[发明专利]一种差分式初始磁导率材质检测探头

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测探头，尤其是一种基于初始磁导率方法通过差分放大对铁磁性材料的初始磁导率特性进行材质检测的探头。

背景技术

材料按磁性可分为：铁磁性，亚铁磁性，抗磁性、顺磁性、反铁磁性。铁磁性材料是指具有铁磁性的材料。所谓铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。

铁磁性材料导磁性能用磁导率μ进行表征。物理学中，磁导率μ被定义为磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。

磁导率μ是一个伴随外加磁场的改变而变化的量。描述铁磁性材料在磁化过程中磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系的图形称为磁化曲线或B-H曲线。其中，处于磁中性状态的铁磁性材料在最初磁化阶段受到一方向不变数值作单调增大的磁场作用时得到的磁化曲线又称为起始磁化曲线，初始磁导率μi即是起始磁化曲线上当H→0时的磁导率。在初始磁导率区域对铁磁性材料进行磁化和检测时，外磁场撤销后，铁磁性材料内部不会产生剩磁。

铁磁性材料的初始磁导率与其含碳量、内应力和热处理状态等存在着显著相关性。实验研究表明，1)合金元素和杂质的含量对铁的磁性能有很大的影响，随着钢中碳含量的增加，钢铁件的初始磁导率、最大磁导率、饱和磁感应强度降低，而矫顽力和剩磁增加；2)铁磁性材料的内应力和残余应力会导致矫顽力和剩磁升高，磁导率下降，而且随着变形程度的增加，这种趋势会加剧，拉应力越大，初试磁导率越大，反之，压应力越大，初始磁导率则越低；3)材料内部晶粒大小对磁性能也会产生影响，晶粒越细小，磁导率越小，矫顽力越大，这是由于晶粒越小，晶界就越多，妨碍磁畴位移。由此可知，钢铁材料的磁性能参数和材料的成分、金相组织等具有直接相关性，理论上，如果能对铁磁性材料的初始磁导率参数进行检测，就可以间接测得铁磁性材料的含碳量和热处理状态等材质特性。

将上述初始磁导率特性应用于铁磁性材料材质检测的工作可溯源至1939年德国Foerster博士等人将磁滞回线应用于无损检测的技术研究，随后电磁无损检测技术获得了快速发展，应用非常广泛。上世纪七十年代，Foerster研究所研制并出售了用于混料分选的各种电磁分选仪，如“Magnatest VHR”仪；上世纪八十年代，日本也研制出小型化的“异材试验器”及“金属材料简易判断和分析器”；随后前苏联也研制出了铸铁硬度电磁无损检测仪。我国在上世纪八十年代开始采用初始磁导率法对钢铁件的性能和热处理质量进行测试，并在仿制的基础上先后推出了钢铁硬度分选仪、钢铁材质分选仪等数种电磁检测设备。

现有基于初始磁导率法的铁磁性材料材质检测仪器在技术方案上与Foerster博士基本相似，相当于一个以被测铁磁性材料为铁芯的耦合变压器，均采用一定频率的交变电流通过励磁线圈产生交流的磁场，当交变的磁场穿过置于空心线圈中的铁磁性材料时，将在次级线圈中产生感生电压，由于感生电压的大小与被测铁磁性材料的品质因素即初始磁导率特性直接相关，因此通过测量感生电压就可以间接测出铁磁性材料的材质特性。研究表明，当若干个待测铁磁性材料具有相同的外形尺寸和热处理状态时，感生电压与待测铁磁性材料的含碳量等呈强相关性，而当若干个待测铁磁性材料具有相同的外形尺寸和成分时，次级感生电压与待测铁磁性材料的热处理状态等呈强相关性，如果这种相关性在特定的区间具有单调性，则可以通过初始磁导率法对这些铁磁性材料的含碳量、热处理状态等进行检测分析。

上述方案虽然可以较好地通过初始磁导率参数对铁磁性材料的材质特性进行间接检测，但是由于是交流励磁，感生电压也是交变信号，所以感生电压中很容易串入干扰，从而导致测量误差。此外，由于待测铁磁性材料通常不能完全填充空心线圈，所以次级感生电压和初级励磁信号之间也难以进行精确的数学模型。

专利201310347483.8采用直流励磁的方式，将磁传感器和待测铁磁性材料共同置于励磁回路，并采用磁传感器对磁场进行高精度测量，大大简化了励磁和检测电路，并有效避免难以精确建模和交流励磁所带来的干扰等问题，但是该方法中仍存在未抑制共模信号，导致有效信号的动态范围较小的问题。

本发明即是在上述背景下提出的一种差分式初始磁导率材质检测探头。

发明内容

技术问题：