CN108760873A - 基于增量磁导率的金属材料抗拉强度定量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度定量检测装置及方法，采用电磁检测方式采集增量磁导率信号，并提取峰峰值、峰间距、交点幅值、50％腰宽、蝶形图面积等多个特征参数，运用神经网络对多个特征参数进行融合，得出相应的特征参数与抗拉强度的神经网络模型，利用该模型对金属材料的抗拉强度进行检测。本发明为无损检测方法，检测过程中不会破坏被测材料，故可以进行在役检查，保证工厂安全运行；不需要大型器械，做成集成的仪器后可以在多个检测现场便捷移动，方便技术人员使用；本发明所提出的方法可以根据检测人员的要求，检测材料不同位置的抗拉强度；解决了金属材料抗拉强度的定量无损检测问题。

Description

基于增量磁导率的金属材料抗拉强度定量检测装置及方法

技术领域

本发明涉及金属材料无损检测领域，具体涉及一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置及方法。

背景技术

随着工业的快速发展，要求更有效地保证金属材料的各项机械性能符合要求。然而结果精确的测试如拉伸测试、弯曲测试，疲劳测试等，多是破坏性测试，检测过的材料无法再使用且无法进行在役检查。越来越多的机构(如核电站，航空器，高速交通等)的在役检测要求待检测材料不被破坏，这就涉及到金属材料的无损检测技术了。

涡流检测法为一种常见的无损检测方法，近年来发展迅速并得到了广泛的应用。涡流检测以电磁感应为基础，可用于能导电的材料。其原理为：给线圈通交流电，当线圈接近导体试件时，线圈产生的交变磁场会在导体中感生出涡流。涡流自身的性质受到样件本身以及是否存在缺陷的影响，而涡流反过来产生的磁场又作用在线圈上，使得线圈的阻抗发生改变。所以，只要检测出线圈阻抗的变化，就能够推测出被检试件性能的变化。

近年来新出现的增量磁导率法是涡流检测的一种应用，在对材料低频完整磁化过程中叠加一个高频交流磁化场，交流分量的磁导率即为增量磁导率。增量磁导率是各磁化状态的局部磁导率，它反应了材料的内部磁特性，内部磁特性与材料的抗拉强度相关，故增量磁导率可以用来检测金属材料的抗拉强度。

现有的金属材料抗拉强度定量检测技术存在几点不足，

1)现有技术都属于有损检测，其检测过程中会对被测材料造成无法恢复的破坏，故现有技术无法进行在役检测；2)现有技术需要运用大型器械进行检测，在需要移动检测或者多个检测场地更换时不便捷；3)现有技术只能进行局部检测，无法进行定点检测和全局检测。目前没有成熟的技术可以对金属材料抗拉强度进行无损定量检测。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置及方法，解决了目前金属材料抗拉强度检测容易破坏被测材料、检测不方便、不能定量检测的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征在于：包括三维固定平台、检测磁芯、高频激励线圈、低频激励线圈、提取线圈、功率放大器、信号发生器、交流恒流源、锁相放大器、A/D采集卡和电脑；

所述三维固定平台用于调节检测磁芯在待检测样件旁的位置；

所述检测磁芯形状为U型，高频激励线圈、提取线圈分别绕制在检测磁芯的两端，低频激励线圈绕制在检测磁芯的上端；

信号发生器输出的低频信号通过功率放大器放大后接入低频激励线圈，信号发生器输出的高频激励信号接入交流恒流源后接入高频激励线圈，提取线圈输出的高频检测信号和信号发生器输出的高频激励信号同时接入锁相放大器，锁相放大器用于从提取线圈输出的高频检测信号中提取出与增量磁导率相对应的低频信号并放大，同时抑制噪声，输出实部和虚部两路信号；

信号发生器和锁相放大器的输出分别连接A/D采集卡，A/D采集卡连接电脑，电脑控制A/D采集卡采集信号发生器输出的低频激励信号和锁相放大器输出的实部和虚部两路信号。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征是：所述三维固定平台上具有用于调整检测磁芯相对于待检测样件位置的固定装置，三维固定平台在x、y、z三个方向均可以通过把手调整固定装置相对三维固定平台的位置。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征是：所述检测磁芯材料为铁氧体。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征是：所述高频激励线圈和提取线圈均采用线径为0.25mm的漆包线绕制，圈数为50圈，低频激励线圈采用线径为0.35mm的漆包线绕制，圈数为100圈，所有线圈外均包裹一层屏蔽层。

一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：包括步骤：

1)调节三维固定平台使检测磁芯至样件检测点位置，打开电源使系统工作，电脑控制A/D采集卡采集信号发生器输出的低频激励信号和锁相放大器输出的实部和虚部两路信号，对采集的信号进行预处理，以低频激励信号电压值为横坐标，以增量磁导率实部信号为纵坐标，生成增量磁导率实部蝶形图；

2)对预处理后的增量磁导率实部蝶形图取特征参数：峰峰值，峰间距，交点幅值，50％腰宽和蝶形图面积，蝶形图的上下峰值之差为峰峰值，两个上峰值之差为峰间距，左右半支的交点的纵坐标值为交点幅值，上下峰值中心跨过蝶形图左或右半支的两交点横坐标之差为50％腰宽，左右两支面积之和为蝶形图面积；

3)通过三维固定平台调节样件检测点位置，分别在多个样件上的M个相对位置相同点进行检测并获取数据，每个点检测N次，每个点的每次检测前必须对样件进行断电退磁，一个样件共M*N组数据；

4)对已知抗拉强度的样件分别进行上述检测，随机抽取90％的已知抗拉强度的样件作为训练集，将训练集的增量磁导率特征参数及样件厚度作为训练集输入数据，输入BP神经网络，将对应样件的抗拉强度作为训练集输出数据，进行神经网络训练，得到金属材料抗拉强度的预测模型；

将剩下的10％的已知抗拉强度的样件作为验证集，将相应的增量磁导率特征参数及样件厚度作为验证集输入数据，验证集样件的抗拉强度作为验证集输出数据，输入训练好的金属材料抗拉强度的预测模型，通过十折交叉验证调整神经网络的参数至最优，得到通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的预测模型；

5)对未知抗拉强度的工件进行增量磁导率测试，提取其增量磁导率特征参数，将待测工件增量磁导率特征参数及工件厚度作为测试集输入数据，输入通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的预测模型，模型的输出即为对该工件的抗拉强度的检测结果，实现基于增量磁导率的金属材料抗拉强度定量检测。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述预处理步骤为：以低频激励信号为基准，同步采集低频激励信号电压值、锁相放大器输出的实部和虚部信号，再对三路信号均做平滑处理。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述蝶形图面积的计算方法为等间隔扫描方法，具体步骤为：对蝶形图横轴进行等间距采样，分别用线性插值法求取蝶形图上、下轮廓线上的采样点处增量磁导率实部值，每次扫描采样可获得与磁场强度成正比的电压值时两个不同的增量磁导率实部信号，求出两个实部信号的差值，依次累加即可得到蝶形图面积。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的神经网络预测模型的参数为三层隐含层，第一层神经元个数为3，第二层神经元个数为2，第三层神经元个数为3；采用'logsig'传递函数进行神经网络隐含层训练，采用'purelin' 传递函数进行神经网络输出层训练。

前述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述训练集、验证集和测试集的增量磁导率特征参数均进行差分处理，即每个特征数据减去该特征全部数据的均值。

本发明所达到的有益效果：本发明所提出的方法为无损检测方法，检测过程中不会破坏被测材料，故可以进行在役检查，保证工厂安全运行；不需要大型器械，做成集成的仪器后可以在多个检测现场便捷移动，方便技术人员使用；本发明所提出的方法可以根据检测人员的要求，检测材料不同位置的抗拉强度；解决了金属材料抗拉强度的定量无损检测问题。

附图说明

图1是本发明的增量磁导率测抗拉强度结构图；

图2是增量磁导率信号图；

图3是增量磁导率蝶形图；

图4是样件示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，包括三维固定平台、检测磁芯、高频激励线圈、低频激励线圈、提取线圈、功率放大器、信号发生器、交流恒流源、锁相放大器、A/D采集卡和电脑，

三维固定平台用于调节检测磁芯在待检测样件旁的位置；三维固定平台上具有用于调整检测磁芯相对于待检测样件位置的固定装置，三维固定平台在x、 y、z三个方向均可以通过把手调整固定装置相对三维固定平台的位置；

检测磁芯材料为铁氧体，型号为UF19，形状为U型，高频激励线圈、提取线圈分别绕制在检测磁芯的两端，低频激励线圈绕制在检测磁芯的上端，高频激励线圈和提取线圈均采用线径为0.25mm的漆包线绕制，圈数为50圈，低频激励线圈采用线径为0.35mm的漆包线绕制，圈数为100圈，为了减小干扰，所有线圈外均包裹了一层屏蔽层。

信号发生器为函数信号发生器，设置信号发生器输出的低频激励信号为正弦信号，频率范围是10mHz到1Hz，电压峰-峰值是0.5V；信号发生器输出的高频激励信号为正弦信号，频率范围是100Hz到10kHz，电压峰-峰值是5V。信号发生器输出的低频激励信号经过功率放大器放大10位后，电压峰-峰值是5V，本实施例分别是低频激励信号为20mHz和高频激励信号为150Hz。

信号发生器输出的低频信号通过功率放大器放大后接入低频激励线圈，功率放大器使低频信号输出功率不小于30W，函数信号发生器输出的高频激励信号接入交流恒流源后接入高频激励线圈，交流恒流源使高频激励信号电流在整个检测过程中稳定保持为50mA；提取线圈输出的高频检测信号和函数信号发生器输出的高频激励信号同时接入锁相放大器，其中函数信号发生器输出的高频激励信号是参考信号，锁相放大器用于从提取线圈输出的高频检测信号中提取出与增量磁导率相对应的特定频率的信号并放大，同时大幅度抑制噪声，输出实部和虚部两路信号，锁相放大器时间常数设置为1秒。

函数信号发生器和锁相放大器的输出分别连接A/D采集卡，A/D采集卡连接电脑，电脑控制A/D采集卡采集函数信号发生器的输出的低频激励信号和锁相放大器输出的实部和虚部两路信号；

函数信号发生器输出的高频激励信号为正弦信号，选取频率为150Hz，幅值为5Vpp，初始相位和偏移均为0，函数信号发生器输出的低频激励信号为正弦信号，选取频率为20mHz，幅值为200mVpp，初始相位和偏移均为0。

一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，包括步骤：

1)调节三维固定平台使检测磁芯至样件检测点位置，打开电源使系统工作，调节三维固定平台使检测磁芯至样件检测点位置，打开电源使系统工作，电脑控制A/D采集卡采集信号发生器输出的低频激励信号和锁相放大器输出的实部和虚部两路信号，为了便于后续特征值提取等信号处理，对采集的信号进行预处理，以低频激励信号电压值为横坐标，以增量磁导率实部信号为纵坐标，生成增量磁导率实部蝶形图，如图3所示；

如图4所示，样件的长和宽是相同的，厚度不同，为了减小位置(边缘效应) 对增量磁导率信号的影响，所有的样件都在相同位置进行增量磁导率实验，其中，每个样件在5个不同点实验，每个样件的这5个不同点相对位置相同。

预处理步骤为：以低频激励信号为基准，同步采集低频激励信号电压值、锁相放大器输出的实部和虚部信号，再对三路信号均做平滑处理。

2)对预处理后的增量磁导率实部蝶形图取如下5组特征参数：峰峰值，峰间距，交点幅值，50％腰宽和蝶形图面积，如图3所示，蝶形图的上下峰值之差为峰峰值，两个上峰值之差为峰间距，左右半支的交点的纵坐标值为交点幅值，上下峰值中心跨过蝶形图左或右半支的两交点横坐标之差为50％腰宽，左右两支面积之和为蝶形图面积；

蝶形图是以低频激励信号电压值为横坐标，其随时间非线性变化，故蝶形图稀疏程度不同，无法正常使用积分，累加等常规方法计算蝶形图面积。采用等间隔扫描方法计算蝶形图面积：对蝶形图横轴(即低频激励信号电压值)进行等间距采样，分别用线性插值法求取蝶形图上、下轮廓线上的采样点处增量磁导率实部值，每次扫描采样可获得与磁场强度成正比的电压值时两个不同的增量磁导率实部信号，求出两个实部信号的差值，依次累加即可得到蝶形图面积，扫描间距设为0.0001V。

3)通过三维固定平台在多个样件上测5个相对位置相同点的数据，每个点断电退磁独立实验6次，一个样件共30组数据，数据包括：函数信号发生器输出的低频激励信号、锁相放大器输出的实部和虚部信号，如图2所示；

4)选取已知抗拉强度的样件，随机抽取90％的已知抗拉强度的样件作为训练集，例如，样件数为20个，随机抽取18个样件作为训练集。由于实验获得的不同样件的增量磁导率特征参数较为接近，方差较小，为了构建更为准确的神经网络模型，提高神经网络的分辨率，对其进行差分处理，即每个特征数据减去该特征全部数据的均值。将训练集的差分处理后的增量磁导率特征参数及样件厚度作为训练集输入数据，输入BP神经网络，将对应样件的抗拉强度作为训练集输出数据，进行神经网络训练，得到金属材料抗拉强度的预测模型；将剩下的10％(例如，剩下的2个)的已知抗拉强度的样件作为验证集，将相应的增量磁导率特征参数及样件厚度作为验证集输入数据，验证集样件的抗拉强度作为验证集输出数据，输入训练好的金属材料抗拉强度的预测模型，通过十折交叉验证调整神经网络的参数至最优，得到通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的预测模型，神经网络预测模型的参数为神经网络隐含层三层，第一层神经元个数为3，第二层神经元个数为2，第三层神经元个数为3；采用'logsig'传递函数进行神经网络隐含层训练，采用'purelin'传递函数进行神经网络输出层训练；实验得出，神经网络需要至少100组训练组数据才能够获得较为准确的预测结果。

5)对未知抗拉强度的工件进行增量磁导率测试，提取其增量磁导率特征参数，将差分处理后的待测工件增量磁导率特征参数及工件厚度作为测试集输入数据，输入通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的预测模型，模型的输出即为对该工件的抗拉强度的检测结果，实现了基于增量磁导率的金属材料抗拉强度定量检测。

综上所述，本发明使用增量磁导率法对金属材料抗拉强度进行无损检测，使用BP神经网络对增量磁导率法得出的多个参数进行融合，使用训练出的神经网络模型对未知金属材料的抗拉强度进行定量检测，具有检测过程方便、快捷且精度高；可以对多种不同钢种，不同厚度等的金属材料进行抗拉强度定量测量；相比现有技术，如拉伸机等，运用此方法做成集成的仪器体积小，重量轻，可以在多个检测现场便捷移动，方便技术人员使用；属于无损检测，不会破坏材料，可以在役检测，保证工厂安全运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征在于：包括三维固定平台、检测磁芯、高频激励线圈、低频激励线圈、提取线圈、功率放大器、信号发生器、交流恒流源、锁相放大器、A/D采集卡和电脑；

所述三维固定平台用于调节检测磁芯在待检测样件旁的位置；

所述检测磁芯形状为U型，高频激励线圈、提取线圈分别绕制在检测磁芯的两端，低频激励线圈绕制在检测磁芯的上端；

信号发生器输出的低频信号通过功率放大器放大后接入低频激励线圈，信号发生器输出的高频激励信号接入交流恒流源后接入高频激励线圈，提取线圈输出的高频检测信号和信号发生器输出的高频激励信号同时接入锁相放大器，锁相放大器用于从提取线圈输出的高频检测信号中提取出与增量磁导率相对应的低频信号并放大，同时抑制噪声，输出实部和虚部两路信号；

信号发生器和锁相放大器的输出分别连接A/D采集卡，A/D采集卡连接电脑，电脑控制A/D采集卡采集信号发生器输出的低频激励信号和锁相放大器输出的实部和虚部两路信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征是：所述三维固定平台上具有用于调整检测磁芯相对于待检测样件位置的固定装置，三维固定平台在x、y、z三个方向均可以通过把手调整固定装置相对三维固定平台的位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征是：所述检测磁芯材料为铁氧体。

4.根据权利要求1所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测装置，其特征是：所述高频激励线圈和提取线圈均采用线径为0.25mm的漆包线绕制，圈数为50圈，低频激励线圈采用线径为0.35mm的漆包线绕制，圈数为100圈，所有线圈外均包裹一层屏蔽层。

5.一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：包括步骤：

1)调节三维固定平台使检测磁芯至样件检测点位置，打开电源使系统工作，电脑控制A/D采集卡采集信号发生器输出的低频激励信号和锁相放大器输出的实部和虚部两路信号，对采集的信号进行预处理，以低频激励信号电压值为横坐标，以增量磁导率实部信号为纵坐标，生成增量磁导率实部蝶形图；

2)对预处理后的增量磁导率实部蝶形图取特征参数：峰峰值，峰间距，交点幅值，50％腰宽和蝶形图面积，蝶形图的上下峰值之差为峰峰值，两个上峰值之差为峰间距，左右半支的交点的纵坐标值为交点幅值，上下峰值中心跨过蝶形图左或右半支的两交点横坐标之差为50％腰宽，左右两支面积之和为蝶形图面积；

3)通过三维固定平台调节样件检测点位置，分别在多个样件上的M个相对位置相同点进行检测并获取数据，每个点检测N次，每个点的每次检测前必须对样件进行断电退磁，一个样件共M*N组数据；

4)对已知抗拉强度的样件分别进行上述检测，随机抽取90％的已知抗拉强度的样件作为训练集，将训练集的增量磁导率特征参数及样件厚度作为训练集输入数据，输入BP神经网络，将对应样件的抗拉强度作为训练集输出数据，进行神经网络训练，得到金属材料抗拉强度的预测模型；

将剩下的10％的已知抗拉强度的样件作为验证集，将相应的增量磁导率特征参数及样件厚度作为验证集输入数据，验证集样件的抗拉强度作为验证集输出数据，输入训练好的金属材料抗拉强度的预测模型，通过十折交叉验证调整神经网络的参数至最优，得到通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的预测模型；

5)对未知抗拉强度的工件进行增量磁导率测试，提取其增量磁导率特征参数，将待测工件增量磁导率特征参数及工件厚度作为测试集输入数据，输入通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的预测模型，模型的输出即为对该工件的抗拉强度的检测结果，实现基于增量磁导率的金属材料抗拉强度定量检测。

6.根据权利要求5所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述预处理步骤为：以低频激励信号为基准，同步采集低频激励信号电压值、锁相放大器输出的实部和虚部信号，再对三路信号均做平滑处理。

7.根据权利要求5所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述蝶形图面积的计算方法为等间隔扫描方法，具体步骤为：对蝶形图横轴进行等间距采样，分别用线性插值法求取蝶形图上、下轮廓线上的采样点处增量磁导率实部值，每次扫描采样可获得与磁场强度成正比的电压值时两个不同的增量磁导率实部信号，求出两个实部信号的差值，依次累加即可得到蝶形图面积。

8.根据权利要求5所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述通过十折交叉验证调整参数后的金属材料抗拉强度的神经网络预测模型的参数为三层隐含层，第一层神经元个数为3，第二层神经元个数为2，第三层神经元个数为3；采用'logsig'传递函数进行神经网络隐含层训练，采用'purelin'传递函数进行神经网络输出层训练。

9.根据权利要求5所述的一种基于增量磁导率的金属材料抗拉强度的定量检测方法，其特征是：所述训练集、验证集和测试集的增量磁导率特征参数均进行差分处理，即每个特征数据减去该特征全部数据的均值。