CN109557166A - 一种差分式的磁记忆检测探头装置 - Google Patents

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兰清生
张路根
刘伟成
汤新文
张琦
漆赣平
李平
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress

Abstract

本发明公开了一种差分式的磁记忆检测探头装置，所属检测装置包括：弹压式探头支撑模块，灵活地固定检测探头使之适应被检对象表面状况的变化，用于保持检测探头紧贴被检对象的表面，消除提离的影响；传感器模块，为方向相同的两组三维线性霍尔传感器；加法器、乘法器、减法器，三者对传感器检测到的磁记忆信号进行处理，使两组传感器检测到的磁记忆信号进行差分处理。本发明的有益效果是：首先，采用平衡和差分的检测方法克服磁记忆检测探头抖动，克服外界干扰为主要目的，提高应力集中的判断精确度；其次，采用分量信号单独输出法，根据切向分量和法向分量单独输出的特征信号判断此点是否为应力集中区域。

Description

一种差分式的磁记忆检测探头装置
技术领域
本发明属于金属磁记忆检测技术领域，涉及一种差分式的磁记忆检测探头装置。
背景技术
铁磁性构件在使用过程中很容易产生应力集中，应力集中的存在不仅会严重影响材料的强度性能，而且会进一步产生裂纹，进而引发不可控的重大安全事故。金属磁记忆检测技术是一种绿色环保的无损检测新技术，它是利用铁磁性金属材料的磁记忆效应来检测工件的应力集中部位和应力集中程度。在磁记忆检测仪器的开发和设计中，其核心主要包括两个部分，其一为传感器部分，另外一个为包括数据处理算法在内的软件部分。磁记忆信号和地磁场信号处于同一数量级，而且比较微弱，为了能够获得不失真的输出信号，对于磁记忆检测探头的设计要求比较高，既需要提高克服环境干扰的能力，也需要对磁记忆信号有足够的分辨力。
在检测过程中，检测探头的抖动会导致磁记忆信号产生不规则的变化，目前，较多的磁记忆检测装置难以克服探头抖动带来的影响。另外，没有差分处理的磁记忆检测探头在空气中左右晃动或者摇摆，都能够导致检测信号发生变化，此种情况可以说明缺少差分处理的情况则可导致检测结果产生误差。为了克服探头抖动或者扭动的影响，对两种不同放置位置的传感器测得的信号进行差分处理，差分后的磁记忆信号能够较为准确地反映磁记忆信号的变化特征。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何克服现有检测装置的不足，设计出一种依金属磁记忆检测技术理论为指导，能同时提取切向和法向分量、克服被检工件抖动和外界干扰的新型传感器装置，该新型传感器装置针对铁磁性构件平面或者曲面处的应力集中在线检测，连接后续电路实现对于在役铁磁性构件实时监测及预诊断。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种差分式的磁记忆检测探头装置，所属检测装置包括：
弹压式探头支撑模块，灵活地固定检测探头使之适应被检对象表面状况的变化，用于保持检测探头紧贴被检对象的表面，消除提离的影响；
传感器模块，为方向相同的两组三维线性霍尔传感器；
加法器、乘法器、减法器，三者对传感器检测到的磁记忆信号进行处理，使两组传感器检测到的磁记忆信号进行差分处理。
三维线性霍尔传感器测得的切向分量Hp(x)和Hp(y)分别并联输出，在应力集中区域表现出最大值现象，经矢量合成之后也可以得出最大的磁记忆信号切向分量Hp(xy)。线性霍尔传感器输出的法向分量Hp(z)，在应力集中区域表现出过零点现象。通过差分可得到四个通道的磁记忆信号切向分量Hp(x)、Hp(y)，以及最大的切向分量Hp(xy)，和法向分量Hp(z)。
经过信号调理电路之后，可以显示切向分量Hp(x)、Hp(y)以及经矢量合成之后得到的Hp(xy)，和法向分量Hp(z)的信号波形。
对磁记忆信号分量Hp(x)、Hp(y)、Hp(z)设定其分量阈值Hp(x)T、Hp(y)T、Hp(z)T，若Hp(x)>Hp(x)T或者Hp(y)>Hp(y)T，且Hp(z)过零点改变符号，则可以说明被检工件部位存在应力集中，否则不存在应力集中。
也可以对磁记忆切向信号Hp(xy)设定其分量阈值Hp(xy)T，若Hp(xy)>Hp(xy)T且Hp(z)过零点改变符号，则可以说明被检工件部位存在应力集中，否则不存在应力集中。
本发明的有益效果是：首先，采用平衡和差分的检测方法克服磁记忆检测探头抖动，克服外界干扰为主要目的，提高应力集中的判断精确度；其次，采用分量信号单独输出法，根据切向分量和法向分量单独输出的特征信号判断此点是否为应力集中区域；然后，采用两组均匀平行排列的霍尔传感器制作阵列式磁记忆检测探头，实现对平板金属构件切向分量和法向分量全方位检测，提高检测效率。
附图说明
图1是本发明的弹压式磁记忆检测探头剖面图示意图。
图2是本发明的霍尔传感器分布侧视图示意图。
图3是本发明的霍尔传感器分布平视图示意图。
图4是本发明的切向信号合成示意图。
图5是本发明的平衡和差分示意图。
图6是本发明的三维磁记忆信号Hp(x)、Hp(y)、Hp(z)的显示示意图。
图7是本发明的磁记忆信号切向分量Hp(x)和Hp(y)的矢量合成为Hp(y)的显示示意图。
其中，1、导线，2、弹簧，3、探头外壳，4、传感器固定部位，5、传感器放置位置，6～9、一组霍尔传感器，10～13、另外一组霍尔传感器，14～17、减法器，18、加法器以及乘法器组合。
具体实施方式
图1为本发明的弹压式磁记忆检测探头剖面图，为了避免提离的影响，尽量减少磁记忆信号中的噪声，本文设计了弹压式的磁记忆检测探头，通过采用弹簧控制探头的提离，能够使探头在磁记忆在线检测过程中紧贴被检试样的表面。基于此种设计方案，检测探头能够适应拉伸试样的表面状况，其试验效果也得到了改善。
图2为本发明的霍尔传感器分布侧视图，图3为本发明的霍尔传感器分布平视图。为八枚数字接口的三维线性霍尔传感器，具有高精度、高响应频率、高灵敏度、便于与现有的半导体芯片工艺集成等优点，能够有效获取法向分量Hp(z)和相互垂直的切向分量Hp(x)和Hp(y)的磁场信号。
最大的磁记忆信号切向分量Hp(xy)的获取根据图4，利用乘法器和加法器，通过对切向分量Hp(x)，Hp(y)矢量合成得出Hp(xy)：
式中：将切向分量Hp(x)，Hp(y)分别连接至乘法器得到平方数，进而将两个平方数连接至加法器得到平方和，再连接至乘法器进行开方得到最大的磁记忆信号切向分量Hp(xy)。
差分后磁记忆信号的获取根据图5，分别将磁记忆信号Hp(x)i、Hp(y)i、Hp(xy)i、Hp(z)i与Hp(x)0、Hp(y)0、Hp(xy)0、Hp(z)0连接至减法器进行差分得到磁记忆信号Hp(x)、Hp(y)、Hp(xy)、Hp(z)：
Hp(x)＝Hp(x)i-Hp(x)0
Hp(y)＝Hp(y)i-Hp(y)0
Hp(xy)＝Hp(xy)i-Hp(xy)0
Hp(z)＝Hp(z)i-Hp(z)0
式中：i＝1、2、3、4，表示第二组的四个霍尔传感器的序号。
根据金属磁记忆检测机理，在铁磁性构件应力集中处，切向分量达到最大值、法向分量过零点，此弹压式检测探头装置是由上下相互距离1mm的两组传感器组成，每组由4个传感器组成，每组传感器平行均匀分布，此种分布可以使两组传感器都能够有效地检测到磁记忆信号，而且可以解决探头抖动或者检测环境不稳定的问题。
两组传感器可以同时输出磁记忆信号法向分量和切向分量的信号，法向与切向分量单独输出。
每组霍尔传感器切向信号采用并联形式连接，在经过应力集中处时，根据磁记忆检测原理，磁记忆信号切向分量达到最大值，根据电压串并联知识，电路结构不会影响输出结果，所以只要在应力集中部位，则传感器必会输出具有最大值的切向分量。
每组霍尔传感器法向信号采用并联形式连接，在经过应力集中处时，根据磁记忆检测原理，磁记忆信号法向分量过零点符号发生改变，根据电压串并联知识，电路结构不会影响输出结果，所以只要在应力集中部位，则传感器必会输出具有过零点的法向分量。
弹压式磁记忆检测探头中的两组传感器所检测的位置不同，两组传感器上下间距为1mm，能够有效检测出磁记忆信号，每个数字芯片之间相隔5mm，在试验过程中检测探头的覆盖区域宽度为20mm。检测探头能够准确的得出所检测位置的磁场信息，每个传感器的检测数据具有较好的重复性和一致性，在磁记忆检测试验过程中被检试样处于地磁场作用下，不需要额外施加激励磁场，传感器之间不会产生磁场耦合，相互之间不影响检测结果。
在执行软件中输入可调报警阈值Hp(x)T、Hp(y)T以及Hp(xy)T。只有当法向分量输出经过零点，同时，切向分量达到最大值且最大值超过阈值，报警器报警，否则报警器不会报警。
对某一铁磁性钢材工件，当加载载荷达到某一定值时，在应力集中区域的磁记忆信号三维分量Hp(x)、Hp(y)、Hp(z)如图6所示。其中切向分量Hp(x)、Hp(y)具有明显的局部最大值，法向分量Hp(z)具有明显的过零点特性。
对图6中的磁记忆信号切向分量Hp(x)、Hp(y)进行矢量合成，其示意图如图7所示，经过矢量合成得到的磁记忆信号切向分量Hp(xy)显示局部最大值的特性更加明显。
本发明为克服探头抖动和外界干扰采用平衡和差分的方法，第一组传感器测得的切向分量与第二组传感器测得的切向分量连接到一个减法器，第一组传感器与第二组传感器法相分量连接到一个减法器，切向分量与法向分量的输出信号分别显示。正常情况下，两组传感器输出大小相同方向相同的两个信号，经过减法器后输出为零，当探头抖动时或者有外界干扰时，两组传感器的输出信号同时增加或同时减小，输出信号经过减法器时，由于两信号任然是大小相同方向相同，所以由减法器输出的信号仍为零；在检测应力集中区时，假设第一组传感器刚好经过应力集中区，则此时第一组传感器输出信号发生变化，两组传感器输出信号经过减法器时，由于第一组传感器输出信号的突变，导致减法器输出电压变为非零，此时，如果外界有干扰或者检测探头发生抖动时，两组传感器的输出同样会增加或减少相同数值的信号，对输出结果仍无影响。而且由于在线检测过程中，应力集中区会分别先经过第一组传感器，再经过第二组传感器，输出信号就会产生两次突变，这样就形成了二次确定应力集中区，提高检测系统可靠性。
与现有磁记忆检测探头相比，本发明具有的优点有：
①三维线性霍尔传感器检测磁记忆信号信号，对切向分量信号、法向分量信号进行全方位检测，提高检测准确性；
②三维线性霍尔传感器组成阵列单元，实现全方位检测，消除测量盲区的问题；
③切向分量、法向分量由不同的输出线输出，根据切向和法向分量输出波形的变化特点，准确判断应力集中区域；
④平衡和差分结构使用两组三维线性霍尔传感器，应力集中区的输出信号在显示器上会被显示两次，二次检测提高了检测的可靠性；
⑤磁记忆检测技术中，根据平衡和差分结构的设计，提高了抗干扰能力，使检测装置适应恶劣环境的检测；
⑥设计弹压式探头能够减小提离影响，在线检测的过程中使探头能够紧贴被检对象表面，能够适应工件表面状况，减小探头提离的影响。

Claims (2)

1.一种差分式的磁记忆检测探头装置，其特征在于：所属检测装置包括：弹压式探头支撑模块，灵活地固定检测探头使之适应被检对象表面状况的变化，用于保持检测探头紧贴被检对象的表面，消除提离的影响；传感器模块，为方向相同的两组三维线性霍尔传感器；加法器、乘法器、减法器，三者对传感器检测到的磁记忆信号进行处理，使两组传感器检测到的磁记忆信号进行差分处理。
2.根据权利要求1所述的一种差分式的磁记忆检测探头装置，其特征在于：
(1)三维线性霍尔传感器测得的切向分量Hp(x)和Hp(y)分别并联输出，在应力集中区域表现出最大值现象，经矢量合成之后也可以得出最大的磁记忆信号切向分量Hp(xy)；线性霍尔传感器输出的法向分量Hp(z)，在应力集中区域表现出过零点现象；通过差分可得到四个通道的磁记忆信号切向分量Hp(x)、Hp(y)，以及最大的切向分量Hp(xy)，和法向分量Hp(z)；
(2)经过信号调理电路之后，可以显示切向分量Hp(x)、Hp(y)以及经矢量合成之后得到的Hp(xy)，和法向分量Hp(z)的信号波形；
(3)对磁记忆信号分量Hp(x)、Hp(y)、Hp(z)设定其分量阈值Hp(x)T、Hp(y)T、Hp(z)T，若Hp(x)>Hp(x)T或者Hp(y)>Hp(y)T，且Hp(z)过零点改变符号，则可以说明被检工件部位存在应力集中，否则不存在应力集中；
或对磁记忆切向信号Hp(xy)设定其分量阈值Hp(xy)T，若Hp(xy)>Hp(xy)T且Hp(z)过零点改变符号，则可以说明被检工件部位存在应力集中，否则不存在应力集中。
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