專利名稱：一種三維電磁探頭及旋磁檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于金屬材料無損檢測和評估的三維電磁探頭，尤其是能夠通過旋磁檢測方法對金屬材料材質均勻性和裂紋等進行三維旋磁掃描檢測和預警的無損檢測與分選探頭。
背景技術：
材質均勻性與金屬材料的金相結構，以及偏析、縮孔、縮松和裂紋等組織缺陷密切相關，是金屬材料的一項重要指標，關乎金屬材料產品質量和我國金屬產品在國際市場上的競爭力。2001年國家鋼鐵研究院金屬材料材質均勻性光譜檢査分析儀鑒定會時，與會代表即呼吁國家有關部門應加大投入，盡快就金屬材料材質均勻性指標研究制定國家標準，并投入力量研究相關檢測技術和方法。
金屬材料的材質均勻性對于金屬產品具有重要的意義和價值。眾所周知，現有的金屬材料指標主要包括成分、強度、塑性、韌性、硬度和疲勞強度等化學與機械性能指標，上述指標的優(yōu)劣在一定程度上只能代表金屬產品某個局部的產品質量優(yōu)劣，對于其整體性能卻難以進行評估。2001年7月17年發(fā)生在上海滬東造船廠的龍門塔吊倒塌事故直接導致36人遇難，其中包括2名同濟大學博士后和一名副教授。此外，鐵路鋼軌在運營過程中隨著環(huán)境高低溫度變化和動載荷的作用，其組織均勻性也在發(fā)生改變，并可能尤其產生裂紋并最終導致斷軌，2009年4月7日，陜西韓城開往北京西站的1164次旅客列車即因鐵軌斷裂造成6節(jié)車廂，所幸并未造成人員傷亡，而2000年10月17日發(fā)生在英國哈特菲德因鋼軌斷裂所引發(fā)的列車出軌事故則沒這么幸運，該事故共造成4人死亡，近100人受傷。此類事故幾乎每年都會發(fā)生，嚴重的還會造成車毀人亡。其他的再如作為飛機和機車關鍵零部件的心軸，由于材質不均勻導致心軸斷裂而引發(fā)的事故屢見不鮮，這樣的事故每年都會給人民群眾的財產和生命安全帶來重大損失。
對于一個尺寸均勻的細長金屬棒材，當施加一定的外力彎折該棒時，在柔韌性不是很強的情況下，總會有一個地方最先斷裂， 一般而言，這個最先斷裂的地方，就是該棒材質均勻性較差的地方。金屬材料材質均勻性檢測就是要檢測出這樣的薄弱環(huán)節(jié)，并評估其不均勻性導致產品失效的危險程度，從而為產品的安全性指標提供科學依據。
材質不均勻性所帶來的危害早已引起領域內專家的關注和重視，但在檢測手段上，直到2001年才有國家鋼鐵研究院基于光學方法的材料表面成分的均勻性檢測儀器面世。光學檢測在于這是一種破壞性檢測方法，檢測之前需要對被檢測表面進行打磨，而且所檢測的只是表面的成份均勻性，難以對機械性能和裂紋等機械檢測和評估。在電磁檢測方面，目前已有材料進行分選和裂紋檢測的儀器和探頭，但在技術手段上，該類儀器在檢測過程中，勵磁場的方向是恒定不變的，即使變化也僅僅是X、 Y、 Z三個方向的切換，而且探頭的三個方向上的檢測是相互獨立的，沒有構成一個有機的整體。由于與磁場方向垂直的裂紋斷面所引發(fā)的渦流損耗較大，而與磁場方向一致的裂紋斷面所引發(fā)的渦流損耗較小，因此現有探頭能夠有效檢測X、 Y、 Z三個方向上的裂紋斷面，而對其他方向上裂紋的則效果較差。
本發(fā)明是基于旋磁方法的電磁無損檢測和評估方法，對工件表面沒有特別要求，儀器X、 Y、 Z三個方向上的三組探頭是一個有機的整體，檢測過程中能夠形成穿透被檢零部件內部的空間旋轉磁場，從而對零件各個方向的材質均勻特性進行旋轉掃描，實現被檢零部件的三維電磁成像。本發(fā)明所提供的探頭和旋磁檢測方法不僅能夠用于成分、機械性能和組織均勻性的檢測和評估，而且能夠通過材質分布的不均勻性差異對裂紋等組織異常進行檢測和預警。

發(fā)明內容
技術問題:本發(fā)明的目的針對現有基于光學方法的金屬材料材質均勻性檢測儀器為破壞性、金屬材料電磁無損分選和檢測儀器為單一方向上的檢測、不具有旋磁特性等問題，提供一種三維電磁檢測探頭和基于該三維探頭的旋磁檢測方法，該三維電磁探頭和旋磁檢測方法綜合了現有光學方法二維掃描的優(yōu)點和電磁檢測方法無損傷、對零部件表面要求不高的優(yōu)點，能夠有效應用于金屬材料的材質均勻性檢測和評估，并通過材質分布的不均勻性差異對裂紋等組織異常進行檢測和預警。技術方案本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是采用空間三維正交排列的三組線圈進行勵磁，從而形成三個方向的正交磁場，改變各組線圈的電流，可以改變相應方向上的勵磁強度，從而合成不同矢量方向的勵磁場，按一定規(guī)律改變三個正交方向上的勵磁電流，可形成遍歷各個方向的旋轉磁場，從而為金屬材料的掃描檢測提供旋轉磁場。每組線圈方向上均設置有檢測線圈作為感應傳感器，以拾取該方向上材質特性所區(qū)別的感應電流。對于每一個旋磁掃描方向上的勵磁場，均可以獲得三個正交方向上的感應電流，感應電流合成后即為該磁場方向上材質特性所區(qū)別的感應電流。順序掃描并遍歷金屬材料將能夠獲得全部檢測方向上材質特性所區(qū)別的感應信號，再經三維數據可視化后將能夠實現該金屬材料的三維電磁成像。
本發(fā)明最為顯著的技術特征在于，采用三維正交的磁場對金屬材料進行檢測，并通過改變其強弱分布生成旋轉磁場，實現三維旋磁掃描檢測，并在檢測數據的基礎上通過三維數據可視化，實現金屬材料的三維電磁成像，以發(fā)現金屬材料的材質分布的不均勻性差異，從而對可能導致安全隱患的裂紋等組織缺陷進行檢測和預警。
有益效果:本發(fā)明三維旋磁探頭可以很好地克服現有電磁檢測傳感器在實際使用中存在的檢測方向單一、不具有旋磁掃描檢測功能、不能進行裂紋預警等問題，提供一種三維電磁檢測探頭和基于該三維探頭的旋磁檢測方法。該三維電磁探頭和旋磁檢測方法綜合了現有光學方法二維掃描的優(yōu)點和電磁檢測方法無損傷、對零部件表面要求不高的優(yōu)點，能夠有效應用于金屬材料的材質均勻性檢測和評估，并通過材質分布的不均勻性差異對裂紋等組織異常進行檢測和預警。
本發(fā)明為原創(chuàng)性、具有自主知識產權的創(chuàng)新產品和檢測方法，目前國內外均無三維旋磁探頭、旋磁檢測方法和相關專利成果，具有非常廣闊的市場前景。


圖l是本發(fā)明三維旋磁探頭的外觀示意圖。其中有探頭體l、探測孔2、接線端口3。
圖2是本發(fā)明三維旋磁探頭的結構示意圖。其中有探頭體l、探測孔2、接線端口3、前探測線圈4、后探測線圈5、上探測線圈6、下探測線圈7、左探測線圈8、右探測線圈9。圖3是本發(fā)明三維旋磁探頭的旋磁掃描方式示意圖。
圖4是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對無缺陷且材質均勻的理想金 屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖。
圖5是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對無缺陷且材質相對均勻的實 際金屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖。
圖6是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對存在點狀材質異常的實際金 屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖。
圖7是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對存在裂紋等線性材質異常的 實際金屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖(材質異常顯示為凸起)。
圖8是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對存在裂紋等線性材質異常的 實際金屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖(材質異常顯示為凹陷)。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案進一步說明。 圖1是本發(fā)明三維旋磁探頭的外觀示意圖。其中，有探頭體l、探測孔2、 接線端口3。圖2是本發(fā)明三維旋磁探頭的結構示意圖。其中，有探頭體l、探 測孔2、接線端口3、前探測線圈4、后探測線圈5、上探測線圈6、下探測線圈 7、左探測線圈8、右探測線圈9。其中，探測孔2位于探頭體1的中心位置，探 測孔2可以是通孔,也可以是一端封閉的盲孔，接線端口 3位于探頭體1的側邊， 前探測線圈4和后探測線圈5構成前后方向的一組探測線圈，上探測線圈6和下 探測線圈7構成上下方向的一組探測線圈，左探測線圈8和右探測線圈9構成左 右方向的一組探測線圈，這三組探測線圈的軸心線相交于一點，并呈正交狀態(tài)。 每組探測線圈中均包括一對勵磁線圈和一對檢測線圈，勵磁線圈的作用在于激發(fā) 沿軸心線方向的勵磁場，檢測線圈的作用在于獲取磁場和被檢工件所決定的在該 方向上的感生電流。
本發(fā)明旋磁檢測探頭在采用旋磁檢測方法執(zhí)行探測任務時，須將被檢工件置 于探測孔2中，并分別在三組相互正交的探頭中輸入勵磁電流，從而產生三個相 互正交的磁場矢量，由于三組探測線圈的軸心線為相互正交且相交于一點，因此 這三個磁場矢量也是相互正交且相交于一點，三個正交方向上的磁場矢量經合成 后成為一個通過正交點的空間磁場矢量。改變三組探測線圈中的勵磁電流，勵磁場的強度也隨之改變，合成后的空間磁場矢量的強度和方向也因此而不同，按一 定規(guī)律合理調整三組線圈中的勵磁電流，可以使得合成后的空間磁場矢量為繞正 交點旋轉且大小恒定的旋轉矢量。
圖3是本發(fā)明三維旋磁探頭的旋磁掃描方式示意圖。圖中X， Y， Z分別代 表勵磁場所產生的三個正交磁場矢量方向，其原點0為三個正交磁場矢量的交 點。圖中，空間磁場矢量O可以分解為cDx、 O)y和Oz三個磁通分量，或者說， 沿X、 Y、 Z三個方向上的磁通分量Ox、 O)y和Oz可以合成為空間磁場矢量O， 合理調整①x、①y和①z三個磁通分量，可以使得合成后的空間磁場矢量①的大 小恒定不變，而方向為繞原點O的旋轉矢量，從而為空間任意方向上的旋磁檢 測提供一個穿透工件且大小恒定的空間磁場。圖中示出了沿經緯兩個方向的旋轉 磁場繞行方向，如帶箭頭的虛線所示。
由于空間旋轉磁場矢量0可以分解為。x、 Oy和Oz三個磁通分量，因此，
在對被檢工件執(zhí)行旋磁檢測任務時，總存在沿著X、 Y、 Z三個方向上的磁通分量， 當這三個方向上的磁通分量穿透被檢工件時，將能夠在金屬材料內部引發(fā)渦流損 耗，材質阻抗特性不同，渦流損耗也有所差別，特別地，對于存在與磁場方向一 致的裂紋的工件，渦流損耗將顯著減小，基于這一特性，可以利用分置于三個方 向上的檢測線圈拾取這一差別，從而為材質分選和裂紋檢測提供依據，進一步地， 當對被檢工件執(zhí)行完整的旋磁掃描檢測后，還可以將檢測到的結果通過三維數據 可視化，實現三維電磁成像。當工件材質較為均勻時，可視化結果為一個與工件 幾何形狀相似的類似體，而當工件中存在組織異?；蛄鸭y時，將能夠看到類似體 上明顯外凸的峰刺或內凹的凹陷。
圖4是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對無缺陷且材質均勻的理想金 屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖。由于工件是理想的金屬圓球，且材 質均勻，因此，旋磁檢測得到的三維電磁成像圖也是一個理想的圓球。
圖5是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對無缺陷且材質相對均勻的實 際金屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖。由于工件是實際的金屬圓球， 由于金屬成型和加工工藝的差異，材質相對均勻，但并非絕對均勻，旋磁檢測得 到的三維電磁成像圖是一個與圓球工件形狀相似的類似體，其表面凹凸不平，但 無明顯的毛刺或刺峰。
圖6是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對存在點狀材質異常的實際金屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖。當工件中存在點狀組織異常時，旋 轉磁場穿過該點時，檢測線圈拾取的信號將反映這一異常，異常的信號表現為數 據的突然增大或減小。圖6中IO所指刺峰即為由于組織異常導致數據突然增大 的情形，如果突然減小，可視化結果則為類似體上的一個凹陷。
圖7是本發(fā)明三維旋磁探頭和旋磁檢測方式對存在裂紋等線性材質異常的 實際金屬圓球工件進行掃描檢測的電磁成像示意圖(材質異常顯示為凸起)。當 組織異常不是一個點，而是一個裂紋或者異常斷面時，三維數據可視化將是若干 個刺峰的疊加，表現為成片的整體外凸或內陷，圖7中11所指刺峰是材質異常 導致檢測數據突然增大，數據可視化表現為凸起的情形，圖8中12所指凹陷是 材質異常導致檢測數據突然減小，數據可視化表現為凹陷的情形。
上述圖6、圖7、圖8的實施例表明，基于本發(fā)明三維旋磁檢測探頭和旋磁 檢測方法，并經三維數據可視化所生成的三維電磁成像圖能夠非常直觀地反映金 屬材料內部的材質均勻性和組織異常，從而幫助檢測人員對被檢工件的質量進行 快速評估。
本發(fā)明為原創(chuàng)性、具有自主知識產權的創(chuàng)新產品，目前國內外均無類似產品 及專利成果。本發(fā)明所提供的探頭和旋磁檢測方法不僅能夠用于成分、機械性能 和組織均勻性的檢測和評估，而且能夠通過材質分布的不均勻性差異對裂紋等組 織異常進行檢測和預警。
本發(fā)明可廣泛應用于金屬材料加工企業(yè)，特別是重大工程、國防和航空航天 等重點領域關鍵零部件的檢測與質量評估，具有非常廣闊的市場前景，社會效益 和經濟效益顯著。
權利要求
1、一種三維電磁探頭即旋磁檢測方法，其特征在于電磁探頭包括探頭體1、探測孔2、接線端口3、前探測線圈4、后探測線圈5、上探測線圈6、下探測線圈7、左探測線圈8、右探測線圈9。其中，探測孔2位于探頭體1的中心位置，探測孔2可以是通孔，也可以是一端封閉的盲孔，接線端口3位于探頭體1的側邊，前探測線圈4和后探測線圈5構成前后方向的一組探測線圈，上探測線圈6和下探測線圈7構成上下方向的一組探測線圈，左探測線圈8和右探測線圈9構成左右方向的一組探測線圈，這三組探測線圈的軸心線相交于一點，并呈正交狀態(tài)。
2、 根據權利要求1所述的三維電磁探頭及旋磁檢測方法，其特征在于每組 探測線圈中均包括一對勵磁線圈和一對檢測線圈，勵磁線圈的作用在于激發(fā)沿軸 心線方向的勵磁場，檢測線圈的作用在于獲取磁場和被檢工件所決定的在該方向 上的感生電流。
3、 根據權利要求1所述的三維電磁探頭及旋磁檢測方法，其特征在于沿X、 Y、 Z三個方向上的磁通分量①x、 Oy和(Dz可以合成為空間磁場矢量①，合理 調整(Dx、①y和(Dz三個磁通分量，可以使得合成后的空間磁場矢量①的大小恒 定不變，而方向為繞原點O的旋轉矢量，從而為空間任意方向上的旋磁檢測提 供一個穿透工件且大小恒定的空間磁場。
4、 根據權利要求1所述的三維電磁探頭及旋磁檢測方法，其特征在于對被 檢工件執(zhí)行完整的旋磁掃描檢測后，可以將檢測到的結果通過三維數據可視化， 實現三維電磁成像。
5、 根據權利要求1所述的三維電磁探頭及旋磁檢測方法，其特征在于當工 件材質較為均勻時，電磁成像結果為一個與工件幾何形狀相似的類似體，而當工 件 中存在組織異常或裂紋時，電磁成像結果為帶有明顯外凸的峰刺或內凹的凹陷 的類似體。
6、 根據權利要求1所述的三維電磁探頭及旋磁檢測方法，其特征在于三維 電磁探頭和旋磁檢測方法不僅能夠用于成分、機械性能和組織均勻性的檢測和評 估，而且能夠通過材質分布的不均勻性差異對裂紋等組織異常進行檢測和預警。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于金屬材料無損檢測和評估的三維電磁探頭及旋磁檢測方法。該電磁探頭包括探頭體1、探測孔2、接線端口3、前探測線圈4、后探測線圈5、上探測線圈6、下探測線圈7、左探測線圈8、右探測線圈9。其特征在于每組探測線圈均包括一對勵磁線圈和一對檢測線圈，合理調整各組線圈的勵磁電流，可以為旋磁檢測提供大小恒定的空間旋轉磁場。旋磁檢測得到的結果經三維數據可視化可生成與被檢工件相似的類似體，材質異常表現為類似體上明顯的外凸或凹陷，能夠直觀地反映金屬材料內部的材質均勻性和組織異常，從而幫助檢測人員對被檢工件的質量進行快速評估。本發(fā)明不僅能夠用于成分、機械性能和組織均勻性的檢測和評估，而且能夠通過材質分布的不均勻性差異對裂紋等組織異常進行檢測和預警。
文檔編號G01N27/72GK101661018SQ20091018357
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權日2009年9月23日
發(fā)明者帥立國 申請人:帥立國