一種差分式初始磁導(dǎo)率材質(zhì)檢測探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種基于初始磁導(dǎo)率方法的差分式材質(zhì)檢測探頭，其特征在于該材質(zhì)檢測探頭包括“鐵磁性材料1”、“導(dǎo)磁體2”、“勵磁線圈3””、“導(dǎo)磁回路4”、“磁傳感器5”及“磁傳感器6”。其中，“磁傳感器5”和“磁傳感器6”構(gòu)成雙磁傳感器，并通過貼裝工藝與“導(dǎo)磁體2”構(gòu)成一個剛性整體，其端面與“鐵磁性材料1”以垂直接觸方式相連，“勵磁線圈3”以纏繞方式固定在“導(dǎo)磁體2”上，“導(dǎo)磁回路4”位于“鐵磁性材料1”、“導(dǎo)磁體2”、“磁傳感器5”及“磁傳感器6”構(gòu)成的環(huán)形回路中?！按艂鞲衅?”及“磁傳感器6”的輸出通過“差分放大器12”后，共模信號被抑制，差模信號被放大，顯著改善了檢測探頭的動態(tài)范圍。
【專利說明】一種差分式初始磁導(dǎo)率材質(zhì)檢測探頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測探頭，尤其是一種基于初始磁導(dǎo)率方法通過差分放大對鐵磁 性材料的初始磁導(dǎo)率特性進(jìn)行材質(zhì)檢測的探頭。

【背景技術(shù)】
[0002] 材料按磁性可分為：鐵磁性，亞鐵磁性，抗磁性、順磁性、反鐵磁性。鐵磁性材料是 指具有鐵磁性的材料。所謂鐵磁性是指物質(zhì)中相鄰原子或離子的磁矩由于它們的相互作用 而在某些區(qū)域中大致按同一方向排列，當(dāng)所施加的磁場強(qiáng)度增大時，這些區(qū)域的合磁矩定 向排列程度會隨之增加到某一極限值的現(xiàn)象。
[0003] 鐵磁性材料導(dǎo)磁性能用磁導(dǎo)率y進(jìn)行表征。物理學(xué)中，磁導(dǎo)率y被定義為磁介 質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比。
[0004] 磁導(dǎo)率U是一個伴隨外加磁場的改變而變化的量。描述鐵磁性材料在磁化過程 中磁場強(qiáng)度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)度M之間的關(guān)系的圖形稱為磁化曲線或 B-H曲線。其中，處于磁中性狀態(tài)的鐵磁性材料在最初磁化階段受到一方向不變數(shù)值作單調(diào) 增大的磁場作用時得到的磁化曲線又稱為起始磁化曲線，初始磁導(dǎo)率y i即是起始磁化曲 線上當(dāng)H - 0時的磁導(dǎo)率。在初始磁導(dǎo)率區(qū)域?qū)﹁F磁性材料進(jìn)行磁化和檢測時，外磁場撤 銷后，鐵磁性材料內(nèi)部不會產(chǎn)生剩磁。
[0005] 鐵磁性材料的初始磁導(dǎo)率與其含碳量、內(nèi)應(yīng)力和熱處理狀態(tài)等存在著顯著相關(guān) 性。實驗研究表明，1)合金元素和雜質(zhì)的含量對鐵的磁性能有很大的影響，隨著鋼中碳含 量的增加，鋼鐵件的初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，而矯頑力和剩磁增加； 2)鐵磁性材料的內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力會導(dǎo)致矯頑力和剩磁升高，磁導(dǎo)率下降，而且隨著變形 程度的增加，這種趨勢會加劇，拉應(yīng)力越大，初試磁導(dǎo)率越大，反之，壓應(yīng)力越大，初始磁導(dǎo) 率則越低；3)材料內(nèi)部晶粒大小對磁性能也會產(chǎn)生影響，晶粒越細(xì)小，磁導(dǎo)率越小，矯頑力 越大，這是由于晶粒越小，晶界就越多，妨礙磁疇位移。由此可知，鋼鐵材料的磁性能參數(shù)和 材料的成分、金相組織等具有直接相關(guān)性，理論上，如果能對鐵磁性材料的初始磁導(dǎo)率參數(shù) 進(jìn)行檢測，就可以間接測得鐵磁性材料的含碳量和熱處理狀態(tài)等材質(zhì)特性。
[0006] 將上述初始磁導(dǎo)率特性應(yīng)用于鐵磁性材料材質(zhì)檢測的工作可溯源至1939年德國 Foerster博士等人將磁滯回線應(yīng)用于無損檢測的技術(shù)研究，隨后電磁無損檢測技術(shù)獲得了 快速發(fā)展，應(yīng)用非常廣泛。上世紀(jì)七十年代，F(xiàn)oerster研究所研制并出售了用于混料分選 的各種電磁分選儀，如"Magnatest VHR"儀；上世紀(jì)八十年代，日本也研制出小型化的"異 材試驗器"及"金屬材料簡易判斷和分析器"；隨后前蘇聯(lián)也研制出了鑄鐵硬度電磁無損檢 測儀。我國在上世紀(jì)八十年代開始采用初始磁導(dǎo)率法對鋼鐵件的性能和熱處理質(zhì)量進(jìn)行測 試，并在仿制的基礎(chǔ)上先后推出了鋼鐵硬度分選儀、鋼鐵材質(zhì)分選儀等數(shù)種電磁檢測設(shè)備。
[0007] 現(xiàn)有基于初始磁導(dǎo)率法的鐵磁性材料材質(zhì)檢測儀器在技術(shù)方案上與Foerster博 士基本相似，相當(dāng)于一個以被測鐵磁性材料為鐵芯的耦合變壓器，均采用一定頻率的交變 電流通過勵磁線圈產(chǎn)生交流的磁場，當(dāng)交變的磁場穿過置于空心線圈中的鐵磁性材料時， 將在次級線圈中產(chǎn)生感生電壓，由于感生電壓的大小與被測鐵磁性材料的品質(zhì)因素即初始 磁導(dǎo)率特性直接相關(guān),因此通過測量感生電壓就可以間接測出鐵磁性材料的材質(zhì)特性。研 究表明，當(dāng)若干個待測鐵磁性材料具有相同的外形尺寸和熱處理狀態(tài)時，感生電壓與待測 鐵磁性材料的含碳量等呈強(qiáng)相關(guān)性，而當(dāng)若干個待測鐵磁性材料具有相同的外形尺寸和成 分時，次級感生電壓與待測鐵磁性材料的熱處理狀態(tài)等呈強(qiáng)相關(guān)性，如果這種相關(guān)性在特 定的區(qū)間具有單調(diào)性，則可以通過初始磁導(dǎo)率法對這些鐵磁性材料的含碳量、熱處理狀態(tài) 等進(jìn)行檢測分析。
[0008] 上述方案雖然可以較好地通過初始磁導(dǎo)率參數(shù)對鐵磁性材料的材質(zhì)特性進(jìn)行間 接檢測，但是由于是交流勵磁，感生電壓也是交變信號，所以感生電壓中很容易串入干擾， 從而導(dǎo)致測量誤差。此外，由于待測鐵磁性材料通常不能完全填充空心線圈，所以次級感生 電壓和初級勵磁信號之間也難以進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型。
[0009] 專利201310347483. 8采用直流勵磁的方式，將磁傳感器和待測鐵磁性材料共同 置于勵磁回路，并采用磁傳感器對磁場進(jìn)行高精度測量，大大簡化了勵磁和檢測電路，并有 效避免難以精確建模和交流勵磁所帶來的干擾等問題，但是該方法中仍存在未抑制共模信 號，導(dǎo)致有效信號的動態(tài)范圍較小的問題。
[0010] 本發(fā)明即是在上述背景下提出的一種差分式初始磁導(dǎo)率材質(zhì)檢測探頭。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問題：
[0012] 本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有交流勵磁法初始磁導(dǎo)率材質(zhì)檢測探頭存在的難以 精確建模、勵磁和檢測電路復(fù)雜、易串入干擾等不足，以及直流勵磁法中檢測探頭不能有效 抑制共模信號，導(dǎo)致可測信號的動態(tài)范圍較小的問題，提供一種具有雙磁傳感器的材質(zhì)檢 測探頭。該探頭通過直流勵磁提供磁通勢，并將雙磁傳感器和鐵磁性材料共同置于勵磁回 路中。改變勵磁電流可以方便地調(diào)整勵磁磁通勢，在探頭幾何尺寸和磁通勢確定的情況下， 雙磁傳感器測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度與待測鐵磁性材料的初始磁導(dǎo)率參數(shù)具有唯一相關(guān)性。本發(fā) 明可以較好地抑制共模信號，改善探頭的動態(tài)范圍。
[0013] 技術(shù)方案：
[0014] 1)選擇高導(dǎo)磁材料加工成U型導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體兩端等長；
[0015] 2)在U型導(dǎo)磁體較短的兩端分別貼裝磁傳感器，貼裝后應(yīng)端面平整，并保持同一 平面；
[0016] 3)在U型導(dǎo)磁體上纏繞勵磁線圈，以便在線圈通入直流勵磁電流后能夠為導(dǎo)磁回 路提供磁通勢；
[0017] 4)將磁傳感器和勵磁線圈的引線通過端子引出，然后將探頭進(jìn)行封裝，確保U型 導(dǎo)磁體的較長的導(dǎo)磁端面和磁傳感器與整個探頭的封裝面齊平；
[0018] 5)將材質(zhì)檢測探頭置于光滑平整的待測鐵磁性材料表面，確保材質(zhì)檢測探頭垂直 置于鐵磁性材料表面，且完全貼合；
[0019] 6)在勵磁線圈中通入勵磁電流，由導(dǎo)磁體、雙磁傳感器和待測鐵磁性材料構(gòu)成的 導(dǎo)磁回路內(nèi)將產(chǎn)生磁通勢，雙磁傳感器將輸出與待測鐵磁性材料的初始磁導(dǎo)率相關(guān)的電信 號，據(jù)此可進(jìn)一步對待測鐵磁性材料的含碳量和熱處理狀態(tài)等進(jìn)行解析。
[0020] 有益效果：
[0021] 本發(fā)明一種差分式初始磁導(dǎo)率材質(zhì)檢測探頭能夠克服現(xiàn)有交流勵磁檢測方法中 次級感生電壓和初級勵磁信號之間難以精確建模、勵磁和檢測電路復(fù)雜及容易串入干擾等 不足，以及直流勵磁法中檢測探頭不能有效抑制共模信號，導(dǎo)致可測信號的動態(tài)范圍較小 的問題，提供一種直流勵磁、雙磁傳感器的材質(zhì)檢測探頭。該探頭的導(dǎo)磁體、雙磁傳感器和 待測鐵磁性材料構(gòu)成閉合導(dǎo)磁回路，雙磁傳感器的輸出與待測鐵磁性材料的初始磁導(dǎo)率直 接相關(guān)，據(jù)此可進(jìn)一步對待測鐵磁性材料的含碳量和熱處理狀態(tài)等進(jìn)行解析。當(dāng)若干個鐵 磁性材料具有相同的外形尺寸和熱處理狀態(tài)時，磁傳感器的輸出與待測鐵磁性材料的含碳 量等呈強(qiáng)相關(guān)性，而當(dāng)若干個待測鐵磁性材料具有相同的外形尺寸和成分時，磁傳感器的 輸出則與待測鐵磁性材料的熱處理狀態(tài)等呈強(qiáng)相關(guān)性，如果這種相關(guān)性在特定的區(qū)間具有 單調(diào)性，則可以對鐵磁性材料的含碳量、熱處理狀態(tài)等進(jìn)行較為精確的半定量檢測分析。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭結(jié)構(gòu)示意圖。其中有"鐵 磁性材料1"、"導(dǎo)磁體2"、"勵磁線圈3"、"導(dǎo)磁回路4"、"磁傳感器5"及"磁傳感器6" ；
[0023] 圖2為本發(fā)明基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭檢測方法示意圖。其中有"勵 磁電路7"、"鐵磁性材料1"、"閉合磁路8"、"磁感應(yīng)強(qiáng)度9"、"初始磁導(dǎo)率10"及"材質(zhì)參數(shù) 解析I 1 " ；
[0024] 圖3為本發(fā)明材質(zhì)檢測探頭的差分式信號處理示意圖。其中有"磁傳感器5"、"磁 傳感器6"及"差分放大器12"。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說明。
[0026] 圖1為本發(fā)明一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭結(jié)構(gòu)示意圖。其中有"鐵 磁性材料1"、"導(dǎo)磁體2"、"勵磁線圈3"、"導(dǎo)磁回路4"、"磁傳感器5"及"磁傳感器6"。其 中，"磁傳感器5 "和"磁傳感器6 "構(gòu)成雙磁傳感器，兩者型號參數(shù)完全相同，并通過貼裝工 藝與"導(dǎo)磁體2"構(gòu)成一個剛性的整體，其端面與"鐵磁性材料1"以垂直方式接觸相連，"勵 磁線圈3"以纏繞方式固定在"導(dǎo)磁體2"上，"導(dǎo)磁回路4"位于"鐵磁性材料1"、"導(dǎo)磁體 2"、"磁傳感器5"及"磁傳感器6"構(gòu)成的環(huán)形回路中。
[0027] 實施材質(zhì)檢測時，"鐵磁性材料1"的端面應(yīng)光滑平整，材質(zhì)檢測探頭與"鐵磁性材 料1"的表面應(yīng)垂直接觸且完全貼合。當(dāng)在"勵磁線圈3"中通入勵磁電流時，由"導(dǎo)磁體2"、 "磁傳感器5"、"磁傳感器6"和"鐵磁性材料1"構(gòu)成的"導(dǎo)磁回路4"中將產(chǎn)生磁通勢，"磁 傳感器5"和"磁傳感器6"可檢測到在該磁通勢作用下與"鐵磁性材料1"的初始磁導(dǎo)率相 關(guān)的電信號，據(jù)此可測出"鐵磁性材料1"的初始磁導(dǎo)率，并進(jìn)一步對"鐵磁性材料1"的含 碳量、硬度和熱處理狀態(tài)等進(jìn)行解析。
[0028] 圖2為本發(fā)明基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭檢測方法示意圖。其中有"勵 磁電路7"、"鐵磁性材料1"、"閉合磁路8"、"磁感應(yīng)強(qiáng)度9"、"初始磁導(dǎo)率10"及"材質(zhì)參數(shù) 解析11 "。其中，"勵磁電路7 "用于產(chǎn)生磁通勢，當(dāng)磁通勢通過"閉合磁路8 "作用于"鐵磁 性材料1"時，"鐵磁性材料1"的初始磁導(dǎo)率特性會對"閉合磁路8"的磁通量產(chǎn)生影響，磁 傳感器可通過測量"磁感應(yīng)強(qiáng)度9"檢測這種變化，進(jìn)而可以測出"鐵磁性材料1"的"初始 磁導(dǎo)率10"，并進(jìn)一步對待測"鐵磁性材料1"的含碳量、硬度和熱處理狀態(tài)等進(jìn)行"材質(zhì)參 數(shù)解析11"。
[0029] 假設(shè)"勵磁電路7"所產(chǎn)生的磁通勢為F，該磁通勢為線圈匝數(shù)N和勵磁電流I的 乘積，由于線圈匝數(shù)N為固定值，所以可通過調(diào)整電流I得到不同的磁通勢F。
[0030] 不考慮漏磁通，理想情況下，雖然磁路各段截面積不同，材質(zhì)也不同，但磁通O完 全相同。由于各段的初始磁導(dǎo)率U i不同，所以各段的磁場強(qiáng)度Hi也會各不相同。
[0031] 假定，U型"導(dǎo)磁體2"、"磁傳感器5"、"磁傳感器6"及"鐵磁性材料1"的截面積 分別為S 1, S2, S' 2, S3，各段的有效導(dǎo)磁長度分別為s，S，S，L，則有
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭，其特征在于該材質(zhì)檢測探頭包括"鐵磁 性材料1"、"導(dǎo)磁體2"、"勵磁線圈3"、"導(dǎo)磁回路4"、"磁傳感器5"及"磁傳感器6"。其中， "磁傳感器5"及"磁傳感器6"構(gòu)成雙磁傳感器，兩者型號參數(shù)完全相同，并通過貼裝工藝與 "導(dǎo)磁體2"構(gòu)成一個剛性的整體，其端面與"鐵磁性材料1"接觸相連，"勵磁線圈3"以纏繞 方式固定在"導(dǎo)磁體2"上，"導(dǎo)磁回路4"位于"鐵磁性材料1"、"導(dǎo)磁體2"、"磁傳感器5" 及"磁傳感器6"構(gòu)成的環(huán)形回路中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭，其特征在于所述 的材質(zhì)檢測探頭的U型"導(dǎo)磁體2"的兩端為等長結(jié)構(gòu)，并在兩端分別貼裝有"磁傳感器5" 及"磁傳感器6"，貼裝后端面保持在同一平面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭，其特征在于所述 的材質(zhì)檢測探頭的U型"導(dǎo)磁體2"上纏繞有"勵磁線圈3"，以便在"勵磁線圈3"中通入直 流勵磁電流后能夠為導(dǎo)磁回路提供磁通勢。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭，其特征在于所述 的材質(zhì)檢測探頭，其"磁傳感器5"及"磁傳感器6"與"差分放大器12"相連，"差分放大器 12"的輸出中，來自"磁傳感器5"及"磁傳感器6"的共模信號被抑制，而與"鐵磁性材料1" 有關(guān)的差模信號被放大，顯著改善了檢測探頭的動態(tài)范圍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭，其特征在于所述 的材質(zhì)檢測探頭的"勵磁線圈3"移除時，"導(dǎo)磁體2"為具有恒定磁場的永磁體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于初始磁導(dǎo)率方法的材質(zhì)檢測探頭，其特征在于所述 的材質(zhì)檢測探頭的"勵磁線圈3"的勵磁電流為0時，"導(dǎo)磁體2"為具有恒定磁場的永磁體。
【文檔編號】G01N27/72GK104375100SQ201310347603
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)明者】帥立國 申請人:帥立國