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基于微磁理论的镀层工件裂纹检测仪
作者:陈桂琴 徐章遂 王锋 周海林
摘要:以具有镀层的铁磁零部件的裂纹检测为背景,阐述了微磁裂纹检测仪的主要原理、裂纹特征二次梯度提取及裂纹检测的实现。
关键词:镀层零件;微磁检测;二次梯度
Instrument of Testing Crack for the Parts with Plating Layer Based on Micromagnetic Theory
CHEN Guiqin1, XU Zhangsui2, WANG Feng2, ZHOU Hailin2
(1.Hebei Higher Special School of Engineering, Cangzhou 0 61001, China;
2.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)
Abstract: Using the crack detection of ferromagnetic materials p arts with plating layer as a sample, the micromagnetic crack testing principle s, the crack characteristic extracting based on double gradient, and realizing o f crack testing were introduced in this paper.
Key words: parts with plating layer; micromagnetic detection; double gradient
镀层工件是指在钢材料表面镀有如铬、镍、锌等金属的工件,镀层厚度约为20~80μm。这些金属的磁导率近于1,不适于采用磁粉探伤;其镀层覆盖在铁磁工件表面,也不适于电涡流探伤和超声探伤方法。笔者在国家自然科学基金资助项目研究中,运用微磁检测技术对这种工件裂纹进行了检测,取得了满意的效果。
1 裂纹微磁检测原理
由材料的微观磁特性可知:(1)当外加机械应力时,会使材料中的晶格组织发生变化。在损伤区边缘出现附加磁极,产生磁荷聚集,形成磁场,材料对外显示磁性。缺陷不再扩展,其缺陷磁场强度保持不变。(2)当材料内部存在裂纹、夹杂等缺陷时,也会破坏原来的晶格,形成累计磁场,对外显磁性。
因此在内应力集中或缺陷集中的地方,金属导磁率下降,形成一内部磁源。这一内部磁源向金属表面传递,形成泄漏磁场,其切向分量最大,法向分量具有从正过零到负的变化过程。
金属构件缺陷的存在,就一定产生磁畴固定结点,形成内部磁场。这种磁场十分微弱,按微磁学原理称为微磁点,其检测过程称为微磁检测。
2 裂纹磁畴结点磁荷变异
裂纹磁畴结点磁场按静态磁场的特点向材料表面传递。设裂纹呈V形,宽度为2b,深度为d,长度为L,铁磁材料相对磁导率为μr(如图1所示)。当磁场通过两种介质分界面时,磁感应强度的法向分量是连续的。因此磁场由铁磁区(区域1)进入空气(由于铬与空气的导磁率都近似为1,可认为是一个区域,记为区域2)有:
式中n为法线方向,M1、M2为磁化强度,M2=0,δs为磁荷面密度,它是由μ0M1法线分量在两种不同介质分界面上的不连续形成的,表明磁荷分布在边界处会发生变异,即出现正负峰,检测这一变异就可以发现裂纹。而变异的峰值、位置等特性就反应了裂纹的形状和尺寸。因此磁荷变异理论就形成了裂纹检测的基础。
由文献[5],对如图2所示V形裂纹,磁偶极子在测试点P处产生的磁场其垂直分量为:
3 裂纹特征提取
由式(2)作出的模拟裂纹微磁水平、垂直分量的波形如图3所示。
由图可见:
(1)裂纹磁场垂直分量Hy具有正峰和负峰值,峰—峰值随裂纹的深度增加而增大(峰—峰间的变化梯度增大)。当梯度大于某一阈值时,存在裂纹。
(2)裂纹水平分量具有单峰,峰值随裂纹深度增加而增大。磁场的二次梯度反映了磁场变化的程度。只有在磁场变化非常剧烈的地方,二次梯度的峰值才会很突出。当二次梯度大于某一阈值时,裂纹存在,且随着裂纹深度增加,二次梯度增大。
根据上述特点可提取裂纹特征(图4)。图4(a)为实际检测的信号,(b)为二次梯度信号。由图可见,二次梯度大的信号可判断为裂纹信号。
4 裂纹检测系统组成
仪器 系统由传感装置、自适应扫描装置、采样控制器、信号预处理器、计算机、驱动装置等组成,如图5所示。
磁传感装置由磁阻传感器 等组成。磁阻传感器利用半导体磁阻效应制作,其灵敏度较高,可检测小于10-7T的微弱磁场,因而可直接检测缺陷泄漏的微磁信号,并将磁信号转换为电信号。采样控制器由圆光栅、A/D转换器等组成,实现空域等距采样;自适应扫描装置由触觉传感器、调节机构、自适应控制器等组成,自动调节控制磁传感器与工件表面的贴合度。计算机为586SX级别的PC/104,板上包含了DMA控制器、中断控制器、定时器;外部接口包括一个双向并行口、两个RS232串行口等。存储器为电子盘DOC(32MB)。显示器为320×240场致发光显示屏,在强光下可正常显示。
磁传感装置在驱动装置带动下,沿工件表面运动,测取缺陷磁信号,并转化为电信号输出到信号预处理器;信号预处理器对信号进行放大、滤波,再经采样控制器变成数字信号,送计算机;计算机对上述各部分实施控制,同时对接收的信号进行数字滤波、信号分析、裂纹特征提取、定量计算、显示记录,实现裂纹微磁定量检测。驱动装置受控于计算机,它的两个输出驱动轴分别接采样控制器和磁传感装置,使之联动。在强变化环境磁场干扰时,计算机控制复位电路消除强变化环境磁场干扰。
5 软件设计
主程序流程如图6所示,采用智能化设计。检测开始,启动探测头扫描,检测信号经放大、滤波预处理后,进入信号采集,将信号转换为数字信号,送计算机进行平滑滤波,然后转换为信号变化二次梯度数据;随后根据裂纹信号特征,首先寻找二次梯度变化峰值点,然后判断各个峰值是否≥阀值,凡二次梯度峰值≥阀值的信号,均可判断为裂纹;对判断为裂纹的信号数据进行记录、显示。
6 结论
根据上述原理研制的智能微磁裂纹检测仪,可检出微米级裂纹,实现了裂纹定量检测,检测工艺简便,工效高。
参考文献
[1]中华人民共和国国家军用标准GJB2028-94磁粉检验(5.1)[S].国防科学技术工业委员会,1995.
[2]李国栋.当代磁学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.
[3]姜寿,亭李卫.凝聚态磁性物理[M].北京:科学出版社,2003.
[4]徐章遂,等.铁磁材料组合型裂纹缺陷漏磁数学模型[J].兵器材料工程与科学,2001,(3):3-6.
[5]徐章遂,马爱文.基于模糊模式识别的裂纹漏磁信号定量分析[J].中国机械工程,1998,(6):41-43.(end)
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(1/20/2006)
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