本發(fā)明涉及電磁無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體表面硬度測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

工程結(jié)構(gòu)鋼、鋼軌踏面、艦船鋼板、軸承、螺栓、刀具、武器等鋼鐵件的表面硬度關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命、成本甚至生命財(cái)產(chǎn)安全。硬度測量也能用于評價(jià)或改進(jìn)熱處理、材料配方、精密機(jī)械加工等工藝，評估安全風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防事故，并可輔助精密機(jī)械調(diào)校。因此準(zhǔn)確可靠地測量鋼鐵等鐵磁性導(dǎo)體構(gòu)件的表面硬度具有重要意義。

常規(guī)的硬度檢測方法分為有損分析和無損分析。常規(guī)有損分析法有：(微)壓痕法、成分分析法等。常規(guī)無損分析方法有：彈跳法(難以表征表面硬度)、x射線結(jié)構(gòu)分析法(使用不便，容易受表面狀況的影響，僅適合表面平整干凈未污損的表面)、渦流法和電磁感應(yīng)法(容易受表面狀況、提離度等影響)、超聲波法和特征振動譜(難以表征表面硬度)分析法等。常規(guī)分析法還有一共同的局限，就是都需要逐點(diǎn)逐區(qū)檢測，效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體表面硬度測量方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體表面硬度測量方法，包括如下步驟：

步驟1：選取多個表面硬度hs(i)互不相同、材質(zhì)和幾何參數(shù)均相同的標(biāo)樣，在每個標(biāo)樣上選取兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)；

步驟2：在所述標(biāo)樣兩端加上幅度和頻率均相同的高頻恒流信號，檢測不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh(i)；

步驟3：根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)下兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh(i)繪制標(biāo)樣的表面硬度hs(i)隨高頻電壓值vsh(i)的變化曲線hs(i)～vsh(i)；

步驟4：測量待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分在相同高頻恒流信號激勵時(shí)的高頻電壓值vsh'；

步驟5：在變化曲線hs(i)～vsh(i)中讀取所述高頻電壓值vsh'對應(yīng)的表面硬度hs'；

其中，標(biāo)樣與待測樣品為材質(zhì)和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導(dǎo)體材料，且系列標(biāo)樣的表面硬度范圍涵蓋待測樣品的表面硬度范圍。

依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體表面硬度測量系統(tǒng)，包括交流恒流信號模塊、交流電壓檢測模塊和主控制模塊。

其中，所述交流恒流信號模塊用于為標(biāo)樣或待測樣品提供電流有效值恒定的高頻或低頻恒流信號；所述交流電壓檢測模塊用于檢測各已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分的高頻電壓值vsh(i)；以及檢測待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分在高頻恒流信號時(shí)的高頻電壓值vsh'；所述主控制模塊用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分的高頻電壓值vsh(i)繪制標(biāo)樣的表面硬度hs(i)隨高頻電壓值vsh(i)的變化曲線hs(i)～vsh(i)；還用于在所述變化曲線hs(i)～vsh(i)中讀取所述高頻電壓值vsh'對應(yīng)的表面硬度hs'；其中，標(biāo)樣與待測樣品為材質(zhì)和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導(dǎo)體材料，且系列標(biāo)樣的表面硬度范圍涵蓋待測樣品的表面硬度范圍。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法及系統(tǒng)，受表面狀況影響小，可檢測表面復(fù)雜和表面污染等樣品，沒有提離度問題，對樣品幾何參數(shù)無定量要求，測試簡單可靠，可獲取待測樣品的淬火深度、滲碳深度等樣品表面硬度強(qiáng)化層的深度信息。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

需要說明的是，本發(fā)明中以圓柱形樣品為例進(jìn)行說明，并不能看做是對待測樣品的限制，在實(shí)際中針對其它形狀的待測樣品也可以按照本發(fā)明的方法進(jìn)行類似處理，這些皆在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

實(shí)施例一、一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法。下面將結(jié)合圖1對本實(shí)施例的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法進(jìn)行詳細(xì)地說明。

如圖1所示，一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法，包括如下步驟：

步驟1：選取多個表面硬度hs(i)互不相同、材質(zhì)和幾何參數(shù)均相同的標(biāo)樣，在每個標(biāo)樣上選取兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)；

步驟2：在所述標(biāo)樣兩端加上幅度和頻率均相同的高頻恒流信號，檢測不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh(i)；

步驟3：根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)下兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh(i)繪制標(biāo)樣的表面硬度hs(i)隨高頻電壓值vsh(i)的變化曲線hs(i)～vsh(i)；

步驟4：測量待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分在相同高頻恒流信號激勵時(shí)的高頻電壓值vsh'；

步驟5：在變化曲線hs(i)～vsh(i)中讀取所述高頻電壓值vsh'對應(yīng)的表面硬度hs'；

其中，標(biāo)樣與待測樣品為材質(zhì)和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導(dǎo)體材料，且系列標(biāo)樣的表面硬度范圍涵蓋待測樣品的表面硬度范圍。

本實(shí)施例中，當(dāng)標(biāo)樣和待測樣品為圓柱形時(shí)，所述步驟2和步驟4中，所述高頻恒流信號的頻率范圍為：

其中，ρ為待測樣品的電阻率，μr為待測樣品的平均相對磁導(dǎo)率，r為圓柱形待測樣品的半徑。

這里對高頻頻率的范圍之所以要如此限定，是因?yàn)橼吥w深度應(yīng)明顯小于樣品半徑r，且不應(yīng)該太小，以免樣品表面缺陷和損傷對硬度測量的干擾。而在不同頻率的激勵信號時(shí)，其趨膚深度不同，隨著激勵信號的頻率的增加，趨膚深度會減小，如果激勵信號的頻率太小，趨膚深度相對會比較大，如果激勵信號的頻率太大，趨膚深度相對會很小，此時(shí)，待測樣品表面損傷的影響不能忽略，而且頻率過高時(shí)磁導(dǎo)率和電阻率都會變化。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)所述高頻恒流信號的頻率范圍為上式限定的范圍時(shí)，檢測結(jié)果比較精確。

若是其它形狀樣品，原則上與上述圓柱形樣品類似，取高頻頻率反比于截面積和相對磁導(dǎo)率，正比于電阻率。具體高頻頻率值可通過試驗(yàn)不同頻率值，測試系列標(biāo)樣使hs(i)～vsh曲線變化明顯來決定高頻頻率f。

需要說明的是，所述步驟1至步驟5中，選定高頻恒流信號的頻率f后即保持不變，直至完成整個測量過程。

優(yōu)選地，所述高頻恒流信號的頻率f和幅度可調(diào)。這里，通過調(diào)整所述高頻恒流信號的頻率f，可以獲樣品表面不同深度的硬度信息。所述高頻恒流信號的頻率f越小，可以檢測標(biāo)樣和待測樣品表面硬度的深度越深。這樣，就可以通過調(diào)整所述高頻恒流信號的頻率f獲取待測樣品的淬火深度、滲碳深度等樣品表面硬度強(qiáng)化層的深度信息。

實(shí)施例二、一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法，下面將對本發(fā)明的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法，與實(shí)施例一所不同的是，本實(shí)施例中，優(yōu)選地，步驟2和步驟3之間還包括步驟21a：

步驟21a:在各所述標(biāo)樣兩端加上頻率相同的低頻恒流信號，檢測兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分在不同已知表面硬度hs(i)下的低頻電壓值vsl(i)；

步驟3:根據(jù)在不同已知表面硬度hs(i)下的低頻電壓值vsl(i)和高頻電壓值vsh(i)計(jì)算待各標(biāo)樣的相對電壓值v相對1(i)，并繪制標(biāo)樣的相對電壓值v相對1(i)隨表面硬度hs(i)的變化曲線v相對1(i)～hs(i)；

所述步驟4與步驟5之間還包括步驟41a：

步驟41a：測量待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分的低頻電壓值vsl'和高頻電壓值vsh'；

步驟5：根據(jù)高頻電壓值vsh'與低頻電壓值vsl'計(jì)算待測樣品的相對電壓值v相對1'，并根據(jù)變化曲線v相對1(i)～～hs(i)讀取所述相對電壓值v相對1'對應(yīng)的表面硬度hs'。

本實(shí)施例中，所述步驟3中相對電壓值v相對1(i)的具體計(jì)算為：將已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣的高頻電壓值vsh(i)依次除以低頻電壓值vsl(i)，得到相對電壓值v相對1(i)；

所述步驟5中相對電壓值v相對1'的具體計(jì)算為：將待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh'依次除以低頻電壓值vsl'，得到相對電壓值v相對1'。

這里，將低頻電壓值vsl(i)和高頻電壓值vsh(i)轉(zhuǎn)化為相對電壓值v相對1(i)，是為了通過相對電壓值v相對1(i)隨表面硬度hs(i)的變化曲線v相對1(i)～hs(i)來減小與表面硬度無關(guān)的因素影響，并減小兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的無關(guān)因素變化引起表面硬度測量產(chǎn)生誤差，方便檢測。

本實(shí)施例中，所述低頻恒流信號的頻率范圍為1hz-240hz。

實(shí)施例三、一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法，下面將對本發(fā)明的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法，與實(shí)施例一所不同的是，本實(shí)施例中，所述步驟2和步驟3之間還包括步驟21b：

步驟21b：在標(biāo)樣兩端加上低頻恒流信號，檢測兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分在已知表面硬度hsmid下的低頻電壓值vslmid；

其中，表面硬度hsmid為已知表面硬度范圍的中間值；

步驟3：根據(jù)低頻電壓值vslmid和不同已知硬度hs(i)對應(yīng)的高頻電壓值vsh(i)計(jì)算待測樣品的相對電壓值v相對2(i)，并繪制標(biāo)樣相對電壓值v相對2(i)隨表面硬度的變化曲線v相對2(i)～hs(i)；

所述步驟4和步驟5之間還包括步驟41b：

步驟41b：測量待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分的高頻電壓值vsh'；

步驟5：根據(jù)高頻電壓值vsh'與低頻電壓值vslmid計(jì)算待測樣品的相對電壓值v相對2'；并根據(jù)變化曲線v相對2(i)～hs(i)讀取所述相對電壓值v相對2'對應(yīng)的表面硬度hs'。

本實(shí)施例中，所述步驟3中相對電壓值v相對2(i)的具體計(jì)算為：將已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣的高頻電壓值vsh(i)依次除以低頻電壓值vslmid，得到相對電壓值v相對2(i)；所述步驟5中相對電壓值v相對2'的具體計(jì)算為：將待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh'除以低頻電壓值vslmid得到相對電壓值v相對2'。

這里，選取表面硬度范圍的中間值hsmid下的低頻電壓值vslmid來作為兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分的低頻電壓值，并通過高頻電壓值vsh(i)和低頻電壓值vslmid轉(zhuǎn)化為相對電壓值v相對2(i)，也是為了通過相對電壓值v相對2(i)隨表面硬度hs(i)的變化曲線v相對2(i)～hs(i)來減小與表面硬度無關(guān)的因素影響，并減小兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的無關(guān)因素變化引起表面硬度測量產(chǎn)生誤差，方便檢測。

當(dāng)然，如果待測樣品的表面硬度hs(i)變化不大，且工藝條件基本穩(wěn)定(其他參數(shù)一樣，僅僅只是硬度不同)，或只需要對比表面硬度的大小，不需要定量測量硬度時(shí)，可以直接由所測量的電壓參量表征硬度。例如，表面硬度僅由碳含量引起時(shí)，表面硬度越高，在一定范圍內(nèi)，測量的高頻電壓值或低頻電壓值越?。蝗舯砻嬗捕葍H由表面疲勞引起時(shí)，硬度越高，測量的高頻電壓值或低頻電壓值越大等。

對于已知電壓參量隨表面硬度變化規(guī)律的樣品，可以僅測量一個標(biāo)樣的電壓參量即可定量確定校正曲線，實(shí)現(xiàn)表面硬度的測量或相對比較。

實(shí)施例四、一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)。下面將結(jié)合圖2對本實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地說明。

如圖2所示，一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)，包括交流恒流信號模塊、交流電壓檢測模塊和主控制模塊。

其中，所述交流恒流信號模塊用于為標(biāo)樣或待測樣品提供電流有效值恒定的高頻或低頻恒流信號；所述交流電壓檢測模塊用于檢測各已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分的高頻電壓值vsh(i)；以及檢測待測樣品上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分在高頻恒流信號時(shí)的高頻電壓值vsh'；所述主控制模塊用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間部分的高頻電壓值vsh(i)繪制標(biāo)樣的表面硬度hs(i)隨高頻電壓值vsh(i)的變化曲線hs(i)～vsh(i)；還用于在所述變化曲線hs(i)～vsh(i)中讀取所述高頻電壓值vsh'對應(yīng)的表面硬度hs'；其中，標(biāo)樣與待測樣品為材質(zhì)和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導(dǎo)體材料，且系列標(biāo)樣的表面硬度范圍涵蓋待測樣品的表面硬度范圍。

實(shí)施例五、一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)。下面將對本實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地說明。

一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)，與實(shí)施例四所不同的是，本實(shí)施例中，所述交流電壓檢測模塊還用于檢測不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的低頻電壓值vsl(i)；以及獲取待測樣品上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的低頻電壓值vsl'；所述主控制模塊包括第一曲線繪制單元、第一計(jì)算單元和第一mcu。

其中，所述第一計(jì)算單元用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的低頻電壓值vsl(i)和高頻電壓值vsh(i)計(jì)算標(biāo)樣的相對電壓值v相對1(i)；還用于根據(jù)待測樣品上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分在高頻恒流信號時(shí)的高頻電壓值vsh'和低頻電壓值vsl'計(jì)算待測樣品的相對電壓值v相對1'；所述第一曲線繪制單元用于繪制標(biāo)樣的相對電壓值v相對1(i)隨表面硬度hs(i)的變化曲線v相對1(i)～hs(i)；所述第一mcu用于根據(jù)變化曲線v相對1(i)～hs(i)讀取所述待測樣品相對電壓值v相對1'對應(yīng)的表面硬度hs'。

實(shí)施例六、一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)。下面將對本實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地說明。

一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量系統(tǒng)，與實(shí)施例四所不同的是，本實(shí)施例中，所述交流電壓檢測模塊還用于檢測標(biāo)樣上兩個所述目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分在已知表面硬度hsmid下的低頻電壓值vslmid；其中，表面硬度hsmid為待測樣品表面硬度范圍的中間值；所述主控制模塊包括第二曲線繪制單元、第二計(jì)算單元和第二mcu。

其中，所述第二計(jì)算單元用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標(biāo)樣上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的高頻電壓值vsh(i)和低頻電壓值vslmid計(jì)算標(biāo)樣的相對電壓值v相對2(i)；還用于根據(jù)待測樣品上兩個目標(biāo)檢測點(diǎn)之間的部分在高頻恒流信號時(shí)的高頻電壓值vsh'和低頻電壓值vslmid計(jì)算待測樣品的相對電壓值v相對2'；所述第二曲線繪制單元用于繪制標(biāo)樣的相對電壓值v相對2(i)隨表面硬度hs(i)的變化曲線v相對2(i)～hs(i)；所述第二mcu用于根據(jù)變化曲線v相對2(i)～hs(i)讀取所述待測樣品的相對電壓值v相對2'對應(yīng)的表面硬度hs'。

本發(fā)明的一種基于趨膚效應(yīng)的鐵磁性導(dǎo)體材料表面硬度測量方法及系統(tǒng)，受表面影響小，可檢測表面復(fù)雜和表面污染等樣品，沒有提離度問題，對樣品幾何參數(shù)無定量要求，測試簡單可靠，可獲取待測樣品的淬火深度、滲碳深度等樣品表面硬度強(qiáng)化層的深度信息。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。