铁道微磁探伤仪及其探伤方法转让专利
申请号 : CN200710151626.2
文献号 : CN100588965C
文献日 : 2010-02-10
发明人 : 王祥国 , 徐章遂
申请人 : 王祥国
摘要 :
本发明属于安全无损检测技术领域，具体涉及一种铁道微磁探伤仪及其探伤方法。铁道微磁探伤仪采用微磁缺陷磁荷变异检测原理实现缺陷检测，由磁传感器装置、信号预处理器、A/D转换器、计算机系统组成。检测中由传感装置测取缺陷泄漏的磁信号，并转化为电信号输出到信号预处理器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯，送入A/D转换器变成数字信号，再由计算机进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别、缺陷计算、显示记录，同时对上述各部分实施控制，实现缺陷检测。该探伤仪用于铁道的损伤缺陷探测，缺陷检出可靠性比传统无损检测方法高2倍以上，工效提高5倍以上，同时解决了目前没有有效手段进行道岔探伤的世界性难题。
权利要求 :
1.一种铁道微磁探伤仪，包括一个可沿工件表面运动的磁传感 器装置，磁传感器装置与信号预处理器连接，信号预处理器连接A/D 转换器，计算机系统分别与磁传感器装置和A/D转换器连接，其特 征在于：所述的磁传感器装置包括一个支架(22)，支架(22)内设 有上、下两个磁传感器(2B、2A)，构成互补差分结构，两个磁传感 器外均设有磁屏蔽罩(21、26)，下部的磁传感器(2A)上方设有聚 磁片(25)，下部的磁屏蔽罩(21)上方设有压紧弹簧(23)，磁屏蔽 罩(21)下方设有铝质合金盖(24)；磁传感器连接非线性校正电路 以及置位、复位电路。
2.一种铁道微磁探伤方法，该方法通过沿工件表面运动的磁传 感器装置，测取缺陷泄漏的微磁信号，并转化为电信号输出到信号预 处理器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯，再经A/D转 换器变成数字信号，送入计算机；计算机对上述各部分实施控制，同 时对接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别 与计算、显示记录，实现裂纹缺陷检测，其特征在于：该方法采用微 磁缺陷磁荷变异检测原理，建立缺陷磁荷模型，并根据缺陷磁荷模型 确定泄漏磁信号的缺陷特征，用于判别缺陷的存在。
3.如权利要求2所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于：缺陷特 征提取由计算机系统执行，针对铁道材料特性判别缺陷的幅度标准 为：裂纹为(105～1123)点，可表示为U＝-0.01u3+6.1u2-18u+130孔洞为(315～836)点，可表示为U＝0.22u3-3.2u2+49u+260点蚀为(207～321)点，可表示为U＝0.1u3+4.1u2-16u+230划痕为(287～568)点，可表示为U＝0.11u3-2.31u2+28u+30缺陷幅度判别规则为：凡大于或等于105点的均可判为缺陷幅度 特征；
判别缺陷梯度标准为：
裂纹为(45～97)，可表示为G＝0.078g2+3.4g+41孔洞为(27～37)，可表示为G＝0.0178g2+5.4g+11点蚀为(18～26)，可表示为G＝0.011g2+1.4g+61划痕为(13～21)，可表示为G＝0.008g2+7.4g+8缺陷梯度判别规则为：凡梯度大于或等于18并具有正负峰的均 可判为缺陷梯度特征。
4.如权利要求2所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于：缺陷 判别由计算机系统执行，针对铁道材料特性，缺陷判别规则为：如待判检测数据中具有缺陷，则信号特征同时符合：①缺陷幅度 判别规则；②缺陷梯度判别规则，由于裂纹是缺陷中幅度起点最低， 划痕梯度起点最小，因此，以裂纹幅度函数、划痕的梯度函数为依据 进行判别判别缺陷模式为：
设xj∈Rn(j＝1，2，…，n)为对应第j个缺陷的n个特征参数； Pi∈Rm(i＝1，2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意ε＞0，满足||Lj(X)-Pi(X)||＜ε
则Lj为模式Pi，式中Pi为：幅度105、梯度13，即信号变化幅度大 于105，梯度大于13的均可判为缺陷。
5.如权利要求2所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于：缺陷类 别判别由计算机系统执行，针对铁道材料特性，缺陷类别判别规则为：设xj∈Rn(j＝1，2，…，n)为对应第j个缺陷的n个特征参数； Pi∈Rm(i＝1，2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意ε＞0，满足||Lj(X)-Pi(X)||＜ε
则Lj为模式Pi，式中Pi为
裂纹：幅度U＝-0.01u3+6.1u2-18u+130，梯度G＝0.078g2+3.4g+41；
孔洞：幅度U＝0.22u3-3.2u2+49u+260，梯度G＝0.0178g2+5.4g+11；
点蚀：幅度U＝0.1u3+4.1u2-16u+230，梯度G＝0.011g2+1.4g+61；
划痕：幅度U＝0.11u3-2.31u2+28u+30，梯度G＝0.008g2+7.4g+8。
6.如权利要求2所述的铁道微磁探伤方法，其特征在于：缺陷深 度计算由计算机系统执行，针对铁道材料特性，缺陷深度根据公式计 算：d＝KHm
式中d为深度，K为系数，Hm为幅度峰值，
针对铁道材料，K＝31。
说明书 :
技术领域
本发明属于安全无损检测技术领域，具体涉及一种铁道微磁探伤 仪及其探伤方法。
背景技术
我国铁路随着提速和重载的需要，对铁道线路本身的质量和安全 状态提出了更高的要求。目前，铁道的常规探伤采用超声波探伤法， 其主要弊病是体重大(约80公斤)、携带不便、操作复杂(需6人同 时操作)，还需不断施加耦合剂--水(寒冬季节还需在水中加柴油， 以防结冰)，极为繁琐；而且，检测速度慢，对轴向缺陷的分辨率低、 小缺陷无法检出；同时，检测未实现智能化，需人工分析、判断；特 别是铁路道岔部位的探伤，迄今国内外还是一项空白，由于其截面不 规则，超声波和其他探伤方式如电涡流检测等均无能为力，目前只能 靠人工手锤敲和目视巡检解决。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，利用微磁技术，提 供一种体积小巧、携带方便、操作简单、快捷准确的铁道微磁探伤仪， 这种仪器可以快速检出铁道伤损部位和程度，确定危险部位。同时， 本发明还要提供该铁道微磁探伤仪所使用的探伤方法。
本发明的技术方案如下：一种铁道微磁探伤仪，包括一个可沿工 件表面运动的磁传感器装置，磁传感器装置与信号预处理器连接，信 号预处理器连接A/D转换器，计算机系统分别与磁传感器装置和A/D 转换器连接。
如上所述的铁道微磁探伤仪，其中，所述的磁传感器装置包括一 个支架，支架内设有上、下两个磁传感器，构成互补差分结构，两个 磁传感器外均设有磁屏蔽罩，下部的磁传感器上方设有聚磁片，下部 的磁屏蔽罩上方设有压紧弹簧，磁屏蔽罩下方设有铝质合金盖；磁传 感器连接非线性校正电路以及置位、复位电路。
一种铁道微磁探伤方法，该方法通过沿工件表面运动的磁传感器 装置，测取缺陷泄漏的微磁信号，并转化为电信号输出到信号预处理 器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯，再经A/D转换器 变成数字信号，送入计算机；计算机对上述各部分实施控制，同时对 接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别与计 算、显示记录，实现裂纹等缺陷检测。
如上所述的铁道微磁探伤方法，其中，该方法采用微磁缺陷磁荷 变异检测原理，建立缺陷磁荷模型，并根据缺陷磁荷模型确定泄漏磁 信号的缺陷特征，用于判别缺陷的存在。
与传统的超声探伤法相比，本发明的有益效果是：
1、检测速度快。由于微磁检测是一种被动检测，缺陷泄漏的微 磁信号一直存在，且磁信号以光速传播，因此磁传感器获取信号时间 少于0.1纳秒；超声检测是一种主动检测，其波速比光速小得多，探 测头获取信号时间大于4微秒。因此，微磁检测速度比超声检测高 10000倍，适于火车提速后的轨道、道岔探伤。
2、检测灵敏度高。微磁传感装置可获取小于10-8T的磁信号， 相当于宽度1微米、深度50微米、长100微米的缺陷泄漏的磁信号。 超声检测中，可分辨的缺陷通常在Φ1毫米以上(较为先进的仪器可 达Φ0.3毫米，但价格昂贵)，因此，微磁检测灵敏度比超声检测高 1000倍。
3、可靠性好。微磁检测灵敏度高，对于尺寸在宽度80微米、深 度500微米、长500微米以上的缺陷信号，能可靠捕捉。而且与超声 检测相比，可靠性高2倍以上，而且，不需外加条件，从而，消除了 外加的不稳定因素。
4、检测工艺简便。微磁检测对被检工件表面状态要求低，不必 打磨、清洗，不需加耦合剂，可在有铁锈油污的条件下工作。
5、微磁检测过程对环境无污染，而且节能。
6、解决铁路道岔探伤检测的世界性难题。
7、为便携式，体积小、重量轻、携带方便、特别适宜铁道线路 流动现场检测的需要。
8、操作简单(一至二人即可)、判据客观(检测钢轨自有磁场)、 准确可靠、实用性强。
9、仪表为智能型，可以替代人工分析判断而直接输出检测结果。
本发明的技术方案如下：一种铁道微磁探伤仪，包括一个可沿工 件表面运动的磁传感器装置，磁传感器装置与信号预处理器连接，信 号预处理器连接A/D转换器，计算机系统分别与磁传感器装置和A/D 转换器连接。
如上所述的铁道微磁探伤仪，其中，所述的磁传感器装置包括一 个支架，支架内设有上、下两个磁传感器，构成互补差分结构，两个 磁传感器外均设有磁屏蔽罩，下部的磁传感器上方设有聚磁片，下部 的磁屏蔽罩上方设有压紧弹簧，磁屏蔽罩下方设有铝质合金盖；磁传 感器连接非线性校正电路以及置位、复位电路。
一种铁道微磁探伤方法，该方法通过沿工件表面运动的磁传感器 装置，测取缺陷泄漏的微磁信号，并转化为电信号输出到信号预处理 器；信号预处理器对信号进行放大、滤波、提纯，再经A/D转换器 变成数字信号，送入计算机；计算机对上述各部分实施控制，同时对 接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别与计 算、显示记录，实现裂纹等缺陷检测。
如上所述的铁道微磁探伤方法，其中，该方法采用微磁缺陷磁荷 变异检测原理，建立缺陷磁荷模型，并根据缺陷磁荷模型确定泄漏磁 信号的缺陷特征，用于判别缺陷的存在。
与传统的超声探伤法相比，本发明的有益效果是：
1、检测速度快。由于微磁检测是一种被动检测，缺陷泄漏的微 磁信号一直存在，且磁信号以光速传播，因此磁传感器获取信号时间 少于0.1纳秒；超声检测是一种主动检测，其波速比光速小得多，探 测头获取信号时间大于4微秒。因此，微磁检测速度比超声检测高 10000倍，适于火车提速后的轨道、道岔探伤。
2、检测灵敏度高。微磁传感装置可获取小于10-8T的磁信号， 相当于宽度1微米、深度50微米、长100微米的缺陷泄漏的磁信号。 超声检测中，可分辨的缺陷通常在Φ1毫米以上(较为先进的仪器可 达Φ0.3毫米，但价格昂贵)，因此，微磁检测灵敏度比超声检测高 1000倍。
3、可靠性好。微磁检测灵敏度高，对于尺寸在宽度80微米、深 度500微米、长500微米以上的缺陷信号，能可靠捕捉。而且与超声 检测相比，可靠性高2倍以上，而且，不需外加条件，从而，消除了 外加的不稳定因素。
4、检测工艺简便。微磁检测对被检工件表面状态要求低，不必 打磨、清洗，不需加耦合剂，可在有铁锈油污的条件下工作。
5、微磁检测过程对环境无污染，而且节能。
6、解决铁路道岔探伤检测的世界性难题。
7、为便携式，体积小、重量轻、携带方便、特别适宜铁道线路 流动现场检测的需要。
8、操作简单(一至二人即可)、判据客观(检测钢轨自有磁场)、 准确可靠、实用性强。
9、仪表为智能型，可以替代人工分析判断而直接输出检测结果。
附图说明
图1是本发明的铁道微磁探伤仪原理框图；
图2(a)是图1中所示的传感器探测装置的结构图；
图2(b)是磁传感器非线性校正电路图；
图3是磁传感器置位、复位电路图；
图4是图1中所示的信号预处理器电路图；
图5是图1中所示的计算机系统组成原理框图；
图6是信号分析处理装置计算机实现流程图；
图7是缺陷特征提取模块计算机实现流程图；
图8是缺陷类别判别模块603计算机实现流程图；
图9是缺陷类别模块计算机实现流程图；
图10缺陷深度计算模块计算机实现流程图。
图2(a)是图1中所示的传感器探测装置的结构图；
图2(b)是磁传感器非线性校正电路图；
图3是磁传感器置位、复位电路图；
图4是图1中所示的信号预处理器电路图；
图5是图1中所示的计算机系统组成原理框图；
图6是信号分析处理装置计算机实现流程图；
图7是缺陷特征提取模块计算机实现流程图；
图8是缺陷类别判别模块603计算机实现流程图；
图9是缺陷类别模块计算机实现流程图；
图10缺陷深度计算模块计算机实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明的铁道微磁探伤仪原理框图，包含磁传感器装置1、 信号预处理器2、、A/D转换器3、计算机系统4。磁传感器装置1沿 工件表面扫描，获取被检工件缺陷泄漏的微磁信号，并转换为电信号 输送到信号预处理器2；信号预处理器2对信号进行放大、滤波、提 纯，并将信号送入A/D转换器3；A/D转换器将信号转换为数字信号， 并送计算机系统4。计算机系统4对上述各部分工作实施控制，同时 对接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别、 显示记录。
图2(a)是图1中的磁传感器装置结构图，包括一个支架22， 支架22内设有上、下两个磁传感器2B、2A，两个磁传感器外均设有 磁屏蔽罩26、21，下部的磁传感器2A上方设有聚磁片25，下部的 磁屏蔽罩21上方设有压紧弹簧23，磁屏蔽罩21下方设有铝质合金 盖24；磁传感器连接非线性校正电路以及置位、复位电路，支架上 部设有引线27。磁传感器2A、磁传感器2B构成互补差分结构，抵 消地磁、外界电磁干扰及材料晶粒不均匀、电源等引起的干扰。
本实施例中的磁器件选用的HM201是一种用于检测转角的器 件，用于测材料泄漏磁场要对输出特性进行非线性校正，同时要进行 置位、复位以恢复检测灵敏度。
图2(b)为用于非线性校正的电路，外加一惠斯通电桥与磁阻的电 桥相对应，使磁阻的ΔR/R的变化是关于角度θ轴对称，在45度角 范围内存在一个线性区域。在线性范围内，输出电压与外加磁场成正 比，即ΔVout＝SHVb，其中S为磁阻传感器的灵敏度，可达3mv/1v/Oe， 线性范围在2Oe之内。
图3是磁传感器置位、复位电路图。当磁传感器工作在有强干扰 的外磁场作用的环境中，其敏感轴方向上施加超过2×10-4T的磁场时， 会扰乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，使 输出的信号变弱，灵敏度降低为此采用采用置位、复位电路来消除强 干扰磁场的影响，恢复传感器的灵敏度。
为用于抵消变化环境磁场的置位复位电路，包含方波产生器31、 跟随器32、推挽开关电路(IRF7105)36。方波产生器31产生5kHz 的方波信号送跟随器32置位控制电路(74HC04)、脉冲加工电路 (74HC04)33、相位调整电路34、反相器(2N3904)35。如磁传感 器工作在有干扰的外磁场作用的环境中，其敏感轴方向上施加超过 2×10-4T的磁场时，会扰乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向，改变传 感器的输出特性，使输出的信号变弱，灵敏度降低。为此，采用置位 复位电流带，以一定的置位复位电流产生的磁场来消除干扰磁场的影 响，恢复传感器的灵敏度。由于传感器的输出电压的极性取决于内部 磁畴的极化方向，所以对传感器施加与置位脉冲方向相反的复位脉 冲，能够使磁畴方向反转，对外表现为传感器输出的极性反转。图中 由方波产生器(定时器)31产生的方波脉冲经脉冲加工电路33(A、 B、C、D)整形后送相位调整电路34；若33A输出脉冲波为正，相 位调整电路34A的二极管截止，脉冲经延迟后送入33B，再经33C 和反相器35进行相位调整后送推挽开关电路36，使开关管36A导通； 此时34B的二极管导通，33A输出脉冲波几乎不经延迟就送入34D， 经反相后使推挽开关电路36的开关管36B截止，置复位电路进入 置位状态，置位电流通过电流带产生的磁场抵消环进磁场。若33A 输出脉冲波为负，34A的二极管导通，33A输出脉冲波几乎不经延迟 就送入34B，再经34C和反相器35进行相位调整后送推挽开关电路 36，使开关管36A截止；此时34B的二极管截止，脉冲经延迟后送 入34D反相后送推挽开关电路36，使开关管36B导通，置复位电路 进入复位状态，通过电流带的电流反向，产生的磁场使传感器的特性 恢复到零点，即恢复原来的灵敏度。因此，相位调整电路34使推挽 开关电路36在开关管36A导通前开关管36B可靠截止；在开关管 36B导通前开关管36A可靠截止。方波产生器的脉冲波不断翻转，推 挽开关电路36的两个开关管36A、36B轮流导通，不断置位复位， 消除外界变化磁场的干扰；置位控制电路32是通过计算机来控制置 复位电路的工作。当需要置复位时，计算机输出一脉冲，使方波产生 器31的4端置高电平，启动定时器工作，进行置复位；其他时间计 算机输出低电平，封闭方波产生器31的工作，置复位电路处于等待 状态。
图4是图1中信号预处理电路。信号预处理电路包含预处理放大 器41、滤波器42。
信号预处理放大器包含放大器411、放大器412、放大器413，3 个放大器由INA128组成，构成差分结构。其中放大器411放大由磁 阻传感器2A输送的信号，为检测传感放大器；放大器412放大由磁 阻传感器2B输送的信号，为参考传感放大器；放大器413为综合放 大器，放大抵消地磁、外界电磁干扰及电源等引起的干扰后的缺陷信 号，总增益在1～10000。放大器的输出管角6与滤波器42的电阻 R1相连。
滤波器42是一个二阶有源滤低通波器，由电阻R1、R2、R3、R4， 电容C1、C2和运算放大器OP07组成。当检测信号频率高于10kHz 时，电容C2近于短路，电路无输出；当信号频率低于10kHz时，电 容C2近于开路，电路相当于一个同相放大器，电路输出低于10kHz 的信号，主要用于滤除高于10kHz的外界干扰信号，放大输出缓慢 变化信号，使电路3能检测慢变化磁信号，实现磁场绝对量检测。滤 波器的输出管角6通电阻R5与计算机的A/D转换器输入口相连。
A/D转换器3采用RM9的内置A/D转换器，转换分辨率12位， 转换速度100K样本/秒。
图5是图1中的计算机系统组成图。计算机系统包含计算机51、 显示记录装置52、电源53、信号分析处理装置54。
计算机51采用三星公司的S3C24lO型主板，它是RISC结构的 32位微处理器，基于ARM92T内核，采用五级流水线，生产工艺为 0.18微米CMOS，最高工作频率可达203MHz。
S3C24lO具有增强ARM体系的MMU(支持WinCE，EPOC32 和Linux)，16kB的指令和数据高速缓存以及高速AMBA总线接口。 S3C32410常用于手持设备以及普通的嵌入式应用的集成系统，内嵌 的功能模块丰富，接口齐全，主要包括如下部分：LCD控制器 (STN&TFT)，NAND Flash引导装入程序、系统管理(片选逻辑和 SIR控制器)，3通道UART，SD主口和多媒体卡接口、2通道SPI 和2通道PLL。4通道DMA，4通道PWM时钟、I/O口、RTC，8 通道10位ADC及触摸屏接口、IIC总线接口、IIS总线接携式智能 仪器使用的高性能、低功耗微处理器，具有USB主口和USB设备口、 非常适合于便铁道道岔探伤软件系统运行于移植到ARM9平台上的 Linux操作系统上。
显示记录装置52由显示器和存储器组成。显示器为 PLANAR-EL320×256-FD7，宽温(-25℃～+65℃)，彩色显示，使 各种数据、图表显示直观明了，在强光下可正常显示。
计算机主要用于提取裂纹信息特征，判别缺陷为裂纹、划痕、点 蚀等，计算缺陷尺寸，界面设定及系统控制。
电源53包含输出7.4V锂电池、TSD05-12s05型DC-DC模块， 输出5V、1A。
计算机的信号分析处理装置54包含数据采集模块、缺陷特征提 取模块、缺陷类别判别模块、缺陷深度计算模块、记录显示模块，数 据采集模块完成数据输入。信号分析处理装置的计算机实现流程如图 6所示，包括对采集的数据进行缺陷特征提取步骤601，缺陷判别步 骤602，缺陷深度计算及长度估算步骤603，以及显示记录步骤604。
图7是缺陷特征提取模块计算机实现流程图。在步骤701开始后， 步骤702将数据文件编号，步骤703读取数据文件0号；在步骤704 将0号文件数据滤波。
滤波运用平滑估计方法，其步骤为：
(1)由数据序列{Xi}构造一个新的数据序列{X′}。方法是从{X}中 取每相邻的5位数的中位数构成{X′}，即取X1，X2，X3，X4，X5 的中位数X3(记为X′3)，依此类推，一直取到最后一位数，显然X′的 项数比原序列少四项。
(2)从{X′}中取每相邻的三位数的中位数构成新的数据序列 {X″}。
(3)最后的数据序列
(4)分析X-X″′，检查是否有|xi-x″′i|＞k(预定值)，如有则用一 内插值代替xi。
在步骤704分段搜索信号变化幅度最大点，在706以缺陷判别幅 度标准衡量各个最大幅度点，符合要求的在707记为预判点。
针对铁道材料，经过多次实验，缺陷幅度标准为：
裂纹为(105～1123)点，可表示为U＝-0.01u3+6.1u2-18u+130
孔洞为(315～836)点，可表示为U＝0.22u3-3.2u2+49u+260
点蚀为(207～321)点，可表示为U＝0.1u3+4.1u2-16u+230
划痕为(287～568)点，可表示为U＝0.11u3-2.31u2+28u+30
判别规则为：凡幅度大于或等于105点的可作为缺陷幅度特征判 据。
各数据文件的数据处理完后，在步骤709记录，并在710读取 记录数据，在步骤711求取各预判点两恻各10点的幅度变化梯度， 并在712分析梯度是否连续最大，且具有正、负峰，符合要求的在 713判为缺陷并记录。
针对铁道材料，经过多次实验，缺陷梯度标准为：
裂纹为(45～97)，可表示为G＝0.078g2+3.4g+41
孔洞为(27～37)，可表示为G＝0.0178g2+5.4g+11
点蚀为(18～26)，可表示为G＝0.011g2+1.4g+61
划痕为(13～21)，可表示为G＝0.008g2+7.4g+8
判别规则为：凡梯度大于或等于18的均可作为缺陷梯度特征判 据。
各数据文件的数据处理完后，在步骤718结束。
图8是缺陷判别模块计算机实现流程图。流程在步骤801开始后， 步骤802读取记录的缺陷数据，并由步骤803、804的幅度特征函数、 梯度特征函数进行缺陷判别，凡符合两函数要求的即为缺陷，不符合 的予以删除；属缺陷的在806进行记录。由于裂纹是缺陷中幅度起点 最低，划痕梯度起点最小，因此以裂纹幅度函数、划痕的梯度函数为 依据进行判别。
判别缺陷类别的模式为：
设xj∈Rn(j＝1，2，…，n)为对应第j个缺陷的n个特征参数； Pi∈Rm(i＝1，2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意ε＞0，满足
||Lj(X)-Pi(X)||＜ε
则Lj为模式Pi。式中Pi为：幅度105、梯度13。即信号变化幅 度大于105，梯度大于13的均可判为缺陷。
图9是缺陷类别判别模块计算机实现流程图。在步骤901开始后， 步骤902读取记录缺陷数据，在903进行缺陷类别判别，凡符合类别 幅度特征函数、梯度特征函数要求的即可归为某类缺陷，不符合的， 记为新模式，再由人工确定。一直到缺陷数据处理完后，在步骤908 记录。
判别缺陷类别的模式为：
设xj∈Rn(j＝1，2，…，n)为对应第j个缺陷的n个特征参数； Pi∈Rm(i＝1，2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意ε＞0，满足
||Lj(X)-Pi(X)||＜ε
则Lj为模式Pi。式中Pi为：
裂纹：幅度U＝-0.01u3+6.1u2-18u+130，梯度G＝0.078g2+3.4g+41；
孔洞：U＝0.22u3-3.2u2+49u+260，梯度G＝0.0178g2+5.4g+11；
点蚀：U＝0.1u3+4.1u2-16u+230，梯度G＝0.011g2+1.4g+61)；
划痕：U＝0.11u3-2.31u2+28u+30，梯度G＝0.008g2+7.4g+8。
图10是缺陷深度计算模块计算机实现流程图。在步骤1001开始 后，1002读取缺陷参数，并在步骤1003将参数代入公式计算：
d＝KHm
式中d为深度，K为系数，Hm为幅度峰值。
针对铁道材料，经过多次实验，K＝31。
一直到所有的缺陷参数处理完，在步骤1006结束。
图1是本发明的铁道微磁探伤仪原理框图，包含磁传感器装置1、 信号预处理器2、、A/D转换器3、计算机系统4。磁传感器装置1沿 工件表面扫描，获取被检工件缺陷泄漏的微磁信号，并转换为电信号 输送到信号预处理器2；信号预处理器2对信号进行放大、滤波、提 纯，并将信号送入A/D转换器3；A/D转换器将信号转换为数字信号， 并送计算机系统4。计算机系统4对上述各部分工作实施控制，同时 对接收的信号进行数字滤波、信号分析、缺陷特征提取、缺陷判别、 显示记录。
图2(a)是图1中的磁传感器装置结构图，包括一个支架22， 支架22内设有上、下两个磁传感器2B、2A，两个磁传感器外均设有 磁屏蔽罩26、21，下部的磁传感器2A上方设有聚磁片25，下部的 磁屏蔽罩21上方设有压紧弹簧23，磁屏蔽罩21下方设有铝质合金 盖24；磁传感器连接非线性校正电路以及置位、复位电路，支架上 部设有引线27。磁传感器2A、磁传感器2B构成互补差分结构，抵 消地磁、外界电磁干扰及材料晶粒不均匀、电源等引起的干扰。
本实施例中的磁器件选用的HM201是一种用于检测转角的器 件，用于测材料泄漏磁场要对输出特性进行非线性校正，同时要进行 置位、复位以恢复检测灵敏度。
图2(b)为用于非线性校正的电路，外加一惠斯通电桥与磁阻的电 桥相对应，使磁阻的ΔR/R的变化是关于角度θ轴对称，在45度角 范围内存在一个线性区域。在线性范围内，输出电压与外加磁场成正 比，即ΔVout＝SHVb，其中S为磁阻传感器的灵敏度，可达3mv/1v/Oe， 线性范围在2Oe之内。
图3是磁传感器置位、复位电路图。当磁传感器工作在有强干扰 的外磁场作用的环境中，其敏感轴方向上施加超过2×10-4T的磁场时， 会扰乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，使 输出的信号变弱，灵敏度降低为此采用采用置位、复位电路来消除强 干扰磁场的影响，恢复传感器的灵敏度。
为用于抵消变化环境磁场的置位复位电路，包含方波产生器31、 跟随器32、推挽开关电路(IRF7105)36。方波产生器31产生5kHz 的方波信号送跟随器32置位控制电路(74HC04)、脉冲加工电路 (74HC04)33、相位调整电路34、反相器(2N3904)35。如磁传感 器工作在有干扰的外磁场作用的环境中，其敏感轴方向上施加超过 2×10-4T的磁场时，会扰乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向，改变传 感器的输出特性，使输出的信号变弱，灵敏度降低。为此，采用置位 复位电流带，以一定的置位复位电流产生的磁场来消除干扰磁场的影 响，恢复传感器的灵敏度。由于传感器的输出电压的极性取决于内部 磁畴的极化方向，所以对传感器施加与置位脉冲方向相反的复位脉 冲，能够使磁畴方向反转，对外表现为传感器输出的极性反转。图中 由方波产生器(定时器)31产生的方波脉冲经脉冲加工电路33(A、 B、C、D)整形后送相位调整电路34；若33A输出脉冲波为正，相 位调整电路34A的二极管截止，脉冲经延迟后送入33B，再经33C 和反相器35进行相位调整后送推挽开关电路36，使开关管36A导通； 此时34B的二极管导通，33A输出脉冲波几乎不经延迟就送入34D， 经反相后使推挽开关电路36的开关管36B截止，置复位电路进入 置位状态，置位电流通过电流带产生的磁场抵消环进磁场。若33A 输出脉冲波为负，34A的二极管导通，33A输出脉冲波几乎不经延迟 就送入34B，再经34C和反相器35进行相位调整后送推挽开关电路 36，使开关管36A截止；此时34B的二极管截止，脉冲经延迟后送 入34D反相后送推挽开关电路36，使开关管36B导通，置复位电路 进入复位状态，通过电流带的电流反向，产生的磁场使传感器的特性 恢复到零点，即恢复原来的灵敏度。因此，相位调整电路34使推挽 开关电路36在开关管36A导通前开关管36B可靠截止；在开关管 36B导通前开关管36A可靠截止。方波产生器的脉冲波不断翻转，推 挽开关电路36的两个开关管36A、36B轮流导通，不断置位复位， 消除外界变化磁场的干扰；置位控制电路32是通过计算机来控制置 复位电路的工作。当需要置复位时，计算机输出一脉冲，使方波产生 器31的4端置高电平，启动定时器工作，进行置复位；其他时间计 算机输出低电平，封闭方波产生器31的工作，置复位电路处于等待 状态。
图4是图1中信号预处理电路。信号预处理电路包含预处理放大 器41、滤波器42。
信号预处理放大器包含放大器411、放大器412、放大器413，3 个放大器由INA128组成，构成差分结构。其中放大器411放大由磁 阻传感器2A输送的信号，为检测传感放大器；放大器412放大由磁 阻传感器2B输送的信号，为参考传感放大器；放大器413为综合放 大器，放大抵消地磁、外界电磁干扰及电源等引起的干扰后的缺陷信 号，总增益在1～10000。放大器的输出管角6与滤波器42的电阻 R1相连。
滤波器42是一个二阶有源滤低通波器，由电阻R1、R2、R3、R4， 电容C1、C2和运算放大器OP07组成。当检测信号频率高于10kHz 时，电容C2近于短路，电路无输出；当信号频率低于10kHz时，电 容C2近于开路，电路相当于一个同相放大器，电路输出低于10kHz 的信号，主要用于滤除高于10kHz的外界干扰信号，放大输出缓慢 变化信号，使电路3能检测慢变化磁信号，实现磁场绝对量检测。滤 波器的输出管角6通电阻R5与计算机的A/D转换器输入口相连。
A/D转换器3采用RM9的内置A/D转换器，转换分辨率12位， 转换速度100K样本/秒。
图5是图1中的计算机系统组成图。计算机系统包含计算机51、 显示记录装置52、电源53、信号分析处理装置54。
计算机51采用三星公司的S3C24lO型主板，它是RISC结构的 32位微处理器，基于ARM92T内核，采用五级流水线，生产工艺为 0.18微米CMOS，最高工作频率可达203MHz。
S3C24lO具有增强ARM体系的MMU(支持WinCE，EPOC32 和Linux)，16kB的指令和数据高速缓存以及高速AMBA总线接口。 S3C32410常用于手持设备以及普通的嵌入式应用的集成系统，内嵌 的功能模块丰富，接口齐全，主要包括如下部分：LCD控制器 (STN&TFT)，NAND Flash引导装入程序、系统管理(片选逻辑和 SIR控制器)，3通道UART，SD主口和多媒体卡接口、2通道SPI 和2通道PLL。4通道DMA，4通道PWM时钟、I/O口、RTC，8 通道10位ADC及触摸屏接口、IIC总线接口、IIS总线接携式智能 仪器使用的高性能、低功耗微处理器，具有USB主口和USB设备口、 非常适合于便铁道道岔探伤软件系统运行于移植到ARM9平台上的 Linux操作系统上。
显示记录装置52由显示器和存储器组成。显示器为 PLANAR-EL320×256-FD7，宽温(-25℃～+65℃)，彩色显示，使 各种数据、图表显示直观明了，在强光下可正常显示。
计算机主要用于提取裂纹信息特征，判别缺陷为裂纹、划痕、点 蚀等，计算缺陷尺寸，界面设定及系统控制。
电源53包含输出7.4V锂电池、TSD05-12s05型DC-DC模块， 输出5V、1A。
计算机的信号分析处理装置54包含数据采集模块、缺陷特征提 取模块、缺陷类别判别模块、缺陷深度计算模块、记录显示模块，数 据采集模块完成数据输入。信号分析处理装置的计算机实现流程如图 6所示，包括对采集的数据进行缺陷特征提取步骤601，缺陷判别步 骤602，缺陷深度计算及长度估算步骤603，以及显示记录步骤604。
图7是缺陷特征提取模块计算机实现流程图。在步骤701开始后， 步骤702将数据文件编号，步骤703读取数据文件0号；在步骤704 将0号文件数据滤波。
滤波运用平滑估计方法，其步骤为：
(1)由数据序列{Xi}构造一个新的数据序列{X′}。方法是从{X}中 取每相邻的5位数的中位数构成{X′}，即取X1，X2，X3，X4，X5 的中位数X3(记为X′3)，依此类推，一直取到最后一位数，显然X′的 项数比原序列少四项。
(2)从{X′}中取每相邻的三位数的中位数构成新的数据序列 {X″}。
(3)最后的数据序列
(4)分析X-X″′，检查是否有|xi-x″′i|＞k(预定值)，如有则用一 内插值代替xi。
在步骤704分段搜索信号变化幅度最大点，在706以缺陷判别幅 度标准衡量各个最大幅度点，符合要求的在707记为预判点。
针对铁道材料，经过多次实验，缺陷幅度标准为：
裂纹为(105～1123)点，可表示为U＝-0.01u3+6.1u2-18u+130
孔洞为(315～836)点，可表示为U＝0.22u3-3.2u2+49u+260
点蚀为(207～321)点，可表示为U＝0.1u3+4.1u2-16u+230
划痕为(287～568)点，可表示为U＝0.11u3-2.31u2+28u+30
判别规则为：凡幅度大于或等于105点的可作为缺陷幅度特征判 据。
各数据文件的数据处理完后，在步骤709记录，并在710读取 记录数据，在步骤711求取各预判点两恻各10点的幅度变化梯度， 并在712分析梯度是否连续最大，且具有正、负峰，符合要求的在 713判为缺陷并记录。
针对铁道材料，经过多次实验，缺陷梯度标准为：
裂纹为(45～97)，可表示为G＝0.078g2+3.4g+41
孔洞为(27～37)，可表示为G＝0.0178g2+5.4g+11
点蚀为(18～26)，可表示为G＝0.011g2+1.4g+61
划痕为(13～21)，可表示为G＝0.008g2+7.4g+8
判别规则为：凡梯度大于或等于18的均可作为缺陷梯度特征判 据。
各数据文件的数据处理完后，在步骤718结束。
图8是缺陷判别模块计算机实现流程图。流程在步骤801开始后， 步骤802读取记录的缺陷数据，并由步骤803、804的幅度特征函数、 梯度特征函数进行缺陷判别，凡符合两函数要求的即为缺陷，不符合 的予以删除；属缺陷的在806进行记录。由于裂纹是缺陷中幅度起点 最低，划痕梯度起点最小，因此以裂纹幅度函数、划痕的梯度函数为 依据进行判别。
判别缺陷类别的模式为：
设xj∈Rn(j＝1，2，…，n)为对应第j个缺陷的n个特征参数； Pi∈Rm(i＝1，2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意ε＞0，满足
||Lj(X)-Pi(X)||＜ε
则Lj为模式Pi。式中Pi为：幅度105、梯度13。即信号变化幅 度大于105，梯度大于13的均可判为缺陷。
图9是缺陷类别判别模块计算机实现流程图。在步骤901开始后， 步骤902读取记录缺陷数据，在903进行缺陷类别判别，凡符合类别 幅度特征函数、梯度特征函数要求的即可归为某类缺陷，不符合的， 记为新模式，再由人工确定。一直到缺陷数据处理完后，在步骤908 记录。
判别缺陷类别的模式为：
设xj∈Rn(j＝1，2，…，n)为对应第j个缺陷的n个特征参数； Pi∈Rm(i＝1，2，…，m)为对应的i种缺陷类别标准模型，L为待定模式， 如对任意ε＞0，满足
||Lj(X)-Pi(X)||＜ε
则Lj为模式Pi。式中Pi为：
裂纹：幅度U＝-0.01u3+6.1u2-18u+130，梯度G＝0.078g2+3.4g+41；
孔洞：U＝0.22u3-3.2u2+49u+260，梯度G＝0.0178g2+5.4g+11；
点蚀：U＝0.1u3+4.1u2-16u+230，梯度G＝0.011g2+1.4g+61)；
划痕：U＝0.11u3-2.31u2+28u+30，梯度G＝0.008g2+7.4g+8。
图10是缺陷深度计算模块计算机实现流程图。在步骤1001开始 后，1002读取缺陷参数，并在步骤1003将参数代入公式计算：
d＝KHm
式中d为深度，K为系数，Hm为幅度峰值。
针对铁道材料，经过多次实验，K＝31。
一直到所有的缺陷参数处理完，在步骤1006结束。