鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置及測量方法，包括鐵基體缺陷、測量輔助片和磁場發射裝置；鐵基體缺陷上端面有凹槽，測量輸助片中部開有通孔，磁場發射裝置由彈力測試件、螺旋線圈、鐵芯和觸發頭構成，螺旋線圈套在鐵芯上，彈力測試件一端與鐵芯一端相連或相觸，鐵芯另一端為觸發頭。優點：提出新型測量方法（比差法）對其缺陷深度進行精確測量，其檢測精度可達到±30um。
【專利說明】鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種借用磁吸法測涂覆測厚度原理，用比差法的數學方法消除不確定度、粗糙度、外在因素和不確定度的干擾，引入磁阻抗與鐵基體相差較大的介質，用測量調整片使其達到測量微小缺陷深度功能的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置及測量方法，屬鋼軌表面開口性微缺陷的深度測量裝置制造領域。
【背景技術】
[0002]現有對鐵磁性材料的深度測量有機械法、超聲法等。機械法:利用深度游標卡尺的原理來測量，但是對于微小缺陷的測量，要求測量端面積小于0.5mm2，測量基準誤差大，只適用于缺陷開口大于0.8mm2，深度較大，基準面光滑平整的缺陷。超聲波法:利用超聲波反射原理測量，但是該方法只適用于長遠距離測量，而且誤差在5mm以上，不能滿足微小缺陷的測量。
【發明內容】
[0003]設計目的:避免【背景技術】中的不足之處，設計一種借用磁吸法測涂覆測厚度原理，用比差法的數學方法消除不確定度、粗糙度、外在因素和不確定度的干擾，引入磁阻抗與鐵基體相差較大的介質，用測量調整片使其達到測量微小缺陷深度功能的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置及測量方法。
[0004]設計方案:本發明利用磁吸法的原理，配合現代電子測量技術，利用加入磁介質和磁粉的方法，并利用的比差法的數學手段，解決的該測量問題。在道岔制造過程中常常會出現鋼軌表面材質缺陷，依據《客運專線60Kg/m鋼軌暫行技術條件》4.10.3在熱狀態下形成的鋼軌縱向導位板刮傷、磨痕、熱刮傷、縱向線紋、折迭、氧化皮壓入、軋痕等的最大允許深度:鋼軌踏面< 0.35mm、鋼軌其它部位< 0.5mm為界限判定該缺陷是否影響鋼軌繼續使用。該缺陷產生的原因一般是由于鋼廠熱軋制或道岔制造過程中壓型所造成的，表面通常會有很薄的氧化膜且不易剝離，肉眼可見但對其深度的準確測量至今未找到有效而適用的方法，本發明正是為了解決該問題二設計的。
[0005]利用磁鐵與鐵磁材料之間發生作用時，磁通量不同，產生的力不同來實現測量的，所以這注定了它只能測量鐵基體材料且測量范圍狹小。該方法對磁源與鐵基體材料之間的介質的磁阻抗有嚴格的要求。根據其原理與現代電子技術相結合，可用于精確測量微缺陷的深度。本發明用該原理，用比差法的數學方法消除不確定度、粗糙度、外在因素和不確定度的干擾，引入磁阻抗與鐵基體相差較大的耦合劑，在耦合劑中加入磁介質補償調節磁場，用厚度適合的測量調整片使其達到測量微小缺陷深度的目的。
[0006]本發明與【背景技術】相比，現有的國標、鐵標要求鐵質材料表面缺陷不得超過一定數值，但現有的測量方法無法對開口性缺陷精確測量，現針對這一問題，提出可行的測量方法，現對于這一方法進行理論論證、提出新型測量方法(比差法)對其缺陷深度進行精確測量，其檢測精度可達到±30um。【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置結構示意圖。
[0008]圖2是鐵基體的局部結構示意圖中用于測量LI。
[0009]圖3是鐵基體的局部結構示意圖中用于測量L2。
[0010]圖4是磁場發射裝置的結構示意圖。
[0011]圖5是圖1應用結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]實施例1:參照附圖1至圖5。一種鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置，包括鐵基體缺陷1、測量輔助片2和磁場發射裝置3 ;鐵基體缺陷I上端面有凹槽，測量輸助片2中部開有通孔，磁場發射裝置3由彈力測試件31、螺旋線圈32、鐵芯33和觸發頭34構成，螺旋線圈32套在鐵芯33上，彈力測試件31 —端與鐵芯33 —端相連或相觸，鐵芯33另一端為觸發頭34。所述彈力測試件31為彈簧或彈性測量傳感器。測量輔助片2位于鐵基體缺陷I上端面的凹槽上且測量輔助片2中通孔與鐵基體缺陷I上端面的凹槽相對，液態磁介質和磁粉位于鐵基體缺陷I上端面的凹槽和測量輔助片2中通孔內。所述液態磁耦合劑介質為液壓油。每升耦合劑介質中加入2g磁粉。
[0013]實施例2:在實施例1的基礎上，一種鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量方法，如圖1所示，I鐵基體缺陷、2測量輔助片、3磁場發射裝置。
[0014]設:磁吸法測量值分別為Cl、C2 ;不確定度影響為A I ;外在因素干擾為A2 ;粗糙度影響A 3;缺陷深度X。其他距離如各圖所示。
[0015]第一步:如圖2所示，在該鐵基體非缺陷面上測量其LI值。
[0016]H > T (略大于)影響測量范圍 Ll=Cl-A 1-A 2-A 3(I)
第二步:如圖3所示，測量L2值。
[0017]采用同第一步驟相同的鐵基體缺陷、磁場發射裝置、測量輔助墊片。
H > T (略大于)
L2=C2-A 1-A2-A3(2)
由圖可見:X=L2-L1(3)
把(I)、(2)兩式代入(3)式得:
X=C2-C1(4)
由于同環境、同人操作、同樣設備，所以Al、A2、A 3第一次測量與第二次測量為同數值。
[0018]論證測量數(Cl、C2)的正確性:根據磁吸法測厚原理
設:R為螺旋線圈半徑、I為線圈中的電流、U。為真空中的介電常數、X為線圈中軸線上距離線圈的距離、B為磁感應強度、B'為放入鐵磁性材料后的附加磁感應強度、B。為沒有磁介質時的磁感應強度、M^r為不同介質的磁導率、N為線圈匝數；
B= B0+ B'(5)
B0=I^ IR2 / 2 (R2+X )(6)鐵磁性材料Mr在18000左右，P。為4 JI X 10 07。鐵磁性材料B'遠大于B。，一般B' /
B0在幾百至幾千范圍內，所以(6)式中通電線圈所產生的磁感應強度B。可忽略不計。 B^B'(7)
在不考慮線圈漏磁場和鐵心漏磁場的情況下，觸發頭作為磁極一端，則有下列推導: 絕對磁導率XMr(8)
鐵磁心觸發頭與鐵基體之間的吸引力F= B2S/2l (9)
M^H/B(10) H為鐵磁材料的磁感應磁場強度、Rm為觸發頭與鐵基體之間介質的磁阻、L為觸發頭與鐵基體之間的距離(磁路的有效長度)。(圖3、圖4中LI與L2值)、S為觸發頭的橫截面積；Rm=L/>S(11)
將(10)式代入(11)式得:
B=HL/RmS(12)
將式(12)代入(9)式得:
F=H2 S3 Rm2/2L2 P。(13)
由式(12)可以看出鐵磁心觸發頭與鐵基體之間的力F和觸發頭與鐵基體之間介質的距離L的平方成反比，而且與介質的絕對磁導率K有關系。有公式(13)可以看出，磁吸法測量缺陷深度是可行的。
[0019]本發明目前主要用于鋼軌表面開口性缺陷的測量(刮傷、磨痕、熱刮傷、縱向線紋、折迭、氧化皮壓入、軋痕)，有效的、客觀的保證了產品質量，完善了測量體系對于該類缺陷的測量空白。
[0020]為了提高精確度，加入磁粉的耦合劑介質來補償深度在一定范圍的漏磁場。在圖一、圖二中測量空間內(觸發頭與鐵基體表面)加入耦合劑，這可以改善以下幾個不良測量因素:
1、測量精度要求至少在50um以內，而機加工的表面粗糙度為12.5um-25um，加入耦合劑后，保證了測量輔助片與鐵基體之間的密貼、測量輔助片與測量設備之間的密貼，降低了粗糙度的影響。
[0021]2、步驟一與步驟二中的漏磁場大小是不同的，這都會影響到測量數據，可以通過在耦合劑介質中加入磁粉來補償漏磁場。磁粉在耦合劑介質中是懸浮狀態，在外在磁場的作用下會產生感應磁場，通過在耦合劑介質中加入適量的磁粉達到補償漏磁場的作用。
[0022]3、漏磁場會根據測量深度距離的不同而變化，距離磁極(觸發頭)越近漏磁場越小，距離磁極(觸發頭)越遠漏磁場越大，這就要求在測量不同深度時應有不同比例的磁粉與耦合劑介質的混合體。通過長期的實驗比對，通過測量深度0.5mm的缺陷，對其漏磁場的補償，每升耦合劑介質中加入2g磁粉可保證測量數據的準確性，在測量約0.5mm以下的深度缺陷時可以不加入磁粉，在測量0.5mm-1.5mm的深度時用每升稱合劑介質中加入2g磁粉，則漏磁場的影響已經很小可以不計。
[0023]需要理解到的是:上述實施例雖然對本發明的設計思路作了比較詳細的文字描述，但是這些文字描述，只是對本發明設計思路的簡單文字描述，而不是對本發明設計思路的限制，任何不超出本發明設計思路的組合、增加或修改，均落入本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置，其特征是包括鐵基體缺陷(I)、測量輔助片(2)和磁場發射裝置(3);鐵基體缺陷(I)上端面有凹槽，測量輸助片(2)中部開有通孔，磁場發射裝置(3)由彈力測試件(31)、螺旋線圈(32)、鐵芯(33)和觸發頭(34)構成，螺旋線圈(32)套在鐵芯(33)上，彈力測試件(31) —端與鐵芯(33) —端相連或相觸，鐵芯(33)另一端為觸發頭(34)。
2.根據權利要求1所述的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置，其特征是:所述彈力測試件(31)為彈簧。
3.根據權利要求1所述的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置，其特征是:測量輔助片(2)位于鐵基體缺陷(I)上端面的凹槽上且測量輔助片(2)中通孔與鐵基體缺陷(I)上端面的凹槽相對，液態磁介質和磁粉位于鐵基體缺陷(I)上端面的凹槽和測量輔助片⑵中通孔內。
4.根據權利要求3所述的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置，其特征是:所述液態磁耦合劑介質為液壓油。
5.根據權利要求4所述的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量裝置，其特征是:每升耦合劑介質中加入2g磁粉。
6.一種鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量方法，其特征是: 設:磁吸法測量值分別為Cl、C2 ;不確定度影響為A I ;外在因素干擾為A 2 ;粗糙度影響A3 ;缺陷深度X，其他距離如各圖所示； 第一步:如圖2所示，在該鐵基體非缺陷面上測量其LI值； H > T影響測量范圍 Ll=Cl-A 1-A 2-A 3(I) 第二步:如圖3所示，測量L2值； 采用同第一步驟相同的鐵基體缺陷、磁場發射裝置、測量輔助墊片，H > T L2=C2-A 1-A2-A3(2) 由圖可見:X=L2-L1(3) 把(I)、(2)兩式代入(3)式得: X=C2-C1(4) 由于同環境、同人操作、同樣設備，所以Al、A2、A 3第一次測量與第二次測量為同數值； 論證測量數C1、C2的正確性:根據磁吸法測厚原理，設:R為螺旋線圈半徑、I為線圈中的電流、U。為真空中的介電常數、X為線圈中軸線上距離線圈的距離、B為磁感應強度、B'為放入鐵磁性材料后的附加磁感應強度、B0為沒有磁介質時的磁感應強度、M^r為不同介質的磁導率、N為線圈匝數； B= B0+ B'(5) B0=M0 IR2 / 2 (R2+X2)(6) 鐵磁性材料Mr在18000左右，M0為4 X 10 D7，鐵磁性材料B'遠大于B。，一般B' / B0在幾百至幾千范圍內，所以(6)式中通電線圈所產生的磁感應強度B。可忽略不計 B^B'(7)在不考慮線圈漏磁場和鐵心漏磁場的情況下，觸發頭作為磁極一端，則有下列推導: 絕對磁導率(8) 鐵磁心觸發頭與鐵基體之間的吸引力F= B2SAM0 (9)M^H/B(10) H為鐵磁材料的磁感應磁場強度、Rm為觸發頭與鐵基體之間介質的磁阻、L為觸發頭與鐵基體之間的距離，即磁路的有效長度，圖3、圖4中LI與L2值)、S為觸發頭的橫截面積；Rm=L/>S(11) 將(10)式代入(11)式得: B=HL/RmS(12) 將式(12)代入(9)式得: F=H2 S3 Rm2 /2L2；(13) 由式(12)可以看出鐵磁心觸發頭與鐵基體之間的力F和觸發頭與鐵基體之間介質的距離L的平方成反比，而且與介質的絕對磁導率K有關系；由公式(13)可以看出，磁吸法測量缺陷深度是可行的。
7.根據權利要求6所述的鐵磁性材料表面開口性微缺陷的深度測量方法，其特征是: (1)測量精度要求在50um以內，而機加工的表面粗糙度為12.5um-25um，加入耦合劑后，保證了測量輔助片與鐵基體之間的密貼、測量輔助片與測量設備之間的密貼，降低了粗糙度的影響； (2)步驟一與步驟二中的漏磁場大小是不同的，這都會影響到測量數據，可以通過在耦合劑介質中加入磁粉來補償漏磁場，磁粉在耦合劑介質中是懸浮狀態，在外在磁場的作用下會產生感應磁場，通過在耦合劑介質中加入適量的磁粉達到補償漏磁場的作用； (3)測量深度0.5mm的缺陷，對其漏磁場的補償，每升耦合劑介質中加入2g磁粉可保證測量數據的準確性，在測量約0.5mm以下的深度缺陷時可以不加入磁粉，在測量.0.5mm-1.5mm的深度時用每升I禹合劑介質中加入2g磁粉,則漏磁場的影響已經很小可以不計。
【文檔編號】G01N27/84GK103713041SQ201310646767
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】姚棋, 職濤 申請人:中鐵寶橋（南京）有限公司