CN110779981A

CN110779981A - 一种铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器

Info

Publication number: CN110779981A
Application number: CN201911124165.9A
Authority: CN
Inventors: 郑德智; 刘晓林; 王帅
Original assignee: Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-02-11

Abstract

本发明公开了一种铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器，所述检测传感器整体呈长方体并且其下表面呈与管道壁弧度一致的弧形。所述磁检测传感器包括拱形励磁部分、电路部分和检测部分，所述电路部分和所述检测部分置于所述拱形励磁部分的拱形腔内，所述电路部分置于所述拱形励磁部分和所述检测部分之间。本发明将传统漏磁检测设备中体积较大的励磁装置简化为传感器的励磁部分，实现了励磁部分和检测部分的一体化，并且对检测部分的实现方式进行了设计，使其获取的磁场信号信息量更大，也更加精确。

Description

一种铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器

技术领域

本发明属于管道内检测领域和磁检测技术领域，特别涉及一种铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器。

背景技术

漏磁检测技术是研究时间最长、应用最广泛和最成熟的管道内检测技术，该技术适用于金属管道表面及内部缺陷的识别及量化，操作简单，可靠性高，对检测环境无特殊要求。

漏磁检测技术基于铁磁性材料的磁导率较高这一特点。在使用磁化装置磁化铁磁性管壁后，如果管壁的材质是连续、均匀的，磁力线就会被束缚在管壁中，几乎可以认为表面外不存在磁场。但是当管壁中有切割磁力线的缺陷存在时，由于缺陷处其它介质的磁导率很小，磁阻很大，磁力线的路径就会改变，表现为磁通的泄漏，形成所谓的漏磁场。在实际检测时，利用检测设备自身携带的磁化结构将检测器通过的局部管壁磁化，永磁铁当管壁存在缺陷时会产生漏磁场，位于两磁极间的装有磁敏感传感器的探头可以检测到反映缺陷情况的漏磁信号。

在铁磁性管道漏磁检测领域中，传统的漏磁检测技术采用磁场强度非常强的磁化装置，一般为体积很大的永磁铁及导磁装置。上述方式可使管道局部管壁中的磁场强度接近饱和，从而在缺陷处产生更强的漏磁信号。但在针对微小缺陷特别是盗油孔的管道检测任务中，检测目标较为单一，特征相对明显，对漏磁信号强度的要求降低，因此可以进一步优化检测装置。为此，已有技术采用小型永磁铁代替传统的大型磁化装置，从而减小了检测装置体积。但已有技术大多是简单地减小了永磁铁的体积，简化或放弃了传统磁化结构，并没有针对盗油孔检测的典型任务，对检测装置整体进行优化设计，因此仍存在一些尚未解决的问题。首先，小型永磁铁降低了磁化磁场强度，仅能保证磁化管道的内壁面，进而降低了检测传感器所获取的信息量；其次，磁场检测部分仅采用单个线圈或霍尔元件的形式，所获取信号的信息量较少，检测精度较低。

发明内容

为此，本发明针对铁磁性管道检测设备中的磁检测传感器部分，将传统漏磁检测设备中体积较大的励磁装置简化为传感器的励磁部分，实现了励磁部分和检测部分的一体化，并且对检测部分的实现方式进行了设计，使其获取的磁场信号信息量更大，也更加精确。

根据本发明的一方面，提供了一种铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器，所述检测传感器整体呈长方体并且其下表面呈与管道壁弧度一致的弧形，所述磁检测传感器包括拱形励磁部分、电路部分和检测部分，所述电路部分和所述检测部分置于所述拱形励磁部分的拱形腔内，所述电路部分置于所述拱形励磁部分和所述检测部分之间。

在一些实施例中，所述拱形励磁部分可以包括矩形衔铁、两个永磁铁和两个极靴，所述两个永磁铁分别置于所述矩形衔铁底部的相对两端，所述两个极靴分别置于所述两个永磁铁底部；所述两个永磁铁的磁极均沿上下方向且两者磁极方向相反，所述永磁铁为钕铁硼矩形磁铁，所述矩形衔铁和所述两个极靴均由软铁或铁氧体材料制成。

在一些实施例中，所述拱形励磁部分可以包括拱形磁轭以及绕置于所述拱形磁轭上的励磁线圈，所述拱形磁轭由软铁或铁氧体材料制成。

在一些实施例中，所述励磁线圈的励磁频率范围为0Hz～2kHz。

在一些实施例中，所述检测部分包括多个立体线圈。在一些实施例中，所述检测部分包括竖直放置且两两横向对齐的多个竖直立体线圈和横向放置且两两横向对齐的多个横向立体线圈，所述多个竖直立体线圈与所述多个横向立体线圈的数量相等，其相邻线圈的中心距为5～8mm。

在一些实施例中，所述检测部分包括多个平面线圈。在一些实施例中，所述检测部分包括阵列排布的多个平面线圈，其相邻线圈的中心距为5～8mm。在一些实施例中，当所述检测部分包括平面线圈或者3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器时，更好地贴合管道壁，所述电路板可以包括柔性电路板。

在一些实施例中，所述检测部分的接口可以采用直接模拟电压输出形式，或者可以在传感器端使用ADC和CPU进行模数转换处理，再采用差分SPI输入输出形式。

在一些实施例中，所述检测部分可以包括阵列排布的3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器。

在一些实施例中，所述3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器可以以3×3或3×4的阵列排布，其相邻传感器的中心距可以为5～8mm。

在一些实施例中，所述检测部分的接口可以采用差分SPI输入输出形式。

在一些实施例中，当所述检测部分包括平面线圈或者3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器时，更好地贴合管道壁，所述电路板可以包括柔性电路板。

本发明的有益效果：

1)本发明将传统漏磁检测设备中体积较大的励磁装置简化为传感器的励磁部分，实现了励磁部分和检测部分的一体化，相比于相关已有技术，传感器体积尤其是励磁部分体积更小；

2)本发明传感器下表面的弧形设计及柔性电路板的采用能够使检测元件，即平面线圈或者3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器更好地贴合管道壁，尽可能保证所有检测元件的提离值相同，提高检测信号的质量；

3)本发明传感器在减小体积的同时也对磁路结构进行了设计，拱形励磁结构可以优化磁化效果，使用衔铁可以连接磁铁形成磁回路，使用极靴可以保护磁铁，使磁化均匀；

4)本发明使用的线圈交流励磁方式存在趋肤效应，能够强化表层的检测效果和灵敏度，适合于盗油孔检测的情形；交流励磁不易磁化管道，可以消除管道剩磁的影响；并且可以通过控制励磁电流和励磁频率的方式改变检测信号的强度，进而改变检测的分辨率，适应不同的缺陷检测要求；

5)本发明检测部分使用多线圈(立体线圈或平面线圈)阵列可以获取更大的信号信息量，精度更高；竖直线圈可检测沿管道径向的磁场，横向线圈可检测沿管道轴向的磁场，这两个方向的磁场信号常用于孔洞或缺陷的反演；另外，平面线圈阵列可更好地配合柔性电路板，提高检测信号的质量；

6)本发明检测部分采用3轴传感器阵列能够获取更大信息量，更加精确的磁场信号；

7)本发明传感器的输出接口采用数字信号SPI差分输出的形式，可以增加传输距离，提高抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例的拱形励磁部分的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的拱形励磁部分的结构示意图；

图4为本发明一实施例的检测部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。为方便说明，下面以盗油孔为例来描述本发明。应该理解，本发明还可以应用于非管道铁磁性材料的缺陷检测。

如图1所示，本发明的铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器整体呈长方体并且其下表面呈与管道壁弧度一致的弧形，以在检测过程中更好地靠近甚至贴合管道壁，应该理解，可以根据不同尺寸的管道设计本发明检测传感器下表面的弧度。如图所示，本发明检测传感器包括拱形励磁部分A、检测部分B和电路部分C，检测部分B和电路部分C置于拱形励磁部分A的拱形腔内，并且电路部分C置于拱形励磁部分A和检测部分B之间，其中拱形励磁部分A用于磁化局部管道壁，激发磁场并在盗油孔洞处产生漏磁场；检测部分B用于检测所处位置的磁信号，重点是检测异常的漏磁信号以确定盗油孔的位置。在一些实施方式中，电路部分C可以包括柔性电路板，也呈与管道壁相同的弧度，使得电路板及检测部分B能更好地贴合管道壁。优选地，检测传感器的尺寸小于40×30×20mm³。

在图2所示示例中，拱形励磁部分A包括两个永磁铁a、矩形衔铁b和两个极靴c，其中，两个永磁铁a分别置于矩形衔铁b底部的相对两端，矩形衔铁b用于连接两个永磁铁a形成磁回路，两个极靴c分别置于两个永磁铁a底部，用以保护永磁铁a，使磁化均匀。特别地，两个永磁铁a的磁极均沿上下方向但两者磁极方向相反。优选地，永磁铁a为钕铁硼矩形磁铁。特别地，矩形衔铁b和两个极靴c均由导磁性好的材料制成，优选地，两者均由软铁或铁氧体材料制成。

在图3所示示例中，拱形励磁部分A包括拱形磁轭以及绕置于所述拱形磁轭的励磁线圈。相比于永磁铁励磁方式，本实施例中的线圈交流励磁方式存在趋肤效应，能够强化表层的检测效果和灵敏度，适合于盗油孔检测，并且交流励磁不易磁化管道，可以消除管道剩磁的影响。特别地，可以通过控制励磁电流和励磁频率的方式改变检测信号的强度，进而改变检测的分辨率，适应不同的缺陷检测要求。本实施例中励磁频率范围可以为0Hz～2kHz。在一些实施方式中，拱形磁轭可以由软铁或铁氧体材料制成。

在图4所示示例中，检测部分B采用8个立体线圈组成阵列，其中4个线圈竖直放置，以检测沿管道径向的磁场，4个线圈横向放置，以检测沿管道轴向的磁场。优选地，相邻线圈的中心距为5～8mm。在一些实施方式中，也可采用平面线圈阵列的方式，以便更好地配合柔性电路板，提高检测信号的质量。特别地，对于本实施例所示线圈形式的检测部分，接口可以采用直接模拟电压输出形式，或者在传感器端使用模数转换器ADC和中央处理器CPU进行模数转换处理，再采用差分SPI(串行外设接口)输入输出形式。

在一些实施方式，检测部分B可以采用3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器阵列，例如将磁传感器排列成3×3或3×4的阵列，以便采集管道径向、轴向、周向三个方向的磁场信号。优选地，相邻传感器的中心距为5～8mm。特别地，检测部分由霍尔磁传感器等实现的，接口可以采用差分SPI输入输出的形式。有利地，传感器的输出接口采用数字信号SPI差分输出的形式，可以增加传输距离，提供抗干扰能力。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种铁磁性管道微小缺陷磁检测传感器，其特征在于，所述检测传感器整体呈长方体并且其下表面呈与管道壁弧度一致的弧形，所述磁检测传感器包括拱形励磁部分、电路部分和检测部分，所述电路部分和所述检测部分置于所述拱形励磁部分的拱形腔内，所述电路部分置于所述拱形励磁部分和所述检测部分之间。

2.根据权利要求1所述的磁检测传感器，其特征在于，所述拱形励磁部分包括矩形衔铁、两个永磁铁和两个极靴，所述两个永磁铁分别置于所述矩形衔铁底部的相对两端，所述两个极靴分别置于所述两个永磁铁底部；所述两个永磁铁的磁极均沿上下方向且两者磁极方向相反，所述两个永磁铁为钕铁硼矩形磁铁，所述矩形衔铁和所述两个极靴均由软铁或铁氧体材料制成。

3.根据权利要求1所述的磁检测传感器，其特征在于，所述拱形励磁部分包括拱形磁轭以及绕置于所述拱形磁轭上的励磁线圈，所述拱形磁轭由软铁或铁氧体材料制成。

4.根据权利要求3所述的磁检测传感器，其特征在于，所述励磁线圈的励磁频率范围为0Hz～2kHz。

5.根据权利要求1-4之一所述的磁检测传感器，其特征在于，所述检测部分包括多个立体线圈或者平面线圈，并且所述检测部分的接口采用直接模拟电压输出形式，或者在传感器端使用ADC和CPU进行模数转换处理，再采用差分SPI输入输出形式。

6.根据权利要求5所述的磁检测传感器，其特征在于，所述检测部分包括竖直放置且两两横向对齐的多个竖直立体线圈以及横向放置且两两横向对齐的多个横向立体线圈，所述多个竖直立体线圈与所述多个横向立体线圈的数量相等，其相邻线圈的中心距为5～8mm。

7.根据权利要求5所述的磁检测传感器，其特征在于，所述检测部分包括阵列排布的多个平面线圈，其相邻线圈的中心距为5～8mm。

8.根据权利要求1-4之一所述的磁检测传感器，其特征在于，所述检测部分包括阵列排布的3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器，并且所述检测部分的接口采用差分SPI输入输出形式。

9.根据权利要求9所述的磁检测传感器，其特征在于，所述3轴霍尔磁传感器或3轴巨磁阻效应磁传感器以3×3或3×4的阵列排布，其相邻传感器的中心距为5～8mm。

10.根据权利要求7-9之一所述的磁检测传感器，其特征在于，所述电路板包括柔性电路板。