楊帆，帥立國，何軍

（泰州市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，泰州 225300）

金相條碼及檢測方法研究

楊帆，帥立國，何軍

（泰州市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，泰州 225300）

針對目前條碼技術(shù)在金屬關(guān)鍵零部件領(lǐng)域應(yīng)用中的不足，提出了金相條碼技術(shù)及其檢測方法。給出此條碼的編碼規(guī)則作為條碼制定依據(jù)，并通過表面熱處理的方式實現(xiàn)條碼繪制?；诔跏即艑?dǎo)率的原理，經(jīng)過磁路分析和有限元仿真，設(shè)計了一種檢測探頭，并搭建硬件檢測電路。為測試條碼的識讀效果，以45鋼作為載體，進(jìn)行了條碼的標(biāo)刻和譯碼實驗。實驗結(jié)果表明，金相條碼可以有效存儲工件信息，并實現(xiàn)快速識讀。

鐵磁性材料；條碼；金相組織；初始磁導(dǎo)率

0 引言

條碼是一種經(jīng)濟(jì)實用的身份認(rèn)證標(biāo)識，可用于物品的身份識別和數(shù)據(jù)的快速采集，在商業(yè)、物流及票證等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對生產(chǎn)流通領(lǐng)域物品的管理提出了更高的要求，近年來，條碼技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用也愈發(fā)地顯著。但是在惡劣的工作環(huán)境中，傳統(tǒng)條碼很容易發(fā)生脫落、污損，以致產(chǎn)品信息缺損，甚至丟失，因而在某些領(lǐng)域特別是金屬零部件管理方面無法有效發(fā)揮作用，此外在軍事物流運(yùn)輸管理中，氣候的多變、武器裝備上惡劣的安裝環(huán)境以及對安全保密性的要求都使得傳統(tǒng)條碼技術(shù)難以適應(yīng)自動化信息管理的需要[1]。

基于上述因素，本文提出一種基于初始磁導(dǎo)率的金相條碼技術(shù)，該技術(shù)是通過改變工件表面金相組織結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)條碼的制備，故稱金相條碼。與傳統(tǒng)條碼技術(shù)不同，金相條碼直接以工件作為條碼載體，通過表面熱處理工藝實現(xiàn)條碼的制備，所得到的條碼具有隱蔽性好、抗高溫、耐腐蝕，不易脫落，難以仿制的特點，適合在惡劣環(huán)境及嚴(yán)苛條件下長期使用。此外，本文還在傳統(tǒng)編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新型編碼技術(shù)——金相組配法，以用于實現(xiàn)產(chǎn)品的信息編碼，該方法具有更高的信息密度比。

1 條形碼形成方法

1.1 編碼規(guī)則

編碼規(guī)則是條形碼的核心部分，高效的編碼規(guī)則除了具有通俗易懂的編碼方式，還應(yīng)具有很大的信息容量。傳統(tǒng)條碼技術(shù)是利用“條”和“空”的反射率差異實現(xiàn)條碼的識讀。而金相條碼技術(shù)是通過改變金相組織的方式進(jìn)行條碼加工，得到的條碼隱蔽性較強(qiáng)。本文針對金相條碼的特點，基于模塊組配[2]的編碼方式，提出了一種新的編碼方法——金相組配法。

金相組配法規(guī)定：金相元是具有特定金相組織及固定形狀的組成條碼的最小單元，通過表面熱處理工藝，改變金相組織結(jié)構(gòu)，從而獲得特定的金相元。每一個條碼字符均由兩個金相元構(gòu)成，將金相元進(jìn)行組合，可以得到如圖1（a）所示的條碼圖案，圖中的白色模塊和黑色模塊分別表示不同類型的金相元，即不同的金相組織。傳統(tǒng)條碼技術(shù)在對“條”和“空”進(jìn)行掃描時，采集到的是高低電平[3]，經(jīng)過譯碼后對應(yīng)的便是邏輯值1和0。而金相條碼的檢測是基于電磁識讀技術(shù)，檢測時采用特制的電磁傳感器，經(jīng)譯碼轉(zhuǎn)換后能夠得到0、1、2三種不同的數(shù)字量。例如圖1（b）中所示的金相條碼，經(jīng)譯碼轉(zhuǎn)換后表示的是“0 1 1 2 2 0 2 1”。

相同條碼體積下，金相組配法比模塊組配法具有更高的條碼密度，因此可表示的字符數(shù)也就更多。以EAN-13碼為例，一個字符由7個模塊組成，采用模塊組配的編碼方法能夠得到37種組合，而采用金相組配法可以得到37種組合，后者的信息量是前者的17倍。

圖1 金相組配編碼法Fig.1 coding rule of metallographic barcode

通過上述方法，廠商在進(jìn)行生產(chǎn)操作前，便可為每一個產(chǎn)品分配一個特定的條碼號，然后在企業(yè)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中為該產(chǎn)品建立一個信息檔案。這樣，只要得到該產(chǎn)品的條碼號，便能獲得其信息，對產(chǎn)品進(jìn)行精確有效的追蹤。

1.2 條碼制備

在確定了條碼的編碼方式之后，便可以將條碼序列轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的條碼圖形。條碼制備工藝就是負(fù)責(zé)將該條碼圖形加載到產(chǎn)品之上。條碼制備工藝的選擇取決于條碼載體的特性以及產(chǎn)品所處的工作環(huán)境。金相條碼技術(shù)是針對工業(yè)現(xiàn)場以及嚴(yán)苛環(huán)境下的鐵磁性材料，因此金相條碼首先需要具備的便是能夠在惡劣環(huán)境下長期工作的能力。其次金相條碼服務(wù)的對象大多是具有特殊功能的金屬零部件，因此在條碼的制備過程中，不能對零件造成損傷，影響到零件的正常使用。最后金相條碼還應(yīng)具有較強(qiáng)的隱蔽性，避免受到人為地破壞。

本文采用激光表面熱處理技術(shù)來進(jìn)行條形碼的加工。激光熱處理技術(shù)具有變形小、速度快、精度高、無污染、與工件不接觸等優(yōu)點[4]。激光發(fā)射器、反光鏡及聚焦透鏡安裝于多軸機(jī)械臂上，因此通過數(shù)控編程可以控制機(jī)械臂的運(yùn)動，進(jìn)而實現(xiàn)對平面和三維曲面的激光加工[5]。條碼加工如圖2（b）所示。本文以退火態(tài)45鋼作為條碼載體，進(jìn)行條碼的加工。除了激光加熱法之外，電解液加熱法也可以用于進(jìn)行金相條碼的加工。

圖2 激光熱處理Fig.2 Laser heat treatment

2 條碼檢測

2.1 檢測原理

金相條碼檢測技術(shù)是基于初始磁導(dǎo)率[6]的檢測方法，通過磁敏傳感器將條碼內(nèi)部的初始磁導(dǎo)率信息提取出來，并將其以電壓信號的形式輸送至譯碼終端進(jìn)行譯碼工作。

初始磁導(dǎo)率μi是一種特殊的磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率μ是表征材料在外加磁場下磁化能力大小的物理量，它是磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H的比值。磁化曲線不是一條直線，磁導(dǎo)率會隨著外加磁場的改變而改變，因此磁導(dǎo)率并不是一個常數(shù)，如圖3所示。在曲線的oa段，當(dāng)外加磁場H趨近于0時，磁化曲線近似為一條直線，此時的磁導(dǎo)率是一個定值，稱為初始磁導(dǎo)率μi，oa稱為初始磁導(dǎo)率區(qū)間。研究顯示，鐵磁性材料在經(jīng)歷過熱處理之后，其初始磁導(dǎo)率將會發(fā)生改變。對于鋼材而言，退火后的工件比淬火后的工件具有更高的初始磁導(dǎo)率[7]，即導(dǎo)磁能力更強(qiáng)。

基于上述分析，本文設(shè)計了一種電磁檢測探頭，用于提取工件中的初始磁導(dǎo)率信息。

2.2 探頭設(shè)計

檢測探頭用于提取條碼的磁信息，探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。探頭骨架采用E型結(jié)構(gòu)，由多層硅鋼片[8]壓制而成。硅鋼片的中部繞制有一定匝數(shù)的線圈，通以大小恒定的直流電。左右兩個端腳各放置有霍爾元件，用以提取磁路中的磁信號。

圖3 磁化曲線Fig.3 B-H curve

圖4 探頭結(jié)構(gòu)Fig.4 structure of detector

檢測時，探頭置于鐵磁性基體的表面，與條形碼緊貼。設(shè)E型硅鋼片中部主磁路的磁通為Φ，兩側(cè)分支磁路的磁通分別為Φ1和Φ2，根據(jù)磁通量的連續(xù)性，有：

兩個分支磁路并聯(lián)，并與中部磁路串聯(lián)，故對每個分支磁路由安培環(huán)路定理可得

上式中N為勵磁線圈的匝數(shù)，I為電流大小，Rm1、Rm2和Rmφ是兩個分支磁路及主磁路的磁阻。

由式（2）和式（3）可得

鐵磁性基體和硅鋼片的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，因此不考慮漏磁通的影響，即分支磁路中，磁通處處相等。

進(jìn)一步，對霍爾元件處磁場分析，有：

B1、B2分別為兩個霍爾元件處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對于上圖所示的探頭結(jié)構(gòu)，有S1=S2，可得

由式（7）可以看出，B1與B2的比值與兩分支磁路的磁阻成反比。將探頭置于工件表面無條碼處時，表面金相組織相同且分布均勻，兩側(cè)磁阻相等，有B1=B2，K=1。當(dāng)探頭置于條碼上方時，由于金相組織的變化，磁路中的磁阻會發(fā)生改變，，此時Kgt;1或Klt;1。

B1、B2的數(shù)值通過線性霍爾元件進(jìn)行測量，霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)制作的一種磁電轉(zhuǎn)換元件，能夠?qū)⒋鸥袘?yīng)強(qiáng)度這一模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電壓信號，其輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正比。獲得的電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路輸送至譯碼終端，由終端程序?qū)陕沸盘栠M(jìn)行分析，完成信號的譯碼。

2.3 探頭仿真

（1）探頭建模

為了驗證檢測探頭中的磁路滿足上述理論分析，本文采用Infolytica公司的MagNet軟件對金相條碼檢測探頭及工件內(nèi)部磁場進(jìn)行有限元模擬仿真[9]。MagNet是一款低頻電磁場軟件，具有強(qiáng)大的2D和3D求解器，主要用于分析電機(jī)、變壓器等電器設(shè)備的電磁場。

圖5 仿真模型Fig.5 simulation modeling

首先，建立結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)檢測裝置的實際參數(shù)，采用MagNet自帶的建模工具進(jìn)行建模。結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。硅鋼片、空氣包以及線圈均能從MagNet中找到相對應(yīng)的材料。條形碼可以通過MagNet中的材料定義器，以優(yōu)質(zhì)碳素鋼為基體進(jìn)行設(shè)置。本文定義了45鋼的淬火態(tài)與退火態(tài)兩種組織。勵磁線圈類型為Stranded，材料為Copper:5.77e7 Siemens/meter，匝數(shù)為200，采用AC/DC恒流源進(jìn)行供電，大小為0.1A/Turn。

（2）仿真分析

金相檢測探頭采用的是直流勵磁信號，MagNet提供了專門用于求解直流電激勵下電磁場分布采的靜磁場模塊，本文采用該模塊對模型進(jìn)行求解，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，勵磁線圈產(chǎn)生的磁場在左右兩側(cè)各形成一閉合磁路。圖中右側(cè)磁路中的磁力線較左側(cè)更為密集，說明右側(cè)磁路中的磁通量大于左側(cè)的磁通量，這是因為左側(cè)的基體采用的是淬火態(tài)結(jié)構(gòu)，右側(cè)的是退火態(tài)結(jié)構(gòu)。左側(cè)磁路的磁阻大于右側(cè)磁路的磁阻。由上節(jié)的分析可知，右側(cè)磁路的磁通會高于左側(cè)。

圖6 磁場分布Fig.6 magnetic field distribution

使用MagNet里的磁場探針，可以得到E型探頭兩個端腳處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)繪制圖像，有：

圖7 傳感器內(nèi)部磁場分布曲線Fig 7 B curve of the detecting sensor

圖7（a）表示左右磁路中兩側(cè)條碼均為淬火態(tài)時的磁感應(yīng)強(qiáng)度。此時兩條曲線重合，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相同。

圖7（b）表示一側(cè)條碼為淬火態(tài)，一側(cè)為退火態(tài)時，左右磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。經(jīng)過淬火結(jié)構(gòu)的磁路，具有更高的磁阻，因此其磁感應(yīng)強(qiáng)度小，所得曲線位于退火結(jié)構(gòu)的下方。

基于以上仿真結(jié)果可知，本文所設(shè)計的檢測探頭能夠?qū)Υ艑?dǎo)率不同的組織進(jìn)行有效地區(qū)分，可以完成金相條碼的檢測。

3 條碼檢測平臺

上一節(jié)介紹了金相條碼的檢測原理及探頭設(shè)計，本節(jié)以該探頭為基礎(chǔ)，進(jìn)行了檢測系統(tǒng)的設(shè)計，圖8所示是金相條碼檢測系統(tǒng)的架構(gòu)圖，包括：掃碼器、譯碼終端和服務(wù)器。

掃碼器是用于提取金相條碼信息的設(shè)備，它由檢測探頭和檢測電路構(gòu)成。檢測探頭對金相條碼中的磁導(dǎo)率信息進(jìn)行提取，轉(zhuǎn)換成可被識別的電信號，經(jīng)過檢測電路的濾波放大，送至譯碼終端，進(jìn)行下一步的譯碼操作。檢測電路主要包括：電源模塊、勵磁電路和信號處理電路。譯碼終端是檢測系統(tǒng)的核心部分，一方面它需要對掃碼器端的信號進(jìn)行采集，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。另一方面對該數(shù)字信號進(jìn)行處理，生成條碼序列，通過網(wǎng)絡(luò)通信與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取該序列所對應(yīng)的產(chǎn)品信息，最后在本地進(jìn)行顯示。譯碼終端由嵌入式處理器、信號采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機(jī)交互模塊構(gòu)成。其上搭載了WinCE 6.0操作系統(tǒng)，在Visual Studio2008下進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)。服務(wù)器端存儲了金相條碼的產(chǎn)品信息，服務(wù)器的設(shè)計主要涉及的數(shù)據(jù)庫的搭建和數(shù)據(jù)庫程序的開發(fā)。本文的服務(wù)器搭建在個人電腦上，通過MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。譯碼終端和服務(wù)器之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 system structure diagram

圖9 條碼檢測實驗Fig.9 detecting experiment

4 實驗

以退火態(tài)45鋼為基體，參照圖1-1中的圖案進(jìn)行條碼圖形的繪制。然后采用圖9所示金相條碼檢測裝置進(jìn)行條碼檢測實驗。

（1）采集測試

金相條碼檢測系統(tǒng)采用的是基于初始磁導(dǎo)率的檢測方法，為了確保工件內(nèi)部磁場不會過大，產(chǎn)生剩磁，必須對檢測線圈的匝數(shù)以及勵磁電流大小進(jìn)行合理設(shè)置。本文設(shè)計的傳感器，其內(nèi)部勵磁線圈為200匝，勵磁電流的大小需根據(jù)材料的特性而調(diào)整。

利用傳感器對圖1-1（a）中的三種標(biāo)準(zhǔn)條碼模塊進(jìn)行檢測，令勵磁電流從20mA逐漸增大到100mA，增幅20mA，以勵磁電流為橫坐標(biāo)，采樣電壓為縱坐標(biāo)，得圖10所示檢測電壓曲線。

圖10 檢測電壓曲線Fig.10 voltage curve

從圖中可以看出，隨著勵磁電流的增大，采集電壓也逐漸增大，變化趨勢呈現(xiàn)略微上揚(yáng)，但總體上還是具有較好的線性度，說明此時的金相條碼仍處于初始磁導(dǎo)率區(qū)間，磁導(dǎo)率尚未發(fā)生明顯的改變，此時的磁導(dǎo)率即為工件的初始磁導(dǎo)率。

令△U1=UBar1－UBar0，△U2=UBar2－UBar1，得表1

Tab.1 voltage difference

由表中數(shù)據(jù)可知，勵磁電流越大，采樣電壓的差值越大，這也意味著條碼之間的對比度越明顯。綜上分析，為了令工件工作在初始磁導(dǎo)率區(qū)，同時在采集時能夠獲得較好的區(qū)分度，勵磁電流設(shè)置為100mA。

（2）譯碼測試

以圖1-1(b)作為檢測對象，對金相條碼檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試。根據(jù)上一節(jié)的實驗，設(shè)定勵磁電流為100mA。

先對標(biāo)準(zhǔn)金相模塊進(jìn)行檢測，得邊界電壓Q1=920mV，Q2=1109mV。然后對各個模塊進(jìn)行檢測，得到8組采樣電壓。譯碼程序?qū)⒃?組電壓與邊界電壓Q1，Q2進(jìn)行對比，進(jìn)而得到該組條碼的序列號：0 1 1 2 2 0 2 1，如圖11所示。

圖11 樣本二采集電壓Fig.11 sampling voltage

通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫，將上述條碼序列與數(shù)據(jù)庫中的預(yù)先存儲的條碼信息進(jìn)行比對，便可獲得該條碼所對應(yīng)的產(chǎn)品信息“2014年第三季度45號鋼退火”。譯碼終端的UI界面如圖12所示。至此，譯碼工作完成。

圖12 譯碼終端程序Fig.12 UI program

5 結(jié)論

本文提出的金相條碼技術(shù)可用于工業(yè)生產(chǎn)及物流輸運(yùn)過程中鐵磁性產(chǎn)品的信息溯源、追蹤管理以及關(guān)鍵零部件的防偽標(biāo)識?；诮鹣嘟M配編碼規(guī)則，采用表面熱處理工藝，在工件的非配合面進(jìn)行條碼的標(biāo)刻，此方法能夠提升條碼的隱蔽性，同時也不會對其正常的工作造成影響?；诔跏即艑?dǎo)率的原理，設(shè)計了檢測探頭以及檢測電路，實現(xiàn)了條碼信息的讀取。該技術(shù)具有一定的實際意義：一方面為機(jī)械制造行業(yè)的管理者提供了一種行之有效的技術(shù)方案方便其對自身的產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)管，另一方面作為條碼技術(shù)的一個分支，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的不足，提供了一種新的思路。但目前，該裝置仍處于設(shè)計樣機(jī)階段，條碼的數(shù)據(jù)庫信息也不夠完善，下一步需要針對檢測裝置的外觀進(jìn)行優(yōu)化，同時豐富條碼信息。

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Research on Metallographic Barcode and Its Detection Method for Ferromagnetic Material

YANG Fan
(Taizhou Administration of Work Safety, Taizhou 225300)

In order to solve the problem that the current barcode can not be efficiently applied in the fi eld of metal key parts, the metallographic barcode technology and its detection method is proposed.A new ecoding rule is introduced, and under the guidance of which, the message of the parts can be expressed in the form of bar codes through surface heat treatment.After theoretical derivation and Finite element simulation based on the principle of initial magnetic permeability, the detection sensor is established as well as its hardware circuit model.For further research, the barcode processing and decoding experiment is conducted, with 45# steel as the barcode carrier.The results demonstrates that the metallographic barcode can efficiently store the information of parts and can be interpreted rapidly and precisely.

Ferromagnetic materials; Barcode; Metallographic structure; Initial magnetic permeability

本文引用格式：楊帆,帥立國,何軍.金相條碼及檢測方法研究.電子元器件與信息技術(shù)[J]，2017，1（1）：30-37.

楊帆（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：無損檢測，嵌入式系統(tǒng)。

帥立國（1968-），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：測試計量儀器（無損檢測、裂紋預(yù)警、測控技術(shù)）。

:YANG Fan.Research on Metallographic Barcode and Its Detection Method for Ferromagnetic Material.Journal of electronic components and information technology[J]，2017，1（1）：30-37.