CN105223266B - 一种自感知工作点的电磁超声检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自感知工作点的电磁超声检测方法及装置，该方法包括步骤：S1、将线圈放于构件上方，将永久磁铁放置于线圈上方，在构件中激励超声导波信号；S2、调节永久磁铁与被检构件间的提离，在不同提离下采集超声导波信号并转换为检测信号，确定其首个非电磁脉冲信号峰峰值；同时采集不同提离下表征磁场强度的电压；S3、确定上述峰峰值的最大值，将其对应的提离作为基准工作提离，寻找邻近提离作为工作提离；S4、在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离对应的电压，生成最佳工作电压区间，根据该区间调节电磁超声检测工作点。本发明还提供了实现上述方法的装置。本发明可优化电磁超声传感器工作点，提高电磁超声检测灵敏度。

Description

一种自感知工作点的电磁超声检测方法及装置

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种自感知工作点的电磁超声检测方法及装置。

背景技术

电磁超声传感器能够实现电磁能与声能的非接触转换，在无损检测中有广阔的应用背景。由于被检构件也是电磁超声传感器的一部分，其电磁特性会影响到传感器的静态工作点，进而影响到电磁超声的换能效率，如何合理确定电磁超声传感器工作点对提高检测灵敏度有重要作用。电磁超声传感器的工作原理分为洛伦兹力和磁致伸缩效应，检测过程中都需要寻找最佳工作区域，确保换能效率以提高检测灵敏度。如申请号为200810196822.6的发明专利公开了一种确定磁致伸缩导波检测工作点的方法(公开日为2009年6月10日)，主要通过将检测信号的首个非电磁脉冲信号作为参考信号，分别改变激励单元和接收单元偏置磁场的磁化强度，进而求取信号峰峰值的最大值对应的偏置磁场的磁化强度，确定构件磁致伸缩导波检测的工作点。该专利通过理论计算，建立构件中磁化强度与磁铁磁化面积的关系，以此寻找磁致伸缩导波检测的工作点，且仅涉及到磁化器提供轴向偏置磁场的传感器结构。但在实际检测中，由于电磁超声传感器工作原理或结构不同，不同类型传感器的工作点并未可知，因此不能确定不同类型传感器的最佳工作区域。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种自感知工作点的电磁超声检测方法及装置，通过建立表征磁场强度的电压与提离的对应关系实现电磁超声传感器工作点的优化，提高电磁超声检测灵敏度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种自感知工作点的电磁超声检测方法，所述方法包括如下步骤：

S1、将线圈放置于被检构件上方，向线圈输入正弦脉冲电流产生交变磁场，将永久磁铁放置于线圈上方形成静态磁场，在静态磁场和交变磁场环境共同作用下，构件被激励超声导波信号；

S2、由小到大逐步调节永久磁铁与被检构件之间的提离，在不同提离下采集超声导波信号并转换为相应的检测信号，并确定所述检测信号的首个非电磁脉冲信号峰峰值；同时采集不同提离下表征磁场强度的电压；

S3、确定首个非电磁脉冲信号峰峰值的最大值，将该最大值对应的提离作为基准工作提离，寻找与该基准工作提离邻近的提离作为工作提离，工作提离对应的首个非电磁脉冲信号峰峰值与所述最大值在预定的差值范围内；

S4、在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离所对应的电压，并分别作为最佳工作电压区间的下限值和上限值，由此生成最佳工作电压区间，根据所述最佳工作电压区间调节电磁超声检测工作点。

作为进一步优选地，所述步骤S2中，在不同提离下通过霍尔元件采集表征磁场强度的电压，霍尔元件位于距永久磁铁表面距离为1mm-5mm处。

相应地，本发明还提供一种自感知工作点的电磁超声检测装置，所述装置包括自感知电磁超声传感器、电磁超声检测仪和磁场测量单元；

自感知电磁超声传感器包括激励线圈、永久磁铁、接收线圈、电压采集模块和提离调节机构；所述激励线圈，放置在被检构件上方，用于在输入的正弦脉冲电流作用下产生交变磁场；永久磁铁，沿极化方向放置于激励线圈上方，用于产生静态磁场，与所述交变磁场共同作用激励构件产生超声导波信号；接收线圈，放置在被检构件上方，用于在所述超声导波信号的作用下感应电压变化生成电信号；电压采集模块，用于在不同提离下采集表征磁场强度的电压；提离调节机构，用于调节永久磁铁与被检构件之间的提离；

电磁超声检测仪，用于向所述激励线圈输入正弦脉冲电流；同时对接收线圈生成的电信号滤波、放大，并进行A/D转换生成检测信号；

磁场测量单元，用于确定检测信号的首个非电磁脉冲信号峰峰值的最大值，将该最大值对应的提离作为基准工作提离，寻找与该基准工作提离邻近的提离作为工作提离，工作提离对应的首个非电磁脉冲信号峰峰值与所述最大值在预定的差值范围内；在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离所对应的电压，并分别作为最佳工作电压区间的下限值和上限值，由此生成最佳工作电压区间，根据所述最佳工作电压区间调节自感知电磁超声传感器检测工作点。

作为进一步优选地，所述电压采集模块为霍尔元件，霍尔元件位于距永久磁铁表面距离为1mm-5mm。

作为进一步优选地，所述提离调节机构包括：

中空外壳；

与所述中空外壳中心同轴安装的中空内壳，所述永久磁铁同轴布置在中空内壳中，通过固定在中空内壳上的磁铁定位板实现轴向固定；

布置在外壳与内壳之间的轴向滑槽，用于实现内壳的自由轴向滑动；

调节螺栓，其贯穿外壳的面板和端部盖板并连接外壳和内壳，其螺栓头嵌入螺栓固定板中，通过螺母调节外壳和内壳的相对位置，实现调节被检构件与永久磁铁之间的提离。

作为进一步优选地，电磁超声检测仪包括计算机、信号发生器、功率放大器、信号预处理器、A/D转换器；其中

计算机，用于控制信号发生器产生正弦脉冲电流信号；

信号发生器，用于产生正弦脉冲电流信号并发送至功率放大器；

功率放大器，用于将放大后的正弦脉冲电流信号输入激励线圈；

信号预处理器，用于对接收线圈产生的电信号进行滤波放大，并发送至A/D转换器；

A/D转换器，用于接收所述滤波放大后的电信号并转换为数字信号，发送至计算机获得最终的检测信号。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：本发明方法将检测线圈放置在被检构件上方，在永久磁铁附近布置霍尔元件，以检测信号中首个非电磁脉冲信号的峰峰值为特征量，通过调节永久磁铁与被检构件之间的提离，建立电磁超声工作点与霍尔元件电压的对应关系，进而实现由霍尔元件的电压表征电磁超声的理想工作点，可提高检测灵敏度。本发明还公开了一种实现方法的装置，装置根据表征磁场强度的电压的改变可以精确地反映出测量点的磁场变化情况。本发明通过霍尔元件测量传感器中永久磁铁的空间磁场分布情况以获知被检构件内部磁场强度，并由检测信号首个非电磁脉冲信号的峰峰值建立霍尔元件测量电压与提离的对应关系，进而由霍尔元件的电压实现电磁超声传感器工作点的优化，可提高电磁超声检测灵敏度。检测过程中，将霍尔元件电压调节至合适范围以实现电磁超声检测。

附图说明

图1为本发明自感知工作点的电磁超声检测方法流程示意图；

图2为具体实施例提供的自感知电磁超声传感器结构图；

图3为具体实施例提供的自感知工作点的电磁超声检测装置结构图；

图4为不同提离下电磁超声检测信号的首个非电磁脉冲信号波形图；

图5为具体实施例提供的自感知电磁超声传感器工作点示意图；

图6为具体实施例提供的自感知电磁超声传感器霍尔元件电压变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明自感知工作点的电磁超声检测方法流程示意图。如图1所示，本发明方法包括如下步骤：

S1、将线圈放置于被检构件上方，向线圈输入正弦脉冲电流产生交变磁场，将永久磁铁沿极化方向放置于线圈上方形成静态磁场，在静态磁场和交变磁场环境共同作用下，构件被激励产生超声导波信号；

S2、由小到大逐步调节永久磁铁与被检构件之间的提离，在不同提离下采集超声导波信号并转换为相应的检测信号，并确定所述检测信号的首个非电磁脉冲信号峰峰值；同时采集不同提离下表征磁场强度的电压；

S3、确定首个非电磁脉冲信号峰峰值的最大值，将该最大值对应的提离作为基准工作提离，寻找与该基准工作提离邻近的提离作为工作提离，工作提离对应的首个非电磁脉冲信号峰峰值与所述最大值在预定的差值范围内，通常在最大峰峰值的±10％范围内波动；

S4、在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离所对应的电压，并分别作为最佳工作电压区间的下限值和上限值，由此生成最佳工作电压区间，根据上述最佳工作电压区间调节电磁超声检测工作点。

其中，上述步骤S2中，在不同提离下通过霍尔元件采集表征磁场强度的电压，霍尔元件置于永久磁铁中部，根据检测需要，霍尔元件可沿被检构件法向移动距离为S，|S|≤L/2，L为永久磁铁沿构件法向的长度。通常情况下，霍尔元件位于距永久磁铁表面距离为1mm-5mm处，优选为3mm。

相应地，本发明还提供了用于实现上述检测方法的装置。装置包括：自感知电磁超声传感器、电磁超声检测仪和磁场测量单元；

自感知电磁超声传感器包括激励线圈、永久磁铁、接收线圈、电压采集模块和提离调节机构；所述激励线圈，放置在被检构件上方，用于在输入的正弦脉冲电流作用下产生交变磁场；永久磁铁，沿极化方向放置于激励线圈上方，用于产生静态磁场，与所述交变磁场共同作用激励构件产生超声导波信号；接收线圈，放置在被检构件上方，用于在所述超声导波的作用下感应电压变化生成电信号；电压采集模块，用于在不同提离下采集表征磁场强度的电压；提离调节机构，用于调节永久磁铁与被检构件之间的提离；

电磁超声检测仪，用于向所述激励线圈输入正弦脉冲电流；同时对接收线圈生成的电信号滤波、放大，并进行A/D转换生成检测信号；

磁场测量单元，用于确定检测信号的首个非电磁脉冲信号峰峰值的最大值，将该最大值对应的提离作为基准工作提离，寻找与该基准工作提离邻近的提离作为工作提离，工作提离对应的首个非电磁脉冲信号峰峰值与所述最大值在预定的差值范围内；在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离所对应的电压，并分别作为最佳工作电压区间的下限值和上限值，由此生成最佳工作电压区间，根据最佳工作电压区间调节自感知电磁超声传感器检测工作点。

其中，激励线圈、永久磁铁、接收线圈、电压采集模块和提离调节机构构成了本发明自感知电磁超声传感器。电压采集模块优选为霍尔元件。

图2为本发明一个优选实施例提供的自感知电磁超声传感器结构图。如图2所示，自感知电磁超声传感器包括：

中空外壳4，以及与所述中空外壳4中心同轴安装的中空内壳5；

永久磁铁9，其同轴布置在中空内壳5中，通过固定在内壳5上的磁铁定位板7实现轴向固定；

布置在外壳4与内壳5之间的轴向滑槽8，用于确保内壳5可自由轴向滑动；

调节螺栓15，其贯穿安装在外壳4的面板2和端部盖板3并连接外壳4和内壳5，其螺栓头嵌入螺栓固定板6中，通过螺母调节外壳4和内壳5的相对位置，进而实现调节被检构件与永久磁铁之间的提离。

其中，激励线圈10和接收线圈11，其依次绕制在线圈壳12上并分别与安装在面板2上的激励接头16和接收接头17连接；霍尔元件13嵌入放置在永久磁铁9外侧的调节杆14的卡槽中，同时与安装在面板2上的霍尔元件接头1连接。

所述传感器外壳4和内壳5均由不导磁材料制作。永久磁铁9极化方向沿传感器轴线方向。通过调节螺栓15的螺母调节外壳4和内壳5的相对位置，进而改变环形磁铁9与被检构件的提离。所述轴向滑槽8安装在外壳4与内壳5之间，确保内壳5可自由轴向滑动。激励线圈10靠近环形磁铁9绕制。霍尔元件13用于测量磁场轴向分量，并根据检测需要，可将其放置在调节杆14的不同卡槽中，所述磁铁提离引起霍尔元件13电压变化，进而实现电磁超声工作点的优化。

本发明一个优选实施例中，将上述自感知电磁超声传感器与电磁超声检测仪、磁场测量单元相连接，以实现自感知电磁超声检测过程。图3为该优选实施例提供的自感知电磁超声检测装置结构图。

其中电磁超声检测仪包括计算机18、信号发生器19、功率放大器20、信号预处理器21、A/D转换器22；其中

计算机18，一端连接霍尔元件13接口，另一端分别连接信号发生器19和A/D转换器22，用于控制信号发生器19产生正弦脉冲电流信号；

信号发生器19，用于产生正弦脉冲电流信号并发送至功率放大器20；

功率放大器20，通过激励接头16连接激励线圈10，用于将放大后的正弦脉冲电流信号输入激励线圈10；

信号预处理器21，通过接收接头17连接接收线圈11，用于接收接收线圈11产生的电信号进行滤波放大，并发送至A/D转换器22；

A/D转换器22，用于接收所述电信号并转换为数字信号，发送至计算机18获得最终的检测信号。

图3所示装置工作时，首先由计算机18控制信号发生器19产生正弦脉冲电流信号，该信号经过功率放大器20放大后，输入激励线圈10；传感器中环形磁铁9产生静态磁场，激励线圈10产生交变磁场。在静态磁场和交变磁场作用下，基于磁致伸缩效应，在被检构件中激励产生超声导波。超声导波经过接收线圈11时，基于磁致伸缩逆效应，引起接收线圈11感应电压变化，产生电信号；电信号由信号预处理器21滤波放大后，经过A/D转换器22输入计算机18，获取检测信号。同时，计算机18的USB接口通过霍尔元件接头1给霍尔元件13工作供电，放置在环形磁铁9外侧的霍尔元件13将测量点的静态磁场轴向分量转换为电压，在电压显示器23中显示测量点的电压，以表征被检构件内部的磁化状态。

在具体检测过程中，通过调节螺栓15改变环形磁铁9与被检构件的提离，测量点的静态磁场轴向分量发生变化，进而引起霍尔元件13电压的变化。其中，霍尔元件13测量的磁场分量与其放置角度有关。在不同提离条件下，根据检测信号中首个非电磁脉冲信号的峰峰值，建立传感器工作点与霍尔元件13电压的对应关系，实现传感器工作点的自感知功能。

图4为不同提离下电磁超声检测信号的首个非电磁脉冲信号波形图。提离分别为0、1.5mm、3mm，检测信号中首个非电磁脉冲信号的峰峰值先增大后减小。当提离为1.5mm，信号幅值大，检测灵敏度高，可视为该传感器理想的工作点。

图5为具体实施例提供的自感知电磁超声传感器工作点示意图。通过调节螺栓15将永久磁铁9与被检构件的提离由0增加至4.5mm，图中检测信号中首个非电磁脉冲信号的峰峰值先增大后减小，当提离在1mm-2mm之间时，传感器换能效率最大，提高检测灵敏度。因此，在该提离范围内传感器处于理想的工作点。

图6为具体实施例提供的自感知电磁超声传感器霍尔元件电压变化示意图。霍尔元件13布置在永久磁铁9中部，距其表面3mm。通过调节螺栓15改变环形磁铁9与被检构件的提离，根据自感知电磁超声传感器霍尔元件接头连接的磁场测量单元23显示的示数，记录与图5中10个提离对应的电压。由图6可知，提离引起测量点的静态磁场轴向分量改变，电压呈现递增的趋势。当提离在1mm-2mm之间时，霍尔元件的电压范围为3313mV-3360mV。换句话说，现场检测过程中，当霍尔元件电压处于上述范围时，传感器处于理想的工作点。

通过霍尔元件电压，不仅可以获知被检构件内部磁化状态，还可以方便寻找传感器理想的工作点，提高换能效率和检测灵敏度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自感知工作点的电磁超声检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、将线圈放置于被检构件上方，向线圈输入正弦脉冲电流产生交变磁场，将永久磁铁放置于线圈上方形成静态磁场，在静态磁场和交变磁场环境共同作用下，构件被激励超声导波信号；

S2、由小到大逐步调节永久磁铁与被检构件之间的提离，在不同提离下采集超声导波信号并转换为相应的检测信号，并确定所述检测信号的首个非电磁脉冲信号峰峰值；同时采集不同提离下表征磁场强度的电压；

S3、确定首个非电磁脉冲信号峰峰值的最大值，将该最大值对应的提离作为基准工作提离，寻找与该基准工作提离邻近的提离作为工作提离，工作提离对应的首个非电磁脉冲信号峰峰值与所述最大值在预定的差值范围内；

S4、在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离所对应的电压，并分别作为最佳工作电压区间的下限值和上限值，由此生成最佳工作电压区间，根据所述最佳工作电压区间调节电磁超声检测工作点。

2.如权利要求1所述的自感知工作点的电磁超声检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，在不同提离下通过霍尔元件采集表征磁场强度的电压，霍尔元件位于距永久磁铁表面距离为1mm-5mm处。

3.一种用于实现如权利要求1或2所述检测方法的自感知工作点的电磁超声检测装置，其特征在于，所述装置包括自感知电磁超声传感器、电磁超声检测仪和磁场测量单元；

自感知电磁超声传感器包括激励线圈、永久磁铁、接收线圈、电压采集模块和提离调节机构；所述激励线圈，放置在被检构件上方，用于在输入的正弦脉冲电流作用下产生交变磁场；永久磁铁，沿极化方向放置于激励线圈上方，用于产生静态磁场，与所述交变磁场共同作用激励构件产生超声导波信号；接收线圈，放置在被检构件上方，用于在所述超声导波信号的作用下感应电压变化生成电信号；电压采集模块，用于在不同提离下采集表征磁场强度的电压；提离调节机构，用于调节永久磁铁与被检构件之间的提离；

电磁超声检测仪，用于向所述激励线圈输入正弦脉冲电流；同时对接收线圈生成的电信号滤波、放大，并进行A/D转换生成检测信号；

磁场测量单元，用于确定检测信号的首个非电磁脉冲信号峰峰值的最大值，将该最大值对应的提离作为基准工作提离，寻找与该基准工作提离邻近的提离作为工作提离，工作提离对应的首个非电磁脉冲信号峰峰值与所述最大值在预定的差值范围内；还用于显示所述不同提离下表征磁场强度的电压，在基准工作提离与工作提离中确定最小提离和最大提离所对应的电压，并分别作为最佳工作电压区间的下限值和上限值，由此生成最佳工作电压区间，根据所述最佳工作电压区间调节自感知电磁超声传感器检测工作点。

4.如权利要求3所述的自感知工作点的电磁超声检测装置，其特征在于，所述电压采集模块为霍尔元件，霍尔元件位于距永久磁铁表面距离为1mm-5mm。

5.如权利要求3所述的自感知工作点的电磁超声检测装置，其特征在于，所述提离调节机构包括：

中空外壳；

与所述中空外壳中心同轴安装的中空内壳，所述永久磁铁同轴布置在中空内壳中，通过固定在中空内壳上的磁铁定位板实现轴向固定；

布置在外壳与内壳之间的轴向滑槽，用于实现内壳的自由轴向滑动；

调节螺栓，其贯穿外壳的面板和端部盖板并连接外壳和内壳，其螺栓头嵌入螺栓固定板中，通过螺母调节外壳和内壳的相对位置，实现调节被检构件与永久磁铁之间的提离。

6.如权利要求3所述的自感知工作点的电磁超声检测装置，其特征在于，电磁超声检测仪包括计算机、信号发生器、功率放大器、信号预处理器、A/D转换器；其中

计算机，用于控制信号发生器产生正弦脉冲电流信号；

信号发生器，用于产生正弦脉冲电流信号并发送至功率放大器；

功率放大器，用于将放大后的正弦脉冲电流信号输入激励线圈；

信号预处理器，用于对接收线圈产生的电信号进行滤波放大，并发送至A/D转换器；

A/D转换器，用于接收所述滤波放大后的电信号并转换为数字信号，发送至计算机获得最终的检测信号。