CN113740413B - 一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁无损检测相关技术领域，其公开了一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法，该方法包括以下步骤：(1)将待测的钢板沿板厚方向磁化至强磁化状态，该强磁化状态是指钢板的相对磁导率随磁化强度增大而减小的磁化状态；(2)该钢板沿垂直于磁化方向的方向进行匀速直线移动，位于磁化场内的检测探头探测钢板表面的磁导率沿该钢板移动方向的差动变化，进而判断该钢板内部是否存在分层缺陷；其中，若该钢板内存在分层缺陷，当该分层缺陷进入磁化区后，该分层缺陷的端头附近会形成向外扩散的磁力线，使得该分层缺陷的端头附近产生磁导率畸变并扩散到该钢板的表层。本发明在钢板近表层无检测盲区，检测系统成本远低于电磁超声。

Description

一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法及系统

技术领域

本发明属于电磁无损检测相关技术领域，更具体地，涉及一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法及系统。

背景技术

分层缺陷会严重影响钢板的机械性能，缩短其使用寿命，甚至引发安全生产事故，是钢板中最危险的缺陷之一。如何快速有效地检测分层损伤是钢板生产、加工和使用环节必须面对的重要课题。

工业上应用较为广泛的金属板分层缺陷检测方法是超声脉冲反射法。超声脉冲反射法对分层缺陷具有很高的检测灵敏度，但是由于界面波的干扰，在被检测材料近表面存在检测盲区，因而难以发现外折、重皮等缺陷，严重限制了超声波在钢板分层检测领域的应用。

常规漏磁法常用于钢板近表面缺陷检测，但其并不适合钢板近表面分层缺陷的检测。原因在于，常规漏磁法用于钢板检测时，其磁化方向平行于板长，此时，分层缺陷的走向与磁化场方向平行，无法产生漏磁场。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法及系统，所述检测方法通过涡流接收线圈输出的差分电压的变化来识别钢板内部是否存在分层缺陷，使得本发明近表层无检测盲区，检测成本远远低于电磁超声，在高速检测中具有优势和应用前景。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于磁导率扰动的钢板分层缺陷检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

(1)将待测的钢板沿板厚方向磁化至强磁化状态，所述强磁化状态是指钢板的相对磁导率随磁化强度增大而减小的磁化状态；

(2)所述钢板沿垂直于磁化方向的方向进行匀速直线移动，位于磁化场内的检测探头探测钢板表面的磁导率沿所述钢板移动方向的差动变化，进而判断所述钢板内部是否存在分层缺陷；

其中，若所述钢板内存在分层缺陷，当所述分层缺陷进入磁化区后，所述分层缺陷的端头附近会形成向外扩散的磁力线，使得所述分层缺陷的端头附近产生磁导率畸变并扩散到所述钢板的表层，继而使得所述钢板对应所述分层缺陷的区域与其他无分层缺陷的区域呈现出不同的磁导率特性。

进一步地，所述磁化场为静态磁化场；所述钢板的移动速度小于3m/s。

进一步地，采用两个相对布置的磁轭式磁化器来对所述钢板施加沿板厚方向的静态磁化。

进一步地，所述检测探头位于所述磁化器的磁极正下方，且其与所述磁化器之间的位置保持恒定。

进一步地，所述磁化器的磁极与所述钢板之间设置有钢刷，所述钢刷用于减小磁路中的空气间隙。

进一步地，所述检测方法用于检测钢板内部距离钢板表面10毫米以内的分层缺陷。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于磁导率扰动的钢板分层缺陷检测系统，所述检测系统采用如上所述的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法对钢板进行分层缺陷检测，其包括检测探头、第一磁轭式磁化器、第二磁轭式磁化器、三个钢刷、交流激励电源、放大滤波模块、包络检波模块、采集模块、微处理器及直流电源；所述交流激励电源、所述检测探头、所述放大滤波模块、所述包络检波模块、所述采集模块及所述微处理器依次相连接；所述直流电源的两端分别连接所述第一磁轭式磁化器及所述第二磁轭式磁化器；所述第一磁轭式磁化器与所述第二磁轭式磁化器相对间隔设置，两者之间的间隔用于供待测的钢板通过；所述检测探头位于所述第一磁轭式磁化器的磁极正下方，所第一磁轭式磁化器的磁极处以及所述第二磁轭式磁化器的磁极处还分别设置有所述钢刷。

进一步地，所述检测探头包括一个涡流激励线圈及两个差分连接的涡流接收线圈，两个所述涡流接收线圈沿所述钢板的移动方向分别设置在所述涡流激励线圈相背的两侧。

进一步地，当分层缺陷的端头进入磁化区后，端头邻近区域产生的磁导率畸变扩散到钢板外壁表层；当钢板相对检测探头运动时，空间错开的两个涡流检测线圈分别位于钢板表层磁导率畸变区和非畸变区上方，所述检测探头输出的差分电压可以用于判断钢板内部有无分层缺陷。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法及系统主要具有以下有益效果：

1.所述钢板沿垂直于磁化方向的方向进行匀速直线移动，位于磁化场内的检测探头探测钢板表面的磁导率沿所述钢板移动方向的差动变化，进而判断所述钢板内部是否存在分层缺陷，由此所述方法的磁化方向垂直于板长，相对于现有漏磁方法平行于板长的磁化方向，有利于增强分层缺陷开口处的磁场扰动，并且所述方法不直接测量钢板内部分层缺陷产生的内部畸变磁场扩散到空气中的微弱漏磁场，而是测量内部畸变场在钢板表层引起的磁导率畸变量，弥补了现有漏磁检测方法难以检测铁磁性材料内部缺陷的不足，提高了检测灵敏度。

2.所述检测方法在钢板近表层无检测盲区，可以检测钢板内距离钢板表面10毫米以内的分层缺陷，适用性较强。

3.所述检测系统的成本远远低于电磁超声检测的成本，在高速检测中具有优势和应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测系统处于工作状态的示意图；

图2是分层缺陷端头产生畸变磁场的示意图；

图3是分层缺陷附近磁导率的分布示意图；

图4是差动检测探头的示意图；

图5是本发明一个实施例得到的分层缺陷检测信号示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-钢板，2-检测探头，3-分层缺陷，4-第一磁轭式磁化器，5-第二磁轭式磁化器，6-钢刷，7-交流激励电源，8-放大滤波模块，9-包络检波模块，10-采集模块，11-微处理器，12-直流电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法，所述检测方法主要包括以下步骤：

步骤一，采用磁化器将待测的钢板沿板厚方向磁化至强磁化状态，所述强磁化状态是指钢板的相对磁导率随磁化强度增大而减小的磁化状态。

具体地，所述磁化器采用两台相对设置的磁轭式磁化器，其利用直流磁化线圈或者永磁体激发均匀静态磁化场以形成闭合磁回路，对磁极下方的钢板施加沿板厚方向的静态磁化。

在强磁化状态下，所述钢板的相对磁导率随磁化强度增大而单调减小，在分层缺陷开口附近产生局部磁感应强度畸变。

步骤二，将检测探头放置于所述磁化器的磁极正下方，并利用检测探头的涡流接收线圈探测钢板表层的磁导率沿钢板移动方向的差动变化，进而基于输出的差分电压来判断钢板内部是否有分层缺陷。

具体地，所述检测探头包括一个涡流激励线圈及两个差分连接的涡流接收线圈，且两个所述涡流接收线圈沿所述钢板的移动方向分别设置在所述涡流激励线圈相背的两侧，所述涡流激励线圈的中心轴与所述涡流接收线圈的中心轴均垂直于所述钢板的外表面。所述涡流激励线圈的两端施加交变电压，利用所述涡流接收线圈探测从分层缺陷传递到所述钢板表层的磁导率畸变沿钢板移动方向的差动变化。钢板相对磁化器和所述检测探头运动，通过差分输出电压来识别钢板内部是否存在分层缺陷。

其中，所述涡流激励线圈的激励频率及两个所述涡流接收线圈在空间上的间距随被测钢板的壁厚变动。所述钢板垂直于磁化方向做匀速直线运动，其速度小于3m/s；所述钢板与所述磁化器的磁极之间设置有钢刷，所述钢刷用于减小磁路中的空气间隙。所述检测探头以阵列形式布置在所述钢板上方，并与所述磁化器保持相对静止，扫查方向平行于所述钢板的移动方向，多通道同时检测所述钢板的内部分层缺陷。

本发明利用检测探头差动测量分层缺陷导致的磁导率分布畸变，铁磁性的钢板被磁化到过磁导率最大点后，磁化区的相对磁导率随直流磁化场增大而减小。当分层缺陷端头进入磁化区后，根据磁偶极子模型，缺陷上下表面分别聚集极性相反的磁荷，在缺陷端头附近形成向外扩散的磁力线，使得端头附近区域产生较大范围的磁导率畸变并扩散到端头上方的钢板外壁表层，使得该区域呈现出与无分层缺陷时不同的磁导率特性。

两台相对放置的磁轭式磁化器利用直流磁化线圈或者永磁体激发均匀静态磁化场，以形成闭合磁回路，将磁极下方钢板沿板厚方向磁化到超过相对磁导率最大点的强磁化状态。当分层缺陷端头进入磁化区后，端头邻近区域产生的磁导率畸变扩散到钢板外壁表层。所述涡流激励线圈的两端加载交变电压，以在钢板表层磁导率畸变区产生感应涡流场。差分连接的两个涡流接收线圈分别沿钢板移动方向分别布置在涡流激励线圈两侧，当钢板相对检测探头运动时，空间错开的两个涡流检测线圈分别位于钢板表层磁导率畸变区和非畸变区上方，输出的差分电压可以用于判断钢板内部有无分层缺陷。

本实施方式中，所述检测方法可以检测钢板距离其上表面10毫米以内的分层缺陷，优先地，可以精确地检测钢板距离其上表面2毫米以内的分层缺陷。

本发明提供的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测系统，所述检测系统包括检测探头2、第一磁轭式磁化器4、第二磁轭式磁化器5、三个钢刷6、交流激励电源7、放大滤波模块8、包络检波模块9、采集模块10、微处理器11及直流电源12。所述交流激励电源7、所述检测探头2、所述放大滤波模块8、所述包络检波模块9、所述采集模块10及所述微处理器11依次相连接。所述直流电源12的两端分别连接所述第一磁轭式磁化器4及所述第二磁轭式磁化器5。所述第一磁轭式磁化器4与所述第二磁轭式磁化器5相对间隔设置，两者之间的间隔用于供待测的钢板1通过。所述检测探头2位于所述第一磁轭式磁化器4的磁极正下方，所第一磁轭式磁化器4的磁极处以及所述第二磁轭式磁化器5的磁极处还分别设置有所述钢刷6。

相对放置的所述第一磁轭式磁化器4与所述第二磁轭式磁化器5形成虚线箭头所示的、沿板厚方向的直流磁化场。当所述钢板1内部的分层缺陷3进入磁化区后，根据磁偶极子模型，分层缺陷的上表面聚集正磁荷，下表面聚集负磁荷，在分层缺陷3的端头附近形成实线箭头所示的畸变磁场，使得所述分层缺陷3的端头附近产生较大范围的磁导率畸变，并扩散到所述钢板1的表面，使得钢板表面的磁导率特性产生差异。

所述分层缺陷3进入磁化区后，所述分层缺陷3周围黑色实线所示磁力线走向发生畸变，在所述分层缺陷3的端头附近区域存在较大范围的磁导率畸变，并扩散到所述钢板1的表层，使得磁导率畸变区与周围区域之间存在明显的磁导率差异，采用一定的探头连接方式即可探测出该差异。

涡流激励线圈的两端加载交变电压，以在所述钢板1的表层磁导率畸变区产生感应涡流场。检测时，所述钢板垂直于磁化方向相对所述检测探头2做匀速直线运动，当空间错开的两个所述涡流接收线圈分别位于所述钢板1表层磁导率畸变区和非畸变区上方时，所述检测探头产生最大信号输出。

当所述钢板1的不同区域穿过磁化区时，所述检测探头2输出差分电压幅值变化，分析处理后的信号即可判断所述钢板1内部是否存在分层缺陷。实验中得到的长度为50mm、层厚为0.8mm、埋深为2mm的分层缺陷检测信号，如图5所示。

本实施方式中，所述采集模块10为A/D采集模块；所述直流电源12用于给相对放置的所述第一磁轭式磁化器4及所述第二磁轭式磁化器5提供励磁电流，以形成闭合磁回路，对位于所述第一磁轭式磁化器4与所述第二磁轭式磁化器5之间的钢板1沿板厚方向磁化到过相对磁导率最大值的强磁化状态。所述检测探头2相对磁化器的位置保持恒定，所述交流激励电源7给所述检测探头2施加正弦激励，所述钢板1内的分层缺陷3经过所述检测探头2下方时，所述检测探头2获得的信号经过所述放大滤波模块8、所述包络检波模块9、所述A/D采集模块10后传输给所述微处理器11，所述微处理器11提取信号特征，并用波形图的形式显示，进而判断得到所述钢板1内部的分层缺陷信息。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

（1）将待测的钢板沿板厚方向磁化至强磁化状态，所述强磁化状态是指钢板的相对磁导率随磁化强度增大而减小的磁化状态；

（2）所述钢板沿垂直于磁化方向的方向进行匀速直线移动，位于磁化场内的检测探头探测钢板表面的磁导率沿所述钢板移动方向的差动变化，进而判断所述钢板内部是否存在分层缺陷；

其中，若所述钢板内存在分层缺陷，当所述分层缺陷进入磁化区后，所述分层缺陷的端头附近会形成向外扩散的磁力线，使得所述分层缺陷的端头附近产生磁导率畸变并扩散到所述钢板的表层，继而使得所述钢板对应所述分层缺陷的区域与其他无分层缺陷的区域呈现出不同的磁导率特性；

采用两个相对布置的磁轭式磁化器来对所述钢板施加沿板厚方向的静态磁化；所述检测探头位于所述磁化器的磁极正下方，且其与所述磁化器之间的位置保持恒定；所述检测探头包括一个涡流激励线圈及两个差分连接的涡流接收线圈，两个所述涡流接收线圈沿所述钢板的移动方向分别设置在所述涡流激励线圈相背的两侧，所述涡流激励线圈的中心轴与所述涡流接收线圈的中心轴均垂直于所述钢板的外表面；

当分层缺陷的端头进入磁化区后，端头邻近区域产生的磁导率畸变扩散到钢板外壁表层；当钢板相对检测探头运动时，空间错开的两个涡流检测线圈分别位于钢板表层磁导率畸变区和非畸变区上方，所述检测探头输出的差分电压用于判断钢板内部有无分层缺陷。

2.如权利要求1所述的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法，其特征在于：所述磁化场为静态磁化场；所述钢板的移动速度小于3m/s。

3.如权利要求1所述的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法，其特征在于：所述磁化器的磁极与所述钢板之间设置有钢刷，所述钢刷用于减小磁路中的空气间隙。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法，其特征在于：所述检测方法用于检测钢板内部距离钢板表面10毫米以内的分层缺陷。

5.一种基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测系统，其特征在于：所述检测系统采用权利要求1-4任一项所述的基于磁导率扰动测量的钢板分层缺陷检测方法对钢板进行分层缺陷检测，其包括检测探头、第一磁轭式磁化器、第二磁轭式磁化器、三个钢刷、交流激励电源、放大滤波模块、包络检波模块、采集模块、微处理器及直流电源；所述交流激励电源、所述检测探头、所述放大滤波模块、所述包络检波模块、所述采集模块及所述微处理器依次相连接；所述直流电源的两端分别连接所述第一磁轭式磁化器及所述第二磁轭式磁化器；所述第一磁轭式磁化器与所述第二磁轭式磁化器相对间隔设置，两者之间的间隔用于供待测的钢板通过；所述检测探头位于所述第一磁轭式磁化器的磁极正下方，所述第一磁轭式磁化器的磁极处以及所述第二磁轭式磁化器的磁极处还分别设置有所述钢刷。