CN112268950A - 一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，由铁氧体制成的双层磁屏蔽壳以及铜导线绕制成矩形柱状的激励线圈与接收线圈组成。该传感器利用矩形柱状线圈能够产生更大磁场与更集中涡流的特点，以矩形柱状线圈作为激励线圈与接收线圈，同时基于磁屏蔽原理，设计了双层磁屏蔽外壳来引导磁场分布，增强聚磁效果，弥补了矩形柱状线圈激励涡流强度较小的弱点，从而增强检测信号强度的同时，提高了传感器的横向分辨率，在一定条件能够实现试件表面槽型缺陷的横向测厚，具有一定的应用价值。

Description

一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器

技术领域

本发明为一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，属于电磁无损检测领域，可以在保证一定检测信号强度的同时，对不锈钢板材表面槽型缺陷进行横向测厚。

背景技术

不锈钢因其良好的耐腐蚀性、无磁性、强韧性等特点被广泛应用到航空航天、食品化工等多个领域。不锈钢板在服役过程中由于受到温度和交变载荷等影响，易产生裂纹、腐蚀和脱层等缺陷。为保障不锈钢板结构使用安全，有必要对其进行无损检测及结构健康监测。涡流检测以材料电磁性能变化为判断依据，用于对材料构件实施缺陷探测和性能测试，具有有检测速度快、灵敏度高、无需耦合剂及非接触式检测等特点。由于趋肤效应，被测试件近表面的涡流密度很大，因此针对不锈钢板表面缺陷，涡流检测相较于其他几种常用的无损检测具有一定的优势。

涡流传感器作为涡流检测系统的重要组成部分，其几何结构和激励线圈的尺寸参数对线圈附近的磁场分布以及被测试件中的感应涡流密度起决定性作用，从而影响涡流传感器乃至相应涡流检测系统的检测性能。在设计涡流传感器时，希望有较高的检测信号强度和检测灵敏度，而传感器检测强度和灵敏度主要受线圈的磁场分布影响，同时线圈磁场分布又由其尺寸与几何形状决定，所以研究线圈形状与尺寸对传感器性能的影响具有一定的现实意义。于亚婷等研究分析了圆柱形线圈和矩形线圈的内外径及厚度对传感器灵敏度的影响，并对两种线圈轴线上任意一点的磁场分布进行推导，结果表明相同尺寸的圆形线圈能够在试件内产生更大的涡流，而矩形线圈能够在其附近产生强度更大且分布更为集中的动态磁场。

另一方面，常规的涡流传感器在对金属材料试件进行缺陷检测时，其磁路主要由被测试件、空气、铁芯构成，存在着一定程度的磁损耗，且这种磁场能量损耗在空气中尤为严重；同时传感器检测效果易受到背景磁场噪声的干扰，这都降低了涡流传感器的检测效率。Sabbagh等提出了铁氧体磁芯涡流传感器模型，利用铁氧体磁芯的聚磁效果，使磁场能量最大限度地发挥作用，并基于计算电磁学建立了四种不同传感器模型，提取其在铝板中的涡流响应信号并与实验结果进行了对比分析。

姚久富等基于上述理论，提出了一种磁屏蔽式涡流传感器。该传感器以圆形柱状线圈搭配圆形铁氧体外壳，能够有效地提高检测信号强度，同时增加检测深度。但该种传感器难以识别水平方向上的缺陷，横向灵敏度较差。且仅采用单层的罐型外壳搭配圆柱型磁芯来调整磁路分布，仍会有部分磁通会通过空气形成磁路，造成一定程度的磁场能量损耗。本发明选择采用矩形柱状线圈作为传感器激励线圈，搭配双层的矩形帽状铁氧体外壳，在保证检测信号强度的同时，达到提高传感器横向分辨率的目的。

发明内容

本发明旨在设计一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，解决常规涡流传感器检测信号弱，横向灵敏度差的问题。所提出的双层磁屏蔽式矩形涡流传感器能有效增强检测信号强度，同时有着较高的横向分辨率，在针对不锈钢表面尺寸较小的槽型缺陷检测上有着较大优势，能够在一定条件下实现槽型缺陷横向测厚。

为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，包括内层磁屏蔽壳1、外层磁屏蔽壳2、矩形激励线圈3、矩形接收线圈4；其特征在于：内层磁屏蔽壳1可以看作是具有一定厚度的矩形帽状外壳与空心柱状磁芯组合而成的整体，空心柱状磁芯位于矩形帽状外壳的中心，其顶端与矩形帽状外壳的顶部底端相连，二者内部是中空的，空心柱状磁芯的底端与矩形帽状外壳底端处于同一平面；外层磁屏蔽壳2由具有一定厚度的矩形帽状外壳与实心柱状磁芯组成，实心柱状磁芯位于矩形帽状外壳中心且相连为一个整体，二者底部位于同一平面；矩形激励线圈3嵌套在内层磁屏蔽壳1内部，线圈中心被空心柱状磁芯穿过；矩形接收线圈4缠绕在外层磁屏蔽壳2的实心柱状磁芯表面；矩形激励线圈3和矩形接收线圈4底部与内层磁屏蔽壳1、外层磁屏蔽壳2底部均保持在同一平面。

所述的双层磁屏蔽式矩形传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳1的材料为铁氧体，是具有一定厚度的矩形帽状外壳与空心柱状磁芯组合而成的整体，矩形帽状外壳厚度与空心柱状磁芯的厚度相同；空心柱状磁芯的尺寸与矩形激励线圈3尺寸相匹配，使矩形激励线圈3能够穿过空心柱状磁芯，同时内层磁屏蔽壳1能够三面包裹住矩形激励线圈3；大部分磁通会经过矩形帽状外壳与空心柱状磁芯内部，穿过矩形激励线圈3形成闭合的磁路，整个内层磁屏蔽壳1起到聚拢和引导磁场的作用，可以有效减少磁场能量在空气中的损耗。

所述的双层磁屏蔽式矩形传感器，其特征在于：外层磁屏蔽壳2的材料同样为铁氧体，是矩形帽状外壳与实心柱状磁芯的组合；外层磁屏蔽壳2中矩形帽状外壳的厚度与内层磁屏蔽壳1中的矩形帽状外壳的厚度相同，其尺寸略大于1，同时实心柱状磁芯尺寸略小于内层磁屏蔽壳1中空心柱状磁芯，以保证内层磁屏蔽壳1恰能嵌入外层磁屏蔽壳2中，并在实心柱状磁芯与空心柱状磁芯的间隙中能够置入矩形接收线圈4；外层屏蔽壳2用于强化磁场的引导，调整磁场分布，使大量磁通穿过接收线圈，提高传感器接收信号强度。

所述的双层磁屏蔽式矩形传感器，其特征在于：矩形激励线圈3由铜导线绕制而成，匝数很大；铜线圈需要绕制成矩形柱状结构，以产生强度更高且分布更为集中的动态磁场。

所述的双层磁屏蔽式矩形传感器，其特征在于：矩形接收线圈4由铜线圈绕制而成，用于对交变磁场的变化情况进行检测；该线圈需要缠绕在外层磁屏蔽壳2的实心柱状磁芯上，所以铜线圈需要绕制成矩形柱状结构，尺寸受限，其匝数不大。

本发明可以获得如下有益效果：

1、矩形线圈相较于常规涡流传感器中采用的圆形线圈，能够在线圈附近产生更大的磁场，也能在被测金属内部产生能量分布更为集中的涡流。

2、矩形线圈的阻抗随着提离距离的变化呈现出更大的变化量，使用矩形线圈的涡流传感器针对缺陷检测有着更高的横向灵敏度。

3、内层磁屏蔽壳1采用矩形帽状外壳与空心柱状磁芯组成的整体，将激励线圈置于空心柱状磁芯上，能够使线圈产生的大部分磁通通过试件内部-矩形帽状外壳-空心柱状磁芯形成闭合磁路，使磁场分布更为合理，能有效减少磁场能量在空气中的损耗。

4、外层磁屏蔽壳2嵌套在内层磁屏蔽壳1外侧，实心柱状磁芯穿过空心柱状磁芯，强化磁屏蔽外壳对激励线圈产生磁场的聚拢效果，进一步减少空气中的磁通密度，引导磁路分布。

5、根据磁场分布原理，实心柱状磁芯上分布着大量磁通，将矩形接收线圈4缠绕在实心柱状磁芯上能够充分利用磁场能量，提高检测信号强度。

附图说明

图1：双层磁屏蔽式矩形涡流传感器结构示意图；

图2：内层磁屏蔽壳示意图；

图3：外层磁屏蔽壳示意图；

图4：矩形激励线圈示意图；

图5：矩形接收线圈示意图；

图6：两种形状线圈下涡流与磁场的分布情况；

图7：两种形状线圈不同提离距离下阻抗变化情况；

图8：单矩形线圈与双层磁屏蔽式矩形涡流传感器磁场分布情况对比；

图9：单矩形线圈与双层磁屏蔽式矩形涡流传感器涡流分布情况对比；

图10：无缺陷试件中两种涡流传感器检测结果对比；

图11：不同宽度缺陷处两种传感器激励下缺陷处磁场强度；

图12：不同宽度缺陷处两种传感器激励下缺陷处磁场强度局部放大；

图13：计算缺陷宽度与实际设置缺陷宽度对比

图中，1、内层磁屏蔽壳，2、外层磁屏蔽壳，3、矩形激励线圈，4、矩形接收线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

基于磁屏蔽原理与电磁感应原理，设计了一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，利用该传感器对不锈钢板表面槽型缺陷进行检测，能获得相较于常规涡流传感器更高的检测信号强度和横向检测灵敏度。

双层磁屏蔽式矩形涡流传感器结构示意图为图1所示。该传感器包括内层屏蔽壳1、外层屏蔽壳2、矩形激励线圈3、矩形接收线圈4。检测对象为不锈钢板，规格为100×50×10(单位：mm)。

所述的内层屏蔽壳1如图2所示。矩形帽状外壳边长a₁为13mm，高度h₁为6mm，其横向与纵向厚度均为1mm；空心柱状磁芯位于矩形帽状外壳中心并相连通，其边长a₂为5mm，厚度为1mm。

所述的外层屏蔽壳2如图3所示。矩形帽状外壳边长b₁为14.1mm，高度h₂为7.1mm，横向厚度与纵向厚度均为1mm；实心柱状磁芯边长b₂为3.9mm。

所述的矩形激励线圈3如图4所示。由多匝铜导线均匀绕制，其边长c₁为10mm，厚度为2mm，高度h₃为4mm；为了保证激励信号强度，激励线圈匝数不小于500匝。

所述的矩形接收线圈4如图5所示。同样是由多匝铜导线均匀绕制，缠绕在实心柱状磁芯上，其边长d₁为3.7mm，高度h₄为4mm，厚度为0.2mm；由于受所在位置限制，其匝数不大。

1)矩形柱状线圈与圆形柱状线圈激励效果对比

为控制单一变量，按照线圈截面积和体积相等原则设计矩形柱状线圈与原型柱状线圈，确保二者尺寸相同。两种线圈内均通入频率为5kHz，幅值为0.5A的正弦电流，对不锈钢板进行检测，研究两种类型线圈激励效果。

图6(a)、(b)所示为不锈钢板表面涡流分布情况与线圈处的磁场分布情况。图中蓝色实线代表矩形柱状线圈，红色虚线代表圆形柱状线圈。圆形柱状线圈能够在被测金属近表面产生较大的涡流信号，而矩形柱状线圈产生的涡流强度稍小，但分布更加集中，对于缺陷定位的精度更高。同时，矩形柱状线圈能够在其附近产生更大的磁场，接收线圈能够产生更大强度的检测信号。

图7所示两种线圈在不同提离距离情况下，受涡流产生的二次磁场影响，线圈电阻与电抗的变化情况。在相同的提离距离条件下，矩形柱状线圈的电阻与电感随提离距离变化更为明显。即在相同的外界条件下，矩形柱状线圈阻抗的变化要比圆形柱状线圈阻抗变化的更大，这表明矩形柱状线圈用于针对表面缺陷检测时会有更高的灵敏度。

在其他条件相同的情况下，圆形柱状线圈能够在被测金属内部产生更大强度的交变磁场，从而产生较大强度的涡流。而矩形柱状线圈可以在线圈附近产生更大的磁场，也能在被测金属内部产生能量分布更为集中的涡流，且其阻抗随着提离距离的变化体现处更大的变化量。这意味着使用了矩形线圈的涡流传感器针对表面缺陷检测有着较高的灵敏度，但信号强度稍弱。

2)双层磁屏蔽壳聚磁效果测试

为了克服矩形柱状线圈作为涡流传感器激励线圈时检测信号较弱的问题，采用双层的铁氧体磁屏蔽外壳来引导磁路分布，减少磁场能量在空气中的损耗，同时加强聚磁效果，以提高检测信号强度。图8、图9分别为双层磁屏蔽式矩形涡流传感器对不锈钢板进行检测时涡流与磁场的分布情况，并与单个矩形柱状线圈激励时的情况进行对比。

由图8可以看出，双层磁屏蔽壳对有效地提高了试件中的涡流密度，并且使涡流分布更加集中，提高了涡流传感器针对试件表面及亚表面缺陷检测的灵敏度。

观察图9中磁场分布可知，单个矩形线圈产生的磁场大多分布在空气中，导致磁场能量损耗较大，检测效率低。而双层磁屏蔽式矩形涡流传感器中的磁屏蔽壳对磁场起到了聚拢和引导的作用，使绝大部分磁场经过磁屏蔽壳形成磁路，有效减少了空气中的磁场能量的损耗，能够很大程度提高检测信号强度。

3)双层磁屏蔽式矩形传感器检测效果测试

目前常见的磁屏蔽式涡流传感器多以圆形线圈搭配圆形磁屏蔽套为主，忽略了矩形线圈的优势。采用相同尺寸的磁屏蔽式圆形涡流传感器与双层磁屏蔽式矩形涡流传感器对不锈钢板进行检测，图10(a)、(b)为涡流分布与磁场分布情况对比。其中，红色虚线和蓝色实线分别代表磁屏蔽式圆形涡流传感器与双层磁屏蔽式矩形涡流传感器。

二者相比，由于双层磁屏蔽式矩形涡流传感器采用矩形柱状线圈，所以其涡流分布较磁屏蔽式圆形涡流传感器更为集中，在检测时有着更高的横向分辨率；虽然在圆形磁屏蔽式涡流传感器激励下，试件中的涡流密度更大，但两种传感器就试件中产生的涡流密度大小上差距不大，对检测结果影响有限。而观察磁场强度分布情况可以看出，双层磁屏蔽式矩形涡流传感器激励下，信号采集点处的磁场强度要大大高于圆形磁屏蔽式涡流传感器，检测信号强度更大。

4)缺陷检测测试

在不锈钢板上设置宽度为1mm到3mm，深度为1mm，长度为50mm的槽型缺陷。图11(a)、(b)所示为两种传感器针对1mm、2mm两种不同宽度的槽型缺陷进行检测，缺陷附近的磁场分布情况。其中蓝色实线为双层磁屏蔽式矩形涡流传感器激励，红色虚线为磁屏蔽式圆形涡流传感器激励。图12是图11的部分放大。

观察图11、图12，磁屏蔽式圆形涡流传感器在对不同宽度的槽型缺陷进行检测时，相同位置处的磁场强度几乎没有变化，这说明该类型传感器难以识别缺陷在宽度上的变化情况。而搭配有矩形激励线圈的双层磁屏蔽式矩形涡流传感器对槽型缺陷的宽度变化非常敏感。观察可以看出，在缺陷位置的横向边界附近，磁场强度会发生骤减，通过对该位置进行记录，就可以推断出缺陷的具体宽度。

将槽型缺陷宽度分别设置为1.5mm、2.5mm、3mm，取磁场发生骤减位置处的坐标差，与实际设置缺陷的宽度进行对比，二者之差的绝对值设为S。图13为对应的实际缺陷宽度与计算缺陷宽度对比结果。可以看出，随着槽型缺陷宽度增大，双层磁屏蔽式矩形涡流传感器对于缺陷位置的识别能力逐渐减弱。这是由于传感器的位置和尺寸决定了激励线圈产生的磁场主要集中分布在的坐标零点附近，当缺陷宽度较大时，缺陷边界处于磁场较小的位置，这导致磁场的变化较弱，从而降低了传感器对缺陷边界的识别能力。对宽度较大的缺陷，可以采用更大尺寸的传感器进行检测。而当缺陷宽度较小时，通过这种方法能够获得较小误差的缺陷宽度。因此与磁屏蔽式圆形涡流传感器相比，双层磁屏蔽式矩形涡流传感器有着较高的横向分辨率，对横向缺陷较为灵敏，在一定条件下能够实现试件表面缺陷的横向测厚。

Claims (5)

1.一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，包括内层磁屏蔽壳、外层磁屏蔽壳、矩形激励线圈、矩形接收线圈；其特征在于：内层磁屏蔽壳的空心柱状磁芯位于矩形帽状外壳的中心，空心柱状磁芯顶端与矩形帽状外壳的顶部底端相连，空心柱状磁芯与矩形帽状外壳的内部是中空结构，空心柱状磁芯的底端与矩形帽状外壳底端处于同一平面；外层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯位于矩形帽状外壳中心且相连，实心柱状磁芯和矩形帽状外壳中心的底部位于同一平面；矩形激励线圈嵌套在内层磁屏蔽壳内部，中心被空心柱状磁芯穿过；矩形接收线圈缠绕在外层磁屏蔽壳的实心柱状磁芯表面；两个线圈底部与内层磁屏蔽壳、外层磁屏蔽壳的底部保持在同一平面。

2.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，其特征在于：内层磁屏蔽壳采用矩形帽状外壳与空心柱状磁芯组成的整体，将激励线圈置于空心柱状磁芯上，能够使线圈产生的大部分磁通通过试件内部-矩形帽状外壳-空心柱状磁芯形成闭合磁路。

3.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，其特征在于：外层磁屏蔽壳嵌套在内层磁屏蔽壳外侧，实心柱状磁芯穿过空心柱状磁芯，强化磁屏蔽外壳对磁场的聚拢效果，引导磁路分布使磁通穿过矩形接收线圈，提高检测信号强度。

4.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，其特征在于：采用矩形柱状线圈作为激励线圈能够在线圈附近产生磁场，能在试件中产生集中涡流，基于磁屏蔽原理设置磁屏蔽壳引导磁路分布，弥补矩形柱状线圈激励涡流强度小的缺点。

5.根据权利要求1所述的一种双层磁屏蔽式矩形涡流传感器，其特征在于：该矩形涡流传感器拥有较高的横向分辨率，在集肤深度范围内对槽型缺陷的宽度变化敏感，在缺陷尺寸与传感器尺寸相匹配情况下，实现槽型缺陷的横向测厚。

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