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

背景技術：

工程結構鋼、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系到產(chǎn)品質量、使用壽命、成本甚至生命財產(chǎn)安全。硬度測量也能用于評價或改進熱處理、材料配方、精密機械加工等工藝，評估安全風險、預防事故，并可輔助精密機械調校。因此準確可靠地測量鋼鐵等鐵磁性導體構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射線結構分析法(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，就是都需要逐點逐區(qū)檢測，效率較低。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：

依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于趨膚效應的鐵磁性導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、材質和幾何參數(shù)均相同的標樣，在每個標樣上選取兩個目標檢測點；

步驟2：在所述標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)的標樣上兩個所述目標檢測點之間的高頻電壓值vsh(i)；

步驟3：根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)下兩個所述目標檢測點之間的高頻電壓值vsh(i)繪制標樣的表面硬度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檢測點之間部分在相同高頻恒流信號激勵時的高頻電壓值vsh'；

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

其中，標樣與待測樣品為材質和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導體材料，且系列標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的鐵磁性導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)的標樣上兩個目標檢測點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檢測點之間部分在高頻恒流信號時的高頻電壓值vsh'；所述主控制模塊用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標樣上兩個目標檢測點之間部分的高頻電壓值vsh(i)繪制標樣的表面硬度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'對應的表面硬度hs'；其中，標樣與待測樣品為材質和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導體材料，且系列標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的鐵磁性導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的鐵磁性導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的鐵磁性導體材料表面硬度測量系統(tǒng)結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(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行說明，并不能看做是對待測樣品的限制，在實際中針對其它形狀的待測樣品也可以按照本發(fā)明的方法進行類似處理，這些皆在本發(fā)明的保護范圍內。

實施例一、一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量方法。下面將結合圖1對本實施例的一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量方法進行詳細地說明。

如圖1所示，一種基于趨膚效應的鐵磁性導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、材質和幾何參數(shù)均相同的標樣，在每個標樣上選取兩個目標檢測點；

步驟2：在所述標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)的標樣上兩個所述目標檢測點之間的高頻電壓值vsh(i)；

步驟3：根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)下兩個所述目標檢測點之間的高頻電壓值vsh(i)繪制標樣的表面硬度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檢測點之間部分在相同高頻恒流信號激勵時的高頻電壓值vsh'；

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

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

本實施例中，當標樣和待測樣品為圓柱形時，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，是因為趨膚深度應明顯小于樣品半徑r，且不應該太小，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，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，待測樣品表面損傷的影響不能忽略，而且頻率過高時磁導率和電阻率都會變化。經(jīng)過反復試驗，當所述高頻恒流信號的頻率范圍為上式限定的范圍時，檢測結果比較精確。

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率，正比于電阻率。具體高頻頻率值可通過試驗不同頻率值，測試系列標樣使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。這里，通過調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，可以檢測標樣和待測樣品表面硬度的深度越深。這樣，就可以通過調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化層的深度信息。

實施例二、一種基于趨膚效應的鐵磁性導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的鐵磁性導體材料表面硬度測量方法進行詳細介紹。

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

步驟21a:在各所述標樣兩端加上頻率相同的低頻恒流信號，檢測兩個所述目標檢測點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)計算待各標樣的相對電壓值v相對1(i)，并繪制標樣的相對電壓值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檢測點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'對應的表面硬度hs'。

本實施例中，所述步驟3中相對電壓值v相對1(i)的具體計算為：將已知表面硬度hs(i)的標樣的高頻電壓值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'的具體計算為：將待測樣品上兩個所述目標檢測點之間的高頻電壓值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的因素影響，并減小兩個目標檢測點之間的無關因素變化引起表面硬度測量產(chǎn)生誤差，方便檢測。

本實施例中，所述低頻恒流信號的頻率范圍為1hz-240hz。

實施例三、一種基于趨膚效應的鐵磁性導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的鐵磁性導體材料表面硬度測量方法進行詳細介紹。

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

步驟21b：在標樣兩端加上低頻恒流信號，檢測兩個所述目標檢測點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)對應的高頻電壓值vsh(i)計算待測樣品的相對電壓值v相對2(i)，并繪制標樣相對電壓值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檢測點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'對應的表面硬度hs'。

本實施例中，所述步驟3中相對電壓值v相對2(i)的具體計算為：將已知表面硬度hs(i)的標樣的高頻電壓值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'的具體計算為：將待測樣品上兩個所述目標檢測點之間的高頻電壓值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來作為兩個目標檢測點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的因素影響，并減小兩個目標檢測點之間的無關因素變化引起表面硬度測量產(chǎn)生誤差，方便檢測。

當然，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，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，表面硬度越高，在一定范圍內，測量的高頻電壓值或低頻電壓值越小；若表面硬度僅由表面疲勞引起時，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，可以僅測量一個標樣的電壓參量即可定量確定校正曲線，實現(xiàn)表面硬度的測量或相對比較。

實施例四、一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量系統(tǒng)。下面將結合圖2對本實施例進行詳細地說明。

如圖2所示，一種基于趨膚效應的鐵磁性導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)的標樣上兩個目標檢測點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檢測點之間部分在高頻恒流信號時的高頻電壓值vsh'；所述主控制模塊用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標樣上兩個目標檢測點之間部分的高頻電壓值vsh(i)繪制標樣的表面硬度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'對應的表面硬度hs'；其中，標樣與待測樣品為材質和幾何參數(shù)均相同的鐵磁性導體材料，且系列標樣的表面硬度范圍涵蓋待測樣品的表面硬度范圍。

實施例五、一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量系統(tǒng)。下面將對本實施例進行詳細地說明。

一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量系統(tǒng)，與實施例四所不同的是，本實施例中，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)的標樣上兩個目標檢測點之間的低頻電壓值vsl(i)；以及獲取待測樣品上兩個目標檢測點之間的低頻電壓值vsl'；所述主控制模塊包括第一曲線繪制單元、第一計算單元和第一mcu。

其中，所述第一計算單元用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標樣上兩個目標檢測點之間的低頻電壓值vsl(i)和高頻電壓值vsh(i)計算標樣的相對電壓值v相對1(i)；還用于根據(jù)待測樣品上兩個目標檢測點之間的部分在高頻恒流信號時的高頻電壓值vsh'和低頻電壓值vsl'計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'對應的表面硬度hs'。

實施例六、一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量系統(tǒng)。下面將對本實施例進行詳細地說明。

一種基于趨膚效應的鐵磁性導體材料表面硬度測量系統(tǒng)，與實施例四所不同的是，本實施例中，所述交流電壓檢測模塊還用于檢測標樣上兩個所述目標檢測點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、第二計算單元和第二mcu。

其中，所述第二計算單元用于根據(jù)不同已知表面硬度hs(i)的標樣上兩個目標檢測點之間的高頻電壓值vsh(i)和低頻電壓值vslmid計算標樣的相對電壓值v相對2(i)；還用于根據(jù)待測樣品上兩個目標檢測點之間的部分在高頻恒流信號時的高頻電壓值vsh'和低頻電壓值vslmid計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'對應的表面硬度hs'。

本發(fā)明的一種基于趨膚效應的鐵磁性導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化層的深度信息。

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