CN103954683A - 一种可重配置模块式电磁阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重配置模块式电磁阵列传感器的设计，旨在为铁磁性材料试件的缺陷检测提供一种高效的、可以重新配置的、模块化结构电磁阵列传感器，以便为实验室研究和现场检测工作，提供一种高效便捷的阵列式电磁检测硬件方案。该方案由安装有AMR磁敏电阻HMC1022和HMC1021的标准单元模块构建成最大数目为4×4的阵列式传感器，每个单元模块可以同时检测X、Y、Z三维磁信号；由于阵列传感器由结构相同的标准模块组成，可以实现快速更换和维修，也可以根据检测需要，进行探头数量和位置的重新调整和重新配置。该阵列传感器集中使用一种置位脉冲信号，以确保各个磁敏电阻的灵敏度调节时间点的一致性。该阵列传感器采用了AMR磁敏电阻，同时拾取三维磁信号，可测频率范围较宽，灵敏度高，采集信息丰富；既可以用于铁磁材料缺陷的磁记忆和漏磁方法检测，也可以在施加高频激励情况下，对非铁磁性金属试件进行涡流检测；三维信号的测量可以实现缺陷的图形化显示，便于对缺陷定位，具有较强的人机友好性。

Description

一种可重配置模块式电磁阵列传感器

技术领域

本发明技术领域属于电磁无损检测技术，涉及一种可重配置模块式电磁阵列传感器的设计。设计目的在于为铁磁性材料试件的缺陷检测提供一种高效的、便于检查和更换的、可以重新配置的、模块化结构电磁阵列传感器，希望为实验室研究和现场检测工作，提供一种高效便捷的阵列式电磁检测硬件方案。

背景技术

金属构件，由于长期在动载荷下使用，往往因疲劳导致失效和破坏，产生安全事故。因此开展对金属构件损伤的检测评估，一直是十分重要的课题。在众多无损检测技术中，基于电磁感应原理的电磁无损检测技术，属于十分重要的分支，在实际工程领域发挥着极为重要的作用。

现有的电磁无损检测方法，多采用单传感器检测，一般用在受检面较小或效率要求不高的场合，难以满足大面积试件快速扫查的检测任务，且较易漏检。近年来，随着电子技术的发展，电磁阵列式传感器因其检测效率高，信号丰富，便于成像显示，受到广泛重视。而采用AMR磁敏元件的阵列式检测技术，由于性能稳定、制作容易，而被广泛采用。

本发明提出了一种可重配置模块式电磁阵列传感器，该阵列传感器由4×4组结构相同的检测单元模块组成，每个单元模块上安装一片单轴磁敏传感器HMC1021，和一片双轴磁敏传感器HMC1022，可同时拾取X、Y、Z三个方向的磁场强度分量。检测单元模块通过安装槽固定在匣体上，组成传感器阵列。由于传感器阵列以标准模块方式构成，因此传感器出现故障时，可方便快速地进行更换；也可根据检测需求，组成不同数目的检测阵列，进行工作。

本发明的目的在于为电磁阵列传感器研究，提供一种模块式的、可以根据需要快速更换和重新组合的阵列传感器结构方式，可以为金属材料缺陷多维磁信号检测，提供一种新型的便捷实用的检测装置。

发明内容

本方法的实施由下列装置完成：各向异性磁阻(AMR)传感器HMC1021和HMC1022，传感器单元模块，单元模块安装匣体，信号输入输出端口，阵列信号采集与处理系统等组成。

传感器单元模块设计成方柱形结构，用有机玻璃或尼龙等非磁性材料制成，以避免杂散磁场对磁敏元件的干扰。如图1所示，模块底部安装两片磁敏电阻HMC1021和HMC1022芯片1和2，可同时拾取X、Y、Z三个方向的磁场强度分量；3为传感器单元方形柱结构基体，模块侧面开有环状定位槽4，在匣体上安装简便；信号线从单元上端芯部圆形孔5引出，以节省空间，实现有序引线。安装匣体由厚度为5mm的金属板6、7、8组合而成，其中6为匣体底板，开有固定槽以安装阵列传感器单元模块，7、8为两个侧面板，开有安装孔以固定阵列传感器输入输出端口。总共可以安装4×4组检测单元阵列，也可根据检测需要调整检测单元数目，实现检测硬件的重新配置。工作时两片磁敏电阻通过一个脉冲消磁电路激发初始工作状态，48路输出信号由多路信号采集卡完成采样，后续信号采样和处理由标准硬件配置完成，此处不赘述。

工作时将阵列传感器匣体安装在数控扫查架上，实现试件二维平面扫查工作。

有益效果：

本发明提出了一种模块式电磁阵列传感器结构方案，阵列传感器由结构相同的标准模块组成，可以实现快速更换和维修，也可以根据检测需要，进行探头数量和位置的重新调整和重新配置。阵列传感器配置有单轴和两轴AMR磁敏芯片，可实现X、Y、Z三维磁信号采集，采集信号数量较多，信息丰富。

本专利为电磁阵列传感器研究，提供了一种新型结构方案。

附图说明

图1为阵列传感器单元模块结构图。

图中：1-单轴AMR磁敏电阻元件HMC1021，2-双轴AMR磁敏电阻元件HMC1021，3-检测单元模块基体；4-模块基体安装槽；5-信号线引出孔。

图2为阵列传感器安装匣体：

图中，1-匣体基板；2-匣体安装板；3-阵列传感器检测元件；4-信号输入输出安装孔。

图3为阵列传感器系统实物图。

图4为阵列传感器在扫查架上的安装实物图。

图5为AMR磁敏芯片脉冲消磁电路。

图6为预制微裂纹的16Mn平板试件。

图7为宽度0.1mm裂纹的阵列传感器Y分量成像图。

图8为宽度0.1mm裂纹的阵列传感器Z分量成像图。

图9为宽度0.1mm裂纹的阵列传感器Y分量亚表面成像图。

图10为宽度0.1mm裂纹的阵列传感器Z分量亚表面成像图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

采用16Mn平板试件，其上采用微细电火花蚀刻方式，预制槽形伤，其尺寸分别为(长×深×宽)：10mm×1mm×0.1mm，试件实物如图6所示。

将试件放置于工作台上，适当增加直流磁场激励，由于Y方向是裂纹磁化敏感方向，此时X方向非裂纹磁化敏感方向，输出信号很小，故主要分析Z方向与Y方向成像效果。

经滤波得到的Y方向初始信号如图7中的线1。为了滤除杂散磁场的干扰，保证更好的成像效果，对信号做如下处理：(1)寻找信号最大幅值H_ymax；(2)取作为阈值，如图7中的线2；(3)对于H_Y>＝M的值予以保留，对于H_Y<M的值予以滤除，并对保留的值乘以一定倍数进行放大；经过上述步骤后，由于缺陷引起的磁信号变化一般高于干扰磁场信号变化而得以保留，干扰磁场信号则被滤除，得到了没有背景噪声的磁信号。

将位于裂纹附近4个传感器的检测信号进行拟合，并利用MATLAB程序进行插值处理，得到基于Y方向传感器分量的裂纹成像图，如图7所示。

对传感器Z方向信号按照上述同样方式进行处理，得到基于Z方向传感器分量的裂纹成像图，如图8所示。

由于AMR传感器灵敏度很高，从试件反面也可以检测到裂纹。裂纹深为1mm，试件厚度5mm，相当于检测4mm深度以下亚表面裂纹。基于Y方向、Z方向的亚表面裂纹成像如图9、图10所示。

上述列举仅为一个具体检测例，还可以改变磁化方向或根据裂纹走向实现X方向成像，或者根据试件形状重新布置阵列探头，进行检测。在此不一一列举。

Claims (4)

1.一种可重配置模块式电磁阵列传感器，其特征是组成电磁传感器阵列的为结构相同的检测单元模块，每个检测单元上固定安装两片AMR磁敏传感器，可同时拾取X、Y、Z三个方向的磁场强度分量。其中单轴磁敏传感器HMC1021测量Z方向的磁场强度分量，双轴磁敏传感器HMC1022测量X、Y方向的磁场强度分量。

每个检测单元通过定位槽固定在匣体上，最多可组成4×4检测矩阵，由于该电磁检测阵列由设计成标准模块的检测单元组成，因此传感器出现故障时，可方便快速地进行更换；也可根据检测需求，组成不同数目的检测阵列，进行工作。

2.根据权力1要求的检测单元模块，其基本特征在于：采用有机玻璃材料制成方柱形结构，有效避免了杂散磁场的干扰；采用侧面上方形槽定位，在匣体上安装迅速、简便；信号线从单元芯部圆形孔引出，有效节省探头空间；将单轴、双轴磁敏传感器安装于检测单元底部，可同时检出三维磁场信号。

3.根据权力1要求的模块式电磁阵列传感器，其基本特征在于：设计了一个专用匣体固定检测单元模块，该匣体由厚度为5mm的金属板制成，匣体底部可安装4×4个检测单元方阵，也可根据检测需要，减少电磁阵列传感器检测单元数量，或者对检测单元在阵列中的位置，进行重新配置。

4.根据权力1要求的电磁阵列传感器，其后续电路特征在于：使用一个脉冲消磁电路同时对所有检测电路进行处理，有效简化了信号处理电路。该电路基本结构为：使用NE555芯片产生一定占空比的方波，利用三极管功率放大电路增强电流，最后经过场效应管IRF7106得到脉冲消磁电路。该电路通过反复设计实验，取消了隔直流的电容，增加了电路的带负载能力。