CN109282879A - 一种微质量传感器的非接触式emat检测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法及其系统，通过磁铁产生静电磁场，在激励线圈中通入正弦交变电流，谐振片置于激励线圈上方，当激励线圈的频率与谐振片的固有频率相同时产生谐振，从而感应出二次交变磁场，在差分检测线圈中产生感应电流；当微量待测物质吸附在谐振片上表面覆盖的敏感薄层上时，谐振片的谐振频率漂移，通过计算谐振频率的漂移量来对待测物质进行定量测量。本发明通过引入EMAT，利用电磁感应来激励和检测声波振动，实现非接触式方案，用简单结构来替代微悬臂梁等复杂结构，通过不同模式之间相对频率差来取代绝对频移，减小外界环境引起的扰动，实现了微质量物质的高精度测量。

Description

一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法及其系统

技术领域

本发明涉及微质量传感器领域，尤其涉及一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法及其系统。

背景技术

目前，微质量传感器是利用压电晶体的压电效应激励声波或者振动的一类质量-频率传感器，应用比较广泛的三类高精度的微质量传感器结构是石英微天平，微悬臂梁和声表面波。石英微天平和声表面波需要压电晶体，使得大批量使用芯片成本较高，微悬臂梁的机构复杂，制作工艺难度高，另一方面，由于现有技术需要利用逆压电效应将电信号转变成声学振动，因为激励与检测系统不可避免地需要与传感芯片接触，难以实现非接触式测量。

电磁超声换能器（EMAT）基于电磁感应原理，通过激励和检测超声波在工件内部近表面的传播，高效快速地对待测工件进行各种非接触式无损检测的方法。

电磁超声换能器的激发原理：EMAT线圈中通过高频的电流，会在被测物体内部产生与之流向相反的感应电流，即涡流。同时施加一由磁体产生的稳定磁场，由安培定律可知，静态磁场与感生涡流相互作用产生洛伦兹力，被测物体的质点在此力的作用下产生高频的声学机械振动。

电磁超声换能器的检测原理：当被测物体表面有机械振动时，物理内部质点发生位移，其电荷粒子在偏置磁场的作用下受力运动，产生交变电流。这个交变电流将导致被测导体的表层出现交变的磁场，在被测导体上方的线圈中感生出电动势，通过检测该电动势引起检测线圈中的电流来进行检测。

目前EMAT广泛应用于激发声波，基本上都是用于金属管道飞机发动机等无损检测，还未见有高精度的质量负载传感器的应用，这是因为激励信号是一个冲击信号，EMAT线圈之间存在较大的干扰，质量负载引起的声学震动变化微弱，难以检测；以及芯片本身的特性会随着环境变化产生漂移，难以对由于待测物吸附引起的频率改变实现高精度的测量。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法及其系统，克服现有技术难以实现非接触、高精度测量微量物质的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

本申请提供的第一实施例一种微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，包括：

用于产生静电磁场的至少一组磁铁对；

当输入特定频率范围内的正弦交变电流后，产生电磁感应的激励线圈；

位于所述激励线圈上方的谐振片；当所述正弦交变电流的频率与所述谐振片的固有频率相同时，所述谐振片产生谐振，感应出二次交变磁场；

覆盖在所述谐振片上表面的吸附待测物质的敏感薄层；吸附待测物质的敏感薄层对所述谐振片施加质量负载，导致谐振片的谐振频率产生漂移；

位于所述敏感薄层上方的差分检测线圈；所述差分检测线圈在所述二次交变磁场的作用下产生检测谐振频率信号，通过计算谐振频率的漂移量对所述待测物质进行定量测量；

各组所述磁铁对的排布方式不同，所对应的静电磁场激励所述谐振片的谐振模式不同。

可选的，所述差分检测线圈呈螺旋型结构，其包括：第一感应接头、第二感应接头和接地接头；

所述第一感应接头和第二感应接头接入差分放大器。

可选的，所述激励线圈呈螺旋型结构，包括：第一端口和第二端口，所述第一端口为电流流入端口，所述第二端口为电流流出端口。

可选的，所述激励线圈和差分检测线圈均为多层结构，且所述多层结构中各个单层结构通过中心端口或外围端口互相连接，相邻线圈的绕制方向相反。

可选的，各组所述磁铁对之间交错排列组成的静电磁场对应激励谐振片产生多谐振模式；

且所述敏感薄层的位置满足：处于一个谐振模式的节点和处于另一个谐振模式的反节点上。

本申请提供的第二实施例是一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法，其中，包括：

将待测物质吸附到敏感薄层上；

在激励线圈内输入频率与所述谐振片的频率范围内的正弦交变电流，获取差分放大电路输出的第一检测谐振频率信号；

根据所述检测谐振频率信号计算出所述谐振频率的漂移值；

根据所述谐振频率的漂移值对所述待测物质进行定量测量。

可选的，所述将待测物质吸附到敏感薄层上步骤之前还包括：

当敏感薄层未吸附待测物质时，在激励线圈内输入频率与所述谐振片的频率范围内的正弦交变电流，获取差分放大电路输出的第二检测谐振频率信号。

可选的，对至少一组磁铁对的排列进行布局构建多谐振模式。

可选的，将未吸附待测物质的所述敏感薄层安置到第一谐振模式的节点，且安置的位置满足所述第一谐振模式的节点同时是第二谐振模式的反节点。

可选的，所述检测所述谐振频率的漂移值的步骤包括：

所述多谐振模式使得所述检测谐振频率信号的频率响应图在中心频率区间出现多个对应频谱频率峰值；

当敏感薄层未吸附待测物质时，测量得到的谐振片各谐振模式下的频率峰值，计算各相邻频率峰值的差值，所述差值的平均值为第一频率；

当所述敏感薄层吸附待测物质时，测量得到的谐振片各谐振模式下的频率峰值，计算各相邻频率峰值的差值，所述差值的平均值为第二频率；

所述第一频率与第二频率的差值为所述谐振频率的漂移值。

有益效果，本发明提供了一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法及其系统，磁铁产生静电磁场，在激励线圈中通入正弦交变电流，谐振片置于激励线圈上方，当激励线圈的频率与谐振片的固有频率相同时产生谐振，从而感应出二次交变磁场，在差分检测线圈中产生感应电流；当微量待测物质吸附在谐振片上表面覆盖的敏感薄层上时，谐振片的谐振频率漂移，通过计算谐振频率的漂移量来对待测物质进行定量测量。本发明所述的方法及其系统，通过引入EMAT，利用电磁感应来激励和检测声波振动，实现非接触式方案，用简单结构来替代微悬臂梁等复杂结构，通过不同模式之间相对频率差来取代绝对频移，减小外界环境引起的扰动，实现了微质量物质的高精度测量。

附图说明

图1是本发明的一种微质量传感器的非接触式EMAT检测系统的示意图；

图2是本发明所述结构中单层激励线圈的示意图；

图3是本发明所述结构中双层激励线圈的示意图；

图4是本发明所述结构中双层差分检测线圈的示意图；

图5是本发明所述结构中四层差分检测线圈的示意图；

图6是本发明所述结构中六层差分检测线圈的示意图；

图7是本发明一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法的步骤图；

图8是所述方法中S1步骤前的步骤图；

图9是所述方法中激励双谐振模式的两组磁铁对排布示意图；

图10a是所述方法中双第一谐振模式振型示意图；

图10b是所述方法中双第二谐振模式振型示意图；

图11a是所述方法中敏感薄层未吸附待测物质时检测谐振频率信号的频率响应图；

图11b是所述方法中敏感薄层吸附待测物质后检测谐振频率信号的频率响应图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的第一实施例提供了一种微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，如图1所示，所述检测系统，包括：

用于产生静电磁场的至少一组磁铁对10；当输入特定频率范围内的正弦交变电流后，产生电磁感应的激励线圈20；位于所述激励线圈20上方的谐振片30；当所述正弦交变电流的频率与所述谐振片30的固有频率相同时，所述谐振片30产生谐振，感应出二次交变磁场。

覆盖在所述谐振片30上表面的吸附待测物质的敏感薄层40；吸附待测物质的敏感薄层40对所述谐振片30施加负载，导致谐振片30的谐振频率产生漂移；位于所述敏感薄层40上方的差分检测线圈50；所述差分检测线圈50在所述二次交变磁场的作用下产生检测谐振频率信号，通过计算谐振频率的漂移量对所述待测物质进行定量测量。

所述激励线圈20呈螺旋型结构，包括：第一端口和第二端口，所述第一端口为电流流入端口，所述第二端口为电流流出端口。

所述激励线圈20和差分检测线圈50均为多层结构，且所述多层结构中各个单层结构通过中心端口或外围端口互相连接，相邻线圈的绕制方向相反。

所述激励线圈20位于所述磁铁对10的上方，所述激励线圈20为单层或者多层结构，如图2所示为单层激励线圈的示意图，所述单层激励线圈的中心端口201为电流流入端口，所述单层激励线圈20的外围端口202为电流流出端口。

如图3所示为双层激励线圈示意图，第一层线圈与第二层线圈的中心端口相互连接，所述第一层线圈与所述第二层线圈的绕制方向相反；所述第一层线圈的外围端口203为电流流出端口，所述第二层线圈的外围端口204为电流流出端口。

多层激励线圈的中心端口相互连接，相邻线圈的绕制方向相反，以保证所有层线圈中流经方向都相同。

所述差分检测线圈50呈螺旋型结构，其包括：第一感应接头、第二感应接头和接地接头；所述第一感应接头和第二感应接头接入差分放大器。

所述接地接头到所述第一感应接头的等效信号为J1，所述接地接头到所述第二感应接头的等效信号为J2，所述第一感应接头和第二感应接头接入差分放大器，差分放大得到的电流信号为所述检测谐振频率信号，差分放大器可以有效放大交流信号，抑制共摸信号，消除环境变化产生的漂移，达到抗共摸干扰的目的，针对目前EMAT存在的检测线圈中的微弱信号的检测，通过利用双绞线圈，差分放大电路来提高信噪比。

所述差分检测线圈50的两个相邻线圈的绕制方向相反，所述差分检测线圈为多层线圈，所述线圈之间的连接规则是：相邻线圈的中心端口相互连接，相邻线圈的外围端口相互连接；如图4所示为双层差分检测线圈示意图，第一检测线圈510和第二检测线圈520的中心端口互相连接，中心端口之间的连接线上接出接地接头500，第一感应线圈的外围端口是第一感应接头501，第二感应线圈的外围端口是第二感应接头502。

如图5所示为四层差分检测线圈示意图，从所述双层差分检测线圈的第一感应接头501接出，在所述第一检测线圈510的上方再绕制一层与第一检测线圈绕制方向相反的第三检测线圈530，所述第一检测线圈510的外围端口与所述第三检测线圈530的外围端口相连；从所述双层检测线圈的第二感应接头502接出，在所述第二检测线圈520的下方在绕制一层方向与第二检测线圈520绕制方向相反的第四检测线圈540，所述第二检测线圈520的外围端口与所述第四检测线圈540的外围端口相连；所述第三检测线圈530和第四检测线圈540的中心端口为四层差分检测线圈的第一感应接头503和第二感应接头504。

如图6所示为六层差分检测线圈示意图，从所述四层差分检测线圈的第一感应接头503接出，在所述第三检测线圈530的上方再绕制一层与第三检测线圈530绕制方向相反的第五检测线圈550，所述第三检测线圈530的中心端口与所述第五检测线圈的550中心端口相连；从所述四层差分检测线圈的第二感应接头504接出，在所述第四检测线圈540的上方再绕制一层与第四检测线圈540绕制方向相反的第六检测线圈560，所述第四检测线圈540的中心端口与所述第六检测线圈560的中心端口相连；所述第五检测线圈550和第六检测线圈560的外围端口为六层差分检测线圈的第一感应接头505和第二感应接头506。

各组所述磁铁对10的排布方式不同，所对应的静电磁场激励所述谐振片30的谐振模式不同。

各组所述磁铁对10之间交错排列组成的静电磁场对应激励谐振片30产生多谐振模式；

且所述敏感薄层40的位置满足：处于一个谐振模式的节点和处于另一个谐振模式的反节点上。

针对目前微质量传感器存在的芯片成本昂贵的问题，本专利通过利用非晶的金属芯片或者高电导率的硅等普通的非压电芯片，并且通过非常简单的结构来替代微悬臂梁等的复杂结构，来获得成本更低的方案。

本发明的第二实施例提供了一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法，如图7所示，包括：

S1：将待测物质吸附到敏感薄层40上；

S2：在激励线圈20内输入频率与所述谐振片30的频率范围内的正弦交变电流，获取差分放大电路输出的第一检测谐振频率信号；

S3：根据所述检测谐振频率信号计算出所述谐振频率的漂移值；

S4：根据所述谐振频率的漂移值对所述待测物质进行定量测量。

如图8所示，所述将待测物质吸附到敏感薄层40上步骤之前还包括：

S01：当敏感薄层40未吸附待测物质时，在激励线圈20内输入频率与所述谐振片30的频率范围内的正弦交变电流；

S02：获取差分放大电路输出的第二检测谐振频率信号。

在激励线圈20中输入正弦交变电流，所述谐振表面产生涡流，所述谐振片30处于所述磁铁对10产生的静态磁场中，所述静态磁场与所述涡流相互作用产生洛伦兹力，所述谐振片30底部在所述洛伦兹力的作用下产生声学机械振动，当正弦交变电流的频率与所述谐振片30的固有频率相同时，所述谐振片30产生谐振，所述谐振片30的振动产生交变电流，在谐振片30的上表面感应出二次交变磁场，从而在所述谐振片30上方的差分检测线圈50中产生感应电流，所述感应电流的频率即声波振动频率，所述感应电流通过差分放大电路进行放大，得到所述检测谐振频率信号，所述感应电流的频率响应图即检测谐振频率信号的频率响应图。

针对目前微质量传感器存在的接触式检测方案，本专利通过引入EMAT，利用电磁感应来激励和检测声波振动，从而实现非接触式方案。

对至少一组磁铁对10的排列进行布局构建多谐振模式。

将未吸附待测物质的所述敏感薄层40安置到第一谐振模式的节点，且安置的位置满足所述第一谐振模式的节点同时是第二谐振模式的反节点。

所述磁铁对10的磁极交错排列，使得在磁铁对10上方的圆周方向上呈现周期的静磁场方向改变，所以对应的驱动谐振片30的洛伦兹力相应地呈现周期朝内或者朝外，当所述洛伦兹力的排布与谐振模式对应时，激励该谐振模式，通过旋转磁铁，可以实现不同模式的激励，产生多谐振模式，以双谐振模式为例，如图9所示为激励双谐振模式的两组磁铁对10的排布示意图。可选的，本发明还包括一对、三对、四对等所有磁铁对10的排布方式。

如图10a和图10b所示为双谐振模式振型示意图，所述敏感薄层40的位置安置在谐振模式1的节点同时也是谐振模式2的反节点区域附近，通过该方案使得检测谐振频率信号在中心频率区间出现两个峰。

所述检测所述谐振频率的漂移值的步骤包括：

所述多谐振模式使得所述检测谐振频率信号的频率响应图在中心频率区间出现多个频率峰值；

当敏感薄层40未吸附待测物质时，测量得到的谐振片30各谐振模式下的频率峰值，计算各相邻频率峰值的差值，所述差值的平均值为第一频率；

当所述敏感薄层40吸附待测物质时，测量得到的谐振片30各谐振模式下的频率峰值，计算各相邻频率峰值的差值，所述差值的平均值为第二频率；

所述第一频率与第二频率的差值为所述谐振频率的漂移值。

以双谐振模式为例，如图11a和图11b所示分别为敏感薄层40未吸附待测物质时和吸附待测物质后检测谐振频率信号的频率响应图，由于是双谐振模式，所以有两个频率峰值，谐振片30的敏感薄层40，吸收物质后，谐振模式1的谐振漂移主要是环境影响，谐振模式2的谐振漂移包括环境的影响和吸附物质对其造成的扰动。

敏感薄层40未吸附待测物质时，计算此情况下检测谐振频率信号相邻频率峰值的差值∆f1，敏感薄层40吸附待测物质后，计算此情况下检测谐振频率信号相邻频率峰值的差值∆f2，谐振频率的漂移值∆f等于所述差值∆f2减去所述差值∆f1，所述谐振频率的漂移值∆f与待测微质量物质的质量对应。针对目前EMAT存在的芯片特征频率容易受到环境影响的问题，本专利通过巧妙地改进静磁场和线圈走线的方式，从而实现谐振片30多个模式（大于1个）的共同激励，通过不同模式之间相对频率差来取代绝对频移来减小、消除外界环境引起的扰动。

本发明提供了一种微质量传感器的非接触式EMAT检测方法及其系统，磁铁产生静电磁场，在激励线圈中通入正弦交变电流，谐振片置于激励线圈上方，当激励线圈的频率与谐振片的固有频率相同时产生谐振，从而感应出二次交变磁场，在差分检测线圈中产生感应电流；当微量待测物质吸附在谐振片上表面覆盖的敏感薄层上时，谐振片的谐振频率产生漂移，通过计算谐振频率的漂移量来对待测物质进行定量测量。本发明所述的方法及其系统，通过引入EMAT，利用电磁感应来激励和检测声波振动，实现非接触式方案，用简单结构来替代微悬臂梁等复杂结构，通过不同模式之间相对频率差来取代绝对频移，减小、消除外界环境引起的扰动，实现了微质量物质的高精度测量。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，其特征在于，包括：

用于产生静电磁场的至少一组磁铁对；

当输入特定频率范围内的正弦交变电流后，产生电磁感应的激励线圈；

位于所述激励线圈上方的谐振片；当所述正弦交变电流的频率与所述谐振片的固有频率相同时，所述谐振片产生谐振，感应出二次交变磁场；

覆盖在所述谐振片上表面的吸附待测物质的敏感薄层；吸附待测物质的敏感薄层对所述谐振片施加质量负载，导致谐振片的谐振频率产生漂移；

位于所述敏感薄层上方的差分检测线圈；所述差分检测线圈在所述二次交变磁场的作用下产生检测谐振频率信号，通过计算谐振频率的漂移量对所述待测物质进行定量测量；

各组所述磁铁对的排布方式不同，所对应的静电磁场激励所述谐振片的谐振模式不同。

2.根据权利要求1所述的微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，其特征在于，所述差分检测线圈呈螺旋型结构，其包括：第一感应接头、第二感应接头和接地接头；

所述第一感应接头和第二感应接头接入差分放大器。

3.根据权利要求1所述的微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，其特征在于，所述激励线圈呈螺旋型结构，包括：第一端口和第二端口，所述第一端口为电流流入端口，所述第二端口为电流流出端口。

4.根据权利要求1所述的微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，其特征在于，所述激励线圈和差分检测线圈均为多层结构，且所述多层结构中各个单层结构通过中心端口或外围端口互相连接，相邻线圈的绕制方向相反。

5.根据权利要求1所述的微质量传感器的非接触式EMAT检测系统，其特征在于，各组所述磁铁对之间交错排列组成的静电磁场对应激励谐振片产生多谐振模式；

且所述敏感薄层的位置满足：处于一个谐振模式的节点和处于另一个谐振模式的反节点上。

6.一种如权利要求1所述检测系统的检测方法，其特征在于，包括：

将待测物质吸附到敏感薄层上；

在激励线圈内输入频率与所述谐振片的频率范围内的正弦交变电流，获取差分放大电路输出的第一检测谐振频率信号；

根据所述检测谐振频率信号计算出所述谐振频率的漂移值；

根据所述谐振频率的漂移值对所述待测物质进行定量测量。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述将待测物质吸附到敏感薄层上步骤之前还包括：

当敏感薄层未吸附待测物质时，在激励线圈内输入频率与所述谐振片的频率范围内的正弦交变电流，获取差分放大电路输出的第二检测谐振频率信号。

8.根据权利要求6或7所述的检测方法，其特征在于，对至少一组磁铁对10的排列进行布局构建多谐振模式。

9.根据权利要求6或7所述的检测方法，其特征在于，将未吸附待测物质的所述敏感薄层安置到第一谐振模式的节点，且安置的位置满足所述第一谐振模式的节点同时是第二谐振模式的反节点。

10.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述检测所述谐振频率的漂移值的步骤包括：

所述多谐振模式使得所述检测谐振频率信号的频率响应图在中心频率区间出现多个对应频谱频率峰值；

当敏感薄层未吸附待测物质时，测量得到的谐振片各谐振模式下的频率峰值，计算各相邻频率峰值的差值，所述差值的平均值为第一频率；

当所述敏感薄层吸附待测物质时，测量得到的谐振片各谐振模式下的频率峰值，计算各相邻频率峰值的差值，所述差值的平均值为第二频率；所述第一频率与第二频率的差值为所述谐振频率的漂移值。