CN106932472A - 一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器 - Google Patents

一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器 Download PDF

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Abstract

一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器，该涡流传感器包括第一圆环形激励线圈和第二圆环形激励线圈、圆环形接收线圈、圆柱形铁氧体导磁棒、罐型磁屏蔽外壳。该涡流传感器通过改变激励信号的频率，使两个激励线圈在被检材料中感生出方向相反的感应涡流，被检材料中的双向涡流场相互叠加，在距离材料表面一定深度h，涡流场出现近零效应，在越过深度h后，感应涡流密度先增大在逐渐衰减。通过对铁磁性材料被检区域沿某一方向的扫查时，圆环形接收线圈获取接收信号的阻抗和相角变化，反映出缺陷所在的深度和位置。该传感器具有结构简单、尺寸小、灵敏度高、空间分辨率高等优点，完全满足铁磁性材料较深亚表面缺陷的检测需要。

Description

一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器
技术领域
本发明涉及一种用于铁磁性材料亚表面涡流无损检测的磁罐型双向涡流传感器，属于涡流无损检测技术领域，尤其涉及一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器。
背景技术
涡流检测技术作为最常用的电磁无损检测技术，已被广泛应用于来检测和表征金属导电材料表面及近亚表面缺陷。涡流检测由于受肌肤效应的影响，感应涡流密度会沿着被检材料厚度方向呈现指数衰减，其在埋藏缺陷及较深亚表面缺陷检测中的灵敏度较低。目前，提高涡流传感器检测灵敏度的方法主要有降低激励频率、使用高灵敏度的磁阻或磁敏元件(如Hall、GMR及TMR等)作为接收元件，拾取弱磁场信号。降低激励频率，虽然会增大渗透深度，但是却减小了被检材料中的感应涡流密度，从而会影响接收线圈位置处的磁场信号强度，同时也会降低涡流传感器的检测灵敏度。使用高灵敏度的磁敏元件虽然能提高检测灵敏度，但是在辐射性环境中，霍尔元件、GMR等容易受到辐射的影响，所以不适合在辐射环境中使用。相反传统的线圈型涡流传感器由于其动态范围大、耐辐射性好、稳定性高及低成本等优点非常适合在极端环境中使用。
为了提高线圈型涡流传感器的检测灵敏度，设计了双线圈激励模式，两个圆环形线圈串接在一起，通入方向相反的正弦激励电流，在被测试件中产生方向相反的感应涡流场，即双向涡流场。双向涡流场在被测试件中相互叠加，在距离试件表面一定深度h处，涡流场会出现近零效应。通过改变激励信号的激励频率，可以调控涡流零点深度，实现缺陷的定量检测。同时，为了减小激励线圈中磁场的衰减和外界磁场及接收位置区域内的背景磁场对传感器检测灵敏度的影响，设计了专用的罐型磁屏蔽外壳，以提高接受位置处的磁场信号强度。
发明内容
本发明的目的是提出一种高灵敏度的铁磁性材料亚表面缺陷检测双向涡流传感器，两个激励线圈反向串接放置在罐型磁屏蔽外壳的空腔内，接收线圈放置在圆环形接收线圈的内部，在接收线圈的内径位置处放置一圆柱形镍锌铁氧体导磁棒，激励线圈和接收线圈的底部放置在同一平面上，实现铁磁性材料缺陷的涡流无损检测的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器，该涡流传感器包括第一圆环形激励线圈1和第二圆环形激励线圈2、圆环形接收线圈3、圆柱形铁氧体导磁棒4、罐型磁屏蔽外壳5。
传感器的整体装配如图1所示，激励线圈和接收线圈的放置方式及相对位置示意图如图2所示。
第一圆环形激励线圈1和第二圆环形激励线圈2串联连接在一起，同时还要保证第一圆环形激励线圈1和第二圆环形激励线圈2中的电流方向相反，即第一圆环形激励线圈1的内圈引线与第二圆环形激励线圈2的外圈引线相连接，第一圆环形激励线圈1和第二圆环形激励线圈2之间通过环氧树脂胶结在一起，防止检测过程中线圈位置的相对变化引起传感器灵敏度的变化。
圆环形接收线圈3放置在罐型磁屏蔽外壳5的内孔中，圆环形激励线圈和圆环形接收线圈的轴线重合，在圆环形接收线圈3的内孔中放置实心圆柱型磁棒4，起导磁作用，提高接收位置处的接收信号强度。圆环形接收线圈3和圆柱形导磁棒4属于过渡配合，为了保证圆环形接收线圈和圆柱型磁棒4的相对位置，在磁罐型屏蔽外壳的内孔中，即放置传感器激励线圈的位置处灌注环氧树脂胶体。
第一圆环形激励线圈1和第二圆环形激励线圈2的匝数和几何尺寸完全相同的圆环形线圈串联连接组成，圆环形激励线圈的几何结构是横截面为矩形的圆环，其横截面的宽w＝5mm～8mm，线圈的内半径Ri＝2～5mm，外半径Ro＝7～18mm，高度h＝2mm～5mm。
圆环形接收线圈3为圆环形线圈，其截面为矩形。接收线圈尺寸为的具体尺寸：宽w＝5mm～8mm，线圈的内径Ri1＝2～6mm，外径Ro1＝4～10mm，高度h＝2mm～5mm。
罐型磁屏蔽外壳5由镍锌铁氧体材料制成，以降低空气中磁屏蔽区域内的背景噪声，起导磁和屏蔽的作用。材料特性的参数为起始磁导率1300±20％，饱和磁通密度240mT，电阻率1e6。磁屏蔽外壳为罐状圆柱形外壳，截面为双倒U型，其具体尺寸为外半径Ro＝12.5mm，内半径Ri＝10.5mm，高h＝8mm，壁厚hb＝2mm。圆柱形磁棒(4)放置在接收线圈的内径位置处，其尺寸为直径D＝2～6mm，高度h＝5～10mm。
根据有限元优化仿真和实验检测结果，传感器各部件的最终尺寸确定为激励线圈的具体尺寸：外径20mm，内径10mm，高3mm，线径0.3mm；接收线圈的具体尺寸：外径6mm，内径4mm，高4mm，线径0.1mm；罐型磁屏蔽外壳的具体尺寸：外径25mm，内径21mm，高8mm，壁厚为2mm；圆柱形磁棒的直径为4mm，高8-12mm。
本发明以两个圆环形线圈作为激励线圈，反向串接在被检材料产生双向磁场，双向磁场相互叠加以克服集肤效应的影响，从而实现涡流的深渗透；以圆环形线圈作为接收元件，拾取弱磁信号；罐型磁屏蔽外壳和圆柱形磁棒主要起导磁和屏蔽外界磁场的作用，以增强被测试件中的感应涡流密度和二级磁场强度。该传感器具有尺寸小、灵敏度高、稳定性好、空间分辨率高、能适应极端环境等优点。
附图说明
图1传感器整体装配图；
图2罐型屏蔽外壳结构及尺寸示意图；
图3激励线圈和接收线圈放置方式及尺寸示意图；
图4导磁铁氧体结构示意图；
图5 1kHz～500kHz频率范围的阻抗曲线图；
图6罐型磁屏蔽双向涡流传感器激励信号和接收信号图；
图7四种不同尺寸槽型缺陷阻抗和相角实时检测曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图1-7对本发明实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，磁罐型双向涡流传感器激励线圈、接收线圈和罐型镍锌铁氧体磁屏蔽外壳、圆柱型镍锌铁氧体导磁棒组成。激励线圈选用圆环形，其内、外径、高度及线径对被测试件中的感应涡流密度和二级磁场强度起决定性作用，具体尺寸根据仿真结果和实验测试最终确定为外径20mm，内径10mm，高3mm，线径0.3mm。为了使接收线圈靠近被测试件表面，罐型磁屏蔽外壳设置了圆形空腔，接收线圈的具体尺寸为外径6mm，内径4mm，高4mm，线径0.1mm，接收线圈的匝数与激励线圈的匝数相等，这样能保证传感器接收线圈的接收信号较大，且具有较高的灵敏度，如图6所示，(a)图为激励信号，(b)和(c)分别是两种不同匝数的圆环形接收线圈的接收信号，其中(b)图接收线圈的匝数和激励线圈相同，(c)图中接收线圈的匝数要大于激励线圈，从图中可以看出(b)图中的接收信号的信噪比要高于(c)。罐型磁屏蔽外壳为镍锌铁氧体材料，以降低空气中磁屏蔽区域内的背景噪声，起始磁导率为1300±20％，饱和磁通密度为240mT，电阻率1e6。罐型磁屏蔽外壳的结构和尺寸如图3，具体尺寸为外半径Ro＝25mm，内半径Ri＝21mm，高h＝8mm，壁厚为hb2mm。磁屏蔽外壳能降低空气的磁场压缩效应，提高接收信号的强度。圆柱形导磁棒的材料是镍锌铁氧体，起导磁作用，其结构尺寸如图4所示。
使用涡流检测实验系统对传感器进行扫频测试，得到其1kHz-500kHz范围内的阻抗幅值与频率的曲线，结果如图5所示，阻抗的谐振频率为fp＝50kHz。
磁罐型双向涡流传感器进行亚表面缺陷检测时，需考虑集肤效应对传感器检测灵敏度的影响，应根据集肤深度和待检材料中缺陷的最大深度来确定激励信号的频率。在不知道被检材料中缺陷的最大深度时，可以根据扫频曲线，在谐振频率fp左侧的频率区间选择较低的频率进行实验。然后给激励线圈通入某频率下的正弦交流或方波脉冲信号，激励信号的电流值或电压值应综合考虑线圈工作时产生焦耳热的情况和传感器的检测灵敏度选择合适的值，防止线圈因电流或电压过大而损坏。本罐型磁屏蔽双向涡流传感器实验时选用激励频率为8KHz的正弦信号(该频率下的集肤深度)，激励电压幅值为8V(涡流检测系统最大激励电压的80％，防止输出信号产生失真现象)，涡流传感器的激励信号和接收信号如图6(b)所示，通过对接收信号进行傅里叶变换得出其阻抗和相角随检测位置的关系曲线，根据涡流检测原理可知，传感器的等效阻抗，N为线圈匝数，为被检材料厚度，为提离距离，为材料磁导率，为电导率，为激励频率，当传感器结构、被检材料、激励频率等一定时，被检材料磁导率的变化或提离距离的变化与传感器阻抗成单值函数关系，在缺陷位置处的，阻抗和相角发生突变，通过涡流检测系统的阻抗和相角实时检测曲线，就能判断出被检材料中是否存在缺陷以及缺陷所在的位置。通过实验检测，该种类型传感器能有效的检测出不锈钢板中距离表面1mm、3mm、5mm和7mm深，1mm宽的矩形槽缺陷，罐型磁屏蔽双向涡流传感器的阻抗和相角实时检测曲线如图7所示。

Claims (4)

1.一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器，其特征在于：该涡流传感器包括第一圆环形激励线圈(1)和第二圆环形激励线圈(2)、圆环形接收线圈(3)、圆柱形铁氧体导磁棒(4)、罐型磁屏蔽外壳(5)；
第一圆环形激励线圈(1)和第二圆环形激励线圈(2)串联连接在一起，同时还要保证第一圆环形激励线圈(1)和第二圆环形激励线圈(2)中的电流方向相反，即第一圆环形激励线圈(1)的内圈引线与第二圆环形激励线圈(2)的外圈引线相连接，第一圆环形激励线圈(1)和第二圆环形激励线圈(2)之间通过环氧树脂胶结在一起，防止检测过程中线圈位置的相对变化引起传感器灵敏度的变化；
圆环形接收线圈(3)放置在罐型磁屏蔽外壳(5)的内孔中，圆环形激励线圈和圆环形接收线圈的轴线重合，在圆环形接收线圈(3)的内孔中放置实心圆柱型磁棒(4)，起导磁作用，提高接收位置处的接收信号强度；圆环形接收线圈(3)和圆柱形导磁棒(4)属于过渡配合，为了保证圆环形接收线圈和圆柱型磁棒(4)的相对位置，在磁罐型屏蔽外壳(5)的内孔中，即放置传感器激励线圈的位置处灌注环氧树脂胶体。
2.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器，其特征在于：第一圆环形激励线圈(1)和第二圆环形激励线圈(2)的匝数和几何尺寸完全相同的圆环形线圈串联连接组成，圆环形激励线圈的几何结构是横截面为矩形的圆环，其横截面的宽w＝5mm～8mm，线圈的内半径Ri＝2～5mm，外半径Ro＝7～18mm，高度h＝2mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器，其特征在于：圆环形接收线圈(3)为圆环形线圈，其截面为矩形；接收线圈尺寸为的具体尺寸：宽w＝5mm～8mm，线圈的内径Ri1＝2～6mm，外径Ro1＝4～10mm，高度h＝2mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽型的双向激励涡流传感器，其特征在于：罐型磁屏蔽外壳(5)由镍锌铁氧体材料制成，以降低空气中磁屏蔽区域内的背景噪声，起导磁和屏蔽的作用；材料特性的参数为起始磁导率1300±20％，饱和磁通密度240mT，电阻率1e6；磁屏蔽外壳为罐状圆柱形外壳，截面为双倒U型，其具体尺寸为外半径Ro＝12.5mm，内半径Ri＝10.5mm，高h＝8mm，壁厚hb＝2mm；圆柱形磁棒(4)放置在接收线圈的内径位置处，其尺寸为直径D＝2～6mm，高度h＝5～10mm。
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