CN102927895B - 一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置，基于电磁感应原理，设计一种适用于任何金属或非金属材料的间隙电磁测量传感器装置及其测量方法，传感器装置由二个金属薄片、检测线圈薄板、手持杆、紧固件、导线组成，测量方法包括标定和实测二个过程，本传感器装置及其测量方法采用独特的铁磁性微弹片，即可适应任何材料间隙检测，且检测信号动态范围、线性度都获得良好的改善，具有测量速度快、精确定量、无漏检的重要特点，可有效替代常规间隙尺寸测量方法，快速、精确、全面测量工件间隙尺寸，适用于各种金属或非金属管材、板材、弯曲工件等的间隙测量工作。

Description

一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置

技术领域

本发明涉及一种无损检测方法及传感器装置，特别是涉及一种适用于任何金属或非金属材料的间隙快速电磁测量方法及传感器装置。

背景技术

工业生产中，某些特殊产品规格尺寸要求严格，需要经过精密测量，以确保其质量性能达到标准。例如某核燃料棒外围热传导器由多层金属套管组成，其数量较多，管间缝隙尺寸要求严格，变化范围大，需要进行精密测量，采用常规间隙尺寸测量方法，只能分段并更换探头规格进行抽检，方便性差，检测周期长，且容易出现漏检的情况。此外，各种常规间隙测量方法都有其局限性，大多只能测量特定的检测对象，适用面较窄，对某些不同材料构件，甚至无法实施检测。如电容间隙测量法，其检测对象必须是金属材料，间隙变化稍大些，灵敏度急速下降；常规电感或涡流间隙测量法，检测对象也必须是金属材料，由于提离效应，其动态范围小、线性度不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种适用于任何金属或非金属材料的间隙快速电磁测量方法及传感器装置，该设计基于电磁感应原理，适用于任何金属或非金属材料的间隙电磁测量传感器装置及其测量方法，采用独特的铁磁性微弹片，即可适应任何材料间隙检测，且检测信号动态范围、线性度都获得良好的改善，具有精确定量、测量速度快等重要特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置，传感器装置包括二个金属薄片、检测线圈薄板、手持杆、导线；所述金属薄片材料为弹簧钢，金属薄片的尺寸根据被检工件的尺寸及被检工件之间的间隙大小确定，二个金属薄片的单边或双边焊接或胶接固定，单边焊接或胶接固定时，二个金属薄片的另一边向外弯曲张开，二个金属薄片受到外部按压时间隙可变化，自然状态下张开的尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小，双边焊接或胶接固定时，二个金属薄片中间向外歪曲隆起，形成一定的间隙，二个金属薄片受到外部按压时间隙可变化，自然状态下二个金属薄片中间的间隙尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小，采用弹性金属薄片的作用主要有二点：一是使传感器装置具有“微动”空间，二是屏蔽施加在线圈中的涡流场，尽可能减少检测对象材料（特别是金属)的影响，传感器装置可以检测任何材料工件的间隙；所述检测线圈薄板单边胶接固定在二个金属薄片的胶接边，对于微小间隙检测，检测线圈薄板可由柔性印刷电路板式检测线圈制成，对于较大间隙检测，检测线圈薄板也可由常规检测线圈嵌入固定在非金属薄板中制成，柔性印刷电路板式检测线圈非常薄，并且可弯曲，所以可用于检测微小间隙及个别特殊弯曲工件（例如散热器U型弯管）之间的间隙；检测线圈板中可有一个或二个检测线圈，一个检测线圈时，检测线圈为自感线圈，既是产生激励磁场的线圈，又是拾取工件涡流信号的线圈，二个检测线圈时，采用互感方式，一个检测线圈是专用于产生交变磁场的激励线圈，另一个线圈是拾取工件涡流信号的接收线圈，对于间隙较小、较窄的工件可采用一个检测线圈，此外通常采用二个检测线圈，双线圈互感方式灵敏度与抗干扰能力高于单线圈自感方式；所述手持杆由二条窄钢板对焊胶接固定制成，二条窄钢板的对接面有纵向凹槽，手持杆与两个金属薄片粘接固定，窄钢板中间有纵向凹槽，这样既可增加强度，中空又可作为传感器导线槽，引出信号线；所述导线一端连接检测线圈薄板的输出端，另一端穿过手持杆，连接电磁涡流检测仪的输入端。

对于微小间隙检测，所述柔性印刷电路板式检测线圈，即柔性印刷电路板上有一个或二个相同规格的并排的印刷螺旋电路，以螺旋电路代替常规检测线圈激励产生电磁场。

对于较大间隙检测，所述常规检测线圈嵌入固定在非金属薄板中，是指一个或二个常规检测线圈先缠绕在非金属线圈缠绕骨架上，而后嵌入在非金属薄板中，采用二个常规检测线圈时，二个检测线圈缠绕半径不同，较大半径检测线圈套在较小半径检测线圈外，而后同心嵌入固定在检测线圈薄板中。进一步的，检测线圈中心处检测线圈薄板有通孔，二个金属薄片内侧焊接有圆柱形金属凸头，金属凸头的材质为铁氧体，金属凸头正对检测线圈薄板中的通孔，当二个金属薄片受到外部压力闭合时，金属凸头刚好能穿过检测线圈薄板中的通孔，金属凸头起到磁芯作用，可以扩大检测线圈电感量的变化范围，金属凸头越接近检测线圈，检测线圈的电感量越大，仪器接收到的检测信号变化越大，因此，金属薄片与检测线圈间距的细微变化，也可以在仪器中显示出来，有效提高检测灵敏度。

所述检测方法包括标定和实测二个过程。

所述检测方法中的标定过程为，

a. 制作标定样件，标定样件中至少含有精确测量设定的检测要求规定的最小允许标准间隙和最大允许标准间隙；

b. 将传感器装置的导线连接至电磁涡流检测仪的输入端，开启电磁涡流检测仪，根据检测要求设置相应的检测频率，进入检测状态，当传感器装置中的二个金属薄片处于自然状态，即不受到外部压力的状态下，按电磁涡流检测仪的平衡键，使得电磁检测仪屏幕中的检测信号回到平衡位置；

c. 传感器装置分别置于标定样件中的最小允许标准间隙和最大允许标准间隙中，传感器装置中的二个金属薄片弯曲紧贴标准样件中间隙的两边，由于受到外部压力，传感器装置中的二个金属薄片之间的间隙缩小，金属薄片与检测线圈薄板之间的距离也缩小，根据电磁感应原理，金属薄片与检测线圈的距离变化将导致检测线圈的自感或互感发生变化，在电磁检测仪中产生的检测信号将偏离平衡位置，金属薄片与检测线圈之间的间隙不同，产生的检测信号的强度也不同，分别记录传感器装置置于标定样件中的最小允许标准间隙和最大允许标准间隙时的检测信号幅值，据此设置电磁涡流检测仪的上限与下限报警阀值。

所述检测方法中的实测过程为，

d. 标定后，取下传感器装置，传感器装置中的二个金属薄片处于自然状态，按电磁涡流检测仪的平衡键，使得电磁检测仪屏幕中的检测信号回到平衡位置；

e. 将传感器装置置于被检工件的间隙中，传感器装置中的二个金属薄片弯曲紧贴被检工件的间隙两边，以恒定的速度扫差被检工件的间隙；当被检工件的间隙大小在最小允许标准间隙和最大允许标准间隙之间时，电磁涡流检测仪中产生的检测信号不会超出已标定的上限与下限报警阀值，电磁涡流检测仪不报警，判定这个被检工件的间隙大小符合要求；当被检工件的间隙大小超出最小允许标准间隙和最大允许标准间隙范围时，电磁涡流检测仪中产生的检测信号将超出已标定的上限与下限报警阀值范围，电磁涡流检测仪报警，判定这个被检工件的间隙大小不符合要求。

进一步的，在标定过程中，所述标准样件可以在最小允许标准间隙和最大允许标准间隙之间设置多个间隙值，用于制作间隙变化标定曲线，依次记录不同间隙值对应的检测信号幅值，而后输入电磁涡流检测仪中，得出间隙变化标定曲线；进一步的，在实测过程中，电磁涡流检测仪将检测信号幅值大小与标定曲线比较换算得出并显示被检工件中的间隙大小值。

以互感式双线圈为例，检测时，假设施加在激励线圈中的交变涡流场恒定，且与上下二金属片间隙固定，则接收线圈等效阻抗不变，接收线圈电压输出值亦不变；当二个金属薄片受压，间隙变化，导致与线圈距离变化，传感器装置的激励线圈等效阻抗随之变化，即耦合系数改变，导致接收线圈电压输出改变，电磁涡流检测仪记录该变化值，与不同时隙标定值对应换算，得出间隙变化标定曲线，达到检测之目的。对自感式单线圈而言，直接测量其自感变化，同样可以得出测量结果。

本发明的有益效果是，一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置，基于电磁感应原理，设计一种适用于任何金属或非金属材料的间隙电磁测量传感器装置及其测量方法，本传感器装置及其测量方法采用独特的铁磁性微弹片，即可适应任何材料间隙检测，且检测信号动态范围、线性度都获得良好的改善，具有精确定量、测量速度快、无漏检的重要特点，可有效替代常规间隙尺寸测量方法，快速、精确、全面测量工件间隙尺寸，适用于各种金属或非金属管材、板材、弯曲工件等的间隙测量工作。

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置不局限于实施例。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明第一实施例的传感器装置三维示意图。

图2是本发明第一实施例的传感器装置三维分解示意图。

图3是本发明第一实施例的标定过程示意图。

图4是本发明第一实施例的实测过程示意图。

图5是本发明第二实施例的传感器装置三维示意图。

图6是本发明第三实施例的传感器装置三维示意图。

图7是本发明第三实施例的传感器装置三维分解示意图。

图8是本发明第四实施例的传感器装置三维示意图。

图9是本发明第五实施例的传感器装置三维示意图。

图10是本发明第五实施例的传感器装置剖面图。

图11是本发明第六实施例的传感器装置三维示意图。

图12是本发明第六实施例的传感器装置剖面图。

图中，1.金属薄片，2.检测线圈薄板，3.手持杆，4.凹槽，5.导线，6.标定样件，7.被检工件，11.圆柱形金属凸头，20.激励线圈，21.接收线圈，22.自感线圈，23.通孔，24.非金属线圈缠绕骨架，L0.最小允许标准间隙，L1.最大允许标准间隙。

具体实施方式

图1、图2、图3、图4所示的第一实施例中，一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置，传感器装置包括二个金属薄片（1）、检测线圈薄板（2）、手持杆（3）、导线（5）；所述金属薄片（1）材料为弹簧钢，金属薄片（1）的尺寸根据被检工件的尺寸及被检工件之间的间隙大小确定，二个金属薄片（1）的单边焊接或胶接固定，二个金属薄片（1）的另一边向外弯曲张开，二个金属薄片（1）受到外部按压时间隙可变化，自然状态下张开的尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小；所述检测线圈薄板（2）单边胶接固定在二个金属薄片（1）的胶接边，检测线圈薄板（2）由柔性印刷电路板式检测线圈制成，柔性印刷电路板上有二个相同规格的并排的印刷螺旋电路，以螺旋电路代替常规检测线圈激励产生电磁场；检测线圈板（2）中有二个检测线圈，采用互感方式，一个检测线圈是专用于产生交变磁场的激励线圈（20），另一个线圈是拾取工件涡流信号的接收线圈（21）；所述手持杆（3）由二条窄钢板对焊胶接固定制成，二条窄钢板的对接面有纵向凹槽（4），手持杆（3）与两个金属薄片（1）粘接固定；所述导线（5）一端连接检测线圈薄板（2）的输出端，另一端穿过手持杆（3），连接电磁涡流检测仪的输入端。

所述检测方法包括标定和实测二个过程。

所述检测方法中的标定过程为，

a. 制作标定样件（6），标定样件（6）中至少含有精确测量设定的检测要求规定的最小允许标准间隙（L0）和最大允许标准间隙（L1）；

b. 将传感器装置的导线（5）连接至电磁涡流检测仪的输入端，开启电磁涡流检测仪，根据检测要求设置相应的检测频率，进入检测状态，当传感器装置中的二个金属薄片（1）处于自然状态，即不受到外部压力的状态下，按电磁涡流检测仪的平衡键，使得电磁检测仪屏幕中的检测信号回到平衡位置；

c. 传感器装置分别置于标定样件（6）中的最小允许标准间隙（L0）和最大允许标准间隙（L1）中，传感器装置中的二个金属薄片（1）弯曲紧贴标准样件（6）中间隙的两边，由于受到外部压力，传感器装置中的二个金属薄片（1）之间的间隙缩小，金属薄片（1）与检测线圈薄板（2）之间的距离也缩小，根据电磁感应原理，金属薄片（1）与检测线圈的距离变化将导致检测线圈的自感或互感发生变化，在电磁检测仪中产生的检测信号将偏离平衡位置，金属薄片（1）与检测线圈之间的间隙不同，产生的检测信号的强度也不同，分别记录传感器装置置于标定样件（6）中的最小允许标准间隙（L0）和最大允许标准间隙（L1）时的检测信号幅值，据此设置电磁涡流检测仪的上限与下限报警阀值。

所述检测方法中的实测过程为，

d. 标定后，取下传感器装置，传感器装置中的二个金属薄片（1）处于自然状态，按电磁涡流检测仪的平衡键，使得电磁检测仪屏幕中的检测信号回到平衡位置；

e. 将传感器装置置于被检工件（7）的间隙中，传感器装置中的二个金属薄片（1）弯曲紧贴被检工件（7）的间隙两边，以恒定的速度扫差被检工件（7）的间隙；当被检工件（7）的间隙大小在最小允许标准间隙（L0）和最大允许标准间隙（L1）之间时，电磁涡流检测仪中产生的检测信号不会超出已标定的上限与下限报警阀值，电磁涡流检测仪不报警，判定这个被检工件（7）的间隙大小符合要求；当被检工件（7）的间隙大小超出最小允许标准间隙（L0）和最大允许标准间隙（L1范围时，电磁涡流检测仪中产生的检测信号将超出已标定的上限与下限报警阀值范围，电磁涡流检测仪报警，判定这个被检工件（7）的间隙大小不符合要求。

进一步的，在标定过程中，所述标准样件（6）可以在最小允许标准间隙（L0）和最大允许标准间隙（L1）之间设置多个间隙值，用于制作间隙变化标定曲线，依次记录不同间隙值对应的检测信号幅值，而后输入电磁涡流检测仪中，得出间隙变化标定曲线；进一步的，在实测过程中，电磁涡流检测仪将检测信号幅值大小与标定曲线比较换算得出并显示被检工件（7）中的间隙大小值。

在图5所示的第二实施例中，本发明与第一实施例的不同之处在于：

检测线圈板中（2）有一个检测线圈，一个检测线圈时，检测线圈为自感线圈（22），既是产生激励磁场的线圈，又是拾取工件涡流信号的线圈。

在图6、图7所示的第三实施例中，本发明与第一实施例的不同之处在于：

二个金属薄片（1）双边焊接或胶接固定，此时，二个金属薄片（1）中间向外歪曲隆起，形成一定的间隙，二个金属薄片（1）受到外部按压时间隙可变化，自然状态下二个金属薄片（1）中间的间隙尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小。

在图8所示的第四实施例中，本发明与第一实施例的不同之处在于：

检测线圈板中（2）有一个检测线圈，一个检测线圈时，检测线圈为自感线圈（22），既是产生激励磁场的线圈，又是拾取工件涡流信号的线圈。同时，二个金属薄片（1）双边胶接固定，此时，二个金属薄片（1）中间向外歪曲隆起，形成一定的间隙，间隙可随着外部压力改变而变化，自然状态下二个金属薄片（1）中间的间隙尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小。

在图9、图10所示的第五实施例中，本发明与第一实施例的不同之处在于：

对于较大间隙检测，检测线圈薄板（2）由常规检测线圈嵌入固定在非金属薄板中制成，即一个或二个常规检测线圈先缠绕在非金属线圈缠绕骨架（24）上，而后嵌入在非金属薄板中，采用二个常规检测线圈时，二个检测线圈缠绕半径不同，较大半径检测线圈套在较小半径检测线圈外，而后同心嵌入固定在检测线圈薄板中。

在图11、图12所示的第六实施例中，本发明与第五实施例的不同之处在于：

进一步的，检测线圈中心处检测线圈薄板有通孔（23），二个金属薄片（1）内侧焊接有圆柱形金属凸头（11），金属凸头（11）的材质为铁氧体，金属凸头（11）正对检测线圈薄板（2）中的通孔（23），当二个金属薄片（1）受到外部压力闭合时，金属凸头（11）刚好能穿过检测线圈（2）薄板中的通孔（23）。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种间隙快速电磁测量方法及传感器装置，但发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种间隙快速电磁测量传感器装置，其特征在于：传感器装置包括二个金属薄片、检测线圈薄板、手持杆、导线；所述金属薄片材料为弹簧钢，金属薄片的尺寸根据被检工件的尺寸及被检工件之间的间隙大小确定，二个金属薄片的单边或双边焊接或胶接固定，单边焊接或胶接固定时，二个金属薄片的另一边向外弯曲张开，二个金属薄片受到外部按压时间隙可变化，自然状态下张开的尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小，双边焊接或胶接固定时，二个金属薄片中间向外歪曲隆起，形成一定的间隙，二个金属薄片受到外部按压时间隙可变化，自然状态下二个金属薄片中间的间隙尺寸大小略大于被检工件之间的间隙大小；所述检测线圈薄板单边胶接固定在二个金属薄片的胶接边，对于微小间隙检测，检测线圈薄板可由柔性印刷电路板式检测线圈制成，对于较大间隙检测，检测线圈薄板也可由常规检测线圈嵌入固定在非金属薄板中制成；检测线圈板中可有一个或二个检测线圈，一个检测线圈时，检测线圈为自感线圈，既是产生激励磁场的线圈，又是拾取工件涡流信号的线圈，二个检测线圈时，采用互感方式，一个检测线圈是专用于产生交变磁场的激励线圈，另一个线圈是拾取工件涡流信号的接收线圈；所述手持杆由二条窄钢板对焊胶接固定制成，二条窄钢板的对接面有纵向凹槽，手持杆与两个金属薄片粘接固定；所述导线一端连接检测线圈薄板的输出端，另一端穿过手持杆，连接电磁涡流检测仪的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种间隙快速电磁测量传感器装置，其特征在于：对于微小间隙检测，所述柔性印刷电路板式检测线圈，即柔性印刷电路板上有一个或二个相同规格的并排的印刷螺旋电路，以螺旋电路代替常规检测线圈激励产生电磁场。

3.根据权利要求1所述的一种间隙快速电磁测量传感器装置，其特征在于：对于较大间隙检测，所述常规检测线圈嵌入固定在非金属薄板中，是指一个或二个常规检测线圈先缠绕在非金属线圈缠绕骨架上，而后嵌入在非金属薄板中，采用二个常规检测线圈时，二个检测线圈缠绕半径不同，较大半径检测线圈套在较小半径检测线圈外，而后同心嵌入固定在检测线圈薄板中。

4.根据权利要求3所述的一种间隙快速电磁测量传感器装置，其特征在于：进一步的，检测线圈中心处检测线圈薄板有通孔，二个金属薄片内侧焊接有圆柱形金属凸头，金属凸头的材质为铁氧体，金属凸头正对检测线圈薄板中的通孔，当二个金属薄片受到外部压力闭合时，金属凸头刚好能穿过检测线圈薄板中的通孔。

5.根据权利要求4所述的一种间隙快速电磁测量传感器装置，其特征在于：进一步的，可在二个金属薄片内侧的圆柱形金属凸头之间，放置金属弹簧，金属弹簧穿过检测线圈薄板中的通孔。

6.一种利用权利要求1-5所述装置的间隙快速电磁测量方法，其特征在于：所述检测方法包括标定和实测二个过程，

所述检测方法中的标定过程为，

a. 制作标定样件，标定样件中至少含有精确测量设定的检测要求规定的最小允许标准间隙和最大允许标准间隙；

b. 将传感器装置的导线连接至电磁涡流检测仪的输入端，开启电磁涡流检测仪，根据检测要求设置相应的检测频率，进入检测状态，当传感器装置中的二个金属薄片处于自然状态，即不受到外部压力的状态下，按电磁涡流检测仪的平衡键，使得电磁检测仪屏幕中的检测信号回到平衡位置；

c. 传感器装置分别置于标定样件中的最小允许标准间隙和最大允许标准间隙中，传感器装置中的二个金属薄片弯曲紧贴标准样件中间隙的两边，由于受到外部压力，传感器装置中的二个金属薄片之间的间隙缩小，金属薄片与检测线圈薄板之间的距离也缩小，根据电磁感应原理，金属薄片与检测线圈的距离变化将导致检测线圈的自感或互感发生变化，在电磁检测仪中产生的检测信号将偏离平衡位置，金属薄片与检测线圈之间的间隙不同，产生的检测信号的强度也不同，分别记录传感器装置置于标定样件中的最小允许标准间隙和最大允许标准间隙时的检测信号幅值，据此设置电磁涡流检测仪的上限与下限报警阀值；

所述检测方法中的实测过程为，

d. 标定后，取下传感器装置，传感器装置中的二个金属薄片处于自然状态，按电磁涡流检测仪的平衡键，使得电磁检测仪屏幕中的检测信号回到平衡位置；

e. 将传感器装置置于被检工件的间隙中，传感器装置中的二个金属薄片弯曲紧贴被检工件的间隙两边，以恒定的速度扫差被检工件的间隙；当被检工件的间隙大小在最小允许标准间隙和最大允许标准间隙之间时，电磁涡流检测仪中产生的检测信号不会超出已标定的上限与下限报警阀值，电磁涡流检测仪不报警，判定这个被检工件的间隙大小符合要求；当被检工件的间隙大小超出最小允许标准间隙和最大允许标准间隙范围时，电磁涡流检测仪中产生的检测信号将超出已标定的上限与下限报警阀值范围，电磁涡流检测仪报警，判定这个被检工件的间隙大小不符合要求。

7.根据权利要求6所述的一种间隙快速电磁测量方法，其特征在于：进一步的，在标定过程中，所述标准样件可以在最小允许标准间隙和最大允许标准间隙之间设置多个间隙值，用于制作间隙变化标定曲线，依次记录不同间隙值对应的检测信号幅值，而后输入电磁涡流检测仪中，得出间隙变化标定曲线；进一步的，在实测过程中，电磁涡流检测仪将检测信号幅值大小与标定曲线比较换算得出并显示被检工件中的间隙大小值。