CN110333284B - 一种串联型平面涡流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种串联型平面涡流传感器，其激励线圈的优势在于可以在平面涡流传感器扫描轴线上感应出相互垂直的涡流，提高平面涡流传感器对不同方向的微裂纹的检出能力；其检测线圈的优势在于，通过内部延伸由波浪线a和波浪线b形成的波浪形沟道，使自身内部空出一部分面积，可以有效提取裂纹对涡流扰动后引起的磁场的变化；此外，由本发明的激励线圈和检测线圈构成的平面涡流传感器还具有差动激励特性，可以有效降低无裂纹时平面涡流传感器的输出信号，并能够抑制提离噪声的影响。
Description
技术领域
本发明属于电磁无损检测技术领域，尤其涉及一种串联型平面涡流传感器。
背景技术
柔性平面涡流传感器技术对具有曲面等复杂表面金属构件表面、近表面裂纹的检测具有灵敏度高，抗提离噪声性能强等优势。涡流传感器对裂纹的检出能力与传感器在被检测导体零件中的涡流方向分布有关，尤其是对短裂纹检测时，当导体中的涡流方向与裂纹方向相互平行时，传感器对这种裂纹不再敏感。因此，需要提供一种传感器线圈，使其在导体中感应出的涡流在扫描轴线上分布在更多方向上，降低涡流传感器对不同方向裂纹检出能力的差异，从而降低涡流传感器漏检率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种串联型平面涡流传感器，能够提高平面涡流传感器对不同方向的短裂纹的检出能力以及有效提取裂纹对涡流扰动后引起的磁场的变化。
一种串联型平面涡流传感器，包括重合放置的激励线圈和检测线圈，所述激励线圈包括顺次串联的第一半圆弧、第二半圆弧、第三半圆弧以及第四半圆弧；其中，所述第一半圆弧与第四半圆弧的半径相同，且开口相对，形成一个不封闭圆圈结构；所述第二半圆弧与第三半圆弧串联在第一半圆弧与第四半圆弧所形成的不封闭圆圈结构内部，且第二半圆弧与第三半圆弧的半径之和与第一半圆弧的半径相同，同时，第二半圆弧与第三半圆弧的开口方向相反；
所述检测线圈的外轮廓为由半圆弧A和半圆弧B开口相对而形成的不封闭圆圈结构，且该不封闭圆圈结构的半径与激励线圈中的不封闭圆圈结构的半径相同，同时，半圆弧A的一端接有波浪线a，半圆弧B与半圆弧A同侧的一端接有波浪线b，且波浪线a和波浪线b位于检测线圈外轮廓的内部，同时两者的自由端相接；
所述第二半圆弧和第三半圆弧落入波浪线a和波浪线b围成的区域中。
进一步地，所述激励线圈还包括激励电流输入段和激励电流输出段；其中，所述激励电流输入段与第一半圆弧的自由端相连，激励电流输出段与第四半圆弧的自由端相连。
进一步地，所述第二半圆弧与第三半圆弧的半径相同。
一种串联型平面涡流传感器，包括重合放置的激励线圈和检测线圈，所述激励线圈包括顺次串联的第一半圆弧、第二异形曲线、第三异形曲线以及第四半圆弧；其中，所述第一半圆弧与第四半圆弧的半径相同，且开口相对，形成一个不封闭圆圈结构；同时，将所述不封闭圆圈结构按S形划分为两个区域，则第二异形曲线沿第一半圆弧和S形围成区域的轮廓盘旋多圈绕制而成，第三异形曲线沿第四半圆弧和S形围成区域的轮廓盘旋多圈绕制而成；所述第二异形曲线与第三异形曲线的自由端串联在第一半圆弧与第四半圆弧所形成的不封闭圆圈结构内部，同时，第二异形曲线与第三异形曲线呈中心对称；
所述检测线圈的外轮廓为由半圆弧A和半圆弧B开口相对而形成的不封闭圆圈结构，且该不封闭圆圈结构的半径与激励线圈中的不封闭圆圈结构的半径相同，同时，检测线圈向其内部延伸有两个异形沟道，且第二异形曲线和第三异形曲线落入两个异形沟道的区域中。
进一步地，所述激励线圈还包括激励电流输入段和激励电流输出段；其中，所述激励电流输入段与第一半圆弧的自由端相连，激励电流输出段与第四半圆弧的自由端相连。
有益效果：
1、本发明提供一种串联型平面涡流传感器，其激励线圈的优势在于可以在平面涡流传感器扫描轴线上感应出相互垂直的涡流，提高平面涡流传感器对不同方向的微裂纹的检出能力；其检测线圈的优势在于，通过内部延伸由波浪线a和波浪线b形成的波浪形沟道，使自身内部空出一部分面积，可以有效提取裂纹对涡流扰动后引起的磁场的变化；此外，由本发明的激励线圈和检测线圈构成的平面涡流传感器还具有差动激励特性，可以有效降低无裂纹时平面涡流传感器的输出信号，并能够抑制提离噪声的影响。
2、本发明提供一种串联型平面涡流传感器，其激励线圈的优势在于可以在平面涡流传感器扫描轴线上感应出不同方向甚至相互垂直的涡流，从而提高平面涡流传感器对不同方向的微裂纹的检出能力；其检测线圈的优势在于，通过内部延伸异形沟道，使自身内部空出一部分面积，可以有效提取裂纹对涡流扰动后引起的磁场的变化。
附图说明
图1为本发明提供的激励线圈的结构示意图；
图2为本发明提供的正向S形太极图；
图3为本发明提供的另一种激励线圈的结构示意图；
图4为本发明提供的反向S形太极图；
图5为本发明提供的检测线圈的结构示意图；
图6为本发明提供的另一种检测线圈的结构示意图；
图7为本发明提供的激励电流方向示意图；
图8为本发明提供的涡流未受扰动时，检测线圈与磁场方向的关系示意图；
图9为本发明提供的涡流受扰动时，检测线圈与磁场方向的关系示意图；
图10为本发明提供的又一种激励线圈的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
一种串联型平面涡流传感器，包括重合放置的激励线圈和检测线圈，其中，激励线圈用于在空间中产生交变磁场，可以在传感器下方的待测试件中感应出涡电流；检测线圈用于拾取由激励线圈产生的一次磁场和待测试件中涡电流反射的二次磁场矢量叠加的合磁场，从而输出感应信号。所述的激励线圈和检测线圈分别设置在柔性基底的不同层，柔性基底上加工穿过孔，将检测线圈的输出信号端引出以便输出信号。
如图1所示，该图为本实施例给出的激励线圈的结构示意图。所述激励线圈包括顺次串联的激励电流输入段、第一半圆弧、第二半圆弧、第三半圆弧、第四半圆弧以及激励电流输出段；其中，所述激励电流输入段与第一半圆弧的自由端相连，激励电流输出段与第四半圆弧的自由端相连；由于通入的是交流电，所以激励电流输入端和输出端是随着电流互换的；所述第一半圆弧与第四半圆弧的半径相同，且开口相对，形成一个圆圈结构；所述第二半圆弧与第三半圆弧串联在第一半圆弧与第四半圆弧所形成的不封闭圆圈结构内部，且第二半圆弧与第三半圆弧的半径之和与第一半圆弧的半径相同，同时，第二半圆弧与第三半圆弧的开口方向相反，且两者半径相同。
通过上述连接方式，可以使第一半圆弧、第四半圆弧中激励电流流向总体上从激励电流输入段到激励电流输出段方向，而中间的第二半圆弧与第三半圆弧形成的S形中的激励电流则是与第一半圆弧、第四半圆弧中激励电流总体流向相反。
需要说明的是，第二半圆弧与第三半圆弧的半径也可以不同，只需两者的半径之和与第一半圆弧的半径相同即可。此外，图1给出的激励线圈主要是由一个圆和一个正S形曲线段构成，与图2所示的太极图类似；图1中间的S形曲线段可以通过水平翻转得到一种新结构，称为反S形曲线段，从而可以得到如图3所示的另一种激励线圈，且图3的激励线圈与图4所示的太极图类似。
如图5所示，该图为本实施例提供的检测线圈的结构示意图。所述检测线圈的外轮廓为由半圆弧A和半圆弧B开口相对而形成的不封闭圆圈结构，且该不封闭圆圈结构的半径与激励线圈中的不封闭圆圈结构的半径相同，同时，半圆弧A的一端接有波浪线a，半圆弧B与半圆弧A同侧的一端接有波浪线b，且波浪线a和波浪线b位于检测线圈外轮廓的内部，同时两者的自由端相接；所述第二半圆弧和第三半圆弧落入波浪线a和波浪线b围成的区域中。也就是说，检测线圈包围的面积，是与第一半圆弧和第四半圆弧所形成的圆圈结构重合的一个圆形中减去一部分区域。
需要说明的是，当激励线圈中的第二半圆弧与第三半圆弧形成正S形曲线段时，其对应的检测线圈如图6所示。
如图7所示，当采用图1所示的激励线圈时，通入的激励电流方向如箭头所示，平面涡流传感器扫描轴线如虚线所示；由此可见，第一半圆弧与第四半圆弧形成一组激励电流方向相同的半圆弧，第二半圆弧与第三半圆弧形成一组激励电流方向相同的半圆弧，而两组半圆弧中段部分的激励电流相互垂直，则两组半圆弧在平面涡流传感器扫描轴线上产生的涡流方向也相互垂直，也就是说，激励线圈可以在平面涡流传感器扫描轴线上感应出相互垂直的涡流，具体表现为由第二半圆弧与第三半圆弧构成的S形曲线段中间与外部两半圆弧中间在平面涡流传感器下方的待测试件中感应出的涡流方向相互垂直，进而提高平面涡流传感器对不同方向的微裂纹的检出能力，也保证了类似太极图外侧两个半圆弧，即第一半圆弧与第四半圆弧中的激励电流方向相同以使本实施例的平面涡流传感器构成差动激励。
需要说明的是，每一瞬时，待测试件上被测点的旋转涡流方向是确定的，为了说明问题，可以将旋转涡流在感应区域内的部分简化为一直线电流，如图8和图9所示。图8和图9中虚线圆圈表示同时以x轴和y轴为对称轴的检测线圈，黑色带箭头的线段为简化的涡流，涡流两侧的符号代表垂直于感应面的正反两个方向的法向磁场。如图8所示，当涡流未受扰动时，从图中的对称性可以看出，涡流对检测线圈磁通量的贡献为零；如图9所示，当涡流由于裂纹的存在受到扰动时，图8中的对称性被打破，此时检测线圈中的磁通量不再为零。但是，若涡流扰动的情形为图9的分布，扰动部分涡流产生的正反两个方向的法向磁场主要部分还在检测线圈内部，该部分磁场还是相互抵消，平面涡流传感器输出的裂纹信号主要是由于远离涡流扰动位置的磁场分布的不对称而导致的。根据磁感应强度幅值与空间位置和电流源之间距离的平方反比的关系，由远离受扰动涡流的磁场不平衡产生裂纹信号是相当微弱的。因此，现有的同时关于x轴和y轴对称的圆形检测线圈无法有效拾取扰动部分涡流引起的法向磁场分布。
然而，本实施例的检测线圈成中心对称，且内部延伸有由波浪线a和波浪线b围成的波浪形沟道，将检测线圈内部分为两个区域，则扰动部分涡流产生的正反两个方向的法向磁场将会分别分布在两个区域以及波浪形沟道中，也就是说，扰动部分涡流产生的正反两个方向的法向磁场不会主要还全都在检测线圈内部，进而该部分磁场不会相互抵消，因而能够更有效提取裂纹对涡流扰动后引起的磁场的变化，提高待测试件裂纹检测的准确性。
实施例二
以上实施例主要是通过依次串联的第一半圆弧、第二半圆弧、第三半圆弧、第四半圆弧形成太极图结构，从而得到平面涡流传感器的激励线圈，进而再得到对应的检测线圈。同理，通过相似变换，将上述实施例中的平面传感器的激励线圈和检测线圈分别通过一定的比例或相似变换构成的与原形状相似的螺线结构，也可以得到另一种与太极图类似的平面涡流传感器。
参见图9，该图为本实施例提供的另一种激励线圈的结构示意图。所述激励线圈包括顺次串联的激励电流输入段、第一半圆弧、第二异形曲线、第三异形曲线、第四半圆弧以及激励电流输出段；其中，所述激励电流输入段与第一半圆弧的自由端相连，激励电流输出段与第四半圆弧的自由端相连；所述第一半圆弧与第四半圆弧的半径相同，且开口相对，形成一个不封闭圆圈结构；同时，将所述不封闭圆圈结构按S形划分为两个区域，则第二异形曲线沿第一半圆弧和S形围成区域的轮廓盘旋多圈绕制而成，第三异形曲线沿第四半圆弧和S形围成区域的轮廓盘旋多圈绕制而成；所述第二异形曲线与第三异形曲线的自由端串联在第一半圆弧与第四半圆弧所形成的不封闭圆圈结构内部，同时，第二异形曲线与第三异形曲线呈中心对称；也就是说，所述S形将第一半圆弧与第四半圆弧形成的圆圈结构内部划分为类太极图结构，而两个异形曲线则分布在类太极图的两极区域；可选的，激励线圈可以设置在柔性基底，柔性基底上加工穿过孔，使得第二异形曲线与第三异形曲线相互串联，如图9中的虚线所示。
所述检测线圈的外轮廓为由半圆弧A和半圆弧B开口相对而形成的不封闭圆圈结构，且该不封闭圆圈结构的半径与激励线圈中的不封闭圆圈结构的半径相同，同时，检测线圈向其内部延伸有两个异形沟道，且异形沟道的形状与异形曲线的结构相似，第二异形曲线和第三异形曲线落入两个异形沟道的区域中。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种串联型平面涡流传感器，包括重叠放置的激励线圈和检测线圈，其特征在于，所述激励线圈包括顺次串联的第一半圆弧、第二半圆弧、第三半圆弧以及第四半圆弧；其中，所述第一半圆弧与第四半圆弧的半径相同，且开口相对，形成一个圆圈结构；所述第二半圆弧与第三半圆弧串联在第一半圆弧与第四半圆弧所形成的圆圈结构内部，且第二半圆弧与第三半圆弧的半径之和与第一半圆弧的半径相同，同时，第二半圆弧与第三半圆弧的开口方向相反；第一半圆弧与第四半圆弧形成一组激励电流方向相同的半圆弧，第二半圆弧与第三半圆弧形成一组激励电流方向相同的半圆弧，而两组半圆弧中段部分的激励电流相互垂直，使得两组半圆弧在平面涡流传感器扫描轴线上产生的涡流方向也相互垂直，同时，第一半圆弧与第四半圆弧中的激励电流方向相同使得平面涡流传感器构成差动激励；
所述检测线圈的外轮廓为由半圆弧A和半圆弧B开口相对而形成的圆圈结构，且该圆圈结构的半径与激励线圈中的圆圈结构的半径相同，同时，半圆弧A的一端接有波浪线a，半圆弧B与半圆弧A同侧的一端接有波浪线b，且波浪线a和波浪线b位于检测线圈外轮廓的内部，同时两者的自由端相接；
所述第二半圆弧和第三半圆弧落入波浪线a和波浪线b围成的区域中。
2.如权利要求1所述的一种串联型平面涡流传感器，其特征在于，所述激励线圈还包括激励电流输入段和激励电流输出段；其中，所述激励电流输入段与第一半圆弧的自由端相连，激励电流输出段与第四半圆弧的自由端相连。
3.如权利要求1所述的一种串联型平面涡流传感器，其特征在于，所述第二半圆弧与第三半圆弧的半径相同。
4.一种串联型平面涡流传感器，包括重叠放置的激励线圈和检测线圈，其特征在于，所述激励线圈包括顺次串联的第一半圆弧、第二异形曲线、第三异形曲线以及第四半圆弧；其中，所述第一半圆弧与第四半圆弧的半径相同，且开口相对，形成一个圆圈结构；同时，将所述圆圈结构按S形划分为两个区域，则第二异形曲线沿第一半圆弧和S形围成区域的轮廓盘旋多圈绕制而成，第三异形曲线沿第四半圆弧和S形围成区域的轮廓盘旋多圈绕制而成；所述第二异形曲线与第三异形曲线的自由端串联在第一半圆弧与第四半圆弧所形成的圆圈结构内部，同时，第二异形曲线与第三异形曲线呈中心对称；第一半圆弧与第四半圆弧形成一组激励电流方向相同的半圆弧组，第二异形曲线与第三异形曲线形成一组激励电流方向相同的异形曲线组，半圆弧组和异形曲线组中段部分的激励电流相互垂直，使得半圆弧组和异形曲线组在平面涡流传感器扫描轴线上产生的涡流方向也相互垂直，同时，第一半圆弧与第四半圆弧中的激励电流方向相同使得平面涡流传感器构成差动激励；
所述检测线圈的外轮廓为由半圆弧A和半圆弧B开口相对而形成的圆圈结构，且该圆圈结构的半径与激励线圈中的圆圈结构的半径相同，同时，检测线圈向其内部延伸有两个异形沟道，且第二异形曲线和第三异形曲线落入两个异形沟道的区域中。
5.如权利要求4所述的一种串联型平面涡流传感器，其特征在于，所述激励线圈还包括激励电流输入段和激励电流输出段；其中，所述激励电流输入段与第一半圆弧的自由端相连，激励电流输出段与第四半圆弧的自由端相连。
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