CN1146729C - 磁传感器、使用磁传感器进行磁缺陷检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种不减少初动就能高精度进行磁缺陷检测的磁传感器及使用该磁传感器的磁缺陷测试方法及装置。用于检测待检磁化主体的缺陷部分产生的磁通的磁传感器(50)包括：具有配置在待检的钢板(13)邻近区域上的磁极(51a、51b、51c)的E形铁芯(51)；绕制在E形铁芯的中间磁极(51b)上、用于检测磁通量的测试线圈(52)。游离于E形磁传感器周围的外部磁场从E形铁芯(51)的相对侧磁极(51a、51c)通过，但不穿过E形铁芯的中间磁极(51b)。相应地，外部磁场不在测试线圈(52)中感应电压，测试线圈只检测缺陷部分引起的磁通量。因此，改善了相对于外部磁场的方向性，抑制了外部磁场引起的噪声电压的产生，提高了缺陷检测时的S/N。

Description

磁传感器、使用磁传感器进行 磁缺陷检测的方法及装置

                       技术领域

本发明涉及使用磁漏方法检测诸如多种钢板、管道、棒材或类似物等待检铁磁主体中的裂纹等微细缺陷部分的磁传感器以及使用该磁传感器的磁缺陷检测装置。

                       背景技术

磁漏方法被广泛用作检测例如钢带等磁性物质中的缺陷的方法。图1示出了其原理。在图1中，参考标号11表示磁传感器，12表示磁化器，13表示诸如钢带或类似物等待检主体，14表示缺陷，15表示磁通。磁化器12使主体13励磁。磁化器12产生的磁通大部分通过磁阻小的主体13。然而，如果主体13中有缺陷14，那么，磁力线的通路就被缺陷14阻碍，一部分磁通泄漏到空气中。磁传感器11检测到泄漏磁通，是以检测到缺陷14的存在。

将霍尔器件、磁阻器件、磁半导体器件或类似物用作磁传感器11。作为磁传感器的其他例子，有在日本专利未审查出版物昭-59-160750号中公布的用在柱状铁芯上绕制的线圈构成的磁缺陷检测线圈，也使用了在日本专利未审查出版物平-2-162276号中公布的用在铁磁铁芯上绕制的线圈构成的磁缺陷检测线圈，向线圈施加交流电，检测在缺陷检测线圈的相对端产生的正负侧电压的电压差。

图2是用于说明常规缺陷检测线圈(测试线圈)的操作的说明图。如图所示，使用铁磁铁芯22、在铁芯22上绕制的线圈23构成测试线圈21。例如，当使电磁铁24靠近测试线圈21以便使交变磁通穿过铁芯时感应的电压V如下式(1)所示：

$V=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\μ}}_2\·N\·S\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，μ₂是铁磁铁芯22的有效磁导率，H是穿过铁磁铁芯22的磁场强度，N是线圈23的匝数，S是铁磁铁芯的截面面积，φ是穿过铁磁铁芯22的磁通。

由式(1)可知，当铁磁铁芯22的截面面积S、其有效磁导率M₂和线圈的匝数N固定时，线圈23中的感应电压V正比于穿过铁磁铁芯22的磁场强度H以及单位时间间隔内磁场强度的变化。

下面说明当测试线圈52的位置相对于电磁铁24改变时，常规测试线圈21的线圈23中感应的电压V的示意图。

图3是用于说明当测试线圈的位置相对于电磁铁改变时在测试线圈中感应的电压的典型图。图4A和图4B是当测试线圈相对于铁磁体改变时，测试线圈的检测灵敏度的特性图。

当移动电磁铁24(在X轴方向)以便垂直地截断铁磁铁芯22的中心轴Xc时，在线圈23中感应的电压V随电磁铁靠近中心轴Xc而升高，因此，当电磁铁24穿过中心轴Xc时，电压V最大，相反，当电磁铁24远离中心轴Xc时，在线圈23中感应的电压V减少，于是得到了正态分布特性(参见图4A)。另一方面，当向与中心轴Xc垂直的线Yc移动电磁铁(沿Y轴方向)时，在电压V达到某一点前，在线圈23中感应的电压增加，在电压V呈现最大值后，在线圈23中感应的电压减少，当电磁铁穿过线Yc时，电压V变为0V(参加图4B)。

顺带一句，此前要在薄钢带中检测的缺陷是称为擦伤(gouge)的较大缺陷。然而，随着工业领域中薄钢板的应用范围的扩大，最近已经要求检测较小的杂质。例如，具有不大于10^-3(mm³)的体积的杂质已经成为要检测的主体。为检测这样的微小缺陷，包括上述测试线圈的磁传感器具有下述问题。

(1)霍尔元件或磁二极管可以测量静止磁场的强度，但不能应用于高精度磁泄漏缺陷检测，因为它的特性不同，输出电压等随温度而改变。

(2)另外，常规测试线圈温度特性好，但在线圈23的相对于铁磁铁芯22的轴向方向的上行/下行方向上和在线圈23的圆周方向上产生了对应于外部磁场的感应电压V。相应地，当如图4A和4B所示使用测试线圈进行磁泄漏缺陷检测时，由于有害的干扰磁通而同时感应了噪声电压，从而降低缺陷检测的性能。

(3)另外，在任一常规技术中，为检测微小的缺陷，需要减少钢带和磁传感器间的距离(初动)。作为测量，在实用新型未实审出版物第61-119759号中公开了将磁传感器悬浮在空气中以把初动保持在约0.1(mm)小的值的方法。然而，该方法具有增加了磁传感器被钢带或类似物擦伤发生的操作问题。

(4)如果为检测微小缺陷而降低初动，那么磁传感器容易受诸如钢带摆动等干扰的影响，且容易接收钢带的磁不规则性引起的背景噪声(由于例如钢板等的磁畸变、表面光洁度、应力畸变等引起的噪声)等。因此，难以得到足够的信噪比(S/N)。

(5)缺陷检测信号的频率成分的绝大部分与背景噪声的频率成分重叠，所以，不能通过滤波器等来充分地改善S/N。

(6)为检测微小的缺陷，需要钢带更强地磁化以便有效地产生缺陷引起的漏磁通。在钢带邻近区域，悬浮磁通(从一磁极通过空气到达另一磁极的磁通)也增加了，因而磁传感器将饱和从而降低检测灵敏度。

                       发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可应用于高精度磁漏缺陷检测的磁传感器。

本发明的另一目的在于提供可进行高精度磁漏缺陷检测的磁缺陷检测方法和装置。

本发明的又一目的在于提供一磁缺陷检测方法和装置，该方法和装置不需要使初动很小就能以高信噪比有效地检测主体的微缺陷引起的微弱的局部泄漏磁通。

根据本发明的E形磁传感器是用于检测待检磁化主体的缺陷部分所产生的磁通的磁传感器，包括：具有暴露在待检主体附近的突出部分的E形铁芯；用于检测磁通、卷绕在E形铁芯的中央突出部分上的检测线圈。E形铁芯的铁磁物质具有不小于2000的起始磁导率。

在根据本发明的E形磁传感器中，在E形磁传感器周围的可变外部磁场穿过E形铁芯相对侧处的突出部分，但不穿过E形铁芯的中央突出部分。相应地，外部磁场不在测量线圈中感应电压。相应地，提高了对外界磁场的指向性，抑制了由外界磁场产生噪声电压，因此在缺陷检测时改善了S/N。另外，因为将构成E形线圈的铁磁物质的起始磁导率的大小选择为不小于2000，所以，在检测弱磁场时提高了灵敏度。

根据本发明，磁缺陷检测装置包括：用于将待检主体磁化的磁化器；包括E形铁芯的E形磁传感器，E形铁芯由具有暴露在待检主体周围的突出部分的铁磁物质构成；用于检测磁通、在E形铁芯的中央突出部分上卷绕的测量线圈。

因为根据本发明的磁缺陷检测装置使用上述E形磁传感器，所以可减少可变磁场、背景噪声和主体的振动的影响，因而可将初动设得相对大些。相应地，不降低主体的移动速度就能使用稳定的操作执行检查。另外，由于检测信号的频率成分变高，所以，可以容易地与包括大量低频成分的背景噪声分离，因此可改善S/N。

根据本发明的另一种磁缺陷检测装置还包括用于对E形磁传感器进行磁屏蔽的铁磁物质的屏蔽板。通过设置这样的屏蔽板，即使在磁化器产生的强磁场中，E形磁传感器也几乎不饱和，因此，可增强磁力，于是得到了强检测信号。结果，可检测不大于10^-3(mm³)的微小杂质。

另外，在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，磁化器具有一对磁化磁极；将E形磁传感器配置在磁化磁极间。

根据本发明的另一磁缺陷检测装置还包括用于固定磁化器的轴承和非磁辊，在非磁辊内配置有磁化器，非磁辊固定于轴承上，并可围绕其旋转，其中，待检主体在非磁辊上滚动，因此，E形磁传感器通过主体处于与非磁辊相对的位置。

另外，在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，主体是移动的带状物；E形铁芯的三个磁极沿主体移动方向设置。

另外，根据本发明的另一磁缺陷检测装置使用磁极距离为D、磁极宽度为E的E形磁传感器，它满足下式：

1＜(D+E)/L＜4

式中，L是E形铁芯的初动。

另外，根据本发明的另一磁缺陷检测装置使用传感器宽度为W的E形磁传感器，它满足下式：

1＜W/L。

另外，在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，将E形铁芯和磁屏蔽板配置为使E形铁芯和磁屏蔽板间的间隙Gs满足下式：

S/10＜Gs

式中，S是屏蔽板的厚度。

另外，在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，以间距P1的间隔、在待检测主体的宽度方向上成行排列E形磁传感器，将相邻E形磁传感器的输出相加以用于缺陷检测，其中，P1满足：

P1＜1.6W

式中，W是每一E形磁传感器的宽度。

在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，以间距P2的间隔之字形地在主体的宽度方向上配置E形磁传感器，使用在宽度方向上相互重叠的E形磁传感器的较大的输出进行缺陷检测，P2满足：

P2＜0.9W

其中，W是每一E形磁传感器的宽度。

根据本发明的另一磁缺陷检测装置还包括截止频率为F的高通滤波器来处理来自E形磁传感器的输出信号，截止频率F取决于E形磁传感器中磁极中心的距离、主体的初动及移动速度。用高通滤波器减少背景噪声成份，因此可用最优的S/N检测缺陷。

在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，主体是移动的薄钢带；主体的缺陷部分是混入在该薄钢带中的微细杂质。

根据本发明的另一磁缺陷检测装置还包括接收主体的移动速度或/和初动L(mm)作为输入值并自动设置高通滤波器的最优截止频率的截止频率设定器。根据磁极间的距离、主体的移动速度及初动自动改变截止频率设定器中的设置以得到最优的截止频率，因此，总可以用最优的S/N检测缺陷。

在根据本发明的另一磁缺陷检测装置中，截止频率F设置为在满足下式的频率F的±20％的范围内：

F＝V×(3188-675L)×(850+2000/P)/(1.4×10⁷)

其中，P(mm)是E形磁传感器的磁极中心的距离，L(mm)是初动，V(mm/s)是主体的移动速度。

顺带一句，在下面的实施例中，上述不等式和等式的相应技术依据将显而易见。

根据本发明的磁缺陷检测方法包括如下步骤：将要待检主体磁化；用E形磁传感器的测试线圈检测上一步骤的磁化在主体的缺陷部分产生的磁通量。

根据本发明的另一磁缺陷检测方法还包括如下步骤：根据主体的移动速度补偿在测试线圈中感应的信号。

在根据本发明的另一磁缺陷检测方法中，进行补偿以便使在测试线圈中感应的信号与主体的移动速度成反比。通过补偿，不管主体的移动速度如何，都可以得到恒定的缺陷输出。

在根据本发明的另一磁缺陷检测方法中，在主体的磁化步骤中通过非磁材料将主体磁化。

                         附图说明

图1是用于检测磁性物质中的缺陷的磁泄漏方法的原理图；

图2是用于说明典型的缺陷检测线圈(测试线圈)的操作的说明图；

图3是用于说明当相对于电磁铁改变测试线圈的位置时在测试线圈中感应的电压的典型图；

图4A和4B是相对于电磁铁改变测试线圈的位置时测试线圈的检测灵敏度的特性图；

图5是表示根据本发明的一个实施例的E形磁传感器的结构的图；

图6是用于说明当相对于电磁铁改变E形磁传感器的位置时图5描述的E形磁传感器的操作的典型图；

图7是表示当相对于电磁铁改变E形磁传感器的位置时图5描述的E形磁传感器的检测灵敏度的特性图；

图8是表示改变E形铁芯中磁极间的距离时感应电压的半值宽度的特性图；

图9是用图5所示的E形磁传感器进行泄漏通量缺陷检测时的结构图；

图10A至图10C依时间顺序示出了由缺陷部分产生的泄漏磁通在E形铁芯的磁极之间的通过情况；

图11A和11B图示了通过测试线圈的磁能量的波形与感应电压的波形；

图12示出了当对待测主体进行缺陷检测并在钢板中人为地制造缺陷部分时输出的幅度大小；

图13是表示磁传感器的检测灵敏度相对于E形铁芯的磁极长度的特性图；

图14是表示磁传感器的检测灵敏度相对于E形铁芯的起始磁导率的特性图；

图15是表示磁传感器的检测灵敏度相对于E形铁芯的磁极距离的特性图；

图16是置于作为待检主体的钢板上部的E形磁传感器的外观图；

图17A是表示(D+E)/L对来自主体钢板13中的约10^-3(mm³)的缺陷的信号和背景噪声的影响的特性图；

图17B是表示改变(D+E)/L时S/N的特性图；

图18是表示当(D+E)保持恒定且改变磁极厚度E与磁极距离D的比值E/D时的E形磁传感器的输出电压的变化的特性图；

图19A是表示来自主体钢板中约10^-3(mm³)的缺陷的检测信号与背景噪声相对于W/L的关系的特性图；

图19B是表示改变W/L时S/N的特性图；

图20是表示在E形磁传感器的外部配置铁磁物质的磁屏蔽板的结构说明图；

图21A是表示在E形磁传感器的宽度方向上相对于约10^-3(mm³)的缺陷的检测灵敏度的特性图；

图21B是表示检测灵敏度和传感器宽度W与初动L之比W/L的关系的特性图；

图22A和22B是表示E形磁传感器配置例的说明图；

图23是表示根据本发明的一个实施例的磁缺陷检测装置的结构的方框图；

图24是表示磁化器的详细结构的说明图；

图25是表示根据图23的实施例的缺陷检测装置检测的人为缺陷的波形的图；

图26是表示检测到天然缺陷时的波形的图；

图27A是表示在根据图23的实施例的磁缺陷检测装置(传感器阵列排列)中的主体钢板宽度方向上的灵敏度分布的特性图；

图27B是表示在根据图23的实施例的磁缺陷检测装置(之字形排列)中的主体钢板宽度方向上的灵敏度分布的特性图；

图28是表示使用E形磁传感器时检测信号中的缺陷信号与背景噪声的频率成分强度的特性图；

图29是表示当改变高通滤波器的截止频率时S/N变化的例子的特性图；

图30是表示当将E形磁传感器的磁极大小保持恒定并改变初动L(mm)时使S/N最大的高通滤波器的最优截止频率F(Hz)的特性图；

图31是表示当将初动L保持恒定并改变E形磁传感器的磁极中心距离P(mm)时使S/N最大的高通滤波器的最优截止频率F(Hz)的特性图；

图32是表示根据将上述截止频率设计为能够根据缺陷检测状况改变的实施例的磁缺陷检测装置的结构框图；

图33是用作图23和图32描述的放大器的积分放大器的电路图；

图34是表示用图33描述的积分放大器检测孔直径为0.1(mm)的钻孔缺陷时检测灵敏度特性与主体钢板的移动速度的关系的特性图。

                       具体实施方式

图5是表示根据本发明的一个实施例的E形磁传感器的结构图。E形磁传感器50由铁磁物质的E形铁芯51和测试线图52构成，E形铁芯51的中心磁极51b上绕制的线圈23组成了测试线圈52。只有当在中间磁极51b和相对侧的磁极51a和51c(下面分别称为“左磁极51a”和“右磁极51c”)之一上从下面施加外加磁场H时，才在线圈23的输出端A和B间产生相应于电磁场的强度及其变化的电压V。附带说一句，应使用诸如坡莫合金铁芯、钝铁铁芯等磁导率大、矫顽力小的材料作为铁磁物质的E形铁芯51。另外，如附图所示，由左磁极51a、中央磁极51b和右磁极51c组成的一排三个磁极沿着作为待检主体的钢板的运动方向放置。

将如上那样配置的E形磁传感器设计为：当外界磁场H在上面所述的位置(下面)以外的任何其它位置起作用时，外部磁场H不穿过中心磁极51b。将根据图6所示的典型图说明这一方面。

图6是用于说明相对于电磁铁改变E形磁传感器的位置时E形磁传感器的操作的典型图。当改变了E形磁传感器与电磁铁的相对位置时，E形磁传感器运转如下。

(1)当电磁铁24产生的外部磁场H作用在E形铁芯51的左磁极51a上时，外部磁场H穿过左磁极51a，连同电磁铁24构成一个磁路。此时，由于磁场H不穿过中间磁极51b，所以在测试线圈52上没有感应电压。

(2)同样，当外部磁场H作用在右磁极51c上时，也不在绕在中间磁极51b上的线圈23的输出端A和B间产生电压，因为，和段(1)所述的方式相同，外界磁场H不穿过中间磁极51b。

(3)同样，当外部磁场H从上面作用在E形铁芯11上时，外部磁场H连同电磁铁24以和上述段(1)和(2)相同的方式形成磁路，由于外部磁场H不穿过E形铁芯51的中央磁极51b，所以在测试线圈52中不感应电压。顺带一句，当在(3)状态下，外加磁场H太强或铁芯51的厚度不够时，磁场H穿过并贯通中间磁极51b，于是将在测试线圈52中感应一定的电压(电压较小)。

下面将说明E形磁传感器50的检测灵敏度。

图7是表示当相对于电磁铁改变E形磁传感器的位置时磁传感器的检测灵敏度的特性图。该特性图表示当E形铁芯51中的各磁极51a、51b和51c的厚度E为1.0(mm)、磁极的距离D为1.0(mm)、每一磁极51a、51b、51c的长度Lc为3.0(mm)、线圈3的匝数为100T时的检测灵敏度。

由该图可知，当电磁铁沿穿过E形铁芯51的中间磁极51b的中间轴Xc方向移动时，在电磁铁24到达中间轴Xc时，测试线圈12中的感应电压最大，因此，输出电压V呈现束状特性。另外，-6dB时的半值宽度 W约为0.8(mm)。

下面说明改变磁极间的距离D时在测试线圈11中感应电压的半值宽度。

图8是表示改变E形铁芯中磁极间的距离时感应电压的半值宽度的特性图。该特性图表示当E形铁芯51中的每一磁极51a、51b、51c的厚度E为1.0(mm)、每一磁极51a、51b、51c的长度Lc为3.0(mm)、线圈的匝数N为100T、磁极距离变为0.5(mm)、1.0(mm)、2.0(mm)、3.0(mm)时的特性。当磁极距离D变大时，在测试线圈52中感应的电压的半值宽度增加。此时，特性从束状特性改变为宽特性。

从上面的说明可见，通过根据要检测的缺陷的大小设定E形铁芯的磁极距离，就能够有效地检测缺陷产生的泄漏磁通。

图9是用上述E形磁传感器进行泄漏磁通缺陷检测时的结构图，图10A至图10C依时间顺序图示了由缺陷部分产生的漏磁通在E形铁芯的磁极间的通过情况。在磁体24的相对磁极间配置磁传感器50，与主体钢板13相对地配置相应的磁极51a、51b和51c。

下面将参照图9、图10A至10C说明E形磁传感器50的操作。

磁体12有一对磁化磁极12a和12b。将E形磁传感器50配置在磁化磁极12a和12b之间。当用磁化磁极12a和12b磁化主体钢板13时，由于基底材料缺陷部分14的磁阻比正常部分的大，所以在缺陷部分14形成一个局部磁极。由于存在局部磁极，磁通φd将泄漏到主体钢板13之外。当缺陷部分14到达E形铁芯51的左磁极51a和中间磁极51b的中央部分时，来自缺陷部分14的泄漏磁通φd穿入左磁极51a，然后从中间磁极51b穿出，从而形成一个磁路(参见图10A)。此时在测试线圈52中感应一对应于泄漏磁通φd强度的电压，于是在线圈23的输出端间产生电压V。当缺陷部分14随主体钢板13的移动而恰到达E形铁芯51的中间磁极51b之下时，来自缺陷部分14的泄漏磁通φd并不穿过中间磁极51b而只穿过左右磁极51a和51c，于是在这种情况下在测试线圈中没有感应电压(参见图10B)。当缺陷部分14随主体钢板13的移动而到达中间磁极51b和右磁极51c间的中间部分时，来自缺陷部分14的泄漏磁通φd穿过中间磁极51b并从右磁极51c中穿出，从而形成磁路。在这种情况下，以与上述相同的方式在测试线圈52中感应出一对应于泄漏磁通φd的强度的电压，于是在线圈23的输出端产生电压V(参见图10c)。

图11A和11B是表示通过测试线圈52的磁通量的波形与感应电压的波形的图。在上述一系列操作中，具有图11A所示形状的磁通φ穿过测试线圈52，感应出具有图11B所示波形的电压。通过检测感应电压可以检测出缺陷14的存在。

在使用上述E形磁传感器50的本发明中，在主体钢板邻近区域的可变磁通、来自E形磁传感器外部的背景噪声等直接穿过磁极51a到达磁极51c。相应地，对测试线圈52没有影响，于是可降低噪声。另外，通过左磁极和中间磁极51a和51b构成的磁路与右磁极和中间磁极51c和51b构成的磁路可以消除钢板和传感器的振动引起的磁场变化，于是可以避免磁场变化作为噪声混入测试线圈52的信号之中。

相应地，可以用良好的S/N检测缺陷，即使不将初动选择为太小，可变磁通也永远不会使磁传感器输出饱和。另外，由于与背景噪声的频率成分相比，缺陷信号的频率成分变得相对较高，可以容易地将信号与噪声分离，从而改善消除干扰噪声的效果。另外，通过在E形铁芯51的中间磁极51b上绕制线圈的结构，将很锐的束状特性作为灵敏度特性来检测外部磁场，提高了弱磁场检测的灵敏度。

图12是表示检测在主体钢板中人为制造的缺陷部分时输出的幅度大小的图。图12表示当分别将孔直径为0.3φ(mm)、0.2φ(mm)、0.1φ(mm)的钻孔作为板厚0.15(mm)的主体钢板13中的缺陷部分I1、I2、I3并用磁传感器50对主体钢板13进行泄漏磁通缺陷检测时得到的结果。能以不小于10的S/N检测孔直径0.1φ(mm)的钻孔。顺带一句，在图12中，将来自孔直径0.3φ(mm)的缺陷部分的输出幅值接近于来自孔直径0.2φ(mm)的缺陷部分的输出幅值。然而，这是因为缺陷输出值超出设定器的设定范围，输出饱和，保持了相对于缺陷部分14的孔直径大小的线性特性。

图13是表示磁传感器的检测灵敏度相对于E形铁芯的磁极长度的特性图。该特性图表示由磁传感器50分别使用具有不同磁极长度的E形铁芯11检测到在图9所示的主体钢板13中制造了孔直径0.1φ(mm)的钻孔的缺陷部分14时的检测灵敏度。将E形铁芯51的磁极长度Lc在1.5到4.0(mm)的范围内以0.5(mm)为单位拉长。顺言之，E形铁芯51的磁极间距离D为1.0(mm)，每一磁极51a、51b、51c的厚度上为1.0(mm)，线圈匝数N为50T。

如图13所示，当磁极长度Lc增加时，钻孔形成的缺陷部分14的检测灵敏度趋于降低。其原因在于，由于E形铁芯51的磁极长度Lc增加，从而导致缺陷部分14产生的泄漏磁通φd穿过的磁路的平均长度增加，于是磁路的磁阻增加。因此，将磁极长度Lc缩得尽可能短是有利的，但由于当磁极长度Lc降低时允许的线圈匝数降低，所以应考虑线圈装配技术来确定磁极长度Lc。另外，当用条状材料或管道作为主体材料来替代主体钢板13时，为检测缺陷部分14，相应于主体材料的外形来确定E形铁芯51的磁极长度Lc。

图14是表示磁传感器的检测灵敏度相对于E形铁芯的起始磁导率的特性图。该图表示将起始磁导率μi不同的铁磁性物质作为E形铁芯51时的磁传感器50的检测灵敏度。铁磁性物质的起始磁导率μi的值在约1800到约5500之间。顺说一句，E形铁芯51的每一磁极51a、51b、51c的长度Lc为3.0mm，磁极间的距离D为1.0(mm)，每一磁极的厚度E为1.0(mm)，线圈匝数N为100T。

如图14所示，当E形铁芯51的起始磁导率μi的值增加时，人为缺陷部分(孔直径为0.1φ(mm))的检测灵敏度提高。这是由于，当起始磁导率μi增加时，E形铁芯51中的磁阻减少。尤其，如图10A至10C所示，缺陷部分14产生的磁通φd通过主体钢板13上的空气层、穿过E形铁芯51然后返回主体钢板13，从而形成一磁路。该磁路中的E形铁芯51的磁阻Rφ由式(2)表示：

$R_{\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{Lav}}{\mathrm{\μrS}}---\left(2\right)$

其中，Lav是E形铁芯51的平均磁路长度，μi是E形铁芯51的起始磁导率，S是E形铁芯51的截面面积。

相应地，由于E形铁芯51的磁阻Rφ与E形铁芯51的起始磁导率μi成反比，所以，使用具有大的起始磁导率μi的构件时，可有效地检测到在缺陷部分14产生的泄漏磁通φd。

图15是表示磁传感器的检测灵敏度相对于E形铁芯51的磁极距离的特性图。该图表示改变E形铁芯51中的每一磁极51a、51b、51c的截面面积(厚度上)时对人为缺陷部分14进行缺陷检测时的检测灵敏度。

由上式(2)可知，由于E形铁芯51中的磁阻Rφ降低，所以，得到了人为缺陷部分14的检测灵敏度基本上与磁极厚度成正比的特性。顺便说明，当磁极厚度E增加时，人为缺陷部分14产生的磁通φd穿过E形铁芯51的距离(在主体钢板13的移动方向上)增加。

在这种情况下，通过检测来自人为缺陷部分14的泄漏磁通所得的信号也长期与E形铁芯51的磁极厚度E成正比，并且当主体钢板13的移动速度保持恒定时，缺陷信号的频率变低。通过提高E形铁芯51的磁极厚度E，E形铁芯的磁阻Rφ降低，于是人为缺陷部分14的相对检测灵敏度提高。然而，由于缺陷信号的频率移动到较低区域，当缺陷信号的频率接近主体钢板13中存在的各种噪声(板厚、机械变形等的局部变化)产生的噪声电压的频率时，将不能分离噪声。相应地，提高E形铁芯51的磁极厚度E并不总是有益的。

图16是放置在主体钢板13的上层部分的E形磁传感器50的外观图。在图中，E形磁传感器50的形状对称，与图5的实施例方式相同，磁极的厚度相互相等。使磁极间的距离为D。每一磁极的厚度为E、E形铁芯51的宽度为W。另外，使主体钢板13和E形磁传感器间的距离即初动为L。

图17A是表示(D+E)/L对通过检测主体钢板13中的约10^-3(mm)的缺陷所得的信号及背景噪声影响的特性图。当(D+E)/L增加时，背景噪声缓慢增加。因为(D+E)/L增加时，E形磁传感器50的检测面积增加，所以可将此现象归结为更容易接收背景噪声的趋势。另一方面，检测信号具有信号在(D+E)/L达到4之前快速上升、之后缓慢下降的趋势。按如下考虑。可以认为当(D+E)/L太小时，由于来自主体钢板13的缺陷部分14的局部泄漏磁通同时被输入到由左磁极和中间磁极51a和51b构成的磁路和由右磁极和中间磁极51c和51b构成的磁路中而部分地被抵消，所以，测试线圈52中的检测信号的输出电压下降，从而导致检测效率降低。反之，可认为(D+E)/L太大时，当主体钢板13的缺陷部分14恰走到E形磁传感器50之下时，测试线圈52中磁通量的变化降低。

图17B是表示改变(D+E)/L时S/N的特性图。由于上述原因，如图17B所示，当改变(D+E)/L时，有一个使S/N最大的最优范围。实用中，在从其最大值到从其最大值减少约20％的S/N范围内使用是有效的。相应地，优选E形磁传感器的大小满足下式(3)

1＜(D+E)/L＜4                           (3)

图18是表示当(D+E)保持恒定且改变磁极厚度E与磁极距离D的比值E/D时的E形磁传感器50的输出电压变化的特性图。显然，即使E/D改变时，输出电压改变也很小。然而，在实用中，当磁极厚度太小时，存在着诸如加工困难、易发生磁化饱和等问题，同时，当磁极厚度太大和磁极距离太小时，也存在测试线圈绕制变难等问题。相应地，一般将E与D的比例取在容易加工的范围内。

图19A是表示通过检测主体钢板13中约10^-3(mm³)的缺陷而得的信号和背景噪声相对于W/L的关系的特性图。如果E形磁传感器的宽度W太小，测试线圈52的截面积减小，检测电压降低，于是检测效率降低。当传感器宽度W变大并达到某一值时，来自微缺陷部分14的局部泄露磁通基本上都从传感器中穿过，于是，即使提高传感器宽度W，输出电压也不再提高。相反地，如果传感器宽度W变大，正处于E形磁传感器50下方的检测范围变大，于是，由于存在易于接收噪声的趋势，所以背景噪声变高。相应地，如图19B所示，当改变W/L时，存在一个使S/N最大的最优范围。实用中，在从S/N的最大值到从该最大值减少20％的值的S/N的范围内使用是有效的。相应地，从图19B给出下式。

1＜W/L＜10                                 (4)

另外，如果来自磁化器的强可变磁场变大，就存在具有磁通量易于通过的形状的E形磁传感器的铁芯(特别是磁极51a和51c)磁化饱和的危险。为避免该现象并消除外部磁噪声，在图20所示的E形磁传感器50之外设置一铁磁性物质的磁屏蔽板56。例如，该磁屏蔽板56由铁磁铁芯构成。

为减少E形磁传感器50的大小，最好要求尽可能地减少磁屏蔽板56和E形铁芯51间的距离。然而，如果磁屏蔽板56和E形铁芯51相互靠得太近，屏蔽板56吸收的可变磁场将进入E形铁芯51，从而带来不利影响。因此，在磁屏蔽板56和E形铁芯51间不可避免地形成一磁阻部分，而且其磁阻不能很小。因为磁性物质的相对磁导率通常在100到1000的范围内且空气的相对磁导率是1，所以，可优选其磁阻约十倍于磁屏蔽中磁阻的间隙。因此，必须将磁屏蔽板56和E形铁芯51间的间隙Gs选择为不小于屏蔽板56的厚度S的约1/10。相应地，优选给出下式。

S/10＜Gs            (5)

图21A是表示在E形磁传感器50的宽度方向上的检测灵敏度相对于约10^-3(mm³)的缺陷的特性图。如图21A所示，将横向(宽度方向)灵敏度最大值的80％的宽度记为W80、将横向灵敏度最大值的40％的宽度记为W40，于是就得到了相对于传感器宽度W与初动L的比值W/L的特性，如图21B所示。

图22A和22B是表示E形磁传感器50的配置例的说明图。为了覆盖在图22A所示的钢板宽度方向上的缺陷检测，将E形磁传感器50成直线排列，相邻E形磁传感器50的输出相加，此时，传感器50相互补偿，于是在钢板的宽度方向上的预定范围内得到了均一的灵敏度分布。如果允许在主体钢板13的宽度方向上的灵敏度分布下降高达20％以便从实用观点看尽可能充分地减少E形磁传感器的数目，那么，一个E形磁传感器的灵敏度可降到40％。因此，从图21B的特性可知，优选E形磁传感器间的间距P1满足下式：

P1＜1.6W                  (6)

当将相邻E形磁传感器50的输出相加时，就扩大了E形磁传感器覆盖的范围，但S/N恶化，这是由于噪声分量相加以至使噪声幅值上升到2^1/2倍。当需要避免S/N降低时，依次相互比较两个E形磁传感器的输出并使用输出信号中的较大者，即可执行或操作。然而，在这种情况下，由于信号没有相加，所以，在E形磁传感器50间的灵敏度的降低没有改善。因此，有必要减少E形磁传感器50间的距离以便使灵敏度降低的范围变窄。在这种情况下，为将灵敏度的降低抑制在最大值的20％内，从图21的特性可知，将E形磁传感器50间的间距选择为0.9W/L。为得到该状况，最好将E形磁传感器配置为之字形，以便如图22B所示在宽度方向上相互重叠。因此，最好将E形磁传感器50间的间距P2选择为：

P2＜0.9W                         (7)

即，当允许稍微降低S/N时，最好将E形磁传感器50作为阵列(图22A)配置成直线，相邻传感器的输出相加。另一方面，为了尽可能不降低S/N而执行检测，最好将E形磁传感器50配置成之字形(图22B)，并对在宽度方向上相互重叠的传感器的输出执行或操作。

图23是表示根据本发明的一个实施例的磁缺陷检测装置的结构的框图。图中，标号57表示磁化器，58表示非磁辊，59表示放大器，60表示滤波器，61表示整流器，62表示判断电路。将具有电磁铁的磁化器57装配在非磁辊58中，于是在非磁辊58上滚动的主体钢板(薄钢板)13通过非磁辊58，在其滚动方向上被磁化。将上述E形磁传感器50装配在非磁辊上面。当主体钢板13滚动并且在主体钢板13内部有微小杂质时，从那一点局部地产生微弱的泄漏磁通。当该泄漏磁通量恰好在E形磁传感器50之下通过时，正如上所述，E形磁传感器50输出一对应于泄漏磁通的电信号。用放大器59对E形磁传感器50的输出进行电放大，用滤波器60抑制噪声以提高S/N。当用整流器61整流电信号后，由判断电路判断缺陷，输出判断结果。

在该实施例中，分别将主体钢板13和E形磁传感器50间的初动L以及E形磁传感器50中的磁极距离D、磁极厚度E和传感器宽度W选择为L＝0.5(mm)、D＝0.5(mm)、E＝0.4(mm)、W＝3.5(mm)。另外，在E形磁传感器50的外部提供厚度S＝2(mm)的坡莫合金的磁屏蔽板56，并使在磁屏蔽板56和传感器间形成间隙Gs＝0.5(mm)。在钢板的宽度方向上成直线配置220个E形磁传感器50作为传感器头，以便在主体钢板的整个宽度1100(mm)上进行缺陷检测，将相邻E形磁传感器50间的间距P1选择为5(mm)，并将相邻E形磁传感器的输出相加用于检测。即，E形磁传感器52间的距离为3.5(mm)。

在放大器59之后对E形磁传感器50的输出进行相加。也可在滤波器60后进行相加，但最好在整流器61之前进行。这是因为，虽然信号成份在整流器61前后进行都很容易相加，但在整流器前相加时噪声成份增至2^1/2倍、在整流器61之后进行时增至2倍，两者比较后者的S/N降低。将不锈钢用作非磁辊58的材料，将非磁辊58内的磁化器57的磁力选为3000AT。主体钢板(薄钢板)的移动速度是300(m/min)。另外，使用截止频率为3kHz的高通滤波器作为滤波器60。

图24是表示磁化器57的具体结构的说明图。如图所示，磁化器57有一对磁化磁极63a、63b与一个线圈64。将磁化器57固定到轴承65上。非磁性辊固定于轴承65上，并可以旋转。通过为线圈64提供直流电，从磁化磁极63a和63b产生磁通，于是绕在非磁辊58上滚动的主体钢板13被该磁通在滚动方向上磁化。

图25是表示用根据上述实施例的缺陷检测装置检测的人为缺陷的波形(来自整流器11的输出波形)的图。该图示出了在薄钢板中检测人为缺陷时的输出波形，该人为缺陷是孔直径分别为0.5、0.1、0.2(mm)的机械钻孔。从图25可知，可用高S/N检测微缺陷。

另外，图26是表示检测自然缺陷时的波形图。在缺陷检测后切下缺陷部分，在缺陷部分磨光后，用显微镜检查其大小。结果有大小约5×10^-4(mm³)的杂质。

滤波器60的最佳截止频率为3kHz。该值是使用常规磁传感器时最优值的两倍或三倍。相应地包括大量低频成分的背景噪声可以容易地与检测信号分离开来，于是显著地改善了S/N。当移去配置在E形铁芯51的外部的磁屏蔽板后，E形磁传感器50磁化饱和，传感器的灵敏度降低。因此，使用磁力减少至2000AT的E形磁传感器50以免使E形磁传感器50饱和，但此时不能检测孔直径为0.05(mm)的钻孔的人为缺陷。

图27A是表示在根据该实施例的磁缺陷检测装置中的主体钢板的宽度方向上的灵敏度分布的特性图。水平轴表示在宽度方向上的距离Y(mm)，垂直轴表示灵敏度的相对值。由于E形传感器的间距配置为5(mm)，所以，在间隔5(mm)处灵敏度最大，在E形磁传感器50中间时灵敏度最小，但将灵敏度的降低抑制在20％之内。

另外，作为上述传感器头的替代物，将两个传感器阵列配置为之字形，将该传感器组作为整体进行磁屏蔽，其中，每一传感器阵列通过将磁极距离D＝0.5(mm)、磁极厚度D＝0.4(mm)、传感器宽度W＝3.5(mm)、传感器距离为2.5(mm)的183个E形磁传感器成直线排列而成。此时，传感器重叠的宽度为0.5(mm)。另外，在传感器的之字形排列中，使用了对重叠传感器的输出进行或操作所得的信号。此时，图27B示出了在钢板的宽度方向上的灵敏度分布，将相对于最大灵敏度的灵敏度降低抑制到约20％。

虽然本实施例示出的E形磁传感器50中各磁极的截面形状为方形，但通过倒角将截面形状变圆时效果也是相同的。

下面将讨论分离背景噪声和缺陷检测信号。

图28是表示使用E形磁传感器时检测信号中缺陷信号的频率成份的强度与背景噪声的频率成份的强度的特性图。背景噪声包括大量低频成份，而缺陷信号在某一频率处有一尖峰。因此，显然，用高通滤波器60移去低频成份时可提高S/N。

图29是表示改变高通滤波器60的截止频率时S/N改变的一个例子的特性图。根据该特性，存在使S/N最大的最佳截止频率，当截止频率离开最佳截止频率±20％时，S/N减少20％。相应地，如果允许S/N相对于S/N的最大值减少20％，那么就可使用最佳截止频率±20％范围中的截止效率。

图30是表示当将E形磁传感器50的磁极大小保持恒定并改变初动L(mm)时使S/N最大的高通滤波器60的最佳截止频率F(Hz)的特性图。当分别将主体钢板13的移动速度V和E形磁传感器50中的磁极中心的间距P设为V＝5000(mm/s)和P＝1(mm)时，得到F＝3188-657L。

图31是表示当将初动L保持恒定并改变E形磁传感器的磁极中心间距P(mm)时使S/N最大的高通滤波器60的最佳截止频率F(Hz)的特性图。当分别将主体钢板13的初动L和移动速度设为L＝0.5(mm)和V＝5000(mm/s)时，得到F＝(850+2000/P)。可以认为使S/N最大的高通滤波器的最佳截止频率与主体钢板的移动速度成正比。

从这些结果给出最佳截止频率F如下。

F＝V×(3188-675L)×(850+2000/P)/(1.4×10⁷)

                                       (8)

还可认为相对于截止频率F的最佳值的允许值在上述值的±20％范围内。

图32是表示根据上述截止频率F能随缺陷检测状况改变的实施例的磁缺陷检测装置的结构的框图。通过在图23的缺陷检测装置上添加自动截止频率设定器70来构造该磁缺陷检测装置。

自动截止频率设定器70读取E形磁传感器50的磁极中心的间距P、主体钢板13的初动L和移动速度V，进行上式(8)的计算，求出截止频率，并为高通滤波器60设置所得的截止频率。当将微机用作自动截止频率设定器70时，可容易地实现式(8)的计算。当将E形磁传感器50中的磁极中心的间距P视作固定值或将初动L和间距P都视为固定值时，可提前在自动截止频率设定器13中设定固定值，于是就不用从外部输入这些值了。

顺便说明，此时，E形传感器50最好包围在铁磁性物质的磁屏蔽板56中，以便减少浮动磁场的影响。

在图32所示构造的磁缺陷检测装置中，分别将主体钢板13与E形磁传感器50间的初动L、E形磁传感器50的磁极宽度D、磁极厚度E设定为L＝0.5(mm)、D＝0.5(mm)、E＝0.4(mm)、W＝3.5(mm)。另外，在E形磁传感器1的外部提供了厚度S＝2(mm)的坡莫合金磁屏蔽板56，在磁屏蔽板56和E形磁传感器50之间形成的间隙Gs＝0.5(mm)。将不锈钢用作非磁性辊58的材料，并将非磁性辊58中的磁化器57的磁力选为3000AT。主体钢板(薄钢板)的移动速度V选为V＝5000(mm/s)。

另外，将L、V、P输入自动截止频率设定器13，根据式(8)进行算术操作，将算术运算结果输入高通滤波器60，并且自动将高通滤波器的截止频率设定为最佳值，即便操作状况改变时也是如此。顺便说明，在上述状况下，高通滤波器的截止频率F＝3000(Hz)。

图33是用作图23和图32描述的放大器59的积分放大器的电路框图。该积分放大器71包括积分电阻R4、电容C1和放大器72。当E形磁传感器50的测试线圈52检测的缺陷信号被放大时，测试线圈52中得到的输出电压e₀由下式给出。

$e_0=\frac{\mathrm{d\φd}}{\mathrm{dt}}\left(V\right)---\left(9\right)$

即，输出电压e₀成为与缺陷产生的磁通量φd的绝对值和使缺陷14正好从测试线圈52下面通过时所需的时间成反比的输出。因此，通过将积分放大器用作放大测试线圈52的输出的放大器，自动补偿与主体钢板13的移动速度成正比增大的同一缺陷的输出值，于是，不管主体钢板的移动速度如何，都可得到恒定的放大器缺陷输出。

图34是表示用图33的积分放大器对孔直径为0.1(mm)的钻孔缺陷进行缺陷检测时、检测灵敏度特性相对于铁磁性金属板的移动速度的关系的特性图。如图所示，即便在10到1000m/min的范围内改变主体钢板13的移动速度时，检测钻孔的灵敏度差别也抑制在5％的范围内。

Claims (10)

1.一种磁缺陷检测装置，包括：

一个磁化器，用于将待检移动主体磁化；

一个E形磁传感器，包含一个E形铁芯，该E形铁芯由具有暴露在待检主体周围的三个构成磁极的突出部分的铁磁物质构成；还包含一个测量线圈，用于检测由磁化主体的缺陷部分产生的磁通，并绕在E形铁芯的中央突出部分上；

一个屏蔽板，用于对所述磁传感器进行磁屏蔽，并由铁磁性物质构成，其特征在于，该检测装置具有：

一个截止频率设定器，用于根据每个突出部分的中心之间的距离设置截止频率F、初动L，即所述主体与所述E形铁心之间的距离、和所述主体的移动速度V；以及

一个高通滤波器，用于处理来自所述E形磁传感器的、具有由所述截止频率设定器确定的截止频率的输出信号。

2.权利要求1记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述E形磁传感器满足下式：

1＜(D+E)/L＜4

式中，D是各突出部分之间的间隔距离，E是各突出部分的厚度。

3.权利要求2记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述E形磁传感器满足下式：

1＜W/L

式中W是各突出部分的宽度。

4.权利要求1或2记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述E形磁传感器以间距P1的间隔、在所述主体的宽度方向上成行排列，并将相邻E形磁传感器的输出相加以用于缺陷检测，其中P1满足下式：

P1＜1.6W

式中，W是各突出部分的宽度。

5.权利要求1或2记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述E形磁传感器以间距P2的间隔、在所述主体的宽度方向上成之字形排列，使用在宽度方向上相互重叠的E形磁传感器的较大输出进行缺陷检测，其中P2满足下式：

P2＜0.9W

式中，W是各突出部分的宽度。

6.权利要求1或2记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，将所述E形铁芯和所述磁屏蔽板配置成使E形铁芯和磁屏蔽板之间的间隙Gs满足下式：

S/10＜Gs

式中，S是所述屏蔽板的厚度。

7.权利要求6记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述E形磁传感器以间距P1的间隔、在所述主体的宽度方向上成行排列，并将相邻E形磁传感器的输出相加以用于缺陷检测，其中P1满足下式：

P1＜1.6W

式中，W是各突出部分的宽度。

8.权利要求6记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述E形磁传感器以间距P2的间隔、在所述主体的宽度方向上成之字形排列，使用在宽度方向上相互重叠的E形磁传感器的较大输出进行缺陷检测，其中P2满足下式：

P2＜0.9W

式中，W是各突出部分的宽度。

9.权利要求1记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述主体是薄钢带；所述主体的缺陷部分是混入该薄钢带中的微细杂质。

10.权利要求1记载的磁缺陷检测装置，其特征在于，所述截止频率F设置为在满足下式的频率F的±20％的范围内：

F＝V×(3188-675L)×(850+2000/P)/(1.4×10⁷)

式中，P是E形磁传感器的磁极中心之间的距离，L是初动，V是主体的移动速度，

其中F的单位为Hz，P和L的单位为mm，V的单位为mm/s。

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