CN107064291B - 一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器，外壳；通过在激励线圈和检测线圈之间使用具有高磁导率的铁磁性材料作为隔离，在激励线圈外部使用具有高磁导率的铁磁性材料作为屏蔽罩，使激励线圈产生的磁场分布区域集中，具体讲，信号源发送方波信号至激励线圈，激励线圈在方波信号的驱动下产生磁场，当检测线圈检测到激励线圈产生的磁场后，通过与被测构件产生的磁场进行叠加，再将叠加后的磁场通过接线端输入至数据采集模块，最后通过上位机处理得到采集的检测信号。
Description
技术领域
本发明属于脉冲涡流无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器。
背景技术
无损检测技术是以不破坏被测物体内部结构为前提，使用物理的方法对物体内部可能存在的缺陷进行检测和评估。电涡流是众多无损检测方法类别中的一类重要方法，其原理是在激励线圈端施加交变的电流，从而产生交变的磁场，该磁场在被测试件中产生交变的涡流，试件中的涡流产生次生磁场，利用检测传感器对源磁场和次生磁场的叠加场检测，通过对检测信号的分析，实现对试件中缺陷的检测识别。
脉冲涡流检测方法是近年来快速发展的电涡流检测方法，与常规的涡流检测方法(单频涡流，多频涡流)不同之处是脉冲涡流检测方法使用脉宽可调的方波信号作为激励源。其优点是可以使用较大的瞬时功率作用于试件，这样能获得更大的次生磁场，而且脉冲信号含有丰富的频谱内容，可以同时在时域和频域下对检测信号进行分析，其检测灵敏度更大，另外，脉冲涡流检测的集肤深度更大，所以检测深度更深。
现有的脉冲涡流检测传感器，大多是采用空心或加装有磁芯的线圈作为激励线圈，使用空心线圈或磁传感器(霍尔传感器，巨磁阻传感器)作为检测传感器。现有线圈结构存在的问题是产生的磁场在空间中分布区域广，分散，检测传感器检测的信号微弱，噪声大。虽然脉冲涡流传感器对表面和亚表面缺陷具有较高的灵敏度，但在现有结构的基础上，还可以优化使之检测信号信噪比更高，检测深度更深。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器，能获得更大的磁场强度，从而达到改善线圈发热，减小功率损耗，提高了检测信号的信噪比和传感器的检测能力。
为实现上述发明目的，本发明一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器，其特征在于，包括：
一内铁芯，为实心圆柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其直径范围在d1mm～d2mm之间，高度不小于hmm；
一检测线圈，为环形柱体，由铜制漆包线绕制而成，且绕制在内铁芯上，其内外径差值为d3mm～d4mm,高度为h1mm～h2mm，线圈匝数在n1～n2匝之间；检测线圈的一端设置有输出信号至采集模块的接线端；
一内屏蔽罩，为环形柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其内外径差值不大于dmm，高度不小于hmm；用于隔离激励线圈产生的磁场和被测构件产生的磁场的耦合；
一激励线圈，为环形柱体，由铜制漆包线绕制而成，且绕制在内屏蔽罩上，其内外径差值为d4mm～d5mm，高度为h1mm～h3mm，线圈匝数为n1～n3匝；激励线圈的一端设置有接收信号源发送方波信号的接线端；
一外层屏蔽罩，为环形柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其内外径差值不小于dmm，高度不小于hmm，用于减小磁场的分布区域和外界磁场的干扰；
一外壳，为带有端盖的空心圆柱体，由导热材料制作而成，将整个传感器处于外壳中；外壳端盖处于关闭状态，在外壳顶端端盖中心处设置有线束孔，用于引出连接信号源与激励线圈，以及检测线圈与采集卡的接线；
将激励线圈的接线端与信号源连接，同时将检测线圈的接线端与采集模块连接，再将连接好的传感器置于被测构件上；
信号源发送方波信号至激励线圈，激励线圈在方波信号的驱动下产生磁场，标记为初级磁场，初级磁场作用在被测构件上，被测构件中产生感应涡流，感应涡流产生感应磁场，标记为次级磁场；检测线圈处于初级磁场和次级磁场的叠加磁场中，并将叠加磁场的信号通过接线端输入至数据采集模块，最后通过上位机处理得到采集的检测信号；其中，通过内铁芯增强初级磁场的大小，通过内屏蔽罩减小初级磁场和次级磁场的耦合，提高检测信号灵敏度，通过外屏蔽罩改变磁路，减小磁场的分布空间，实现聚集磁场，从而提高检测能力。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器，外壳；通过在激励线圈和检测线圈之间使用具有高磁导率的铁磁性材料作为隔离，在激励线圈外部使用具有高磁导率的铁磁性材料作为屏蔽罩，使激励线圈产生的磁场分布区域集中，具体讲，信号源发送方波信号至激励线圈，激励线圈在方波信号的驱动下产生磁场，当检测线圈检测到激励线圈产生的磁场后，通过与被测构件产生的磁场进行叠加，再将叠加后的磁场通过接线端输入至数据采集模块，最后通过上位机处理得到采集的检测信号。
同时，本发明一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器还具有以下有益效果：
(1)、使用具有高磁导率的外屏蔽罩，可以有效改变本传感器所产生磁场的磁路，达到聚集磁场，提高检测能力的目的；
(2)、使用具有高磁导率的内屏蔽罩，可以有效对激励线圈产生的初级磁场进行隔离，使检测线圈检测到的初级磁场分量减小，达到提高检测信号信噪比的目的；
(3)、使用具有高磁导率的内铁芯，可以有效增强初级磁场大小，达到提高检测能力的目的，这样可以减小对激励信号功率的要求，改善了激励线圈发热问题。
附图说明
图1是本发明脉冲涡流工作示意图；
图2是本发明所述传感器的主视图和俯视图；
图3是本发明所述传感器未带外壳的实物图；
图4是本发明所述传感器有外屏蔽罩和无外屏蔽罩时，在时间0.00054s时的磁感应线分布图；
图5是本发明所述传感器有外屏蔽罩和无外屏蔽罩时的检测信号图；
图6是本发明所述传感器有内屏蔽罩和无内屏蔽罩时的检测信号图和对应的差分信号图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器工作原理图。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器，包括：内铁芯1、检测线圈2、内屏蔽罩3、激励线圈4、外层屏蔽罩5和外壳6。
其中，图2(a)为主视图，图2(b)为俯视图，图3是传感器未带外壳时的实物俯视图。下面结合这两幅图对本发明描述的传感器进行具体说明。
内铁芯1为实心圆柱体，位于整个传感器中心位置处，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，本实施例中，采用铁氧体磁棒制作而成，用来增强磁场强度，提高检测深度和检测信号强度，直径范围在5mm～10mm之间，过大的直径会使整个探头过大，这样会降低检测灵敏度，内铁芯高度不小于30mm，可以根据具体情况改变内铁芯高度，但一定不小于内屏蔽罩和外屏蔽罩的高度。
检测线圈2为环形柱体，由铜制漆包线绕制而成，且绕制在内铁芯上，其内外径差值为2mm～4mm,高度为5mm～8mm，线圈匝数在400～600匝之间，过大的检测线圈会减小检测灵敏度，具体的检测线圈尺寸和线圈匝数选用合适线径的铜制漆包线来制作检测线圈；此外，检测线圈的一端设置有输出信号至采集模块的接线端，且拥有接线端的一端要位于外壳顶端端盖中心处拥有线束孔的一端。
内屏蔽罩3为环形柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，在本实施例中选用硅钢片，用于隔离激励线圈产生的磁场和被测构件产生的磁场的耦合，提高信噪比其内外径差值不大于1mm，过大会使检测信号强度减小，不利于缺陷检测，内屏蔽罩高度不小于30mm，高度越高，屏蔽效果越好，但屏蔽效果与其高度并非为线性关系，需要根据实际情况确定高度。
激励线圈4为环形柱体，由铜制漆包线绕制而成，且绕制在内屏蔽罩上，其内外径差值为4mm～5mm，高度为5mm～9mm，线圈匝数为400～800匝，根据具体的激励线圈尺寸和线圈匝数选择合适线径的铜制漆包线制作激励线圈；此外，激励线圈的一端设置有接收信号源发送方波信号的接线端，且拥有接线端的一端要位于外壳顶端端盖中心处拥有线束孔的一端。
外层屏蔽罩5为环形柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其内外径差值不小于1mm，高度不小于30mm，在本实施例中，内屏蔽罩和外屏蔽罩采用高度相同，且均选用硅钢片，其主要用于减小磁场的分布区域和外界磁场的干扰，提高了检测信号灵敏度。
外壳6为带有端盖的空心圆柱体，由导热材料制作而成，如陶瓷、PP材料，将整个传感器处于外壳中；外壳端盖处于关闭状态，在外壳顶端端盖中心处设置有线束孔，用于引出连接信号源与激励线圈，以及检测线圈与采集卡的接线，达到保护线圈传感器的目的；
将激励线圈4的接线端与信号源连接，同时将检测线圈2的接线端与采集模块连接，再将连接好的传感器置于被测构件上；信号源发送方波信号至激励线圈4，激励线圈4在方波信号的驱动下产生磁场，标记为初级磁场，初级磁场作用在被测构件上，被测构件中产生感应涡流，感应涡流产生感应磁场，标记为次级磁场；检测线圈2处于初级磁场和次级磁场的叠加磁场中，并将叠加磁场的信号通过接线端输入至数据采集模块，最后通过上位机处理得到采集的检测信号；其中，通过内铁芯1增强初级磁场的大小，通过内屏蔽罩3减小了初级磁场和次级磁场的耦合，提高检测信号灵敏度，通过外屏蔽罩5改变了磁路，减小磁场的分布空间，实现聚集磁场，从而提高检测能力。
通过在内铁芯1，内屏蔽罩3，外屏蔽罩5的共同作用下，达到了增强磁场，减小源磁场和次生磁场耦合，减小磁场空间分布区域，聚集磁场的目的，从而增强了检测线圈2检测信号强度，提高了检测信号信噪比。
此外，内铁芯1直径，高度，制作材料；检测线圈2、激励线圈4的线径大小，缠绕匝数，内外径，高度，线材材料；内屏蔽罩3、外屏蔽罩5的内外径差，高度，制作材料；外壳的具体形状，制作材料；均可以根据具体使用情况以及针对的被测试件进行优化改变。
图4是本发明所述传感器有外屏蔽罩和无外屏蔽罩时的磁感应线分布图；
在本实施例中，图4(a)是所述传感器未使用外屏蔽时的磁感应线分布图，图4(b)是所述传感器使用外屏蔽罩时的磁感应线分布图。在图中某区域的磁感应线分布疏密程度反映了该区域磁感应强度的大小，通过图4(a)、图4(b)的对比不难看出，当有外屏蔽罩的存在时，磁感应线大多分布在传感器及被测构件内，也就是说与未加外屏蔽罩时，磁场分布更加集中。
图5是本发明所述传感器有外屏蔽罩和无外屏蔽罩时的检测信号图；
在本实施例中，从图5中可以看出，当有外屏罩存在时，检测信号幅值较大，这样减小磁场的分布区域和外界磁场的干扰，提高了检测信号灵敏度，后续信号处理硬的设计减小了难度。
图6是本发明所述传感器有内屏蔽罩和无内屏蔽罩时的检测信号图和对应的差分信号图。
在本实施例中，图6(a)是所述传感器未加内屏蔽罩和添加内屏蔽罩存在时的检测信号瞬态图，图6(b)是所述传感器未加内屏蔽罩和添加内屏蔽3存在时的检测信号差分图。从图6(a)中可以看出，当内屏蔽罩存在时，检测信号幅值明显要比无内屏蔽时要小，这是由于内屏蔽罩的存在，减小了检测线圈空间中的磁场大小。通过图6(b)可以看出，当内屏蔽罩存在时，检测信号差分信号要比无内屏蔽罩时要大，所以内屏蔽罩的存在，可以减小源磁场和次生磁场的耦合，提高检测信号灵敏度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种磁聚集脉冲涡流线圈检测传感器，其特征在于，包括：
一内铁芯，为实心圆柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其直径范围在5mm～10mm之间，高度不小于30mm；
一检测线圈，为环形柱体，由铜制漆包线绕制而成，且绕制在内铁芯上，其内外径差值为2mm～4mm，高度为5mm～8mm，线圈匝数在400～600匝之间；检测线圈的一端设置有输出信号至采集模块的接线端；
一内屏蔽罩，为环形柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其内外径差值不大于1mm，高度不小于30mm；用于隔离激励线圈产生的磁场和被测构件产生的磁场的耦合；
一激励线圈，为环形柱体，由铜制漆包线绕制而成，且绕制在内屏蔽罩上，其内外径差值为4mm～5mm，高度为5mm～9mm，线圈匝数为400～800匝；激励线圈的一端设置有接收信号源发送方波信号的接线端；
一外层屏蔽罩，为环形柱体，由高磁导率的铁磁性材料制作而成，其内外径差值不小于1mm，高度不小于30mm，用于减小磁场的分布区域和外界磁场的干扰；
一外壳，为带有端盖的空心圆柱体，由导热材料制作而成，将整个传感器处于外壳中；外壳端盖处于关闭状态，在外壳顶端端盖中心处设置有线束孔，用于引出连接信号源与激励线圈，以及检测线圈与采集卡的接线；
将激励线圈的接线端与信号源连接，同时将检测线圈的接线端与采集模块连接，再将连接好的传感器置于被测构件上；
信号源发送方波信号至激励线圈，激励线圈在方波信号的驱动下产生磁场，标记为初级磁场，初级磁场作用在被测构件上，被测构件中产生感应涡流，感应涡流产生感应磁场，标记为次级磁场；检测线圈处于初级磁场和次级磁场的叠加磁场中，并将叠加磁场的信号通过接线端输入至数据采集模块，最后通过上位机处理得到采集的检测信号；其中，通过内铁芯增强初级磁场的大小，通过内屏蔽罩减小初级磁场和次级磁场的耦合，提高检测信号灵敏度，通过外屏蔽罩改变磁路，减小磁场的分布空间，实现聚集磁场，从而提高检测能力；
其中，所述内铁芯的高度高于检测线圈和激励线圈的高度；所述的内屏蔽罩和外屏蔽罩的高度相同，内铁芯的高度不小于内屏蔽罩、外屏蔽罩的高度，检测线圈和激励线圈的高度小于内屏蔽罩、外屏蔽罩的高度；
所述的内铁芯选用的铁磁性材料为铁氧体磁棒；所述的内屏蔽罩和外屏蔽罩选用的铁磁性材料为硅钢片；所述的外壳选用的导热材料为陶瓷。
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Inventor after: Gao Bin Inventor after: Deng Wei Inventor after: Tang Guangping Inventor after: Li Jianwen Inventor after: Sun Chaoming Inventor after: Tian Guiyun Inventor before: Gao Bin Inventor before: Deng Wei Inventor before: Tang Guangping Inventor before: Li Jianwen Inventor before: Sun Chaoming Inventor before: Tian Guiyun |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |