CN112097634A - 一种渗碳层检测仪及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及检测设备技术领域，具体地说，是一种渗碳层检测仪及其检测方法，包括专用计算机，专用计算机内安装有控制模块，专用计算机通过线路连接到检测模块，渗碳层无损检测仪通过钢铁材料矫顽力表征其渗碳层深度值，并利用采集卡及相应模块完成励磁和矫顽力数据采集，通过组态软件构建实时监控画面，从而实现了在不损坏试件材质、结构的前提下对钢铁件渗碳层深度进行检测，填补同类型无损检测仪器在国内市场上的空白，具有广泛的应用前景。渗碳层无损检测仪利用测试线圈和电子积分器完成磁感应强度的测量，测量结果稳定可靠，克服了现有系统利用霍尔传感器测量时测量范围窄，容易磁饱和的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及检测设备技术领域，具体地说，是一种渗碳层检测仪及其检测方法。
背景技术
热处理是通过改变材料的组织、成分以改变材料性能的加工工艺。在热处理生产过程中必须进行材料的混料分选、硬度检测、淬硬层深度检测、渗碳层深度检测等。目前渗碳层深度的测量方法主要有断口法、显微硬度法和金相法等三种方法。上述方法需要破坏零件、检查速度慢、精度低、不易实现自动化和计算机处理。
铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。作为描述各种铁磁物质特性的磁特性参数分为静态和动态两类。其中，静态磁特性是指磁性材料使用直流磁场磁化测得的磁特性；它包括基本磁化曲线、磁滞回线、剩磁、矫顽力等。其中，磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁感应强度B与磁场强度H之间星现磁滞回线关系。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起能损耗，经一次循环，于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，而对磁滞损耗的分析可以通过对磁滞回线面积的测量得到，因此铁磁材料的磁滞回线是其一个很重要的参数。
目前静态磁特性的主要测量方法主要有利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法；利用冲击电流计和螺线管测量矫顽力的抛脱法和直流磁滞回线仪法三种。
利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法是最基本的测量方法。只要能加工成闭路磁环的样品都可以进行测试，它采用换向直流电源和冲击检流计对每个测试点进行记录，通过计算和在坐标纸上进行磁场强度H以及磁感应强度B的描绘，得到相应的磁特性参数。这种方法容易掌握，但是它需要进行逐点测试，工作繁重、速度慢、误差大，且要求测试样品制成环形试样，在测试前进行严格的退磁到中性状态。
利用冲击电流计和螺线管测量矫顽力的抛脱法在测试前先将样品进行饱和磁化， 然后磁场反向，在某磁场下，将样品从螺线管中拉开，如此时的外接冲击检流计无偏转，此时对应的反向磁场就是样品的矫顽力。此种方法存在问题是方法比较复杂、被测工件的尺寸受螺线管内径尺寸的限制、由于是开环法测量磁特性参数故存在由于地磁产生的测量误差。
直流磁滞回线仪法的测试原理与利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法的原理一样，主要是采用了积分器控制，因此比手工测试速度快、结果直观也使用方便。如中国专利文献CN 1456901A公开的一种《软磁材料特性的测量装置》，它包括闭合环状的软磁材料，绕在其上的磁化线圈和探测线圈，磁化线圈与取样电阻、可变电阻及由换向开关或继电器控制的可调直流电源串联构成磁化回路，探测线圈与电子积分器构成测量回路。取样电阻两端和电子积分器输出端与信号调理模块、模数转换电路连接，转换后的数字信号通过计算机的并口或串口卡与计算机连接。这种方法作为对普通冲击法的改进，比较方便操作，但是仍然存在要求测试样品制成环形试样，在测试前进行严格的退磁到中性状态的缺陷，适用范围有限，不利于推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能在不损坏试件材质、结构的前提下对钢铁件渗碳层深度进行检测的无损检测仪，其检测方法就是在测量前无须进行严格退磁且不受待测材料形状影响的静态磁特性测量方法。
本发明采用的具体技术方案：
一种渗碳层检测仪，包括专用计算机，专用计算机内安装有控制模块，专用计算机通过线路连接到检测模块，专用计算机还包括用于输出数据的显示装置和用于输入数据的输入装置。
其中，检测模块包括铁芯，以及分别缠绕在铁芯两端的励磁线圈和检测线圈；控制模块包括直流稳压电源、采集卡、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器、换向器、数字电压表、航空插头、前置放大器、电子积分器和总线；控制模块通过采集卡和航空插头分別与计算机和检测模块联接；直流稳压电源与采集卡电连接；采集卡、D/A转换器和A/D转换器通过总线连接；功率放大器的输入端和输出端分别与D/A转换器和换向器电连接；换向器与采集卡的I/O端口电连接；数字电压表的输入端与换向器和航空插头电连接；前置放大器的输入端和输出端分别与航空插头和电子积分器电连接；电子积分器的输入端和输出端分别与前置放大器和A/D转换器电连接。
本发明还披露了一种渗碳层检测方法，使用上述的渗碳层检测仪，具体包括以下步骤：
步骤一：在待测材料的表面上放置一个门字型的磁铁，在磁铁上绕置一个励磁线圈；
步骤二：对励磁线圈通以直流电，使磁铁与待测材料组成一个闭合磁路；
步骤三：增大电流，使待测材料正向饱和磁化；然后通入反向电流，使待测材料反向饱和磁化；再将电流反向，使待测材料再次正向饱和磁化，得到在以代表磁场强度H为横坐标和代表磁感应强度B为纵坐标组成的坐标系中的H-B闭合曲线；
步骤四：上下平移横坐标H，使步骤三中的H-B闭合曲线在新坐标系中关于原点对称。
其中，步骤三按照以下流程进行：
（1）增大电流，使待测材料饱和磁化，得到饱和磁场强度HS+和饱和磁感应强度Bs+；
（2）通入反向电流对待测材料进行退磁，得到磁场强度为0时的磁感应强度验以及磁感应强度为0时的磁场强度He-；
（3）继续增大反向电流，使待测材料反向饱和磁化，得到反向饱和磁场强度HS和反向饱和磁感应强度HS-；
（4）再将电流反向，得到磁场强度为0时的磁感应强度Bl以及磁感应强度为0时的磁场强度He+；
（5）继续增大电流，使待测材料再次正向饱和磁化至饱和磁感应强度He+。
步骤一中，在磁铁的一端放置霍尔元件，霍尔元件用于将磁信号转换成电压信号，从而测量岀闭合磁路中的磁感应强度。
上述方法中使用到的磁铁为矫顽力小的软磁铁；电流换向通过开关或继电器实现；电流的大小通过数控电源连续逐步改变；闭合磁路中的电流与磁场强度H对应；将与H、B对应的电流、电压信号接到信号调理模块、模数转换电路中，经过放大、数字化处理后，在计算机上实时显示测量曲线和测量数据。
本发明的有益效果：
（1）渗碳层无损检测仪通过钢铁材料矫顽力表征其渗碳层深度值，并利用采集卡及相应模块完成励磁和矫顽力数据采集，通过组态软件构建实时监控画面，从而实现了在不损坏试件材质、结构的前提下对钢铁件渗碳层深度进行检测，填补同类型无损检测仪器在国内市场上的空白，具有广泛的应用前景。
（2）渗碳层无损检测仪利用测试线圈和电子积分器完成磁感应强度的测量，测量结果稳定可靠，克服了现有系统利用霍尔传感器测量时测量范围窄，容易磁饱和的缺点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中控制模块的结构框图。
图3是本发明中检测模块的结构框图。
图中，1-检测模块，2-控制模块，3-显示装置，4-输入装置，11-铁芯，12-励磁线圈，13-检测线圈，21-直流稳压电源，22-采集卡，23-D/A转换器，24-A/D转换器，25-功率放大器，26-换向器，27-数字电压表，28-航空插头，29-前置放大器，210-电子积分器，211-总线。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1、图2和图3所示，一种渗碳层检测仪，包括专用计算机，专用计算机内安装有控制模块2，专用计算机通过线路连接到检测模块1，专用计算机还包括用于输出数据的显示装置3和用于输入数据的输入装置4。
其中，检测模块1包括铁芯11，以及分别缠绕在铁芯11两端的励磁线圈12和检测线圈13；控制模块2包括直流稳压电源21、采集卡22、D/A转换器23、A/D转换器24、功率放大器25、换向器26、数字电压表27、航空插头28、前置放大器29、电子积分器210和总线211。直流稳压电源21与采集卡22电连接。采集卡22、D/A转换器23和A/D转换器24通过总线211连接。功率放大器25的输入端和输出端分别与D/A转换器23和换向器26电连接。换向器26与采集卡22的I/O端口电连接。数字电压表27的输入端与换向器26和航空插头28电连接。前置放大器29的输入端和输出端分别与航空插头28和电子积分器210电连接。电子积分器210的输入端和输出端分别与前置放大器29和A/D转换器24电连接。
检测模块1与控制模块2的航空插头28联接。控制模块2的采集卡22通过RS232接口与专用计算机联接。
励磁线圈12通电后产生磁场用于测试丁件矫顽力。检测线圈13用于检测磁感应强度B的变化率，即检测线圈13的电压V。直流稳压电源21用于提供系统所需的直流电压，包括功率放人器25、电子积分器210和数字电压表27所需的直流电源。采集卡22通过软件编程控制D/A转换器23产生所需的励磁电压，通过软件编程控制A/D转换器24采集电子积分器210输出的电压变化，并完成系统误差的标定。D/A转换器23通过采集卡22控制其产生励磁电压。A/D转换器24用于采集电子积分器210的输出并将实时数据传输给采集卡22。功率放大器25完成电压或电流信号的放大以满足系统对励磁电流的要求。换向器26完成 D/A转换器23输出电压的换向控制以便通过励磁线圈12产生交变磁场。数字电压表27用于显示励磁电压的实时显示。前置放大器29对检测线圈13的电压信号进行放大以满足电子积分器210的输入要求。电子积分器210将检测线圈13的电压V进行积分运算得到磁感应强度B的实时数据。
本实施例的主要工作原理是利用直流矫顽力法和剩磁法原理，非破坏性的检查钢铁件热处理质量。
一种渗碳层检测方法，使用上述的渗碳层检测仪，具体包括以下步骤：
步骤一：在待测材料的表面上放置一个门字型的磁铁，在磁铁上绕置一个励磁线圈；
步骤二：对励磁线圈通以直流电，使磁铁与待测材料组成一个闭合磁路；
步骤三：增大电流，使待测材料正向饱和磁化；然后通入反向电流，使待测材料反向饱和磁化；再将电流反向，使待测材料再次正向饱和磁化，得到在以代表磁场强度H为横坐标和代表磁感应强度B为纵坐标组成的坐标系中的H-B闭合曲线；
步骤四：上下平移横坐标H，使步骤三中的H-B闭合曲线在新坐标系中关于原点对称。
其中，步骤三按照以下流程进行：
（1）增大电流，使待测材料饱和磁化，得到饱和磁场强度HS+和饱和磁感应强度Bs+；
（2）通入反向电流对待测材料进行退磁，得到磁场强度为0时的磁感应强度验以及磁感应强度为0时的磁场强度He-；
（3）继续增大反向电流，使待测材料反向饱和磁化，得到反向饱和磁场强度HS和反向饱和磁感应强度HS-；
（4）再将电流反向，得到磁场强度为0时的磁感应强度Bl以及磁感应强度为0时的磁场强度He+；
（5）继续增大电流，使待测材料再次正向饱和磁化至饱和磁感应强度He+。
步骤一中，在磁铁的一端放置霍尔元件，霍尔元件用于将磁信号转换成电压信号，从而测量岀闭合磁路中的磁感应强度。
上述方法中使用到的磁铁为矫顽力小的软磁铁；电流换向通过开关或继电器实现；电流的大小通过数控电源连续逐步改变；闭合磁路中的电流与磁场强度H对应；将与H、B对应的电流、电压信号接到信号调理模块、模数转换电路中，经过放大、数字化处理后，在计算机上实时显示测量曲线和测量数据。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种渗碳层检测仪，其特征在于，包括专用计算机，所述专用计算机内安装有控制模块，所述专用计算机通过线路连接到检测模块，所述专用计算机还包括用于输出数据的显示装置和用于输入数据的输入装置。
2.根据权利要求1所述的渗碳层检测仪，其特征在于，所述检测模块包括铁芯，以及分别缠绕在铁芯两端的励磁线圈和检测线圈。
3.根据权利要求2所述的渗碳层检测仪，其特征在于，所述控制模块包括直流稳压电源、采集卡、D/A转换器、A/D转换器、功率放大器、换向器、数字电压表、航空插头、前置放大器、电子积分器和总线；所述控制模块通过采集卡和航空插头分別与计算机和检测模块联接；所述直流稳压电源与采集卡电连接；所述采集卡、D/A转换器和A/D转换器通过总线连接；所述功率放大器的输入端和输出端分别与D/A转换器和换向器电连接；所述换向器与采集卡的I/O端口电连接；所述数字电压表的输入端与换向器和航空插头电连接；所述前置放大器的输入端和输出端分别与航空插头和电子积分器电连接；所述电子积分器的输入端和输出端分别与前置放大器和A/D转换器电连接。
4.一种渗碳层检测方法，其特征在于，使用如权利要求3所述的渗碳层检测仪，具体包括以下步骤：
步骤一：在待测材料的表面上放置一个门字型的磁铁，在磁铁上绕置一个励磁线圈；
步骤二：对励磁线圈通以直流电，使磁铁与待测材料组成一个闭合磁路；
步骤三：增大电流，使待测材料正向饱和磁化；然后通入反向电流，使待测材料反向饱和磁化；再将电流反向，使待测材料再次正向饱和磁化，得到在以代表磁场强度H为横坐标和代表磁感应强度B为纵坐标组成的坐标系中的H-B闭合曲线；
步骤四：上下平移横坐标H，使步骤三中的H-B闭合曲线在新坐标系中关于原点对称。
5.根据权利要求4所述的渗碳层检测方法，其特征在于，所述步骤三按照以下流程进行：
（1）增大电流，使待测材料饱和磁化，得到饱和磁场强度HS+和饱和磁感应强度Bs+；
（2）通入反向电流对待测材料进行退磁，得到磁场强度为0时的磁感应强度验以及磁感应强度为0时的磁场强度He-；
（3）继续增大反向电流，使待测材料反向饱和磁化，得到反向饱和磁场强度HS和反向饱和磁感应强度HS-；
（4）再将电流反向，得到磁场强度为0时的磁感应强度Bl以及磁感应强度为0时的磁场强度He+；
（5）继续增大电流，使待测材料再次正向饱和磁化至饱和磁感应强度He+。
6.根据权利要求5所述的渗碳层检测方法，其特征在于，所述步骤一中，在磁铁的一端放置霍尔元件，霍尔元件用于将磁信号转换成电压信号，从而测量岀闭合磁路中的磁感应强度。
7.根据权利要求6所述的渗碳层检测方法，其特征在于，所述磁铁为矫顽力小的软磁铁。
8.根据权利要求7所述的渗碳层检测方法，其特征在于，所述电流换向通过开关或继电器实现；所述电流的大小通过数控电源连续逐步改变；闭合磁路中的电流与磁场强度H对应；将与H、B对应的电流、电压信号接到信号调理模块、模数转换电路中，经过放大、数字化处理后，在计算机上实时显示测量曲线和测量数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201218 |