CN111879849B - 一种对称无方向性涡流检测传感器及检测方法 - Google Patents

一种对称无方向性涡流检测传感器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涉对称无方向性涡流检测传感器，包括：对称激励模块和检测模块，所述对称激励模块包括四个激励线圈和一个对称骨架，用于在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场。本发明四个完全相同的激励线圈两两绕向相反缠绕在对称骨架上通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，使得检测线圈在平衡状态下输出信号接近为零，不仅提高了传感器的抗干扰能力且对任意方向缺陷均具有很高的灵敏度；一组正交放置的主检测线圈组与两组平行放置的辅助检测线圈组共同构成检测模块，加大了传感器的检测面积且一次扫查便可判定缺陷方向，同时提高了传感器的检测效率。

Description

一种对称无方向性涡流检测传感器及检测方法
技术领域
本发明涉及一种无损检测领域，具体涉及一种对称无方向性涡流检测传感器及检测方法。
背景技术
涡流检测技术是一种常用的无损检测手段，现有的常规涡流检测传感器通常面临有效检测面积小、检测效率低且无法判定裂纹方向等问题。同时，常规涡流检测传感器易受提离效应影响，对于一些金属表面粗糙、检测要求高的场合无法实现有效检测。目前采用正交检测形式的涡流传感器可以减小提离效应，增强传感器抗干扰能力，但该方法是以牺牲传感器灵敏度为代价且45°方向裂纹为检测盲区，无法检出。因此对于一些同时需要高灵敏度、高检测效率及无方向性检测的场合不适用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种对称无方向性涡流检测传感器及检测方法，通过将四个完全相同的激励线圈两两绕向相反缠绕在对称骨架上通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，使得检测线圈在平衡状态下输出信号接近为零，不仅提高了传感器的抗干扰能力且对任意方向缺陷均具有很高的灵敏度；一组正交放置的主检测线圈组与两组平行放置的辅助检测线圈组共同构成检测模块，加大了传感器的检测面积且一次扫查便可判定缺陷方向，同时提高了传感器的检测效率。
为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：
一方面，本发明提出了一种对称无方向性涡流检测传感器，包括对称激励模块和检测模块，所述对称激励模块包括四个激励线圈和一个对称骨架，所述对称激励模块用于在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，所述检测模块用于拾取工件表面缺陷信息。
进一步的，所述对称骨架由四个完全相同且对称放置的圆柱体骨架组成，所述对称骨架的材料由锰锌铁氧体或者电工纯铁制成，四个所述圆柱体骨架中心轴线互相平行，四个所述圆柱体骨架横截面平行于工件表面，四个所述圆柱体骨架几何中心的对角连线互相垂直且相等。
进一步的，四个所述激励线圈分别缠绕在所述对称骨架上，四个所述激励线圈的中心轴线互相平行且纵截面均垂直于工件表面，四个所述激励线圈两两绕向相反，四个所述激励线圈通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，所述正弦信号频率和相位可调。
进一步的，四个所述激励线圈分别与四个所述圆柱体骨架的中心轴线重合，四个所述激励线圈水平或垂直方向上两个所述激励线圈几何中心连线的长度相等且大于两倍的所述激励线圈外径，四个所述激励线圈对角连线互相垂直且相等，四个所述激励线圈参数相同。
进一步的，所述检测模块包括一组主检测线圈组和两组辅助检测线圈组，一组所述主检测线圈组包括两个正交放置的矩形检测线圈，两个所述矩形检测线圈绕向一致，两个所述矩形检测线圈的几何中心重合，两个所述矩形检测线圈横截面垂直于工件表面。
进一步的，所述主检测线圈组的两个所述矩形检测线圈参数相同，所述主检测线圈组的两个所述矩形检测线圈的长度不大于水平或垂直方向上两个所述激励线圈几何中心连线的长度。
进一步的，两组所述辅助检测线圈组包括四个梯形检测线圈，四个所述梯形检测线圈横截面互相平行且垂直于工件表面，其中一组所述辅助检测线圈组的两个所述梯形检测线圈绕向一致，两个所述梯形检测线圈横截面与所述主检测线圈组检测线圈横截面之间夹角为45度；另一组所述辅助检测线圈组的两个所述梯形检测线圈绕向一致，两个所述梯形检测线圈横截面与所述主检测线圈组检测线圈横截面之间夹角为135度，两组所述梯形检测线圈组之间检测线圈横截面互相垂直。
进一步的，所述辅助检测线圈组的梯形检测线圈参数相同，所述辅助检测线圈组的四个所述梯形检测线圈的长度等于
Figure BDA0002587933330000021
倍的矩形检测线圈长度。
进一步的，所述对称激励模块与正弦激励模块相连，所述正弦激励模块激发频率/相位和幅值相同的正弦信号，所述检测模块与信号调理模块、A/D转换模块和上位机依次相连。
一种根据如上中任一项所述的一种对称无方向性涡流检测传感器的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)正弦激励模块分别输出四路频率/相位和幅值相同具有一定功率的正弦信号，该信号作用于四个激励线圈用于在被检工件表面感生出幅值相等、方向相反且互相对称的平面涡流场，六个检测线圈用于拾取工件表面缺陷信息经过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机进行实时显示；
(2)规定平面坐标系，传感器扫查前进方向规定为Y轴正方向，与之垂直的方向向右规定为X轴正方向，缺陷方向与X轴正向所呈角度范围为0°-180°；
(3)将传感器匀速移至试件被检区域，被检区域缺陷部位磁场将会发生改变，六个检测线圈的感应电压将会发生变化，一组正交放置的主检测线圈组采集的两路信号分别通过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机以幅值形式进行显示和存储，该组正交放置的主检测线圈组输出的感应电压幅值分别记为V1和V2；一组平行放置的辅助检测线圈组采集的两路信号分别通过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机以幅值形式进行显示和存储，该组平行放置的辅助检测线圈组输出的感应电压幅值为V3和V4；另一组平行放置的辅助检测线圈组采集的两路信号分别通过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机以幅值形式进行显示和存储，该组平行放置的辅助检测线圈组输出的感应电压幅值为V5和V6；
(4)对两组平行放置的检测线圈组的输出信号进行矢量运算后得出差值电压V3-V4和V5-V6并记作V7和V8，比较V1、V2、V7和V8幅值，缺陷方向及缺陷大小根据以下情况获得：
a)若|V7|＝|V8|，则缺陷方向为0°或90°方向，当|V1|>|V2|，缺陷方向为90°方向，缺陷幅值大小为
Figure BDA0002587933330000031
反之为0°方向，缺陷幅值大小为/>
Figure BDA0002587933330000032
b)若|V7|>|V8|，则缺陷方向位于0°-90°区域，缺陷方向为arctan|V1|/|V2|，幅值大小均为
Figure BDA0002587933330000033
c)若|V7|<|V8|，则缺陷方向位于90°-180°区域，缺陷方向为180°-arctan|V1|/|V2|，缺陷幅值大小均为
Figure BDA0002587933330000034
本发明的有益效果至少包括：本发明提出了一种对称无方向性涡流检测传感器及检测方法，通过将四个完全相同的激励线圈两两绕向相反缠绕在对称骨架上通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，使得检测线圈在平衡状态下输出信号接近为零，不仅提高了传感器的抗干扰能力且对任意方向缺陷均具有很高的灵敏度；一组正交放置的主检测线圈组与两组平行放置的辅助检测线圈组共同构成检测模块，加大了传感器的检测面积且一次扫查便可判定缺陷方向，同时提高了传感器的检测效率。
附图说明
图1为本发明涡流检测传感器的激励线圈下方涡流分布图。
图2为本发明一个实施例的涡流检测传感器结构三维示意图。
图3为本发明一个实施例的涡流检测传感器仰视示意图。
图4为本发明实施例的传感器确定缺陷大小及方向的示意图。
图5为本发明一个实施例的检测方法示意图。
其中，感应电流1，激励线圈2，圆柱体骨架3，对称骨架4，矩形检测线圈5，梯形检测线圈6，主检测线圈组7，一组辅助检测线圈组8，另一组辅助检测线圈组9，正弦激励模块10，信号调理模块11，A/D转换模块12，上位机13。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例：图1为四个互相对称的激励线圈在被检工件表面感生出对称涡流场分布示意图，参照图1所示，四个完全相同的激励线圈两两绕向相反缠绕在对称骨架上通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，使得检测线圈在平衡状态下输出信号接近为零，不仅提高了传感器的抗干扰能力且对任意方向缺陷均具有很高的灵敏度。
参照图2-3，一种对称无方向性涡流检测传感器，包括：对称激励模块和检测模块，所述对称激励模块包括四个激励线圈2和一个对称骨架4，用于在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，所述检测模块包括用于拾取工件表面缺陷信息。
所述对称骨架4由四个完全相同且对称放置的圆柱体骨架3组成，材质为锰锌铁氧体或电工纯铁，所述四个圆柱体骨架3中心轴线互相平行，四个圆柱体骨架3横截面平行于工件表面，所述四个圆柱体骨架3几何中心的对角连线互相垂直且相等。
所述四个激励线圈2分别缠绕在对称骨架4上，四个激励线圈2的中心轴线互相平行且纵截面均垂直于工件表面，所述四个激励线圈2两两绕向相反，四个激励线圈2通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，所述正弦信号频率和相位可调。
所述四个激励线圈2分别与四个圆柱体骨架3的中心轴线重合，所述四个激励线圈2水平或垂直方向上两个激励线圈2几何中心连线的长度相等且大于两倍的激励线圈2外径，所述四个激励线圈2对角连线互相垂直且相等，所述四个激励线圈2参数相同。
所述检测模块包括一组主检测线圈组7和两组辅助检测线圈组。
所述一组主检测线圈组7包括两个正交放置的矩形检测线圈5，两个矩形检测线圈5绕向一致，两个矩形检测线圈5的几何中心重合，两个矩形检测线圈5横截面垂直于工件表面。
所述主检测线圈组7的两个矩形检测线圈5参数相同，所述主检测线圈组7的两个矩形检测线圈5的长度不大于水平或垂直方向上两个激励线圈2几何中心连线的长度。
所述两组辅助检测线圈组包括四个梯形检测线圈6，四个梯形检测线圈6横截面互相平行且垂直于工件表面，其中一组辅助检测线圈组8的两个梯形检测线圈6绕向一致，两个梯形检测线圈6横截面与主检测线圈组7检测线圈横截面之间夹角为45度；另一组辅助检测线圈组9的两个梯形检测线圈6绕向一致，两个梯形检测线圈6横截面与主检测线圈组7检测线圈横截面之间夹角为135度，两组梯形检测线圈组之间检测线圈横截面互相垂直。
所述辅助检测线圈组的梯形检测线圈6参数相同，所述辅助检测线圈组的四个梯形检测线圈6的长度等于
Figure BDA0002587933330000051
倍的矩形检测线圈5长度。
图4为本发明一个实施例的检测方法示意图，参照图4所示，所述对称激励模块与正弦激励模块10相连，正弦激励模块10激发频率/相位和幅值相同的正弦信号；所述检测模块与信号调理模块11、A/D转换模块12和上位机13依次相连。
图5为本发明实施例的传感器确定缺陷大小及方向的示意图。
本发明提供了一种根据前面所述的对称无方向性涡流检测传感器的检测方法，包括如下步骤：
(1)正弦激励模块10分别输出四路频率/相位和幅值相同具有一定功率的正弦信号，该信号作用于四个激励线圈2用于在被检工件表面感生出幅值相等、方向相反且互相对称的平面涡流场，六个检测线圈用于拾取工件表面缺陷信息经过信号调理模块11和A/D转换模块12送入上位机13进行实时显示；
(2)规定平面坐标系，传感器扫查前进方向规定为Y轴正方向，与之垂直的方向向右规定为X轴正方向，缺陷方向与X轴正向所呈角度范围为0°-180°；
(3)将传感器匀速移至试件被检区域，被检区域缺陷部位磁场将会发生改变，六个检测线圈的感应电压将会发生变化，一组正交放置的主检测线圈组7采集的两路信号分别通过信号调理模块11和A/D转换模块12送入上位机13以幅值形式进行显示和存储，一组正交放置的主检测线圈组7输出的感应电压幅值分别记为V1和V2；一组平行放置的辅助检测线圈组8采集的两路信号分别通过信号调理模块11和A/D转换模块12送入上位机13以幅值形式进行显示和存储，一组平行放置的辅助检测线圈组8输出的感应电压幅值为V3和V4；另一组平行放置的辅助检测线圈组9采集的两路信号分别通过信号调理模块11和A/D转换模块12送入上位机13以幅值形式进行显示和存储，另一组平行放置的辅助检测线圈组9输出的感应电压幅值为V5和V6；
(4)对两组平行放置的检测线圈组的输出信号进行矢量运算后得出差值电压V3-V4和V5-V6并记作V7和V8，比较V1、V2、V7和V8幅值，缺陷方向及缺陷大小根据以下情况获得：
a)若|V7|＝|V8|，则缺陷方向为0°或90°方向，当|V1|>|V2|，缺陷方向为90°方向缺陷幅值大小为
Figure BDA0002587933330000061
反之为0°方向，缺陷幅值大小为/>
Figure BDA0002587933330000062
b)若|V7|>|V8|，则缺陷方向位于0°-90°区域，缺陷方向为arctan|V1|/|V2|，幅值大小均为
Figure BDA0002587933330000063
c)若|V7|<|V8|，则缺陷方向位于90°-180°区域，缺陷方向为180°-arctan|V1|/|V2|，缺陷幅值大小均为
Figure BDA0002587933330000064
综上所述，本发明通过将四个完全相同的激励线圈两两绕向相反缠绕在对称骨架上通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，使得检测线圈在平衡状态下输出信号接近为零，不仅提高了传感器的抗干扰能力且对任意方向缺陷均具有很高的灵敏度；一组正交放置的主检测线圈组与两组平行放置的辅助检测线圈组共同构成检测模块，加大了传感器的检测面积且一次扫查便可判定缺陷方向，同时提高了传感器的检测效率。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (4)

1.一种对称无方向性涡流检测传感器，其特征在于，包括对称激励模块和检测模块，所述对称激励模块包括四个激励线圈和一个对称骨架，所述对称激励模块用于在被检工件表面产生幅值相等方向相反且互相对称的平面涡流场，所述检测模块用于拾取工件表面缺陷信息；
四个所述激励线圈分别缠绕在所述对称骨架上，四个所述激励线圈的中心轴线互相平行且纵截面均垂直于工件表面，四个所述激励线圈两两绕向相反，四个所述激励线圈通以频率/相位和幅值相同的正弦信号，所述正弦信号频率和相位可调；
所述检测模块包括一组主检测线圈组和两组辅助检测线圈组，一组所述主检测线圈组包括两个正交放置的矩形检测线圈，两个所述矩形检测线圈绕向一致，两个所述矩形检测线圈的几何中心重合，两个所述矩形检测线圈横截面垂直于工件表面；
所述对称激励模块与正弦激励模块相连，所述正弦激励模块激发频率/相位和幅值相同的正弦信号，所述检测模块与信号调理模块、A/D转换模块和上位机依次相连；
两组所述辅助检测线圈组包括四个梯形检测线圈，两组中的每一个所述梯形检测线圈横截面与所述主检测线圈组检测线圈横截面之间夹角为45度；两组所述辅助检测线圈组的两个所述梯形检测线圈绕向一致，两组所述梯形检测线圈组之间检测线圈横截面互相垂直，每一组中的两个所述梯形检测线圈相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种对称无方向性涡流检测传感器，其特征在于，所述主检测线圈组的两个所述矩形检测线圈参数相同，所述主检测线圈组的两个所述矩形检测线圈的长度不大于水平或垂直方向上两个所述激励线圈几何中心连线的长度。
3.根据权利要求1所述的一种对称无方向性涡流检测传感器，其特征在于，所述辅助检测线圈组的梯形检测线圈参数相同，所述辅助检测线圈组的四个所述梯形检测线圈的长度等于
Figure FDA0004236819650000011
倍的矩形检测线圈长度。
4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的一种对称无方向性涡流检测传感器的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)正弦激励模块分别输出四路频率/相位和幅值相同具有一定功率的正弦信号，该正弦信号作用于四个激励线圈用于在被检工件表面感生出幅值相等、方向相反且互相对称的平面涡流场，六个检测线圈用于拾取工件表面缺陷信息经过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机进行实时显示；
(2)规定平面坐标系，传感器扫查前进方向规定为Y轴正方向，与之垂直的方向向右规定为X轴正方向，缺陷方向与X轴正向所呈角度范围为0°-180°；
(3)将传感器匀速移至试件被检区域，被检区域缺陷部位磁场将会发生改变，六个检测线圈的感应电压将会发生变化，一组正交放置的主检测线圈组采集的两路信号分别通过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机以幅值形式进行显示和存储，该组正交放置的主检测线圈组输出的感应电压幅值分别记为V1和V2；一组平行放置的辅助检测线圈组采集的两路信号分别通过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机以幅值形式进行显示和存储，该组平行放置的辅助检测线圈组输出的感应电压幅值为V3和V4；另一组平行放置的辅助检测线圈组采集的两路信号分别通过信号调理模块和A/D转换模块送入上位机以幅值形式进行显示和存储，该组平行放置的辅助检测线圈组输出的感应电压幅值为V5和V6；
(4)对两组平行放置的检测线圈组的输出信号进行矢量运算后得出差值电压V3-V4和V5-V6并记作V7和V8，比较V1、V2、V7和V8幅值，缺陷方向及缺陷大小根据以下情况获得：
a)若V7＝V8，则缺陷方向为0°或90°方向，当V1>V2，缺陷方向为90°方向，缺陷幅值大小为
Figure FDA0004236819650000021
反之为0°方向，缺陷幅值大小为/>
Figure FDA0004236819650000022
b)若V7>V8，则缺陷方向位于0°-90°区域，缺陷方向为arctanV1V2，幅值大小均为
Figure FDA0004236819650000023
若V7<V8，则缺陷方向位于90°-180°区域，缺陷方向为180°-arctanV1V2，缺陷幅值大小均为
Figure FDA0004236819650000024
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