CN112924537A - 水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置及系统，其中，该装置包括：壳体；所述壳体内填充有绝缘油；所述壳体具有两个垂直的第一端和第二端；所述壳体的第一端设置有传感器罩；所述传感器罩内置有检测模块和安装座，所述检测模块包括数据采集模块和激励模块；所述数据采集模块包括采集芯片组；所述激励模块包括I型磁芯和激励线圈；所述I型磁芯放置于所述安装座凹槽内，且所述I型磁芯外缠绕有激励线圈；所述安装座下端面的一个侧面和背对着所述I型磁芯的端面上设置有所述采集芯片；所述壳体的第二端设置有连接器。本发明可以实现在深水环境下对表面有涂层的金属结构进行裂纹检测，并可实现对复杂走向裂纹进行检测。

Description

水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置及系统

技术领域

本发明涉及交流电磁场检测技术领域，尤其涉及一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置及系统。

背景技术

交流电磁场检测(Alternating Current FieldMeasurement，简称ACFM)，是一种新兴的电磁无损检测技术，具有非接触、受工件材质影响小、无需标定等独特优点。其原理为：激励探头在待测工件表面感应出均匀交变电流，当有裂纹存在时，电流从裂纹的两边和底部绕过，引起表面电磁场扰动，记录电磁场信号并分析处理，可获得描述裂纹状态的尺寸信息，从而达到定量分析的目的。

目前，国内对于ACFM技术进行过相关研究，但是一般都是关于在陆地上应用ACFM检测技术，对于ACFM技术水下检测探头研究比较少，另外常规的单通道ACFM检测探头由于其本身电磁信号采集的技术特点，简单的斜向裂纹尚可通过改变检测方向的方法来进行检测，其它大多数复杂形状裂纹难以有效检出。

因此，现有技术亟需一种可用于水下环境的交流电磁场裂纹检测探头装置，可以克服现有检测探头装置不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，以解决现有检测探头不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的的问题。

该装置包括：

壳体1，所述壳体1内填充有绝缘油；所述壳体1具有两个垂直的第一端和第二端；

所述壳体1的第一端设置有传感器罩7，所述传感器罩7内置有检测模块和安装座6，所述检测模块包括数据采集模块和激励模块；所述数据采集模块包括采集芯片组8；所述激励模块包括I型磁芯11和激励线圈10；所述I型磁芯11放置于所述安装座6凹槽内，且所述I型磁芯11外缠绕有激励线圈10；所述安装座6下端面的一个侧面和背对着所述I型磁芯11的端面上设置有所述采集芯片组8；所述安装座6设置有过线孔9；所述壳体1的第二端设置有连接器13。

在一个优选的实施例中，所述采集芯片组8包括两组采集芯片，每组采集芯片包括四个采集芯片，共计八片采集芯片，两组采集芯片垂直安装于安装座6上。

在一个优选的实施例中，所述传感器罩7为氧化锆陶瓷材质。

在一个优选的实施例中，所述传感器罩7通过密封压环5和螺钉4设置于所述壳体1的第一端。

在一个优选的实施例中，所述传感器罩7通过密封圈12与壳体1进行密封。

在一个优选的实施例中，所述壳体设置有注油孔，并通过螺塞2和O型圈3进行密封。

在一个优选的实施例中，所述传感器罩7为凸字型壳体。

在一个优选的实施例中，所述连接器13固定于所述壳体1的第二端。

在一个优选的实施例中，所述连接器13与所述壳体1的第二端为螺纹连接。

在一个优选的实施例中，所述连接器13为深水雷莫(LEMO)连接器。

在一个优选的实施例中，所述I型磁芯11为锰锌铁氧体材料的I型磁芯。

在一个优选的实施例中，所述激励线圈10为双层线圈。

本发明实施例还提供了一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统，以解决现有检测探头不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的的问题，该系统包括：

上述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，用于产生交流电磁场；获取位于水下的待测金属在所述交流电磁场中所产生的磁场信号；将所述磁场信号转换为电压信号；输出电压信号；

水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统电路，用于接收水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置传输的电压信号；对电压信号进行模数转换及信号放大处理；输出经模数转换及信号放大处理后的电压信号。

由一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置实施例提供的技术方案可见，本发明实施例设置了壳体、传感器罩、检测模块和连接器。首先，通过位于壳体中的传感器罩内部检测模块中的激励模块产生交流电磁场，检测模块中数据采集模块获取待测金属在交流电磁场中所产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号；通过连接器输出所述电压信号，从而可通过对所述电压信号进行数据处理，实现对裂纹信息的检测；与现有技术对比，克服了现有检测探头不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的问题，通过设置检测模块，单次有效扫描宽度可达50mm，提高了工作效率，同时可以检出复杂形状裂纹缺陷；利用绝缘油不导电并且可压缩性低的特点，将水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的壳体内填充满绝缘油，可以保障探头在200米水深环境下正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的剖示图；

图2是本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的三维剖示图；

图3是本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统的结构示意图；

图4是本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统的具体示例图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面以几个具体的例子详细说明本发明实施例的具体实现，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的不当限定。

以下首先介绍本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的实施例。结合附图1，图1是本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的剖示图，该水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置可以包括：

壳体1、螺塞2、O型圈3、螺钉4、密封压环5、安装座6、传感器罩7、采集芯片组8、过线孔9、激励线圈10、I型磁芯11、密封圈12、连接器13。下面对该装置中各个部件的作用和相互之间的连接关系进行具体说明，以便更好地理解本发明实施例：

参照图1可以看到，壳体1内填充有绝缘油；壳体1具有两个垂直的第一端和第二端；壳体1的第一端设置有传感器罩7，传感器罩7内置有检测模块和安装座6，检测模块包括数据采集模块和激励模块；数据采集模块包括采集芯片组8；激励模块包括I型磁芯11和激励线圈10；I型磁芯11放置于安装座6凹槽内，且I型磁芯11外缠绕有激励线圈10；安装座6下端面的一个侧面和背对着I型磁芯11的端面上设置有采集芯片组8；安装座6设置有过线孔9；传感器罩7通过密封压环5和螺钉4设置于壳体1的第一端；传感器罩7通过密封圈12与壳体1进行密封；壳体设置有注油孔，并通过螺塞2和O型圈3进行密封；壳体1的第二端设置有连接器13。

本发明实施例设置了壳体、传感器罩、检测模块和连接器。首先，通过位于壳体中的传感器罩内部检测模块中的激励模块产生交流电磁场，检测模块中数据采集模块获取待测金属在交流电磁场中所产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号；通过连接器输出所述电压信号，从而可通过对所述电压信号进行数据处理，实现对裂纹信息的检测；与现有技术对比，克服了现有检测探头不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的问题，通过设置检测模块，单次有效扫描宽度可达50mm，提高了工作效率，同时可以检出复杂形状裂纹缺陷；利用绝缘油不导电并且可压缩性低的特点，将水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的壳体内填充满绝缘油，可以保障探头在200米水深环境下正常工作。

现有技术中，ACFM在进行水下检测面临的困难包括：水导电，会导致交流电磁场检测探头装置的电路短路。

为了解决上述问题，本发明实施例提供的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置在壳体1内填充有绝缘油，利用绝缘油不导电并且可压缩性低的特点，将水下阵列式交流电磁场检测探头壳体内填充满绝缘油，可以保障探头在200米水深环境下正常工作。

在一个优选的实施例中，采集芯片组8包括两组采集芯片，每组采集芯片包括四个采集芯片，共计八片采集芯片，两组采集芯片垂直安装于安装座6上。

在一个优选的实施例中，采集芯片可为TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻)传感器。

在上述实施例中，本发明实施例提供的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置具有如下优势：①可靠性高。通过以上述的采集芯片组可形成阵列式的传感器组，可对待检测的裂纹进行扫描和信号拾取，可以提供检测裂纹对象的冗余信息和互补信息，其在检测概率和虚警概率评判的标准上都要优于单个传感器；

②操作更加简单，扫描速度更快。通过以上述的采集芯片组可形成阵列式的传感器组，一次扫描可以检测一片待检测区域，这样探头可以简单地在缺陷周围定位，避免了对缺陷进行跟踪扫描，从而简化了操作；多个传感器同时工作，可以实现快速测量；

③缺陷信息表现更加丰富。对多个测量信号进行综合分析，可以再更多层面上对缺陷描述，这在复杂的焊接缺陷的检测中尤为重要；

④检测方法更加科学而且简单，阵列传感器进行的是对面的检测，减少了单个传感器测量时要预先对缺陷走向判断的依赖。

在上述实施例中，检测模块采用了两组采集芯片垂直摆放的阵列式排列方式，使单次有效扫描宽度可达50mm，从而提高了工作效率，同时也可以检出复杂形状裂纹缺陷，解决了现有的检测探头难以检测复杂形状裂纹的问题。

现有技术中，ACFM在进行水下检测面临的困难还包括：1、畸变磁场信号的产生是由检测探头的检测模块中的激励电路通过电磁感应激发的，而检测探头的金属外壳的存在会产生电磁屏蔽效果。2、由于电磁感应过程中提离效应的影响，隔离水和检测模块的探头罩厚度受到很大的限制。如果探头罩较厚，将会严重影响到金属裂纹的检测效果，而薄壳非金属材料的强度难以单独抵抗深水水压。

本发明实施例提供的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置可用于解决上述问题。在一个优选的实施例中，检测模块与工件之间可设置传感器罩7，该传感器罩7可采用非金属材料氧化锆陶瓷制作。

在上述实施例中，传感器罩7可为氧化锆陶瓷壳体，氧化锆陶瓷为高强度、高硬度以及耐磨损性能良好的材料，本发明实施例中壳体7采用氧化锆陶瓷壳体可以延长壳体的使用寿命，同时也避免了现有技术中的检测探头的金属外壳存在会产生电磁屏蔽的问题。当然在实际使用的时候，也可以选择其他材料的壳体，只要保证壳体的使用性能即可。但是，由于交流电磁场检测可以受到电磁提离效应以及电磁感应的影响，为保证检测效果，传感器罩上和待测金属结构件表面直接接触部分的厚度设置为1mm，因此避免了因探头罩较厚影响到金属裂纹的检测效果的问题。

在一个优选的实施例中，为了便于拆卸，传感器罩7与壳体1之间可以是可拆卸连接，具体的，参看图1，水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置可以包括螺钉4和密封压环5。

实施例中，通过使用密封压环和密封圈等密封措施，可以保障探头在200米水深环境下正常工作。相应的，传感器罩7可以通过螺钉4和密封压环5设置在壳体1的第一端。具体的，螺钉4可以为半沉头十字槽螺钉。当然在实际使用的时候，也可以选择其他的方式连接传感器罩7和壳体1，只要能实现可拆卸即可。

在实际应用中，本发明实施例中壳体1可以为水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置中检测探头外壳，壳体1可为水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置中的手柄。

在一个优选的实施例中，为了实现对传感器罩7的密封，传感器罩7可通过密封圈12与壳体1进行密封。

在一个优选的实施例中，为了实现对传感器罩7的注入绝缘油的操作，壳体设置有注油孔，并可通过螺塞2和O型圈3进行密封。

在一个优选的实施例中，为了减少水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的体积，壳体1可以设置为凸字型壳体，用于形成与内置的采集芯片组8、芯片座6、I型磁芯11和激励线圈10相适配的形状。

在上述实施例中，安装座6下端面的一个侧面和背对着I型磁芯11的端面上设置有所述检测芯片组8；安装座6设置有过线孔9，通过设置过线孔9，可在狭小空间内对传感器芯片并排紧凑安装，传感器线芯穿过过线孔9，解决了线芯数较多造成走线不便的问题。

在一个优选的实施例中，连接器13可固定于壳体1的第二端，且连接器13与壳体1的第二端的连接方式为螺纹连接。

在上述实施例中，连接器13可为LEMO连接器。进一步的，LEMO连接器的接头可以为EVG.3W.326.CLL。通过设置连接器，可传输检测模块生成的电压信号，进而通过对电压信号进行数据处理，实现对裂纹信息的检测。当然在实际使用的时候，也可以选择其他的连接器，只要可以实现检测到的电压信号能与信号采集板上的数据处理模块进行通讯即可。

其中，连接器13可包括防水的连接器。

在一个优选的实施例中，I型磁芯11可为锰锌铁氧体材料的I型磁芯。通过设置I型磁芯11，可在工件表面高效率的激发出匀强的感应电流。

在一个优选的实施例中，为了保证检测裂纹时的信号，激励线圈10可以为双层线圈。

举一实例，图2是本发明实施例一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的三维剖示图，为了方便对图1中各个结构进行理解，该水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的三维剖示图显示了如下结构：

壳体1、螺塞2、O型圈3、螺钉4、密封压环5、安装座6、传感器罩7、检测芯片组8、过线孔9、激励线圈10、I型磁芯11、密封圈12、连接器13。

本发明实施例设置了壳体、传感器罩、检测模块和连接器。首先，通过位于壳体中的传感器罩内部检测模块中的激励模块产生交流电磁场，检测模块中数据采集模块获取待测金属在交流电磁场中所产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号；通过连接器输出所述电压信号，从而可通过对所述电压信号进行数据处理，实现对裂纹信息的检测；与现有技术对比，克服了现有检测探头不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的问题，通过设置检测模块，单次有效扫描宽度可达50mm，提高了工作效率，同时可以检出复杂形状裂纹缺陷；利用绝缘油不导电并且可压缩性低的特点，将水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的壳体内填充满绝缘油，可以保障探头在200米水深环境下正常工作。

如上所述，本发明实施例可以实现在深水环境下对表面有涂层的金属结构进行裂纹检测，每次检测有效宽度可达50mm，并可实现对复杂走向裂纹进行检测。在实验室条件下，使用本发明实施例提供的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，扫查人工复杂裂纹缺陷试板，可检出最小裂纹缺陷长度达8mm。

本发明实施例还提供了一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测方法，该方法包括如下步骤：

1、通过位于壳体中的传感器罩内部检测模块中的激励模块产生交流电磁场；

2、通过检测模块中数据采集模块获取待测金属在交流电磁场中所产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号；

3、通过连接器输出所述电压信号。

本发明实施例最终可通过对电压信号进行数据处理，实现对裂纹信息的检测。

本发明实施例通过位于壳体中的传感器罩内部检测模块中的激励模块产生交流电磁场，检测模块中数据采集模块获取待测金属在交流电磁场中所产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号；通过连接器输出所述电压信号，从而可通过对所述电压信号进行数据处理，实现对裂纹信息的检测；与现有技术对比，克服了现有检测探头不能在水下进行检测以及复杂形状裂纹难以检出的问题，通过设置检测模块，单次有效扫描宽度可达50mm，提高了工作效率，同时可以检出复杂形状裂纹缺陷；利用绝缘油不导电并且可压缩性低的特点，将水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置的壳体内填充满绝缘油，可以保障探头在200米水深环境下正常工作。

本发明实施例还提供了一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统，如图3所示，该系统可以包括：

上述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置01，用于产生交流电磁场；获取位于水下的待测金属在所述交流电磁场中所产生的磁场信号；将所述磁场信号转换为电压信号；输出电压信号；

水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统电路02，用于接收水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置传输的电压信号；对电压信号进行模数转换及信号放大处理；输出经模数转换及信号放大处理后的电压信号。

具体实施时，如图4所示，本发明实施例提供的水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统电路可以包括：正弦激励信号电路、功率放大电路、多运放信号调理电路和NI采集卡数据处理电路；

正弦激励信号电路用于提供高频正弦激励信号；将高频正弦激励信号传送至功率放大电路；

功率放大电路用于根据高频正弦激励信号来驱动激励模块；并将高频正弦激励信号通过激励模块传送至采集模块；

采集模块用于根据高频正弦激励信号，将由于裂纹缺陷存在而产生的微弱磁场扰动量转化为电压信号；将电压信号通过多运放信号调理电路传送至NI采集卡数据处理电路；

NI采集卡数据处理电路用于对电压信号完成A/D转换(模数转换)；完成对采集数据进行的数字滤波、平滑图像和数据存储等处理。

在一实施例中，正弦激励信号电路具体用于：在交流电磁场无损检测中，激励信号频率和幅值以及稳定性，对检测结果影响重大；为了提高裂纹检测灵敏度，可以COMSOL多物理场仿真分析软件为工具，建立交流电磁场检测过程中的电磁场分布数值模型，进行求解分析，最终得出激励频率优选方案，正弦激励信号电路产生一个激励频率为6kHz，Vp-p(峰-峰值)为2V的精确稳定的正弦波。

功率放大电路具体用于：正弦激励信号电路输出功率比较小，不足以驱动阵列式检测探头激励模块，因此功率放大电路可将6kHz，2Vp-p的正弦信号放大为6kHz，14.4Vp-p正弦激励信号用于驱动激励模块。

多运放信号调理电路具体用于：采集芯片采集到的的裂纹部位磁场变化信号微弱并且有大量的干燥噪声信号，需要对其进行必要的放大和滤波处理。由于阵列式探头布置有8片采集芯片，每片采集芯片均需要进行信号放大，因此需要设计多运放信号调理电路。

NI采集卡数据处理电路具体用于：要实现计算机对检测到的微弱信号进行采集，就必须把多运放调理电路输出的模拟信号通过NI采集卡数据处理电路转换成计算机可以接受的数字信号最终由计算机软件完成对采集数据进行的数字滤波、平滑图像和数据存储等处理。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (14)

1.一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，该装置包括：

壳体(1)，所述壳体(1)内填充有绝缘油；所述壳体(1)具有两个垂直的第一端和第二端；所述壳体(1)的第一端设置有传感器罩(7)，所述传感器罩(7)内置有检测模块和安装座(6)，所述检测模块包括数据采集模块和激励模块；所述数据采集模块包括采集芯片组(8)；所述激励模块包括I型磁芯(11)和激励线圈(10)；所述I型磁芯(11)放置于所述安装座(6)凹槽内，且所述I型磁芯(11)外缠绕有激励线圈(10)；所述安装座(6)下端面的一个侧面和背对着所述I型磁芯(11)的端面上设置有所述采集芯片组(8)；所述安装座(6)设置有过线孔(9)；所述壳体(1)的第二端设置有连接器(13)。

2.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述采集芯片组(8)包括两组采集芯片，每组采集芯片包括四个采集芯片，共计八片采集芯片，两组采集芯片垂直安装于安装座(6)上。

3.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述采集芯片为隧道磁电阻传感器。

4.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述传感器罩(7)为氧化锆陶瓷材质。

5.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述传感器罩(7)通过密封压环(5)和螺钉(4)设置于所述壳体(1)的第一端。

6.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述传感器罩(7)通过密封圈(12)与壳体(1)进行密封。

7.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述壳体设置有注油孔，并通过螺塞(2)和O型圈(3)进行密封。

8.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述传感器罩(7)为凸字型壳体。

9.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述连接器(13)固定于所述壳体(1)的第二端。

10.根据权利要求9所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述连接器(13)与所述壳体(1)的第二端为螺纹连接。

11.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述连接器(13)为深水雷莫连接器。

12.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述I型磁芯(11)为锰锌铁氧体材料的I型磁芯。

13.根据权利要求1所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，其特征在于，所述激励线圈(10)为双层线圈。

14.一种水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统，其特征在于，包括：

权利要求1-13任一所述的水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置，用于产生交流电磁场；获取位于水下的待测金属在所述交流电磁场中所产生的磁场信号；将所述磁场信号转换为电压信号；输出电压信号；

水下阵列式交流电磁场裂纹检测系统电路，用于接收水下阵列式交流电磁场裂纹检测探头装置传输的电压信号；对电压信号进行模数转换及信号放大处理；输出经模数转换及信号放大处理后的电压信号。

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