CN104316594B - 一种钢件缺陷的电磁无损检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，属于无损检测技术领域。由探头、信号发生器、功率放大器、前置放大器、信号采集和处理系统组成；其中，探头由“E”型磁芯、激励线圈、第一感应线圈、第二感应线圈、第一永磁体、第二永磁体、外壳组成；在“E”型磁芯的两边分别放置与磁芯平面相平行的第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体和第二永磁体在钢件内部形成的磁场方向与磁芯磁轭方向及检测方向相垂直；第一永磁体、第二永磁体和“E”型磁芯共同放置在探测钢件的表面，并与探测钢件的表面契合。本发明所述装置结构简单、低功耗，能够快速准确测量钢材表面下存在的缺陷和应力累积区域。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种钢件缺陷的电磁无损检测装置。
背景技术
钢材作为一种重要建筑材料，其种类繁多，广泛应用于工农业生产科研各个领域，如石油管线、桥梁、铁路及建筑等。在钢件的使用过程中会造成一定的应力累积，以致损坏断裂形成缺陷。尤其是缺陷出现在钢件表面下时，由于铁磁性材料的趋肤效应更加明显，常规电磁方法较难探测。因此，能准确有效的对此类缺陷进行在线无损检测和估计，对于保证钢材构件安全使用十分必要，对于无损检测方法研究领域有着重要的意义。
近些年来，基于电磁学理论和技术的无损检测方法发展迅速，常用电磁学检测方法包括涡流法、巴克豪森噪声法、漏磁检测法、金属磁记忆法、磁力(效应)法等。其方法和相应的设备具有非接触，测量速度较快，无辐射等优点，在生产科研领域有着广泛应用。
涡流检测法是最常见的金属构件缺陷的无损检测方法，但是受限于趋肤效应，该方法多用于表面宏观缺陷的检测。巴克豪森噪声法是指铁磁性材料在受到增强的外磁场磁化时，畴壁发生非连续和跳跃式的运动，产生的噪声信号可在一定程度上反映材料的组织结构及应力状态。但该方法的测量深度浅，而且构件的表面粗糙度等对噪声信号都有很大的影响。漏磁检测法是指在施加激励磁场时，磁性材料缺陷处的漏磁场会产生相应变化，多用于检测材料表面的宏观缺陷。近年英国Newcastle大学的Tian Guiyun研究组在漏磁检测领域做出了杰出工作，提出脉冲漏磁检测法(pulsed magnetic flux leakage fieldtesting,PMFL)，采用低频方波脉冲做激励，结合电磁感应脉冲磁阻方法(pulsed magneticreluctance PMR)，极大地改善了缺陷的探测深度，可达表面以下几毫米。金属磁记忆法是俄罗斯Doubov教授在20世纪末提出的，它实质上是一种广义的漏磁效应，外激励磁场为地磁场，通过材料表面漏磁场来显现钢件内部缺陷和应力分布情况。但是地磁场会随着地理位置和环境的不同而改变，所以磁记忆现象将表现出一定的随机性，该方法可靠性差。磁力法是基于电磁感应原理，获得铁磁性材料在应力作用下的磁特性曲线，利用相应磁性参数如：矫顽力、剩磁、磁导率、饱和磁化强度等来表征构件的应力和缺陷状况。但是在实际应用时线圈不可能绕制在材料构件上，难以实现在线测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，本发明所述装置结构简单、低功耗，能够快速准确测量钢材表面下存在的缺陷和应力累积区域。
本发明所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，由探头(1)、信号发生器(2)、功率放大器(3)、前置放大器(4)、信号采集和处理系统(5)组成。其中，探头(1)由“E”型磁芯(6)、激励线圈(7)、第一感应线圈(8)、第二感应线圈(9)、第一补偿电感(10)、第二补偿电感(11)、第一永磁体(12)、第二永磁体(13)、外壳(14)组成；其中，激励线圈(7)绕制在“E”型磁芯(6)中间的磁轭上，第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)分别绕制在“E”型磁芯(6)两边的磁轭上并串联反接，特别的，两个感应线圈的缠绕方式、材料、线径及匝数相同；第一感应线圈(8)与第一补偿电感(10)串联、第二感应线圈(9)与第二补偿电感(11)串联后分别接前置放大器(4)的两个输入端进行初步差动放大；在与“E”型磁芯(6)两边分别放置与磁芯(6)平面(即图1(a)中所示的Y-Z平面，X轴方向沿纸面向外)相平行的第一永磁体(12)和第二永磁体(13)；第一永磁体(12)、第二永磁体(13)和“E”型磁芯(6)共同放置在探测钢件(15)的表面，并与探测钢件(15)的表面契合(探头与探测表面最大限度的贴合紧密)；第一永磁体(12)的S极和第二永磁体(13)的N极(或第一永磁体(12)的N极和第二永磁体(13)的S极)与探测钢件(15)的表面相接触，从而使第一永磁体(12)和第二永磁体(13)在钢件内部形成的磁场方向(X轴方向)与磁芯(6)磁轭方向(Z轴方向)及检测方向(Y轴方向)相垂直。第一永磁体(12)内部的磁化强度M方向是沿﹢Z轴方向(或﹣Z轴方向)，第二永磁体(13)内部的磁化强度M方向沿﹣Z轴方向(或﹢Z轴方向)。
信号发生器(2)产生一定频率和幅值的周期信号(方波或锯齿波)，该周期信号再经功率放大器(3)放大(放大2～100倍)加载到探头(1)的激励线圈(7)上，由于第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)是串联反接的，所以两个感应线圈总的输出电压为ε(t)＝ε1(t)-ε2(t)，其中两个感应线圈的感应信号分别为ε1(t)和ε2(t)。经过前置放大器(4)进行初步差动放大得到总输出信号U(t)＝Kε(t)(K为前置放大器(4)的增益)；U(t)＝Kε(t)再由信号采集和处理系统(5)进行FFT转换后得到包含多次谐波的频域信号U(ω)，将该频域信号U(ω)的各次谐波的幅值与经验数据进行比对，从而获得待测钢件缺陷深度和尺寸的信息。
“E”型磁芯(6)的材质可以是铁氧体(锰锌铁氧体)、硅钢片或非晶及纳米晶软磁材料，永磁体材质可以是铁氧体、钕铁硼或铝镍钴，外壳(14)为非铁磁性硬质材料，外壳(14)内的其他空间由硬质胶填充。
其中，信号发生器2提供的周期性脉冲信号的频率为0.1～10kHz，幅值为50～10000mV，本装置的探测深度为1mm～20mm。
其中，信号采集和处理系统(5)是由多通道的数据采集卡和上位机(PC机)及数据处理软件构成，在检测精度要求不高的情况下可用多路示波器代替数据采集卡。
探头1的典型尺寸：长c为10～200mm，宽e为2～100mm，高q为2～100mm。
本发明的钢材缺陷的电磁无损检测装置工作原理如下：
信号发生器(2)提供周期性脉冲信号，信号为方波或锯齿波。信号再经由功率放大器(3)加载到探头(1)的激励线圈(7)，功率放大器(3)也可以是高功率运算放大器或电压电流转换电路。激励线圈内部就会产生与激励电流i(t)变化趋势相同的磁通Φ(t)，其形式也近似方波或锯齿波。μe是磁芯和探测钢件复合磁路的等效磁导率，le是磁路长度，Nc和Sc分别是激励线圈的匝数和截面积。
Φ(t)＝μeNci(t)Sc/le (1)
由于磁芯的E型对称结构，在探测钢件下表面无缺陷时，由E型磁芯两边磁轭和钢件构成两个完全一样的并联磁路。忽略漏磁，则第一、第二感应线圈(8)、(9)中的磁通Φ1(t)＝Φ2(t)＝Φ(t)/2。由于激励线圈电感量的存在，激励电流i(t)在信号突变时(方波或锯齿波上升沿或下降沿)形成周期性的暂态过程，波形会有一定的畸变，但也可以进行傅里叶变换：
从而分解成一系列不同频率成份的谐波，其中ω为周期信号的主角频率。an、bn为n次谐波的系数，与谐波幅值成比例。对于周期性信号，数列{an}、{bn}递减，不利于高次谐波信号的检测。
和其他电磁测量方法一样，交流信号探测金属构件时，会产生趋肤效应，信号在构件中电流密度衰减到1/e时对应的趋肤深度δ是：
其中，μ、σ分别是构件磁导率和电导率，构件是铁磁性钢材，磁导率μ较大，所以趋肤深度δ小，从而限制了电磁法检测钢件的深度。
探头设置了两部分永磁体(12)、(13)，其与探测钢件表面契合。这样在永磁体之间产生强磁化偏场，且磁场方向(沿X轴)与磁芯激励信号磁化方向(沿Y轴)垂直(在磁芯的磁轭中，磁芯激励信号磁化方向沿Z轴方向，在钢件中磁芯激励信号磁化方向沿Y方向，从而形成一个在Y-Z平面内的环状结构)。虽然磁通易于从钢件通过，但是在设置永磁体(12)(13)间距D时要适当，过近会使磁芯磁化饱和，使得感应信号变小，灵敏度降低。永磁体的作用有以下几个方面：①永磁体之间产生强磁场可以将探测区域钢件表面和近表面磁化至饱和或近饱和状态，使得表面附近探测区磁导率μ下降。②因为永磁体磁化方向(X轴)与探头激励磁化方向(Y轴)垂直，相当在钢件近表面附近产生了感生磁各向异性，沿X轴方向，则激励磁化方向Y轴为难磁化方向，所以沿探测方向钢件的磁导率μ下降。磁导率下降，趋肤深度δ就会增加，感应信号会带来更深层的信息。③永磁体施加的偏场可以磁化钢件中的无序磁矩，在一定程度上屏蔽杂散场，改善信号质量。④永磁体固定在探头上，在测量时可以将探头吸附在钢件表面，保证测量时施加一定的正压力，使探头与钢件贴合，保证测量的准确性和重复性。
对应探头上感应线圈(8)、(9)中的感生电势为：
ε1(t)和ε2(t)的n次谐波的系数，对于周期性信号数列{nωan}、{nωbn}较之磁通Φ1(t)、Φ2(t)的傅里叶展开数列{an}、{bn}递减有所补偿，方便对高次谐波进行数据分析处理。
因为感应线圈(8)、(9)是串联反接，所以感应线圈总的输出电压ε(t)＝ε1(t)-ε2(t)＝0。但实际上，感应线圈(8)、(9)很难做到完全一样，其对应的电感量为L1、L2，所以需要感应线圈分别串联可调电感(10)、(11)，其对应的电感量为Lc1、Lc2，在保证线圈电阻相等的同时，调节可调电感(10)、(11)，使得L1+Lc1＝L2+Lc2，保证无缺陷时感应线圈(8)、(9)产生的信号一致。可调电感(10)、(11)是非必要元件，当感应线圈(8)、(9)参数完全相同时可以不要。
当探头经过缺陷(或应力累积区域)时，即磁芯感应线圈1所在磁路钢件部分存在缺陷，缺陷长度与探头激励方向(即探测方向Y轴方向)垂直，沿X轴方向，如图1(a)所示，磁阻会增大，感应线圈(8)中的磁通Φ1(t)会减小。而感应线圈(9)中的磁通Φ2(t)会增加。相应的感应线圈串联反接输出电压ε(t)＝ε1(t)-ε2(t)≠0
其中，a，b为感应线圈(8)(9)感应信号差值各次谐波对应的系数。因为趋肤效应，不同频率谐波在钢件中透过的深度不同，所以感应线圈信号ε(t)中所含的不同频率谐波成分可反映钢件缺陷深度及大小的信息。
最后感应信号经过前置放大器(4)进行初步差动放大，得到总输出信号U(t)＝Kε(t)，K为前置放大器(4)的增益。再由信号采集和处理系统(5)进行分析处理，在时域频域提取信号特征量，获得缺陷深度和尺寸的信息。信号采集和处理系统(5)是由多通道的数据采集卡和上位机及数据处理软件系统构成，在检测精度要求不高的情况下多通道的数据采集卡可用多路示波器代替。
在检测缺陷时，信号采集和处理系统(5)需要根据实际检测钢件材料，表面粗糙度及探头来设定一系列的电压幅值，从而判定缺陷的尺寸及深度。这些阈值根据缺陷和输出的经验关系来确定。
首先设置有效值阈值Urt，当总输出信号有效值Urms≤Urt，系统认定钢件无缺陷或者缺陷深度超过装置检测深度。因为实际应用中钢件检测区表面粗糙度会影响探头的契合程度，实际的探头结构也不能保证完全对称，所以在无缺陷时输出也不会是0，Urt应该是钢件无缺陷时系统输出的最大值。
对于同等深度的缺陷，尺寸越大，即宽度越宽，输出U的频域信号都会增加。对于同样宽度的缺陷，深度越浅，即距离表面越近，输出U的频域信号主频各次谐波幅值越大。
由以上的公式和说明可知，对于磁通信号即激励信号的要求：①具有丰富的谐波成分；②要有突变(上升沿或下降沿)，使得感应电压信号大。周期信号符合上述条件为方波信号(一个周期内有一个上升沿和一个下降沿)和锯齿波(一个周期内有一个上升沿或一个下降沿)
另外，现有技术中多采用“U”型磁芯，在检测时较之输出信号，信号变化量很小，灵敏度小，所以需要双探头结构或者信号数据差分处理部分，但系统较为复杂。而本发明采用E型磁芯，感应线圈串联反接除了能输出差动信号ε(t)，消除输出的不变量，提高探测的灵敏度；还可以抵消外部的干扰，因为探头的尺寸不大，感应线圈(8)、(9)所处空间位置可视为一点，外部如果有干扰磁场存在，会在两个感应线圈(8)、(9)产生相等的感应信号，但串联反接后的差动输出相互抵消结果为0，不对测量结果产生影响。
另外在装置设计时，探头(1)平面要求与探测表面契合，在探测油管时可以车制成弧面，但要保持沿中间磁轭的轴对称性；永磁体可以制成弧面，也可以分为若干块，与探测表面接触。而且探头的尺寸要适当，E型磁芯的中间和两边磁轭距离不宜与待测缺陷尺寸相差过大(在1数量级之内)
本发明的钢件缺陷的电磁无损检测装置，可以在线检测钢材表面下的缺陷，并对缺陷的深度及宽度进行快速有效的测量和估计。同时，该装置还可以用于检测有无表面下应力累积区域。本发明涉及装置具有结构简单，功耗低，经济适用等特点，在生产科研无损检测领域有较好的应用前景。
附图说明：
图1：为本发明所述的钢件缺陷无损检测装置结构示意图。图(a)为整个测量装置结构图，图(b)为探头结构图(底面)；
其中，各部分的名称为探头1、信号发生器2、功率放大器3、前置放大器4、信号采集和处理系统5、“E”型磁芯6、激励线圈7、第一感应线圈8、第二感应线圈9、第一补偿电感10、第二补偿电感11、第一永磁铁12、第二永磁铁13、外壳14、探测钢件15。
图2：为激励信号为方波时探头感应线圈的输出波形及装置输出波形；
图(a)为钢件无缺陷时感应线圈的输出波形；图(b)为钢件无缺陷时装置的输出波形；其中，曲线①是第一感应线圈的输出信号，曲线②是第二感应线圈的输出信号，两条曲线形状相同，变化方向相反；曲线③是第一、第二感应线圈串联反接后输出的差动信号(信号②减去信号①)，即在经过前置放大器(4)之前的信号；曲线④是测量装置输出的时域信号；曲线⑤是曲线④经过FFT变化得到频域信号)；图(c)为有缺陷时探头各感应线圈的输出波形，图(d)为有缺陷时装置的输出波形。对应缺陷的宽度5mm，深度1mm，信号源提供的激励信号为方波，频率100Hz，幅值为400mV；采集设备是多通道示波器。
图3：为不同深度h(缺陷宽度相同，均为5mm)时缺陷钢件装置输出波形的有效值及频域各谐波幅值随缺陷深度的关系曲线；其中，Urms是有效值，U1是曲线⑤的主频信号，U2、U3、U4分别是曲线⑤中的二次、三次、四次谐波信号。对应实施例3。
图4：为激励信号为锯齿波时探头感应线圈的输出波形及装置输出波形；图(a)为无缺陷时探头感应线圈的输出波形，图(b)为无缺陷时装置的输出波形，图(c)为有缺陷时探头感应线圈的输出波形，图(d)为有缺陷时装置的输出波形。其中，①、②为两个感应线圈的输出波形，③是感应线圈串联反接输出的差动波形，④是测量装置输出的时域信号，⑤是测量装置输出的频域信号。(c)、(d)对应的钢件缺陷宽度5mm，深度1mm。
具体实施方式
实施例1：钢材缺陷的电磁无损检测装置
设计一种钢材缺陷的电磁无损检测装置，用于在线检测钢材表面下不缺陷的深度和尺寸。装置包括探头(1)，信号发生器(2)，功率放大器(3)，前置放大器(4)，信号采集和处理设备(5)。
探头(1)由“E”型磁芯(6)、激励线圈(7)、第一感应线圈(8)、第二感应线圈(9)、第一补偿电感(10)、第二补偿电感(11)、第一永磁体(12)、第二永磁体(13)、外壳(14)构成。其中，激励线圈(7)绕制在磁芯(6)的中间磁轭上，第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)串联反接后绕制在磁芯(6)的两边的磁轭上，两个感应线圈的缠绕方式、材料、线径及匝数相同，第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)分别串联第一补偿电感(10)和第二补偿电感(11)，磁芯(6)的两边分别放置第一永磁体(12)和第二永磁体(13)。
“E”型磁芯(6)为锰锌铁氧体材质，尺寸为4mm(宽e)×18mm(长c)×8mm(高q)，中间磁轭与两边磁轭间距为5mm，激励线圈(7)的匝数为200匝，线径0.08mm。第一、第二感应线圈(8)、(9)的匝数为100匝，线径0.1mm。第一、第二补偿电感(10)、(11)为螺线管电感，匝数为70匝，线径0.5mm，补偿电感的磁芯为三层铁基非晶软磁薄带材料，尺寸2.5mm×100mm，可在螺线管型电感中移动调节电感量。第一、第二永磁体(12)、(13)材料为钕铁硼，尺寸为5mm×45mm×3mm，两个永磁体间距D为18mm。外壳(14)材料为塑料板。
信号发生器(2)为安捷伦33250A信号发生器，功率放大器(3)为高功率运算放大器opa549(增益为2)，前置放大器(4)为仪表放大器AD620(增益为9)，信号采集和处理系统(5)为RIGOL DS1102示波器和PC机。探测用钢件材料为Q235钢，尺寸50mm×100mm×10mm。
实施例2：钢材缺陷的电磁无损检测方法
1)根据待检测钢件的表面情况选取合适尺寸的探头，使实施例所述探头与钢件的检测表面契合。
2)在钢件的无缺陷处，通过信号采集和处理系统(5)在时域观测激励信号和感应信号的波形，设置激励信号(方波或锯齿波)的频率和幅值，要求在周期内激励信号的波形有较完整的暂态过程。同时要求激励电流功率小于探头(1)和激励线圈(7)的额定功率(由探头磁芯和激励线圈决定，超过了这个功率磁芯和激励线圈过热会损坏)。恰当设置功率放大器(3)和前置放大器(4)的增益。调节补偿电感(10)、(11)使得感应线圈(8)、(9)输出的波形一致，串联反接输出信号ε(t)和总输出信号U(t)达到最小值，理想为0。
3)沿检测方向(Y轴)移动探头，在钢件的有缺陷处，装置会有一定的信号输出。在检测区域，因为待测钢件表面粗糙度对探头的契合程度有影响，同时由于探头的实际几何对称轴与检测方向一致性由于实际操作视觉的原因会有偏差；所以还需要在小范围内调整角度(5°以内)，使得输出信号U的有效值Urms出现极小值，这时认为钢件表面与探头契合，测量数据有效。
4)由信号采集和处理设备(5)将输出信号U(t)进行FFT转换为频域信号U(ω)，该频域信号包括主频信号及多次谐波信号。
5)设置输出有效值阈值Urt(因为钢件表面加工时会有一定的粗糙度，探头的下表面在检测过程中不可能完全与钢件表面契合，所以即使在检测无缺陷的正常钢件部分时，探头的输出不为零，即装置总输出会有一定的电压值，这个Urt就是检测正常钢件时总输出的极大值，输出有效值小于这个值时就认为钢件无缺陷或者有缺陷但装置检测不出来)，当总输出信号有效值Urms≤Urt，认定钢件无缺陷或者缺陷深度超过装置检测深度。当实测总输出信号有效值Urms＞Urt时，进行缺陷信息的判断。
6)利用本发明所述装置，首先测量一系列已知宽度和深度的缺陷钢件，获得频域信号U(ω)各次谐波幅值的经验幅值矩阵Ak(n×m)，需要检测n×m组样品，矩阵元素akij为测定该组缺陷样品时装置输出的U(ω)幅值的极小值，其中1≤i≤n，1≤j≤m，其中k代表频域信号U(ω)的第k次谐波，每一谐波信号均有一幅值矩阵与其对应；矩阵中同一行的数据表示在相同缺陷深度的情况下，随着缺陷宽度的增加，装置输出频域信号的幅值；矩阵中同一列的数据表示在相同缺陷宽度的情况下，随着缺陷深度的增加，装置输出频域信号的幅值。同时，建立一个缺陷数组矩阵Qij，
其中，矩阵数组元素(hi,wj)，行数i代表缺陷的深度h，同一行元素的深度hi全相同，随着i的增大对应的缺陷的深度越深；列数j据代表缺陷宽度w(要求缺陷的长度要比探头的宽度大，即超过永磁体12、13的间距，而缺陷的宽度小于磁芯磁轭的间距(中间磁轭与旁边磁轭之间距离)，故本发明装置在缺陷长度超过永磁体间距的条件下，能够用于测量缺陷的宽度和深度)，同一列元素的宽度wj全相同，随着j的增大对应的缺陷的宽度越大。行数据间(或列数据间)差量值(步进)的大小表示装置的测量精度，而装置的测量精度取决于信号采集和处理系统(5)的精度和实际检测情况，信号采集和处理系统的精度高、噪声抑制效果好，钢件缺陷尺寸的分辨率就高，缺陷矩阵Qij的数据量越大，而对应的深度和宽度的检测步进就小。反之，信号采集和处理系统的精度差，钢件缺陷尺寸的分辨率差，则缺陷矩阵Qij的数据量越小，而对应的深度和宽度的检测步进就大。所以，该装置检测可用于缺陷的精密检测，步进可达0.1mm。也可以用于缺陷的有无或粗略估计缺陷大小的检测。
然后，将测量未知宽度和深度缺陷时获得的频域信号U(ω)的主频信号U1的幅值与幅值矩阵A1中的各个元素a1ij进行比较。固定行数i，若a1ij≤U1＜a1i(j+1)，则记录a1ij对应行列数组(i1，j1)。i从1开始，按照从小到大的顺序依次比较，找到每行符合条件a1ij对应的行列数i、j，构成数组(is1，js1)，但各数组中的列数参数j与先前选取的数组列数j不能取相同数值。将这些数组组成数组集合S1＝{(is11，js11)，(is12，js12)，……}，其中is11＝1，is12＝2，……。集合S1中数组的第一个元素i之间，以及第二个元素j之间都不重复(因为具有相同深度，不同宽度的缺陷不可能有相同的输出；同样，具有相同宽度，不同深度的缺陷也不可能有相同的输出)。若S1中数组唯一，则数组(is1，js1)的行is1、列js1对应的深度和宽度(在缺陷矩阵Qij按照对应的行与列查找缺陷信息)就是装置测得缺陷的信息。
7)若数组集合S1中数组不唯一，则将测量未知缺陷时获得的频域信号U(ω)的二次谐波信号U2的幅值矩阵A2中的各个元素值a2ij进行比较。同理，i从1开始，按照从小到大的顺序依次比较，找到每行符合a2ij≤U1＜a2i(j+1)时a2ij对应的行列数数组(is2，js2)。将这些数组组成数组集合S2＝{(is21，js21)，(is22，js22)，……}，其中is21＝1，is22＝2，……，同理集合S2中数组的第一个元素i之间，以及第二个元素j之间都不重复。取S1与S2的交集S1∩S2，看S1∩S2数组是否唯一。
若不唯一则将测量未知缺陷时获得的频域信号U(ω)的三次谐波信号U3的幅值U与幅值矩阵A3中的各个元素值a3ij进行比较。同样可以得到数组集合S3＝{(is31，js31)，(is32，js32)，……}，其中is31＝1，is32＝2，……，再取S1，S2与S3的交集S1∩S2∩S3，看S1∩S2∩S3数组是否唯一。
以此类推，依次将U的k次谐波信号Uk与幅值矩阵Ak中的各个元素值akij进行比较，可以得到数组集合Sk＝{(isk1，jsk1)，(isk2，jsk2)，……}，其中isk1＝1，isk2＝2，……，直到S1到Sk的交集中的数组唯一，则该唯一的数组(i，j)的行列对应的深度和宽度就是装置测得缺陷的深度和宽度。若系统仍无确切输出，则返回步骤3)重复。Sk的个数k是由实验信号采集和处理系统(5)中所用的数据采集设备好坏决定的，数据采集设备精度高，k可以较大。数据采集设备差，k就小。如实施例中的采集设备是多通道示波器，精度较差，适用于粗略的检测，k只能到3或4，即只能检测到三、四次谐波，五次谐波以上检测不准了。数组中iskn、jskn的角标skn表示用主频信号或第k次谐波信号在幅值矩阵Ak(n×m)第n行检测时，得到的数组。
8)若检测结果灵敏度差，可以换装置探头尺寸，返回步骤1)重复。根据实际情况，实验信号采集和处理系统(5)中所用的数据采集设备是示波器，测量结果精度较差，用于钢件缺陷有无或大小的粗略估计。
实施例3：
利用本发明所述装置测量已知缺陷尺寸的钢件，得到主频信号，二次，三次，四次谐波的幅值矩阵分别为
缺陷矩阵Q(3×2)，
其行数1、2、3分别对应深度1mm、5mm、9mm，步进4mm；列数1、2对应宽度为3mm、5mm，步进2mm。
然后利用本发明所述装置，测定某一未知缺陷尺寸的钢件(其可能的缺陷尺寸为深度4～6mm和宽度4～6mm)，得其输出信号U对应的频域信号主频幅值U1＝51mV，二次谐波幅值U2＝30mV，三次谐波幅值U3＝18mV，四次谐波幅值U3＝13mV。
比较U1与矩阵A1中的各个元素a1ij，在第一行中50＜U1＜70，50对应的元素为a111，所以可以的到数组(1,1)；在第二行中45＜U1，45对应的元素为a122，所以可以得到数组(2,2)。由于要求组成的数组集合中行数与列数均不重复，所以不可再在矩阵A1的第三行中进行比较，从而得到数组集合S1＝{(1,1)，(2,2)}。
因为数组集合S1中的数组不唯一，则需要进一步比较U2与矩阵A2中各元素a2ij的关系，在矩阵A2的第一行中无符合条件的元素。在矩阵A2的第二行中29＜U2，所以可以得到a222对应数组(2,2)。即数组集合S2＝{(2,2)}。那么交集S1∩S2＝(2,2)，结果唯一；进而，在缺陷矩阵Qij中第2行、第2列对应数组(5,5)表示的深度5mm和宽度5mm，即为待测钢件的深度和宽度。
图3为检测不同深度h缺陷钢件时，装置输出信号的有效值及频域信号，缺陷宽度为5mm。在本实施例条件下，无缺陷钢件检测输出的最大的有效值为51mV，即Urt＝51mV。当缺陷深度为9mm时输出有效值为51.8mV，Urms＞Urt，所以该检测装置在实施例激励条件下的检测深度大约为9mm以内。有效值、主频及各次谐波幅值随深度的增加而减少。
对于同样深度(1mm)、不同宽度(3mm、5mm)缺陷的钢件在检测时，检测装置输出信号的有效值及频域各个谐波幅值见表1。
表1：钢件有3mm和5mm宽度缺陷时，检测装置输出信号的有效值及频域信号幅值
| (mV) | 5mm宽 | 3mm宽 |
| Urms | 167 | 106 |
| U1 | 79 | 66 |
| U2 | 50 | 32 |
| U3 | 40 | 21 |
| U4 | 25 | 12 |
其中，Urms是有效值，U1是⑤的主频信号，U2，U3，U4分别是⑤中的二次，三次，四次谐波信号。
Claims (9)
1.一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：由探头(1)、信号发生器(2)、功率放大器(3)、前置放大器(4)、信号采集和处理系统(5)组成；其中，探头(1)由“E”型磁芯(6)、激励线圈(7)、第一感应线圈(8)、第二感应线圈(9)、第一永磁体(12)、第二永磁体(13)、外壳(14)组成；激励线圈(7)绕制在“E”型磁芯(6)中间的磁轭上，第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)分别绕制在“E”型磁芯(6)两边的磁轭上并串联反接；第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)分别接前置放大器(4)的两个输入端进行初步差动放大；在“E”型磁芯(6)的两边分别放置与磁芯(6)平面相平行的第一永磁体(12)和第二永磁体(13)，第一永磁体(12)和第二永磁体(13)在钢件内部形成的磁场方向与磁芯(6)磁轭方向及检测方向相垂直；第一永磁体(12)、第二永磁体(13)和“E”型磁芯(6)共同放置在探测钢件(15)的表面，并与探测钢件(15)的表面契合；信号发生器(2)产生一定频率和幅值的周期信号，该周期信号经功率放大器(3)放大后加载到探头(1)的激励线圈(7)上，第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)总的输出电压为ε(t)＝ε1(t)-ε2(t)，其中两个感应线圈的感应信号分别为ε1(t)和ε2(t)，ε(t)经过前置放大器(4)进行初步差动放大后得到总输出信号U(t)＝Kε(t)，K为前置放大器(4)的增益；U(t)＝Kε(t)再由信号采集和处理系统(5)进行FFT转换后得到包含多次谐波的频域信号U(ω)，将该频域信号U(ω)的各次谐波的幅值与经验数据进行比对，具体方法是根据实际测量情况设置频谱幅值经验阈值矩阵Ak(n×m)(1≤i≤n，1≤j≤m，k代表输出信号U(ω)的第k次谐波)；将测量未知宽度和深度缺陷时获得的频域信号U(ω)的主频信号U1的幅值与幅值矩阵A1中的各个元素a1ij进行比较；固定行数i，若a1ij≤U1＜a1i(j+1)，则记录a1ij对应行列数组(i1，j1)；i从1开始，按照从小到大的顺序依次比较，找到每行符合条件a1ij对应的行列数i、j，构成数组(is1，js1)，但各数组中的列数参数j与先前选取的数组列数j不能取相同数值，将这些数组组成数组集合S1＝{(is11，js11)，(is12，js12)，……}，其中is11＝1，is12＝2，……；若S1中数组唯一，则数组(is1，js1)的行is1、列js1对应的深度和宽度就是装置测得缺陷的信息；若数组集合S1中数组不唯一，则将测量未知缺陷时获得的频域信号U(ω)的二次谐波信号U2的幅值与幅值矩阵A2中的各个元素值a2ij进行比较；同理，i从1开始，按照从小到大的顺序依次比较，找到每行符合a2ij≤U1＜a2i(j+1)时a2ij对应的行列数数组(is2，js2)；将这些数组组成数组集合S2＝{(is21，js21)，(is22，js22)，……}，其中is21＝1，is22＝2，……，取S1与S2的交集S1∩S2，看S1∩S2数组是否唯一；若不唯一则将测量未知缺陷时获得的频域信号U(ω)的三次谐波信号U3的幅值与幅值矩阵A3中的各个元素值a3ij进行比较，同理可以得到数组集合S3＝{(is31，js31)，(is32，js32)，……}，其中is31＝1，is32＝2，……，再取S1，S2与S3的交集S1∩S2∩S3，看S1∩S2∩S3数组是否唯一；以此类推，依次将测量未知缺陷时获得的频域信号U(ω)的k次谐波信号Uk的幅值与幅值矩阵Ak中的各个元素值akij进行比较，可以得到数组集合Sk＝{(isk1，jsk1)，(isk2，jsk2)，……}，isk1＝1，isk2＝2，……，直到S1到Sk的交集中的数组唯一，则该唯一的数组(i，j)的行列对应的深度和宽度就是装置测得缺陷的深度和宽度，从而获得待测钢件缺陷深度和尺寸的信息。
2.如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)缠绕方式、材料、线径及匝数均相同。
3.如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：还设置有第一补偿电感(10)和第二补偿电感(11)，第一感应线圈(8)和第二感应线圈(9)分别与第一补偿电感(10)和第二补偿电感(11)串联后再分别接前置放大器(4)的两个输入端。
4.如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：”E”型磁芯(6)的材质是铁氧体、硅钢片或非晶及纳米晶软磁材料。
5.如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：永磁体的材质是铁氧体、钕铁硼或铝镍钴。
6.如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：外壳(14)的材料是非铁磁性硬质材料，外壳(14)内的其他空间由硬质胶填充。
7.如权利要求1所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：经验数据的获得是利用权利要求1所述装置测量一系列已知宽度和深度的缺陷钢件，获得频域信号U(ω)各次谐波的幅值矩阵Ak(n×m)，矩阵元素akij为测定该组缺陷样品时装置输出的U(ω)幅值的极小值，其中1≤i≤n，1≤j≤m，k代表输出信号U(ω)的第k次谐波。
8.如权利要求1～7任何一项所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：信号发生器(2)为安捷伦33250A信号发生器；功率放大器(3)为高功率运算放大器opa549，增益为2；前置放大器(4)为仪表放大器AD620，增益为9；信号采集和处理系统(5)为RIGOLDS1102示波器和PC机。
9.如权利要求1～7任何一项所述的一种钢件缺陷的电磁无损检测装置，其特征在于：信号发生器(2)提供周期性脉冲信号，信号为方波或锯齿波，频率为0.1～10kHz，幅值为50～10000mV。
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