JP3584453B2 - 微小欠陥検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄鋼帯のような被検出体中に混入する微小介在物のような微小欠陥を、漏洩磁束法により検出する微小欠陥検出装置に関し、特に高感度な磁気センサを使用した微小欠陥検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
鋼帯のような磁性体中の欠陥を検出する方法として、漏洩磁束法が広く使用されている。図9にその原理図を示す。図9において、21は磁気センサ、22は磁化器、23は鋼帯等の被検査体、24は欠陥、25は磁束を示す。磁化器22により被検査体22を磁化する。磁化器22により発生する磁束の大部分は磁気抵抗の少ない被検査体23の中を通過するが、被検査体中23中に欠陥24が存在すると、その欠陥24により磁束の通過が妨げられ、一部の磁束が空中に漏洩する。この漏洩した磁束を、磁気センサ21で検出することにより欠陥24の存在を検出する。
【0003】
磁気センサ21としては、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気半導体素子等が使用される他、特開昭59ー160750号公報に開示されているような、円筒鉄心にコイルを巻いた磁気探傷コイル、特開平2ー162276号公報に開示されているような、強磁性体コアにコイルを巻き、これに交流電流を供給し、このコイルの両端に発生する電圧の正側電圧と負側電圧との差を検出するものが使用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来要求されていた検出すべき薄鋼帯中の欠陥は、ガウジと呼ばれるような比較的大きな欠陥が対象であった。近年、産業分野における薄鋼帯の適用範囲拡大に伴い、より微小な内部介在物を検出することが必要となり、例えば、10−3(mm3 )以下の体積の微小な内部介在物が検出対象となってきた。このような微小欠陥を検出するためには、従来技術には以下のような問題点がある。
【0005】
(1) いずれの従来技術においても、微小な欠陥を検出するためには、鋼帯と磁気センサとの距離(リフトオフ)を小さくする必要がある。この対策として、実開昭61ー119759号公報に開示されているように、磁気センサをエアフロートさせることによりリフトオフを0.1 (mm)程度の微小値に保つ方法が用いられている。しかしながら、この方法には、磁気センサと鋼帯との接触事故が増加するなどの操業上の問題がある。
【0006】
(2) 微小欠陥検出のためにリフトオフを低下させると、鋼帯の振動などの外乱の影響を受けやすくなり、また鋼帯の磁気的なむらから生ずる地合ノイズを拾い易くなるので、十分なS/Nを得ることが困難である。
【0007】
(3) 欠陥検出信号の周波数成分と地合ノイズの周波数成分とが重なり合う部分が多く、フィルタなどによるS/N向上が十分に行えない。
【0008】
本発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、リフトオフをあまり小さくすることなく、被検査体の微小欠陥から生じる微弱で局所的な漏洩磁束を、被検査体の走行速度によらず、高いS/N比で効率よく検出可能な微小欠陥検出装置を提供することを目的とする。
【0009】
前記課題は、被検査体を磁化するための磁化器と、被検査体の欠陥から発生する漏洩磁束を検出するための磁気センサとを有してなる欠陥検出装置であって、磁気センサは、強磁性体で作られたE型コアの中央磁極にサーチコイルが設けられたE型磁気センサであり、このE型コアの3個の磁極の列が被検査体の走行方向に沿うように配置されており、磁気センサからの出力信号がハイパスフィルタを通して処理され、当該ハイパスフィルタは、E型磁気センサの磁極中心間の距離をP( mm )、リフトオフをL( mm )、被検査体の走行速度をV( mm / s )とするとき、次の (1) 式を満たす周波数F( Hz )±20%の範囲のカットオフ周波数を持つものであることを特徴とする微小欠陥検出装置により解決される。
F =V×(3188 −675 L) ×(850+2000/P) /(1.4×107) …… (1)
【0010】
また、実際の装置においては、E型磁気センサの磁極中心間の距離は予め定められているので、被検査体の走行速度V(mm/s )及びリフトオフL(mm)を入力とする最適カットオフ周波数設定器により、ハイパスフィルタの最適なカットオフ周波数Fを自動的に設定する構成とすることが好ましい。もし、リフトオフL(mm)が一定と仮定してよい場合には、走行体の走行速度V(mm/s )のみを入力とするようにしてもよい。
【0011】
また、E型磁気センサの磁極中心間の距離をP(mm)、リフトオフをL(mm)、被検査体の走行速度をV(mm/s )とするとき、
F =V×(3188 −675 L) ×(850+2000/P) /(1.4×107) …… (1)
を満たす周波数F(Hz)±20%の範囲のカットオフ周波数を持つハイパスフィルタを用いれば、最大に近いS/Nで欠陥の検出を行うことが出来る。
【0012】
これらについて、更に詳しく説明する。
図1にE型磁気センサを使用した本発明の原理図を示す。図1において、1は強磁性体で作られたE型コアからなるE型磁気センサ、1a〜1cはその磁極、2はサーチコイル、3は被検査体、4は欠陥、5は磁束を示す。E型磁気センサ1は、図1に示すように3個の磁極1a〜1cの列が被検査体の走行方向に沿うように配置されている。欠陥4が図1(a) で示す位置にあるとき、漏洩磁束は磁極1aから磁極1cを通過し、サーチコイル2を下向きに通過する。被検査体3が走行して欠陥4が図1(b) で示す位置に来ると、漏洩磁束は磁極1cから磁極1bを通過し、サーチコイル2を上向きに通過する。よって、欠陥4の通過に伴ってサーチコイル2を通過する磁束が変化し、サーチコイル2には磁束の変化量に比例した電圧が発生する。
【0013】
図2(a) は、欠陥4がE型磁気センサ1の下を通過するときのサーチコイル2を通る磁束Φの変化を、図2(b) はそのときにサーチコイル2に発生する電圧Eを示す。この電圧を検出することにより、欠陥の存在を検出することができる。
【0014】
E型磁気センサを使用した本発明においては、鋼帯近傍の浮遊磁束、E型磁気センサの外側から到来する地合ノイズなどは、磁極1aから磁極1bへ直接通過するので、サーチコイル2への影響はなく、ノイズを低減できる。また、鋼帯の振動、センサの振動に起因する磁場変化も、磁極1aと磁極1cで構成される磁気回路と磁極1bと磁極1cで構成される磁気回路とで打ち消され、サーチコイル2の信号内にノイズとして混入することを防ぐことができる。
【0015】
よって、リフトオフをそれほど小さくしなくても、欠陥をS/Nよく検出することができ、浮遊磁束により磁気センサ出力が飽和することもない。
【0016】
E型磁気センサを使用した場合の、検出信号中における欠陥信号と地合ノイズの周波数成分の強度を図3に示す。地合ノイズの周波数は低周波成分が多く、欠陥信号の周波数成分はある周波数にピークを持っている。よって、ハイパスフィルタにより低周波成分を除去することにより、S/N比を改善することができる。
【0017】
ハイパスフィルタのカットオフ周波数を変化させた場合の、S/N比の変化の例を図4に示す。これによれば、S/N比を最大にするカットオフ周波数があり、カットオフ周波数がこの周波数から±20%離れるとS/N比が20%低下する。よって、最大S/Nの20%までのS/N比の低減を許容するとすれば、最適なカットオフ周波数の±20%までの範囲のカットオフ周波数が使用できる。
【0018】
E型磁気センサの磁極寸法を一定としリフトオフL(mm)を変化させたときの、S/Nを最大とするハイパスフィルタの最適なカットオフ周波数F(Hz)を図5に示す。
【0019】
鋼板速度V=5000(mm/s)、E型磁気センサの磁極中心間隔P=1(mm)のとき、F=3188−675 Lであった。
【0020】
リフトオフLを一定とし、E型センサの磁極中心の距離P(mm)を変化させたときの、S/Nを最大とするハイパスフィルタの最適なカットオフ周波数F(Hz)を図6に示す。
【0021】
リフトオフL=0.5 (mm)、鋼帯の走行速度V=5000(mm/s )のとき、
F=(850 +2000/P)であった。
【0022】
S/Nを最大とするハイパスフィルタの最適なカットオフ周波数F(Hz)は、鋼板の走行速度Vに対しては、比例すると考えられる。
【0023】
これらの結果から、最適なカットオフ周波数Fは
F=V×(3188 −675 L) ×(850+2000/P) /(1.4×107) …… (1)
となる。また、Fの最適値に対する許容値は、前述のように±20%と考えられる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を説明する。図7は、本発明の一実施形態の例の構成を示す図である。図7において、図1の同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。6は磁気シールド板、7は磁化器、8は非磁性ロール、9は増幅器、10はハイパスフィルタ、11は整流器、12は判定回路、13は自動カットオフ周波数設定器である。非磁性ロール8内に電磁石を有する磁化器7を配置し、非磁性ロール8を介して、その上を走行する被検査体(薄鋼帯)3を走行方向に磁化する。非磁性ロール8の上方に、前述のE型磁気センサ1を設置する。被検査体3が走行し、その内部に微小介在物が存在すると、そこから微小な漏洩磁束が局部的に発生する。この漏洩磁束が、E型磁気センサ1の直下を通過すると、これに対応した電気信号がE型磁気センサ1から出力される。E型磁気センサ1からの出力を、増幅器9により電気的に増幅し、フィルタ10を介してノイズを抑制してS/Nを改善し、これを整流器11により整流した後、判定回路12で欠陥を判定してその結果を出力する。自動カットオフ周波数設定器13は、E型磁気センサの磁極中心間の距離P、リフトオフL、被検査体の走行速度Vを読み込んで前記(1) 式の計算を行い、カットオフ周波数を計算してハイパスフィルタ10に設定する。式の計算は、自動カットオフ周波数設定器13にマイクロコンピュータを使用すれば容易に実現することができる。E型磁気センサの磁極中心間の距離P又はこれに加えてリフトオフLが固定値と見做される場合は、固定値を自動カットオフ周波数設定器13に組み込んでおき、外部からの入力としないこともできる。
【0025】
なお、浮遊磁場の影響を少なくするために、強磁性体からなる磁気シールド板6によりE型センサ1を囲って磁気シールドを行うことが好ましい。
【0026】
【実施例】
図7に示す構成の装置において、被検査体3とE型磁気センサ1との間のリフトオフL=0.5 mm、E型磁気センサ1の磁極間隔A=0.5 mm、磁極厚さB=0.4 mm、センサ幅W=3.5 mmとした。また、E型磁気センサ1の外側には、厚さS=2mmのパーマロイ製の磁気シールド板6をE型磁気センサ1との間隙Gs=0.5 mmで設けた。
【0027】
非磁性ロール8の材質はステンレス鋼とし、その中の磁化器7の磁化力は3000ATとした。薄鋼帯の走行速度V=5000(mm/s )である。
【0028】
また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、(1) 式に従って、F=3000(Hz)とした。
【0029】
さらに、操業条件が変化しても、ハイパスフィルタのカットオフ周波数が自動的に最適値となるように、L、V、Pを入力として、(1) 式に従った演算を実施し、ハイパスフィルタのカットオフ周波数Fを設定するための、自動カットオフ周波数設定器13を設けた。
【0030】
図8に、この実施例の装置により検出された自然欠陥の波形を示す。後で、この欠陥部を切り出し、これを研磨しながら顕微鏡で大きさを確認したところ、5*10−4(mm3) 程度の大きさの内部介在物であった。
【0031】
【発明の効果】
本発明はE型磁気センサを使用しているため、浮遊磁場、地合ノイズ、鋼板の振動の影響を低減でき、リフトオフを比較的大きく設定できるので、鋼帯の走行速度を落とさないで安定した操業で検査を行うことができる。
【0032】
また、検出信号の周波数成分が高くなるので、低周波成分の多い地合ノイズとの分離がハイパスフィルタで容易に行えるようになり、S/Nの向上が実現できる。
【0033】
更に、E型磁気センサの磁極中心間の距離、リフトオフ、鋼帯の走行速度から決定されるカットオフ周波数を持つハイパスフィルタにより地合ノイズ成分の低減を行っているので、最適なS/N比で欠陥を検出できる。
【0034】
加えて、磁極中心間の距離、リフトオフ、鋼帯の走行速度に応じて、自動的にカットオフ周波数を変更することにより、常に最適なS/N比で欠陥を検出できる。
【0035】
これらの結果、10−3(mm3) 以下の微小内部介在物の検出が可能な実用的な検出装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を示す図である。
【図2】欠陥がセンサの下を通過するときのサーチコイル通る磁束Φとサーチコイルに発生する電圧Eの変化を示す図である。
【図3】E型磁気センサを使用した場合の、検出信号中における欠陥信号と地合ノイズの周波数成分の強度を示す図である。
【図4】ハイパスフィルタのカットオフ周波数を変化させた場合の、S/N比の変化の例を示す図である。
【図5】リフトオフを変化させたときの、最適なカットオフ周波数の変化を示す図である。
【図6】E型センサの磁極中心の距離を変化させたときの、最適なカットオフ周波数の変化を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態の例の構成を示す図である。
【図8】本発明の実施例の装置により、検出された自然欠陥の波形を示す図である。
【図9】漏洩磁束法の原理を示す図である。
【符号の説明】
1 E型磁気センサ
1a、1b、1c 磁極
2 サーチコイル
3 被検出体
4 欠陥
5 磁束
6 磁気シールド板
7 磁化器
8 非磁性ロール
9 増幅器
10 フィルタ
11 整流器
12 判定回路
13 自動カットオフ周波数設定器
Claims (2)
- 被検査体を磁化するための磁化器と、被検査体の欠陥から発生する漏洩磁束を検出するための磁気センサとを有してなる欠陥検出装置であって、磁気センサは、強磁性体で作られたE型コアの中央磁極にサーチコイルが設けられたE型磁気センサであり、このE型コアの3個の磁極の列が被検査体の走行方向に沿うように配置されており、磁気センサからの出力信号がハイパスフィルタを通して処理され、当該ハイパスフィルタは、E型磁気センサの磁極中心間の距離をP( mm )、リフトオフをL( mm )、被検査体の走行速度をV( mm / s )とするとき、次の (1) 式を満たす周波数F( Hz )±20%の範囲のカットオフ周波数を持つものであることを特徴とする微小欠陥検出装置。
F =V×(3188 −675 L) ×(850+2000/P) /(1.4×107) …… (1) - 被検査体の走行速度V(mm/s )又はこれに加えてリフトオフL(mm)を入力とし、ハイパスフィルタの最適なカットオフ周波数Fを自動的に設定するための、最適カットオフ周波数設定器を有することを特徴とする請求項1に記載の微小欠陥検出装置。
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