CN110068607A - 一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统 - Google Patents

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苏越洋
沈常宇
李光海
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Abstract

本发明公开了一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统，由霍尔元件阵列、U型磁芯、激励线圈、信号处理器、电源模块、单片机、探测外壳、车轮、轮距调整机构、上位机组成。单片机输出低频交变信号给激励线圈，磁化U型磁芯，使其与待测构件形成磁回路，形成一个局部的磁真空泄露环境，让被检测导磁构件体内磁通在缺陷处泄漏到所创造的磁真空区域，形成最大化漏磁场并被置于该区域的霍尔元件阵列所感应，产生检测电信号经处理后，送入上位机处理，反应出损伤。该检测装置外部采用小车构造，且车轮距可调，可以实现在绕管道运动，实现旋转型漏磁检测。该发明具有可探测距离远、高灵敏度、可旋转检测，是对传统的基于漏磁检测原理的一次革新。

Description

一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统
技术领域
本发明属于电磁无损检测的技术领域，具体涉及一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统。
背景技术
自1922年美国人霍克发现漏磁检测原理的原型也即磁粉检测以来，漏磁检测理论及其工程应用已被广泛地研究。
Lord和Hwang在对有限元仿真研究后指出，对于非线性和复杂形状缺陷漏磁场检测问题，数值计算方法几乎是唯一可行的方法。而且两位学者也第一次研究出了磁导率、漏磁场的强弱程度和试件中的磁场的强度存在的数学关系。
从试件表面裂纹缺陷周围磁场产生磁荷这一角度，Zatsptiri和Scherbinin将无限长裂纹看作磁偶极子模型进行了研究。Atherton在管道检测中针对漏磁传感器研究了管道中缺陷处的漏磁场分布与整体磁场分布的关系，得出了管道检测漏磁场信号的分布与缺陷大小的关系。
漏磁检测简单的说就是通过测试出缺陷周围磁场变形来发现缺陷的无损检测方法。检测对象必须是铁磁性材质，磁场通过外加在待测构件上，在构件缺陷处表现出漏磁场现象，从而发现缺陷达到定量化检测效果。
现在的检测器往往缺陷的漏磁场微弱，加上探头与被检体之间相对姿态的抖动所引起的磁噪声一直存在，使得检测效果一般且很多检测器仅仅只能支持无弧度的钢板等进行检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在通过车轮可调的小车结构，并对现有检测结构进行优化的基础下，可实现高精度的旋转型低频漏磁无损探伤。
本发明通过以下技术方案实现：旋转型低频漏磁无损探伤检测系统，由霍尔元件阵列、U型磁芯、激励线圈、信号处理器、电源模块、单片机、探测外壳、车轮、轮距调整机构、旋转螺钉、上位机组成。电源模块给整个系统供电，单片机输出低频交变信号给激励线圈，磁化U型磁芯，使其与待测构件形成磁回路，形成一个局部的磁真空泄露环境，让被检测导磁构件体内磁通在缺陷处泄漏到所创造的磁真空区域，形成最大化漏磁场并被置于该区域的霍尔元件阵列所感应，产生检测电信号经信号处理器处理后通过数字式通信接口，送入上位机通过MATLAB处理，形成相位图和幅值图，反应出损伤。检测系统装有车轮可方便检测，旋转螺钉控制轮距调整机构实现车轮距可调，让检测装置可以在不同半径的管道上能旋转运动并保持霍尔元件阵列到待测构件的距离不变，实现旋转型漏磁检测。该发明具有可探测距离远、高灵敏度、可旋转检测，是对传统的基于漏磁检测原理的一次革新。
所述的U型磁芯的材料为铁硅氧体，为U形，长为7cm，宽为4cm，外高为5.6cm，内高为3.6cm，两极间距为3cm。
小车车轮通过旋转螺钉控制底部轮距调整机构可以实现探测装置在不同弧度待测构件上旋转运动。
本发明的工作原理是：磁场具有扩散与聚集特性，在介质的分界面处，磁场的扩散与聚集传递遵循连续条件：①切向磁场强度相等；②法向磁感应强度相等。即:
式中，e是垂直于界面的单位矢量，由介质1指向介质2；B1(H1)及B2(H2)分别为介质1(磁导率为μ1)和介质2(磁导率为μ2)内的磁感应强度(磁场强度)，它们在介质1及2内与中法线e的夹角分别为α1、α2。由式(1)可得：
式(2)中，Bne(Hne)及Bnτ(Hnτ)分别为在介质n(n＝1,2)内磁感应强度(磁场强度)的法向分量和切向分量，也即得：
式(3)构成磁折射扩散规则。磁的折射偏转方向与入射角以及介质的导磁率有关。
空间内任一点的漏磁场强度可用磁感应强度B表示，该磁感应强度可分解为平行于被测试件表面的切向磁感应强度Bx以及垂直于被测试件表面的法向磁感应强度By。取缺陷两侧壁上具有宽度为dl的面元，可知，两面元在某点产生的磁感应强度为：
其中rl、r2分别为该点到缺陷两侧磁荷面元的距离，则磁感应强度的x、y分量为：
切向磁感应强度分量Bx通过对dBx积分可表示为：
式中，μ为磁导率；σS为面磁荷密度；x、y分别为待测试件中任意点坐标；b为1/2裂纹宽度；h为裂纹深度。由式(10)和式(11)可知，切向磁感应强度和法向磁感应强度在待测试件中的空间分布不同，二者对损伤的表征能力也有很大的差别。
霍尔效应是一种电磁效应，即电流与磁场位于垂直形式时，出现的附加电场导致导体的两侧形成附加电场，因此产生了电势差的现象。这一效应是由美国科学家霍尔在19世纪发现，由下式可以表示：
式中，d为霍尔元件器件的厚度，RH为霍尔常数，RHI为霍尔元件测常数，B0为被检磁场强度，I为霍尔元件中的电流。
本发明的有益效果是：本发明的设计中通过可调小车车轮距的探测器，以磁场强度变化和损伤位置与损伤情况的函数关系为基础，对金属构件的损伤进行无损检测，排除了外部强磁场带来的信号失真，能实现无接触探测，能实现对有弧度的管道进行旋转测量且测量精确度较高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是旋转型低频漏磁无损探伤检测系统工作流程图。
图2是旋转型低频漏磁无损探伤检测系统的结构示意图。
具体实施方式
旋转型低频漏磁无损探伤检测系统，由霍尔元件阵列、U型磁芯、激励线圈、信号处理器、电源模块、单片机、探测外壳、车轮、轮距调整机构、旋转螺钉、上位机组成。电源模块给整个系统供电，单片机输出低频交变信号给激励线圈，磁化U型磁芯，使其与待测构件形成磁回路，形成一个局部的磁真空泄露环境，让被检测导磁构件体内磁通在缺陷处泄漏到所创造的磁真空区域，形成最大化漏磁场并被置于该区域的霍尔元件阵列所感应，产生检测电信号经信号处理器处理后通过数字式通信接口，送入上位机通过MATLAB处理，形成相位图和幅值图，反应出损伤。检测系统装有车轮可方便检测，旋转螺钉控制轮距调整机构实现车轮距可调，让检测装置可以在不同半径的管道上能旋转运动并保持霍尔元件阵列到待测构件的距离不变，实现旋转型漏磁检测。该发明具有可探测距离远、高灵敏度、可旋转检测，是对传统的基于漏磁检测原理的一次革新。

Claims (4)

1.一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统，由霍尔元件阵列(1)、U型磁芯(2)、激励线圈(3)、信号处理器(4)、电源模块(5)、单片机(6)、探测外壳(7)、车轮(8)、轮距调整机构(9)、旋转螺钉(10)、上位机(11)组成；霍尔元件阵列(1)采用2*4布置差动处理的方法，两列霍尔元件背对背排列，电源模块(5)给整个系统供电，单片机(6)输出低频交变信号给激励线圈(3)，磁化U型磁芯(2)，使其与待测构件形成磁回路，形成一个局部的磁真空泄露环境，让被检测导磁构件体内磁通在缺陷处泄漏到所创造的磁真空区域，形成最大化漏磁场并被置于该区域的霍尔元件阵列(1)所感应，产生检测电信号经信号处理器(4)处理后通过数字式通信接口，送入上位机(11)通过MATLAB处理，形成相位图和幅值图，反应出损伤；检测系统装有车轮(8)可方便检测，旋转螺钉(10)控制轮距调整机构(9)实现车轮距可调，让检测装置可以在不同半径的管道上能旋转运动并保持霍尔元件阵列(1)到待测构件的距离不变，实现旋转型漏磁检测。
2.根据权利要求1所述的一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统,其特征在于:霍尔元件(1)与待测构件间隔1mm-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统,其特征在于:所述的U型磁芯(2)的材料为铁硅氧体，为U形，长为7cm，宽为4cm，外高为5.6cm，内高为3.6cm，两极间距为3cm。
4.根据权利要求1所述的一种旋转型低频漏磁无损探伤检测系统,其特征在于:小车车轮(8)通过旋转螺钉(10)控制底部轮距调整结构(9)可以实现在不同弧度待测构件上进行圆周运动，实现旋转检测。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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