CN108351325A - 用于观察材料体积的磁场的方法和设备以及设备的应用 - Google Patents

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CN108351325A CN201680063682.8A CN201680063682A CN108351325A CN 108351325 A CN108351325 A CN 108351325A CN 201680063682 A CN201680063682 A CN 201680063682A CN 108351325 A CN108351325 A CN 108351325A
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Abstract

本发明涉及一种用于观察材料体积的磁场的方法，所述方法尤其用于在尤其以磁的方式、以机械的方式、以热的方式和/或以电的方式激励工件的材料体积的条件下确定工件的特性，其中以高频率分辨率来检测材料体积的作为时间和频率的函数的磁场。

Description

用于观察材料体积的磁场的方法和设备以及设备的应用
技术领域
本发明涉及根据权利要求1、10或13的前序部分所述的用于观察材料体积的磁场的方法和设备以及设备的应用。
背景技术
为了观察材料体积的磁场以确定工件的特性，使用霍尔传感器或电感等。在此，检测磁场对磁激励的反应的时间变化。从所产生的磁场的时间变化中能够推断出工件的特性。
从现有技术中已知的方法和设备在此集中于宏观磁效应作为时间的函数。
例如，从US 4634976 A中已知，通过磁激励工件以评估巴克豪森噪声来识别材料缺陷。类似的现有技术从US 4977373 A和US 20130276546 A1中已知。
在已知的方法中，仅在振幅-时间范围中检测和评估宏观磁效应。
所有已知的方法和设备存在如下缺点，仅能够不充分地对工件进行评估。
发明内容
以此为出发点，本发明基于的目的是，实现根据权利要求1、10或13的前序部分所述的、更精确的、用于观察材料体积的磁场的方法和设备以及设备的应用。
所述目的根据权利要求1、10或13的特征来实现。
据此，实现一种用于观察材料体积的磁场的方法，所述方法尤其用于在以磁的方式、以机械的方式、以热的方式和/或以电的方式等激励工件的材料体积的条件下确定工件的特性，其中以高频率分辨率来检测材料体积的作为时间和频率的函数的磁场。由于在时间和/或频率轴中的高频率分辨率，微磁效应的精确的检测是可能的，这允许对材料特性的更精确的定性推断。
优选地，检测对激励的微磁反应。
此外，能够检测对激励的反应的速度。
激励的和/或检测的频率和/或时间分辨率优选根据材料体积中的微磁效应来选择。
能够借助交变磁场和/或交变电场和/或静态场和/或借助于涡流感应和/或通过材料加工、如感应淬火和/或通过施加交流电流或直流电流和/或施加交流电压和/或直流电压进行激励。
材料在激励和/或检测时能够相对于传感器和/或激励设备是位置固定的或相对于传感器和/或激励设备移动。
激励源的频率能够变化，尤其能够经过频率范围。
能够使用多个激励设备和/或多个磁场传感器。
本发明还实现一种用于观察材料体积的磁场的设备，所述设备尤其用于在以磁的方式和/或以电的方式激励工件的材料体积的条件下确定工件的特性，其中设有传感器，所述传感器用于以高频率分辨率来检测材料体积的作为时间和频率的函数的磁场。
优选地，激励设备设为用于以电的方式和/或以磁的方式激励工件的材料体积。
本发明还实现、涉及和/或能够实现：
-识别铁氧体材料中的裂纹
-识别铁氧体材料中的缩孔或异物夹杂物
-在冷却铁氧体材料时评估结晶作用
-施加构件的磁化图
-将样本构件的磁化图与其他构件进行比较，以进行质量评估
-识别材料中的硬度缺陷或硬度变化
-识别铁氧体材料上的淬火深度和淬火梯度
-识别铁材料和其他铁氧体材料中的粒状结构或晶粒结构
-通过交变磁场产生铁氧体材料的磁化，所述交变磁场的时间变化曲线针对各个外斯畴的均匀的重新定向序列优化
-通过引导材料经过静磁场产生磁化，使得所有晶粒经受外部磁场的相同的梯度
-借助较慢的时间上高分辨率的用于检测的测量来校准对铁氧体材料的磁化的快速的测量
-在唯一的磁化之后描述材料体积的磁化性能
-在唯一的磁化之后描述材料体积的机械特性
-在未在整个体积中达到磁饱和的条件下，描述材料体积的磁化性能
-根据各个晶粒的磁化特性来确定铁氧体材料的合金组成部分
-将短时FFT和其时间评估构成的组合用于分析所有位于材料体积中的外斯畴的磁化特性
-将短时FFT和其时间评估构成的组合用于分析所有位于材料体积中的外斯畴的磁化特性，所述外斯畴以根据在外部磁场中的位置和大小整理的方式组成特定的组
-将短时FFT和其时间评估构成的组合用于产生材料区域的或构件的磁化图。
附图说明
图1图解说明根据现有技术的在磁激励之后的时间磁场变化曲线的检测。
图2在频率-时间图表中图解说明磁场变化曲线的根据本发明的多维的检测。
图3示出图2中的具有频率、时间和振幅变化曲线的主发射。
图4示出图3中的具有在时间轴上的投影的主发射。
图5示出图3中的具有在频率轴上的投影的主发射。
图6至9示出其他实施方式。
具体实施方式
磁场的分析
分析磁场的波动。
借助适合的传感器、电感、霍尔传感器等测量场。传感器的频带宽度应是尽可能高的。优选的是直至1MHz、3MHz、50MHz、100MHz、1GHz、10GHz的频率。上限频率与质量分辨率相关联，即极限频率越高，能够检测越小的磁结构。在GHz范围中能够检测各个偶极子的磁场的变化。就此而言，存在上限频率和材料的晶粒结构之间的关联关系。
测量信号优选经受多个短时FFT，使得能够对宽带的频率相关性在任意时刻和也以其时间序列进行描述。
可考虑详细描述时间上的和数量上的磁场变化的其他变换。用于脉冲分析的算法产生所需要的信息。
适宜地，为测量评估大约六千四百万个测量值。但是，10倍的更高的数据量也能够是令人感兴趣的。
铁原料的微结构的分析
铁作为铁磁体材料在每个外斯畴中构成磁偶极子。
所述偶极子能够通过施加外部磁场沿所述外部磁场的方向重新定向。借助微型偶极子枢转到外部磁场的方向上，将所述外部磁场的强度提高，直至最终所有微型偶极子位于外部磁场的方向上。
为了克服在微型偶极子中存在的磁矩，一定的反向的磁场强度是必需的。最靠近场源的偶极子经受最大的力。越多微型偶极子重新定向，沿外部场的方向产生的场强就越大。
因此，也能够将距离更远的微型偶极子重新定向。
磁场的变化产生电流，所述电流的变化产生相反的磁场。外部磁场的变化速度越大，感生的反作用力也越大，这使距离较远的微型偶极子的重新定向变慢。
借助磁场变化的非常灵敏的测量，能够分解微型偶极子的重新定向的效应。
通过将外部磁场限制于特定的材料体积，那么能够做出关于所述材料体积的结构和特性的结论。通过距离更远的结构触发的效应能够由于其少的数量而忽略。因为外斯畴、也就是说分别具有FE电子自旋的一致的定向进而为磁性微型偶极子的材料体积同时也具有机械方面令人感兴趣的特性，所以由磁性特性能够推断出一些机械特性。
微晶在铁质材料中的大小分布也描述抗拉强度和抗压强度。
如果铁晶粒的准确的尺寸和空间扩展是已知的，那么能够做出关于材料的机械特性的精确的结论。
有意地或无意地引入到铁中的元素改变材料的机械的、电的和还有磁的特性。
如果应使用经淬火的铁质材料，那么广泛地应用含碳的钢。碳在铁中的具体分布、晶粒的大小分布、所有可用的碳原子在铁晶格中的完全的或不完全的嵌入、元素碳在材料中的存在等对材料的特性产生影响。
类似内容适用于其他重要的合金元素或干扰元素，所述合金元素或干扰元素无意地到达材料中。
为了分析应用多种不同的方法。
限定的横截面或面的压力和拉力检查以及完成的构件的负载检查。
用显微镜检查材料样品，以描述不同的合金组成部分的嵌入和晶体结构。
X射线、涡流测量作为不进行破坏的检验的实例。
已知的是施加交变磁场，和在重复地经过磁滞曲线时，即在外部磁场重复地变换极性时，确定各个磁性特征值。特征值确定为稳态的平均值。
与此不同，根据本发明的评估优选基于唯一的磁化的振幅、时间和频率分布。在根据本发明的频率-时间分析中，经过一半的磁滞曲线已经提供关于被检验的材料的信息。如果完全地经过磁滞曲线，参见图2的正弦形的磁激励的实例，或检测到多次经过，那么测量结果的结论置信度提高。
激励能够如下优化：磁滞曲线尽可能平坦。由此磁化过程持续更长时间并且是更有说服力的。因此，本发明优选提出，尤其测量匹配地优化激发曲线。
测量结果的结论置信度能够通过重复提高，在此但是涉及测量错误的减少。
根据本发明，能够分析磁场变化的频率分布和与频率相关的振幅突变，并且从中确定外斯畴的大小分布。
如果磁场变化的扫描速度大于各个外斯畴的重新定向的平均速度，那么能够进行各个畴和其大小与磁场强度的位置的关联，因为在较高场强度的区域中的畴首先重新定向。
磁场强度或场强的变化速度能够改变，以便逐渐地添加关于更深的材料层的信息，进而得到外斯畴的平均大小的深度分布。
借此，生成对材料的硬度和强度分布的描述以及对材料缺陷的分布的描述，只要这对微型偶极子的特性产生影响。
实例：
平均晶粒大小为10μm^3。重要的场大小是4×8×2mm，即64mm^3。于是总计影响64*10^6个微型偶极子。
在扫描率为100MHz和直至饱和磁化的时间为一秒时，能够描述各个偶极子的磁场增长。
各个电子的电子自旋轴线的定向的变化仅能够以特定的量化进行。
在外斯畴之内的相邻的电子是磁性相互定向的，即具有全部协调的自旋轴线方向。如果一些电子的自旋轴线开始突然转动，那么这造成所有相邻的、本来经受类似的外部磁场强度的电子加速地改变方向。借此，如果所述折叠过程的速度是最大的，那么这造成磁场以匹配的外斯畴的磁场的数量级关于外部磁场的方向近似脉冲式地升高。通过我们的评估刚好检测外斯畴的这种快速的变化，所述变化叠加于整个磁场。
随着匹配的或尽可能匹配的微型偶极子的数量增加，所产生的总磁场越来越快地增长。
通过外部磁场的灵巧的变化，能够补偿所述雪崩效应，使得实现场强增长的尽可能线性的变化曲线，其中所述雪崩效应随后在总磁场的磁滞曲线的变化曲线中反映出来。
之后存在优选的意图：在给出最大扫描率时，实现所有包含在所观察的体积中的晶粒的折叠性能的尽可能好的分辨率。
如下晶粒不能够在其转动性能中不同，所述晶粒在其内部的磁场定向和外部磁场之间具有相同的空间角差并且处于外部场的相同场强的区域中。附加地，所述晶粒还经受包围其的晶粒的作用，所述包围其的晶粒同样整体上、但是也在微区域中改变磁场。尽管如此，可能存在如下晶粒，所述晶粒的性能不能够分开。就此而言，使用如下测量结果同样显得是有意义的，所述测量结果不描述所有分辨率，而是描述磁场变化的总效应。
本发明能够利用所述方式，以便在明显更短的时间中执行测量。在所有晶粒影响的完全检测和非常快的测量之间实现折中。
也可考虑的是，借助新型材料执行高分辨率的测量，并且将所述结果随后用于校准明显更快但是更低分辨率的测量。
所述方法需要在材料体积中变化的磁场。这例如能够通过施加磁场来实现，所述磁场的强度在期望的时间段之内变化，和/或通过如下方式实现：将材料移动穿过静态磁场。
如果材料的晶粒结构(例如由于其他硬度状态)应变化，那么这在磁场增长的变化的分布中反映出来。借此，本发明实现如下可能性：例如在生产工艺之内也对移动的材料执行测量。
测量探针能够安置在拉丝设备或其他连续造型设备中，以便对材料在其整个长度上在造型期间对偏差进行分析，并且得到关于实际的强度和其他机械特性的信息。
通过应用重复测量能够分析材料的不同的体积元件，例如在淬火工艺中冷却时同样能够检验时间变化。
借此，能够观察材料中的结晶效应的进程和低于居里温度。
测量探针能够直接装入用于热造型和钢板淬火的造型工具中，并且能够在原位观察结晶进而淬火的过程。
除了分析材料的晶粒结构以外，在如下情况下也能够探测宏观缺陷、如裂纹或缩孔：所述宏观缺陷位于磁场分析的范围中。
通过快速的测量，本发明能够实现完全地扫描构件表面或构件层。
尤其针对边缘层淬火的钢，直至淬火深度的分析是非常有用的。刚好所述材料区域不仅通过淬火工艺、而且之后在构件利用中特别负载。
对于批量生产的构件能够分别创建磁场变化图，所述磁场变化图在扫描重要的材料层期间得到。于是能够将每个另外的构件的性能与所述图进行比较并且直接记录偏差。
根据本发明的方法例如适合于探测在磨光的表面中的新淬火区，如所述新淬火区在轴承或齿轮生产中出现。
实例
图1图解说明在通过在铁磁体的材料样品上施加正弦状调制的外部磁场进行磁激励之后的磁场H的时间变化曲线。示出所产生的磁场的变化的AC部分。(具有大约1000Hz的极限频率的高通，扫描频率50MHz，降采样至6MHz)正弦周期可识别地位于50Hz。示出完整地经过磁滞特征曲线。现有技术的方法局限于所述评估。
图2是在根据本发明的时间-频率范围中的视图，所述时间-频率范围在频率范围中具有高频率分辨率，使得可识别微磁效应。除了两个主发射场以外，可见多个典型的副发射，所述主发射场中的每个与在此磁激励脉冲相关联。频率-时间图表形成指纹，从所述指纹中可推导出关于微磁过程的结论。
图3示出图2中的具有频率、时间和振幅变化曲线的主发射。
图4A示出具有在时间轴上的投影的主发射。图4B至4D示出替选的信号形状。因此，在任意的、也非磁性的激励下，能够从信号形状中推断出材料特性。信号形状是否上升比下降更陡峭，图4B，或者上升比下降更平缓，图4C，或者具有两次振荡(图4D、4E)或多次振荡，对于说明材料、工具或工艺特性的特征是有说服力的。尤其，从信号形状是否如在图4中或在图2的剖面中投影的或如在图2、3中多维地评估的那样，能够得到涉及材料硬度、固有应力、组织结构、合金组成部分等的信息。
图5示出具有在频率轴上的投影的主发射。
适宜地，激励的频率改变或根据评估目的不同地选择。在频率高时，与在频率低时相比，到材料中的进入深度更小。就此而言，适宜的能够是，在激励时穿过频率范围，以便与材料的深度相关地检测材料特性。
例如，在图6中示出的实施例中，能够借助于磁场传感器1来扫描旋转的轮2、例如火车的轮胎或面状的材料3、例如板的表面，以创建相应的表面的材料特性分布，尤其硬度或强度分布，其中有利地材料特性能够作为距表面的间距的函数来检测。
根据本发明的方法也可用于判断焊缝。因此，在扫描焊缝时能够得到关于焊缝质量、强度等的尤其深度分级的结论，并且可识别缺陷，如例如裂纹。
根据本发明的方法、设备和应用可特别有利地在工艺监控中使用。
例如，在拉丝时，沿着箭头5从拉丝设备中拉出的金属丝4能够沿着一个磁场传感器6或多个磁场传感器6’移动，以检测由磁场传感器检测的材料体积的磁场。激励适宜地通过设备7例如以磁化8的形式进行。沿拉动方向5位于下游的设备7’能够设为用于消磁8’。
代替金属丝4，面状的材料、例如钣金4也能够引导经过磁场传感器6。
散装物料9、例如螺丝能够沿着箭头10随着重力下落通过设备7并且在此由磁场传感器6检测，参见图8。
设备(多个设备)7、7’……和磁场传感器(多个磁场传感器)6、6’……通常能够沿着任意的材料路径设置。
工艺监控的这些变型形式的共同点是：在静态磁场传感器布置中，连续的材料流能够实现基本上完整的检查。能够检测材料的硬度、密度波动、表面波度、金属丝直径等。
在前述实例中优选以磁的方式和/或以电的方式进行的激励也能够以其他方式执行。
因此，对工件的机械作用、尤其塑性的和/或弹性的造型或切削加工等尤其在铁磁体材料或顺磁材料或金属材料中引起可检测的磁场变化。示例性地在图9中示出具有塑性的和可能弹性的造型12和磁场传感器6的拉丝设备11。通过根据本发明检测和评估由于造型12所产生的磁场，可检测造型的质量。也可确定厚度变化、表面波度或缺陷以及金属丝撕裂等。
本发明的所有实施方式优选可与铁磁体材料、但是也与顺磁材料或与非磁性材料一起应用。如果例如图7中的板4由塑料构成，那么经由设备7和传感器6基于板4的衰减性能能够得到板4的关于厚度、缺陷如孔或材料夹杂物或密度变化或裂纹等、表面波度等的结论。在现代的复合塑料或掺有颗粒的塑料中，同样可应用本发明。在此，例如能够监控复合物的质量、颗粒密度、颗粒分布的均匀度，以及在面状的复合材料或夹杂物等的情况下识别缺陷，如错误的连接和分离。
另一应用是在淬火、尤其加压淬火中的工艺监控。在此材料的造型和/或加热用作为激励。磁场在冷却期间或在造型期间和在造型之后改变。通过检测磁场，能够观察和评估结晶过程。关于结晶度和组织结构的结论是可能的，或能够检测如下时刻，在所述时刻，材料可从模具中脱离，因为淬火工艺结束。此外，已经提到的信息、如缺陷(在冷却时的裂纹形成，也涉及微裂纹、断裂等)是可获得的，并且工艺优化通过在工艺参数变化期间检测材料参数作为时间、造型速度或分布等的函数是可能的，工艺参数为温度、造型压力、加热速度、冷却速度、温度分布。
在评估方面，本发明优选提出，借助特征值矢量工作。特征值矢量在此是由各个值如频率分布、单峰值或多峰值、峰值的斜率、磁场等构成的n元组。这种特征值矢量能够对已知的特性作为样本记录，并且随后与在检查中检测的特征值矢量进行比较，以确定材料特性和/或工艺特性。

Claims (15)

1.一种用于观察材料体积的磁场的方法，所述方法尤其用于在尤其以磁的方式、机械的方式、热的方式和/或电的方式激励工件的材料体积的条件下确定工件的特性，
其特征在于，
以高频率分辨率来检测所述材料体积的作为时间和频率的函数的所述磁场。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
使用铁磁体工件，并且在经过一半磁滞曲线、整个磁滞曲线或多个依次相随的磁滞曲线期间检测所述磁场。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
检测对所述激励的微磁反应，和/或根据所述材料体积中的微磁效应来选择所述激励的和/或所述检测的频率分辨率和/或时间分辨率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
检测对所述激励的反应的速度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其特征在于，
借助交变磁场和/或交变电场和/或静态场和/或借助于涡流感应和/或通过材料加工、如例如感应淬火和/或通过施加交流电流或直流电流和/或施加交流电压和/或直流电压和/或通过材料变形来进行所述激励。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述材料在所述激励和/或所述检测时相对于传感器和/或激励设备是位置固定的。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述材料在所述激励和/或所述检测时相对于传感器和/或激励设备移动。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
其特征在于，
激励源的频率发生变化，尤其是经过频率范围发生变化。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，
其特征在于，
使用多个激励设备和/或多个磁场传感器。
10.一种用于观察材料体积的磁场的设备，所述设备尤其用于在尤其以磁的方式、机械的方式、热的方式和/或电的方式激励工件的材料体积的条件下确定工件的特性，
其特征在于，
设有传感器，所述传感器用于以高频率分辨率来检测所述材料体积的作为时间和频率的函数的所述磁场。
11.根据权利要求10所述的设备，
其特征在于，
设有激励设备，所述激励设备用于以电的方式、以机械的方式、以热的方式和/或以磁的方式激励所述工件或所述工件的材料体积。
12.根据权利要求10或11所述的设备，
其特征在于，
设有评估装置，所述评估装置用于在频率-时间谱中三维地评估所述磁场。
13.一种根据权利要求10至12中任一项所述的设备的应用，所述设备用于工艺监控，尤其用于检查连续输送的和/或制造的丝状的或面状的材料或散装物料，尤其在拉丝时使用。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的设备的应用，所述设备用于测量表面的硬度和/或刚性分布，所述表面尤其是具有圆形直径或焊缝的工件的表面。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法、设备或应用，
其特征在于，
具有检测的信号形状与材料特性、如例如硬度、固有应力、组织结构、合金组成部分的关联关系。
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