CN104375100A - 一种差分式初始磁导率材质检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于初始磁导率方法的差分式材质检测探头，其特征在于该材质检测探头包括“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“励磁线圈3””、“导磁回路4”、“磁传感器5”及“磁传感器6”。其中，“磁传感器5”和“磁传感器6”构成双磁传感器，并通过贴装工艺与“导磁体2”构成一个刚性整体，其端面与“铁磁性材料1”以垂直接触方式相连，“励磁线圈3”以缠绕方式固定在“导磁体2”上，“导磁回路4”位于“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“磁传感器5”及“磁传感器6”构成的环形回路中。“磁传感器5”及“磁传感器6”的输出通过“差分放大器12”后，共模信号被抑制，差模信号被放大，显著改善了检测探头的动态范围。

Description

一种差分式初始磁导率材质检测探头

技术领域

本发明涉及一种检测探头，尤其是一种基于初始磁导率方法通过差分放大对铁磁性材料的初始磁导率特性进行材质检测的探头。

背景技术

材料按磁性可分为：铁磁性，亚铁磁性，抗磁性、顺磁性、反铁磁性。铁磁性材料是指具有铁磁性的材料。所谓铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。

铁磁性材料导磁性能用磁导率μ进行表征。物理学中，磁导率μ被定义为磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。

磁导率μ是一个伴随外加磁场的改变而变化的量。描述铁磁性材料在磁化过程中磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系的图形称为磁化曲线或B-H曲线。其中，处于磁中性状态的铁磁性材料在最初磁化阶段受到一方向不变数值作单调增大的磁场作用时得到的磁化曲线又称为起始磁化曲线，初始磁导率μi即是起始磁化曲线上当H→0时的磁导率。在初始磁导率区域对铁磁性材料进行磁化和检测时，外磁场撤销后，铁磁性材料内部不会产生剩磁。

铁磁性材料的初始磁导率与其含碳量、内应力和热处理状态等存在着显著相关性。实验研究表明，1)合金元素和杂质的含量对铁的磁性能有很大的影响，随着钢中碳含量的增加，钢铁件的初始磁导率、最大磁导率、饱和磁感应强度降低，而矫顽力和剩磁增加；2)铁磁性材料的内应力和残余应力会导致矫顽力和剩磁升高，磁导率下降，而且随着变形程度的增加，这种趋势会加剧，拉应力越大，初试磁导率越大，反之，压应力越大，初始磁导率则越低；3)材料内部晶粒大小对磁性能也会产生影响，晶粒越细小，磁导率越小，矫顽力越大，这是由于晶粒越小，晶界就越多，妨碍磁畴位移。由此可知，钢铁材料的磁性能参数和材料的成分、金相组织等具有直接相关性，理论上，如果能对铁磁性材料的初始磁导率参数进行检测，就可以间接测得铁磁性材料的含碳量和热处理状态等材质特性。

将上述初始磁导率特性应用于铁磁性材料材质检测的工作可溯源至1939年德国Foerster博士等人将磁滞回线应用于无损检测的技术研究，随后电磁无损检测技术获得了快速发展，应用非常广泛。上世纪七十年代，Foerster研究所研制并出售了用于混料分选的各种电磁分选仪，如“Magnatest VHR”仪；上世纪八十年代，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”；随后前苏联也研制出了铸铁硬度电磁无损检测仪。我国在上世纪八十年代开始采用初始磁导率法对钢铁件的性能和热处理质量进行测试，并在仿制的基础上先后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。

现有基于初始磁导率法的铁磁性材料材质检测仪器在技术方案上与Foerster博士基本相似，相当于一个以被测铁磁性材料为铁芯的耦合变压器，均采用一定频率的交变电流通过励磁线圈产生交流的磁场，当交变的磁场穿过置于空心线圈中的铁磁性材料时，将在次级线圈中产生感生电压，由于感生电压的大小与被测铁磁性材料的品质因素即初始磁导率特性直接相关，因此通过测量感生电压就可以间接测出铁磁性材料的材质特性。研究表明，当若干个待测铁磁性材料具有相同的外形尺寸和热处理状态时，感生电压与待测铁磁性材料的含碳量等呈强相关性，而当若干个待测铁磁性材料具有相同的外形尺寸和成分时，次级感生电压与待测铁磁性材料的热处理状态等呈强相关性，如果这种相关性在特定的区间具有单调性，则可以通过初始磁导率法对这些铁磁性材料的含碳量、热处理状态等进行检测分析。

上述方案虽然可以较好地通过初始磁导率参数对铁磁性材料的材质特性进行间接检测，但是由于是交流励磁，感生电压也是交变信号，所以感生电压中很容易串入干扰，从而导致测量误差。此外，由于待测铁磁性材料通常不能完全填充空心线圈，所以次级感生电压和初级励磁信号之间也难以进行精确的数学模型。

专利201310347483.8采用直流励磁的方式，将磁传感器和待测铁磁性材料共同置于励磁回路，并采用磁传感器对磁场进行高精度测量，大大简化了励磁和检测电路，并有效避免难以精确建模和交流励磁所带来的干扰等问题，但是该方法中仍存在未抑制共模信号，导致有效信号的动态范围较小的问题。

本发明即是在上述背景下提出的一种差分式初始磁导率材质检测探头。

发明内容

技术问题：

本发明的目的是针对上述现有交流励磁法初始磁导率材质检测探头存在的难以精确建模、励磁和检测电路复杂、易串入干扰等不足，以及直流励磁法中检测探头不能有效抑制共模信号，导致可测信号的动态范围较小的问题，提供一种具有双磁传感器的材质检测探头。该探头通过直流励磁提供磁通势，并将双磁传感器和铁磁性材料共同置于励磁回路中。改变励磁电流可以方便地调整励磁磁通势，在探头几何尺寸和磁通势确定的情况下，双磁传感器测得的磁感应强度与待测铁磁性材料的初始磁导率参数具有唯一相关性。本发明可以较好地抑制共模信号，改善探头的动态范围。

技术方案：

1)选择高导磁材料加工成U型导磁体，导磁体两端等长；

2)在U型导磁体较短的两端分别贴装磁传感器，贴装后应端面平整，并保持同一平面；

3)在U型导磁体上缠绕励磁线圈，以便在线圈通入直流励磁电流后能够为导磁回路提供磁通势；

4)将磁传感器和励磁线圈的引线通过端子引出，然后将探头进行封装，确保U型导磁体的较长的导磁端面和磁传感器与整个探头的封装面齐平；

5)将材质检测探头置于光滑平整的待测铁磁性材料表面，确保材质检测探头垂直置于铁磁性材料表面，且完全贴合；

6)在励磁线圈中通入励磁电流，由导磁体、双磁传感器和待测铁磁性材料构成的导磁回路内将产生磁通势，双磁传感器将输出与待测铁磁性材料的初始磁导率相关的电信号，据此可进一步对待测铁磁性材料的含碳量和热处理状态等进行解析。

有益效果：

本发明一种差分式初始磁导率材质检测探头能够克服现有交流励磁检测方法中次级感生电压和初级励磁信号之间难以精确建模、励磁和检测电路复杂及容易串入干扰等不足，以及直流励磁法中检测探头不能有效抑制共模信号，导致可测信号的动态范围较小的问题，提供一种直流励磁、双磁传感器的材质检测探头。该探头的导磁体、双磁传感器和待测铁磁性材料构成闭合导磁回路，双磁传感器的输出与待测铁磁性材料的初始磁导率直接相关，据此可进一步对待测铁磁性材料的含碳量和热处理状态等进行解析。当若干个铁磁性材料具有相同的外形尺寸和热处理状态时，磁传感器的输出与待测铁磁性材料的含碳量等呈强相关性，而当若干个待测铁磁性材料具有相同的外形尺寸和成分时，磁传感器的输出则与待测铁磁性材料的热处理状态等呈强相关性，如果这种相关性在特定的区间具有单调性，则可以对铁磁性材料的含碳量、热处理状态等进行较为精确的半定量检测分析。

附图说明

图1为本发明一种基于初始磁导率方法的材质检测探头结构示意图。其中有“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“励磁线圈3”、“导磁回路4”、“磁传感器5”及“磁传感器6”；

图2为本发明基于初始磁导率方法的材质检测探头检测方法示意图。其中有“励磁电路7”、“铁磁性材料1”、“闭合磁路8”、“磁感应强度9”、“初始磁导率10”及“材质参数解析１１”；

图3为本发明材质检测探头的差分式信号处理示意图。其中有“磁传感器5”、“磁传感器6”及“差分放大器12”。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

图1为本发明一种基于初始磁导率方法的材质检测探头结构示意图。其中有“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“励磁线圈3”、“导磁回路4”、“磁传感器5”及“磁传感器6”。其中，“磁传感器5”和“磁传感器6”构成双磁传感器，两者型号参数完全相同，并通过贴装工艺与“导磁体2”构成一个刚性的整体，其端面与“铁磁性材料1”以垂直方式接触相连，“励磁线圈3”以缠绕方式固定在“导磁体2”上，“导磁回路4”位于“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“磁传感器5”及“磁传感器6”构成的环形回路中。

实施材质检测时，“铁磁性材料1”的端面应光滑平整，材质检测探头与“铁磁性材料1”的表面应垂直接触且完全贴合。当在“励磁线圈3”中通入励磁电流时，由“导磁体2”、“磁传感器5”、“磁传感器6”和“铁磁性材料1”构成的“导磁回路4”中将产生磁通势，“磁传感器5”和“磁传感器6”可检测到在该磁通势作用下与“铁磁性材料1”的初始磁导率相关的电信号，据此可测出“铁磁性材料1”的初始磁导率，并进一步对“铁磁性材料1”的含碳量、硬度和热处理状态等进行解析。

图2为本发明基于初始磁导率方法的材质检测探头检测方法示意图。其中有“励磁电路7”、“铁磁性材料1”、“闭合磁路8”、“磁感应强度9”、“初始磁导率10”及“材质参数解析11”。其中，“励磁电路7”用于产生磁通势，当磁通势通过“闭合磁路8”作用于“铁磁性材料1”时，“铁磁性材料1”的初始磁导率特性会对“闭合磁路8”的磁通量产生影响，磁传感器可通过测量“磁感应强度9”检测这种变化，进而可以测出“铁磁性材料1”的“初始磁导率10”，并进一步对待测“铁磁性材料1”的含碳量、硬度和热处理状态等进行“材质参数解析11”。

假设“励磁电路7”所产生的磁通势为F，该磁通势为线圈匝数N和励磁电流I的乘积，由于线圈匝数N为固定值，所以可通过调整电流I得到不同的磁通势F。

不考虑漏磁通，理想情况下，虽然磁路各段截面积不同，材质也不同，但磁通Φ完全相同。由于各段的初始磁导率μ_i不同，所以各段的磁场强度H_i也会各不相同。

假定，U型“导磁体2”、“磁传感器5”、“磁传感器6”及“铁磁性材料1”的截面积分别为S₁，S₂，S′₂，S₃，各段的有效导磁长度分别为s，δ，δ，L，则有

$F=\mathrm{NI}=H_{1}s+H_2\mathrm{\δ}+H_2^{\′}\mathrm{\δ}+H_{3}L=\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\μ}}_1{S}_1}s+\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\μ}}_2{S}_2}\mathrm{\δ}+\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\μ}}_2^{\′}{S}_2^{\′}}\mathrm{\δ}+\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\μ}}_3{S}_3}L$

“磁传感器5”及“磁传感器6”部分的初始磁导率可看作真空磁导率μ₀，截面积S′₂与S₂相等，进一步地有，

$\mathrm{\Φ}=F/(\frac{s}{{\mathrm{\μ}}_1{S}_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_2}+\frac{L}{{\mathrm{\μ}}_3{S}_3})$

上式中，左边为磁通Φ，由于“磁传感器5”和“磁传感器6”的截面积是一个确定的值，所以磁通Φ是一个可以通过“磁传感器5”和“磁传感器6”测量的参数，右边除μ₃和S₃由“铁磁性材料1”材质决定外，其余均由“导磁体2”、“磁传感器5”和“磁传感器6”所决定，均为确定的量，所以Φ只与μ₃和S₃有关，在实际测量中，“铁磁性材料1”通常外形尺寸完全一致或具有足够厚度，S₃也可以看作是确定量，所以Φ完全由μ₃决定。

为更好地描述Φ和μ₃之间的数学关系，上式可改写为，

$\mathrm{\Φ}=F/(\mathrm{\Δ}+\frac{L}{{\mathrm{\μ}}_3{S}_3}),$ 其中 $\mathrm{\Δ}=\frac{s}{{\mathrm{\μ}}_1{S}_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_2}$

上式表明：

1)磁通Φ与μ₃之间为非线性关系，当Δ趋向于0时，Φ与μ₃趋向于线性关系，而当Δ较大时，Φ与μ₃之间为Φ＝(FS₃/L)μ₃下方一上凸的曲线，所以可能的情况下，应设法减小Δ，以降低Φ与μ₃之间的非线性；

2)μ₃较小的情况下，Φ与μ₃之间呈现较好的线性关系，所以，选择在初始磁导率区域进行材质检测时，Φ与μ₃之间可看作线性关系，从而大大简化检测电路。

研究表明，当若干个“铁磁性材料1”具有相同的外形尺寸和热处理状态时，“磁传感器5”和“磁传感器6”的输出与待测“铁磁性材料1”的含碳量等呈强相关性，而当若干个待测“铁磁性材料1”具有相同的外形尺寸和成分时，“磁传感器5”和“磁传感器6”的输出则与待测“铁磁性材料1”的热处理状态等呈强相关性，如果这种相关性在特定的区间具有单调性，则可以对“铁磁性材料1”的含碳量、硬度、热处理状态等进行较为精确的半定量检测分析。

上述双磁传感器测量方法中，“磁传感器5”和“磁传感器6”的型号参数完全相同，但是穿过两个磁传感器的磁场方向正好相反，所以当闭合回路中的磁场强度增加时，“磁传感器5”和“磁传感器6”的输出一个会增大，而另一个会变小，变化量大小相等、方向相反。在单磁传感器的情况下，当外部磁场为0时，磁传感器的输出通常是一个大于0的静态量，共模信号的存在会使得传感器的动态范围变小。本发明中双磁传感器的两个输出信号中包含了差模信号和共模信号，通过差分放大可以有效抑制共模信号，从而改善检测探头的性能指标。

图3为本发明材质检测探头的差分式信号处理示意图。其中有“磁传感器5”、“磁传感器6”及“差分放大器12”。“磁传感器5”和“磁传感器6”与“差分放大器12”直接相连，经过“差分放大器12”后，“磁传感器5”和“磁传感器6”中的共模信号被抑制，而差模信号则被放大，该放大了的信号是与“铁磁性材料1”直接相关，而和磁传感器的共模输出无关的量，因而可以显著改善检测探头的动态范围。

本发明材质检测探头的U型“导磁体2”和“励磁线圈3”也可以用具有恒定磁场的U型永磁体代替，采用该方案的材质检测探头亦属于本发明的权利要求和保护范围。

本发明为原创性、具有自主知识产权的检测传感器。本发明所提供的一种基于初始磁导率方法的材质检测探头可以很好地克服现有交流励磁检测方法中次级感生电压和初级励磁信号之间难以精确建模、励磁和检测电路复杂及容易串入干扰等不足，并具有较好的市场前景。

Claims (6)

1.一种基于初始磁导率方法的材质检测探头，其特征在于该材质检测探头包括“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“励磁线圈3”、“导磁回路4”、“磁传感器5”及“磁传感器6”。其中，“磁传感器5”及“磁传感器6”构成双磁传感器，两者型号参数完全相同，并通过贴装工艺与“导磁体2”构成一个刚性的整体，其端面与“铁磁性材料1”接触相连，“励磁线圈3”以缠绕方式固定在“导磁体2”上，“导磁回路4”位于“铁磁性材料1”、“导磁体2”、“磁传感器5”及“磁传感器6”构成的环形回路中。 

2.根据权利要求1所述的一种基于初始磁导率方法的材质检测探头，其特征在于所述的材质检测探头的U型“导磁体2”的两端为等长结构，并在两端分别贴装有“磁传感器5”及“磁传感器6”，贴装后端面保持在同一平面。 

3.根据权利要求1所述的一种基于初始磁导率方法的材质检测探头，其特征在于所述的材质检测探头的U型“导磁体2”上缠绕有“励磁线圈3”，以便在“励磁线圈3”中通入直流励磁电流后能够为导磁回路提供磁通势。 

4.根据权利要求1所述的一种基于初始磁导率方法的材质检测探头，其特征在于所述的材质检测探头，其“磁传感器5”及“磁传感器6”与“差分放大器12”相连，“差分放大器12”的输出中，来自“磁传感器5”及“磁传感器6”的共模信号被抑制，而与“铁磁性材料1”有关的差模信号被放大，显著改善了检测探头的动态范围。 

5.根据权利要求1所述的一种基于初始磁导率方法的材质检测探头，其特征在于所述的材质检测探头的“励磁线圈3”移除时，“导磁体2”为具有恒定磁场的永磁体。 

6.根据权利要求1所述的一种基于初始磁导率方法的材质检测探头，其特征在于所述的材质检测探头的“励磁线圈3”的励磁电流为0时，“导磁体2”为具有恒定磁场的永磁体。