CN113376204A - 一种金属环检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属环检测方法，所述方法包括以下步骤：将工频交流电转换成高频电流；将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场。将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而所述待测金属环中形成热能；获取待测金属环表面的热辐射场强度；根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息，其中本发明还提供了用于实施上述方法的装置，本发明能够实现对任何金属材质的环状零件或圆筒状零件进行无接触式检测，避免了对待测零件的二次损伤和侵入式伤害，同时检测结构简单，方法灵敏度高，易于操作，提高了检测效率和灵敏度。

Description

一种金属环检测方法及装置

技术领域

本发明涉及器件检测领域，特别涉及一种金属环检测方法及装置。

背景技术

当今工业生产中，各种机械设备90％的材料都是金属制作，金属的选择不当或使用不当或造成材料的过早失效，严重的可能会发生重大事故。金属探伤技术应运而生。现有的探伤技术有超声检测技术、射线检测技术、渗透检验技术等。

脉冲反射式超声波探伤技术利用了缺陷在材料中造成的声阻抗差异来进行检测，但缺点是要求表面平滑，对厚度没有直观性，且适合于厚度较大的零件检验；X射线探伤技术的灵敏度较低、成本高且周期性较长，且仪器较为笨重、效率低下，X射线对人体有一定损伤；渗透检验技术是一种基于毛细作用为原理基础的检查表面开口缺陷的检测方法，但渗透技术不适用于检测外来因素造成的开口缺陷。

因此需要新的技术方案来解决现有技术中的问题。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种金属环检测方法及装置，能够实现对金属材质的环状零件或圆筒状零件进行无接触、无损伤、无侵入的高效检测。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供一种金属环检测方法，所述方法包括以下步骤：

将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而形成热能；

获取待测金属环表面的热辐射场强度；

根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息。

所述将待测金属环置于交变磁场中之前还包括步骤：

将工频交流电转换成高频电流；

将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场。

进一步地，所述电磁铁的磁芯为软磁材料。

作为可选地，所述软磁材料包括铁硅合金以及软磁铁氧体。

具体地，所述待测金属环的圆面与所述交变磁场的磁感线方向垂直。

进一步地，所述根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息包括：

根据所述热辐射场强度，获得连续的热辐射模拟量；

根据所述连续的热辐射模拟量，获得离散的热辐射数据值；

基于所述离散的热辐射数据值，建立垂直的不连续图像成像和水平的不连续图像成像，并叠加形成不连续图像的成像；

根据所述不连续图像的成像，确定所述待测金属环的缺陷信息。

另一方面，本发明还提供一种金属环检测装置，所述装置用于实施上述提供的方法，所述装置包括：

感应电流产生模块，用于将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而形成热能；

热辐射场强度获取模块，用于获取待测金属环表面的热辐射场强度；

缺陷确定模块，用于根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息。

进一步地，所述装置还包括：

变频模块，用于将工频交流电转换成高频电流；

交变磁场产生模块，用于将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场。

作为可选地，所述电磁铁的磁芯为软磁材料。

作为可选地，所述软磁材料包括铁硅合金以及软磁铁氧体。

具体地，所述待测金属环的圆面与所述交变磁场的磁感线方向垂直。

进一步地，所述缺陷确定模块包括：

模拟量获取单元，用于根据所述热辐射场强度，获得连续的热辐射模拟量；

数据值获取单元，用于根据所述连续的热辐射模拟量，获得离散的热辐射数据值；

图像建立单元，用于基于所述离散的热辐射数据值，建立垂直的不连续图像成像和水平的不连续图像成像，并叠加形成不连续图像的成像；

缺陷确定单元，用于根据所述不连续图像的成像，确定所述待测金属环的缺陷信息。

采用上述技术方案，本发明所述的一种金属环检测方法及装置具有如下有益效果：

1.本发明所述的一种金属环检测方法及装置，能够实现对任何金属材质的环状零件或圆筒状零件进行无接触式检测，避免了对待测零件的二次损伤和侵入式伤害。

2.本发明所述的一种金属环检测方法及装置，检测结构简单，方法灵敏度高，易于操作，便于实现批量检测。

3.本发明所述的一种金属环检测方法及装置，利用现有常规的设备就能实现，节约了成本，提高了检测的效率和质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1本发明所述的一种金属环检测方法的步骤图解；

图2是图1中的步骤S500的详细步骤图解；

图3本发明所述的一种金属环检测装置的结构示意图；

图4是图3中缺陷确定模块的结构示意图；

图5本说明书所述的一种金属环检测装置的一个具体实施方式的框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

为了避免在对金属材质的圆环零件或圆筒状零件检测时对其直接接触，而又能保证检测的质量和效率，本说明书的一个实施例提供一种金属环检测方法，通过电磁互感原理实现，将待测金属环置于变化的磁感应线中，使得金属环中由于磁通量的变化而产生电流，金属环中由于电流的生成而产生热能，进而通过金属环中热能的分布情况来判断金属环是否有缺陷。

具体地，如图1和图2所示，为本说明书一个实施例提供的一种金属环检测方法，所述方法包括以下步骤：

S100：将工频交流电转换成高频电流；

感应电流与金属环磁通量随时间的变化率有关，若使用50Hz的电流，作用于电磁铁后，电磁铁产生的交变磁场以50Hz的频率变化，同时磁场作用于金属环产生感应电流，是500Hz交变磁场产生感应电流的十分之一，50Hz交变磁场产生的感应电流较弱，金属环功率不高，则温度较低，则辐射场不易观测。

示例性地，使用500Hz高频电流激励产生交变磁场，而500Hz高频电流的产生需要使用变频器，变频器应用了变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率。其内部主要由整流(交流转直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等，变频器中的主电路为电流型，即将电流源的直流转变为交流，通过电感进行直流回路滤波，使用逆变器将直流功率变换为交流功率。

S200：将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场；

交变磁场产生单元主要核心为电磁铁。高频电流通过电磁铁，电磁铁的磁极在短时间内进行变化，为保证电磁铁随高频电流产生变化磁场的敏感性，磁场会随高频电流即时产生；而不会滞后产生，造成不必要的叠加影响。应选择剩磁小、矫顽力弱的软磁材料作为磁芯。软磁材料是一种磁性材料，它的应用特征为“导磁”，软磁材料本身不带磁性，当外加通电螺线圈时，才会产生磁场，当外加电流撤去，磁场就不复存在，软磁材料具有较好导磁性，与一般金属相比，它有矫顽力弱，外电流撤去之后的剩磁小等优点，可以选择的软磁材料是包括铁硅合金以及各种软磁铁氧体。当500Hz高频电流通过以软磁铁氧体为磁芯的电磁铁时，由于电流磁效应知，任何通有电流的导线都可以在周围产生磁场，磁场随着电流的变化而变化。

S300：将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而所述待测金属环中形成热能；

交变磁场中会有磁感应线，将待测金属环置于交变磁场中，自然也在磁感应线范围内，为了使金属环中穿过的磁通量达到最大值，可以将待测金属环的圆面与磁感应线垂直放置，当然了，待测的零件可以是金属环，也可以是圆筒状的金属材质，作为可选地，其横截面也可以是其他形状，并不限于是圆形，由电磁感应定律可知，交变磁场引起金属环中磁通量的变化，进而在金属环中产生感应电流。

S400：获取待测金属环表面的热辐射场强度；

由于电磁铁随电流变化而产生变化的磁场，通过金属环的磁感线数量不断变化，故磁通量也一直变化，在闭合的金属环中产生感应电流，由于电流的存在，金属环自然会产生热能，随着热量的散发，在金属环表面会形成热辐射，因此可以采集热辐射强度即金属环表面的热量来检测金属环的缺陷情况。

S500：根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息。

比如，其中会出现如下三种情况：若金属环完整，感应电流通过，由于电阻分布均匀，则根据P＝I²R，感应单元感应到能量均匀分布的热场；若金属环有轻微缺损，则芯片局部电阻较大，所感应到的热场能量应局部过高；若金属环有断裂，则无感应电流，此时感应单元感应热场能量较低。根据金属环热场中能量的分布情况即可判断金属环缺陷状况。

其中，为了更好的体现热图像信息，所述步骤S500还可以包括以下步骤：

S501：根据所述热辐射场强度，获得连续的热辐射模拟量；

随着金属环中感应电流的产生，金属环中也会产生热量，随着热量的散发，可以采集金属环表面的热能。

S502：根据所述连续的热辐射模拟量，获得离散的热辐射数据值；

为了实现热能的可视化，可以将连续的热模拟量转化为离散的数据值，当然了，为了提高检测的效果，增加了金属环细微裂纹的检测能力，可以减小模拟量与数字量的误差，具体地，应适当提高采样频率，提高数字量的密度。

S503：基于所述离散的热辐射数据值，建立垂直的不连续图像成像和水平的不连续图像成像，并叠加形成不连续图像的成像；

金属环中热能产生的量和电阻呈正比，金属环中的电阻可以理解为是金属环中的缺损部位，缺损越大电阻越大，所以在缺损部位的能量聚集会比较明显，当金属环有裂缝时，热量将在裂缝边沿进行积攒，此时裂缝边沿的温度梯度与平整面的温度梯度有所不同，比如会出现热量的积累，从而可以通过热量的连续性观察来确定裂纹的位置，具体地，可以通过获得的数据值，按照垂直和水平方向上的图像叠加，从而建立完整的立体图像，而立体图像中比较突出的部分即为金属环缺陷所在的位置。

需要说明的是，为了提高对细微裂纹的检测能力，还可以提高热图像空间分辨率以及消除所测图像噪声分量以提高裂纹最小可测宽度分辨率，当然了，还可以根据检测元件的类型和检测要求调整检测的热图像空间分辨率。

S504：根据所述不连续图像的成像，确定所述待测金属环的缺陷信息。

可以将获得的不连续图像的成像在显示屏中显示，可以直观的看到金属环裂纹的位置和大小。

在上述提供的方法的基础上，本说明书还提供一种金属环检测装置，用于实施上述提供的方法，具体地，如图3和图4所示，所述装置包括：

变频模块，用于将工频交流电转换成高频电流；

交变磁场产生模块，用于将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场。

感应电流产生模块，用于将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而形成热能；

热辐射场强度获取模块，用于获取待测金属环表面的热辐射场强度；

缺陷确定模块，用于根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息。

当然了，所述装置还可以包括控制模块，通过设置预设的控制算法和逻辑控制上述功能模块的工作。比如，在金属环中产生感应电流后，通过控制模块控制热辐射场强度获取模块获取金属环表面因感应电流形成而产生的热能，然后通过缺陷确定模块通过一些的数据处理和图像生成步骤，得到待测元件表面的热图像的不连续图像的成像，最后通过裂纹确定模块确定金属环裂纹的位置，即其中热图像中热能集中的区域。

在一些实施例中，所述缺陷确定模块可以包括：

模拟量获取单元，用于根据所述热辐射场强度，获得连续的热辐射模拟量；

数据值获取单元，用于根据所述连续的热辐射模拟量，获得离散的热辐射数据值；

图像建立单元，用于基于所述离散的热辐射数据值，建立垂直的不连续图像成像和水平的不连续图像成像，并叠加形成不连续图像的成像；

缺陷确定单元，用于根据所述不连续图像的成像，确定所述待测金属环的缺陷信息。

示例性地，如图5所示，通过变频器将家庭用电转变成高频电流，可以是500Hz电流，为了形成稳定的交变磁场可以将电磁铁设置在高频电路中，高频电流通过电磁铁，电磁铁的磁极在短时间内进行变化，为保证电磁铁随高频电流产生变化磁场的敏感性，磁场会随高频电流即时产生；而不会滞后产生，造成不必要的叠加影响。应选择剩磁小、矫顽力弱的软磁材料作为磁芯。这样在电磁铁周围才能形成稳定的交变磁场，将待测金属环置于交变磁场中，其中交变磁场频率的大小可以影响金属环中感应电流的大小，因此可以设置高频的磁场，比如500Hz的频率，能够提高金属环中热能形成的效率，从而提高检测效率。热量采集的部件可以是红外相机，红外相机的工作原理就是感光部分可以接收红外辐射传递的信号。所谓红外线，就是在光谱中，可见光的红光以外的部分，具有光的特征，人眼不可见。红外相机强调了红外线的接受。所有高于绝对零度的物体都会辐射，而且温度越高辐射越多。因此可以用红外相机来检测金属环温度分布是否均匀：当金属环有细小断裂时，金属环不封闭，无感应电流产生，温度较低，此时产生的辐射场较弱；当金属环表面无缺陷时，产生感应电流，由于金属环各部分电阻不变，产生的功率相同，温度也应相同，故此时产生的辐射场较强且均匀；当金属环表面有轻微缺陷时，由于金属环仍闭合，可以产生感应电流，但缺损部分的横截面积减小，造成了局部电阻增大，电阻相对较大的部分温度较高故辐射也较强，故产生了不均匀的辐射场。通过红外相机对金属环产生的辐射场的采集，来进行判断。

进一步地，通过红外相机对进行热传导的待测金属环表面的辐射场分布情况进行采集，并传输至计算机，当然红外相机还可以消除所测热图像的噪声分布以提高裂纹最小可测宽度分辨率，其中计算器可以控制红外相机对辐射场的强度采集及对进行采集后的数据处理并生成相应的金属环裂纹图像。

通过上述提供的一种金属环检测方法及装置可以取得如下有益效果：

1)本发明所述的一种金属环检测方法及装置，能够实现对任何金属材质的环状零件或圆筒状零件进行无接触式检测，避免了对待测零件的二次损伤和侵入式伤害。

2)本发明所述的一种金属环检测方法及装置，检测结构简单，方法灵敏度高，易于操作，便于实现批量检测。

3)本发明所述的一种金属环检测方法及装置，利用现有常规的设备就能实现，节约了成本，提高了检测的效率和质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种金属环检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而所述待测金属环中形成热能；

获取待测金属环表面的热辐射场强度；

根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息。

2.根据权利要求1所述的一种金属环检测方法，其特征在于，所述将待测金属环置于交变磁场中之前还包括步骤：

将工频交流电转换成高频电流；

将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场。

3.根据权利要求2所述的一种金属环检测方法，其特征在于，所述电磁铁的磁芯为软磁材料。

4.根据权利要求1所述的一种金属环检测方法，其特征在于，所述待测金属环的圆面与所述交变磁场的磁感线方向垂直。

5.根据权利要求1所述的一种金属环检测方法，其特征在于，所述根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息包括：

根据所述热辐射场强度，获得连续的热辐射模拟量；

根据所述连续的热辐射模拟量，获得离散的热辐射数据值；

基于所述离散的热辐射数据值，建立垂直的不连续图像成像和水平的不连续图像成像，并叠加形成不连续图像的成像；

根据所述不连续图像的成像，确定所述待测金属环的缺陷信息。

6.一种金属环检测装置，其特征在于，所述装置包括：

感应电流产生模块，用于将待测金属环置于交变磁场中，以使待测金属环产生感应电流，从而所述待测金属环中形成热能；

热辐射场强度获取模块，用于获取待测金属环表面的热辐射场强度；

缺陷确定模块，用于根据所述热辐射场强度，确定所述待测金属环的缺陷信息。

7.根据权利要求6所述的一种金属环检测装置，其特征在于，所述装置还包括：

变频模块，用于将工频交流电转换成高频电流；

交变磁场产生模块，用于将电磁铁置于高频电流的串联回路中，以产生交变磁场。

8.根据权利要求7所述的一种金属环检测装置，其特征在于，所述电磁铁的磁芯为软磁材料。

9.根据权利要求6所述的一种金属环检测装置，其特征在于，所述待测金属环的圆面与所述交变磁场的磁感线方向垂直。

10.根据权利要求6所述的一种金属环检测装置，其特征在于，所述缺陷确定模块包括：

模拟量获取单元，用于根据所述热辐射场强度，获得连续的热辐射模拟量；

数据值获取单元，用于根据所述连续的热辐射模拟量，获得离散的热辐射数据值；

图像建立单元，用于基于所述离散的热辐射数据值，建立垂直的不连续图像成像和水平的不连续图像成像，并叠加形成不连续图像的成像；

缺陷确定单元，用于根据所述不连续图像的成像，确定所述待测金属环的缺陷信息。

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