CN104458902A - 一种基于分形自相似结构的平面线圈电涡流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测金属构件微裂纹缺陷的新型涡流传感器结构装置。采用分形理论中科赫雪花图形方案，通过自相似结构的复制方法，设计出涡流传感器的激励线圈结构，改善了试件中涡流激励场中涡流密度分布，提高了试件中微小裂纹对涡流场的感应灵敏度，为应用涡流传感器进行微小裂纹的无损检测，提供了一种新型结构和方案。本发明提出了一种采用分形几何图形作为激励线圈涡流传感器的思想，该传感器根据分形理论中图形的自相似性，设计涡流传感器激励部分，与阿基米德螺线结构的接收线圈组成平面传感器。通入交变电流时，能在导体表面感应出具有一定强度的不同曲率的比较均匀的涡流，使得不同尺度的裂纹均能使涡流产生较强的扰动，从而在检测线圈或元件中感受到微小缺陷信息。
Description
技术领域
本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种为检测金属构件微小裂纹设计制作的新型涡流传感器结构。可用于导电材料的微小缺陷的电涡流检测技术中，为实际工程结构的缺陷检测，提供一种新型传感器方案。
背景技术
金属材料的疲劳裂纹等缺陷，是影响设备寿命和安全的重要因素，对承力构件的缺陷进行无损检测，是现代机械制造的一项重要内容。由于一些实际结构如飞机叶片等，对裂纹检测要求十分严格，即使微小裂纹也不允许出现，因此必须提高传感器检测微小裂纹的能力。
本发明提出了一种能够在导体表面感应出一定强度且具有多曲率特性涡流的新型涡流传感器结构，该类传感器利用分形几何理论的图形自相似复制原理，采用典型的科赫雪花几何图形设计涡流传感器激励线圈，通过在其上通以时谐电流，在导体表面感应出多曲率涡流。具体实现方式为平面线圈，从而保证检测时对不同尺度的缺陷都具有一定的灵敏度，使不同大小裂纹缺陷均能被检测出来，最大程度降低漏检率。
本发明的目的在于为检测金属材料裂纹状缺陷提供一种新型的涡流传感器原理性装置。
发明内容
本发明中传感器结构由四层PCB电路板制成，靠近试件的第一、三、四层为检测线圈，圈数各为10，检测线圈之间通过电路板设置的过孔串联，旨在不显著增大传感器体积的基础上，有效增加检测线圈圈数，提高检测灵敏度，第四层为科赫雪花激励线圈，旨在产生涡流强度均匀的激励电磁场。
传感器的信号处理电路由下列环节组成：首先由信号发生芯片产生一个频率为10Hz～10MHz的正弦交流信号，该信号正弦进入一个功率放大器，获得一定强度的电流，进一步驱动传感器上科赫分形激励线圈，从而在试件中感应出具有一定强度和不同曲率的涡流场。试件中含有缺陷信息的涡流信号被检测线圈接收，经过放大器和相敏检波器后，滤除干扰信号，则可以提取出微小裂纹状缺陷信息。
有益效果：
本发明设计了一种可产生具有增强密度涡流场的新型涡流传感器检测装置，用于检测试件中随机分布的微小裂纹缺陷。该传感器由多层PCB印刷电路板制成，制作方便，价格低廉。利用该发明，既可以制成实际检测装置，应用于实际工程检测中；也可以制成原理性装置，用于科研研究实验中。本专利为导体零件的裂纹扩展在位检测、为导体缺陷无损检测的实验研究提供了一种新型涡流传感器。
附图说明
图1：四层电路板结构，
图中：1、3、4－信号检测层，2－科赫分形几何图形激励层。
图2：传感器实物图，
图中：5－四层电路板，6—传感器壳体，7－接线插头。
图3：传感器信号调理电路实物图
图4：含缺陷试件图，图中从左至右2个缺陷尺寸均为(宽×长×深)0.1mm×10mm×3mm，0.1mm×5mm×3mm。
图5：无缺陷试件电磁激励仿真图，图中可清晰看出，在科赫分形几何传感器中通以正弦交流电，感应出了多曲率涡流。
图6：有缺陷试件电磁激励仿真图，图中可清晰看出，该激励在导体表面感应出的涡流均能被不同尺寸的裂纹产生较强的扰动。
图7：检测结果图，图中可以看出在裂纹缺陷位置处，信号幅值发生变化，当提取包络线并放大后，这种变化更加明显。
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。
实施例中选用铝基合金板，在上面用电火花蚀刻方式加工出尺寸为(宽×长×深)0.1mm×10mm×3mm和0.1mm×5mm×3mm的裂纹状缺陷，如图4，这样设置缺陷的目的是考查传感器对不同尺寸缺陷的检出能力。
将传感器沿试件长度方向移动，在缺陷位置可观测到信号幅值发生突变，如图6，将信号通过低通滤波器等进一步处理，即可清晰提取出缺陷信号。
本实施例仅为一种材料的试件进行了检测。本发明可以对多种导电材料进行检测，且传感器的线圈圈数、线径等可以调整。
Claims (4)
1.一种利用分形几何原理设计的激励线圈结构平面涡流传感器装置，其特征在于：采用分形几何原理中图形自相似复制原理，设计涡流传感器激励线圈，增加试件单位面积上涡流密度，从而提高传感器检测微小裂纹的灵敏度，该传感器实现方式为平面线圈，结构上分为激励和接收两部分，激励部分采用科赫雪花分形几何图形作为激励线圈，检测部分采用圆形平面阿基米德螺线线圈绕制，激励部分通以时谐激励电流，检测线圈感受裂纹涡流畸变信号，从而发现裂纹。
2.根据权利1要求的分形几何激励部分，以几何分形理论为基本设计方法，以平面电路为实现方式，采用科赫雪花图形作为激励结构，也可以采用其它几何图形作为激励结构。
3.根据权利1要求的分形几何激励电涡流传感器装置，其具体组成为四层电路板结构，靠近试件的第一、三、四层为检测线圈，圈数各为10，检测线圈之间通过电路板设置的过孔串联，旨在不显著增大传感器体积的基础上，有效增加检测线圈圈数，提高检测灵敏度，第二层为分形几何电磁激励层，旨在产生激励电磁场。
4.本专利中科赫雪花曲线采用的算法是在原来图形相邻的两点中插入第三个点，使这个点与另外两个点组成一个向外延伸的正三角形，最后将这些点顺次连接起来就组成了科赫雪花，其具体步骤如下：
(1)输入迭代次数和正三角形的顶点坐标，
(2)通过函数迭代计算系统产生中间点坐标，
(3)将输出点顺次连接起来得到科赫雪花曲线。
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