合剂后，保证了测量辅助片与铁基体之间的密贴、测量辅助片与测量设备之间的密贴，降低了粗糙度的影响。

2、步骤一与步骤二中的漏磁场大小是不同的，这都会影响到测量数据，可以通过在耦合剂介质中加入磁粉来补偿漏磁场。磁粉在耦合剂介质中是悬浮状态，在外在磁场的作用下会产生感应磁场，通过在耦合剂介质中加入适量的磁粉达到补偿漏磁场的作用。

3、漏磁场会根据测量深度距离的不同而变化，距离磁极（触发头）越近漏磁场越小，距离磁极（触发头）越远漏磁场越大，这就要求在测量不同深度时应有不同比例的磁粉与耦合剂介质的混合体。通过长期的实验比对，通过测量深度0.5mm的缺陷，对其漏磁场的补偿，每升耦合剂介质中加入2g磁粉可保证测量数据的准确性，在测量约0.5mm以下的深度缺陷时可以不加入磁粉，在测量0.5mm-1.5mm的深度时用每升耦合剂介质中加入2g磁粉，则漏磁场的影响已经很小可以不计。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置，其特征是包括铁基体缺陷(1)、测量辅助片(2)和磁场发射装置(3)；铁基体缺陷(1)上端面有凹槽，测量辅助片(2)中部开有通孔，测量辅助片(2)位于铁基体缺陷(1)上端面的凹槽上且测量辅助片(2)中通孔与铁基体缺陷(1)上端面的凹槽相对，液态磁耦合剂介质和磁粉位于铁基体缺陷(1)上端面的凹槽和测量辅助片(2)中通孔内，磁场发射装置(3)由弹力测试件(31)、螺旋线圈(32)、铁芯(33)和触发头(34)构成，螺旋线圈(32)套在铁芯(33)上，弹力测试件(31)一端与铁芯(33)一端相连或相触，铁芯(33)另一端为触发头(34)。

2.根据权利要求1所述的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置，其特征是：所述弹力测试件(31)为弹簧。

3.根据权利要求1所述的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置，其特征是：所述液态磁耦合剂介质为液压油。

4.根据权利要求3所述的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置，其特征是：每升耦合剂介质中加入2g磁粉。

5.一种铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量方法，其采用权利要求1所述的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量装置，其特征是：

设： 磁吸法测量值分别为C1、C2；不确定度影响为Δ1；外在因素干扰为Δ2；粗糙度影响Δ3；缺陷深度X；

第一步：在该铁基体非缺陷面上测量其L1值；

H＞T 影响测量范围；H为测量辅助片厚度，T为触发头进入测量辅助片的深度

L1=C1-Δ1-Δ2-Δ3 （1）

第二步：测量L2值；

采用同第一步骤相同的铁基体缺陷、磁场发射装置、测量辅助垫片，H＞T

L2=C2-Δ1-Δ2-Δ3 （2）

X=L2-L1 （3）

把（1）、（2）两式代入（3）式得：

X=C2-C1 （4）

由于同环境、同人操作、同样设备，所以Δ1、Δ2、Δ3第一次测量与第二次测量为同数值；

论证测量数C1、C2的正确性：根据磁吸法测厚原理，设：R为螺旋线圈半径、I为线圈中的电流、µ₀为真空中的介电常数、X为线圈中轴线上距离线圈的距离、B为磁感应强度、B`为放入铁磁性材料后的附加磁感应强度、B₀为没有磁介质时的磁感应强度、µ_r为不同介质的磁导率、N为线圈匝数；

B= B₀+ B` (5)

B₀=µ₀IR²∕2（R²+X²）^3/2 （6）

铁磁性材料µ_r在18000，µ₀为4π×10^-7，铁磁性材料B`远大于B<sub>0</sub>，一般B`/ B₀在几百至几千范围内，所以（6）式中通电线圈所产生的磁感应强度B₀可忽略不计

B≈B` （7）

在不考虑线圈漏磁场和铁心漏磁场的情况下，触发头作为磁极一端，则有下列推导：

绝对磁导率 µ=µ₀×µ_r （8）

铁磁心触发头与铁基体之间的吸引力F= B²S/2µ₀ （9）

µ=H/B （10）

H为铁磁材料的磁感应磁场强度、Rm为触发头与铁基体之间介质的磁阻、L为触发头与铁基体之间的距离，即磁路的有效长度，L1与L2值、S为触发头的横截面积；

Rm=L/µS （11）

将（10）式代入（11）式得：

B=HL/RmS （12）

将式（12）代入（9）式得：

F=H²S³Rm²/2L²µ； （13）

由式（12）可以看出铁磁心触发头与铁基体之间的力F和触发头与铁基体之间介质的距离L的平方成反比，而且与介质的绝对磁导率µ有关系；由公式（13）可以看出，磁吸法测量缺陷深度是可行的。

6.根据权利要求5所述的铁磁性材料表面开口性微缺陷的深度测量方法，其特征是：

（1）测量精度要求在50um以内，而机加工的表面粗糙度为12.5um-25um，加入耦合剂后，保证了测量辅助片与铁基体之间的密贴、测量辅助片与测量设备之间的密贴，降低了粗糙度的影响；

（2）步骤一与步骤二中的漏磁场大小是不同的，这都会影响到测量数据，通过在耦合剂介质中加入磁粉来补偿漏磁场，磁粉在耦合剂介质中是悬浮状态，在外在磁场的作用下会产生感应磁场，通过在耦合剂介质中加入适量的磁粉达到补偿漏磁场的作用；

（3）测量深度0.5mm的缺陷，对其漏磁场的补偿，每升耦合剂介质中加入2g磁粉可保证测量数据的准确性，在测量0.5mm以下的深度缺陷时不加入磁粉，在测量0.5mm-1.5mm的深度时用每升耦合剂介质中加入2g磁粉，则漏磁场的影响已经很小可以不计。