CN113109425B - 一种铁磁性叶片微磁检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁磁性叶片微磁检测装置，通过U型电磁铁与磁头元件分离或固装形式，适应叶片不同区域的几何特征。具体包括：针对曲率突变的叶根区域，采用U型电磁铁与磁头元件分离模式，利用具有柔性极靴前衬的大尺寸励磁磁路对叶根区域进行大范围均匀磁化，机械臂夹持具有高横向分辨率的磁头元件沿叶根区域表面进行精细扫查，检测磁巴克豪森噪声和增量磁导率；针对曲率波动小的叶型区域，采用U型电磁铁与磁头元件固装模式，利用具有圆弧端面磁芯的小尺寸电磁铁对叶片材料进行磁化，电磁铁内部安装的磁头元件进行磁巴克豪森噪声和增量磁导率检测。通过上述传感器方案，实现叶片整体表面的微磁扫查和磁参量成像。

Description

一种铁磁性叶片微磁检测装置
技术领域
本发明属于无损检测领域，具体涉及一种铁磁性叶片微磁检测装置。
背景技术
铁磁性叶片(如汽轮机叶片)制造过程中，对表面硬度和残余应力的控制非常严格。已有的研究表明，微磁方法可以对铁磁性材料的表面硬度和残余应力进行无损评价。微磁方法的核心是针对特定的结构开发专用的检测装置，高质量地获取材料磁化过程中的磁巴克豪森噪声、增量磁导率等微磁信号。目前大多数的微磁传感器都针对平面构件设计，何存富等设计了针对齿轮表面设计了具有内凸型磁芯的磁巴克豪森检测传感器(何存富,张秀,刘秀成,吴斌.曲面构件磁巴克豪森噪声检测传感器研制[J].应用基础与工程科学学报,2020,28(02):486-494.)，但仍然无法适用于叶根等曲率突变区域。
叶根区域存在几何形状复杂，空间狭小、残余应力或组织变化剧烈等特点，要求微磁检测传感器具有小尺寸、高空间分辨率等特性。如果采用传统的电磁铁与磁头固定安装的传感器，难以适应叶根区域检测需求。如果针对叶根、叶型区域采用完全不同的传感器结构形式，会增加检测系统的复杂性。因此，本发明针对上述问题，提出了采用同一套传感器元件及其检测电路，通过U型电磁铁与磁头元件进行分离或固装，分别实现对具有不同曲率变化特征的叶根或叶型区域的微磁检测。不仅可以解决叶根区域的检测难题，也可以降低叶片整体检测系统的复杂性。
发明内容
本发明一种铁磁性叶片微磁检测装置，目的是通过U型电磁铁与磁头元件分离或固装，分别实现对具有不同曲率变化特征的叶根或叶型区域的微磁检测，实现叶片整体表面的微磁扫查和磁参量成像。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
对被测铁磁性叶片1进行检测时，根据叶片不同区域的几何特征，通过U型电磁铁与磁头元件分离或固装，分别实现对具有不同曲率变化特征的被测铁磁性叶片1的叶根或叶型区域的微磁检测。
被测铁磁性叶片1放置在磁头元件与U型电磁铁之间，磁头元件分为分离模式磁头2和固装模式传感器3；分离模式磁头2对应被测铁磁性叶片1的叶根处，固装模式传感器3对应被测铁磁性叶片1的叶型处；磁头元件安装在机械臂4上。
磁头元件与U型电磁铁与被测铁磁性叶片1贴合，分为分离和固装两种模式；分离模式磁头2与U型电磁铁放置在被测铁磁性叶片1的叶根两侧，固装模式传感器放置在被测铁磁性叶片1的叶型处；分离模式磁头2或固装模式传感器3安装在机械臂4上。
U型电磁铁包括U形电磁铁励磁磁芯51、励磁线圈52和柔性前衬53；U型电磁铁的两侧分别为U形电磁铁励磁磁芯51和柔性前衬53，U型电磁铁的中间缠绕着励磁线圈52；U形电磁铁励磁磁芯51和柔性前衬53通过断面胶接连接。
分离式磁头2包括预压弹簧21、磁头外壳22和检测部件23；预压弹簧21压在环形检测磁芯231中部；检测部件23包括环型检测磁芯231、检测线圈232和测量电阻233，检测线圈232缠绕在检测磁芯231的极靴上，并与测量电阻R233串联。固装传感器3包括传感器外壳31、励磁线圈32、U形电磁铁励磁磁芯33、磁头预压弹簧34和传感器磁头35，励磁线圈32缠绕在U形电磁铁励磁磁芯33的中间，预压弹簧34压在传感器磁头35端部；磁头35包括检测磁芯351、检测线圈352和测量电阻353串联，检测线圈352缠绕在检测磁芯351的圆柱面上，并与测量电阻353串联。当对被测铁磁性叶片1的叶根区域进行检测时，U型电磁铁的U形电磁铁励磁磁芯51极靴断面胶接有3D打印的柔性前衬53与被测铁磁性叶片1的叶根处曲率突变表面紧密结合，利用U型电磁铁提供的交变磁场对测铁磁性叶片1的叶根区域进行大范围均匀磁化；机械臂4夹持分离模式磁头2沿测铁磁性叶片1的的叶根区域表面进行高横向分辨率扫查；当对测铁磁性叶片1的叶型区域进行检测时，采用具有圆弧端面的U型电磁铁励磁磁芯33与叶型表面贴合，固装模式传感器3的内部安装有固装模式传感器磁头35，机械臂夹4夹持固装模式传感器3沿被测铁磁性叶片1的叶型表面进行扫查。
所述的微磁检测装置特征是在U型电磁铁与磁头元件分离或固装两种模式下，对被测铁磁性叶片1的叶根或叶型检测时，均采用相同的硬件电路及检测方式，区别在于U型电磁铁与磁头元件分离或固装两种模式下，机械臂分别夹持分离模式磁头2或固装模式传感器3进行扫查，实现磁巴克豪森噪声和增量磁导率信号的检测，具体步骤如下：
(a)双通道激励电路的一个通道输出频率范围0.5～200Hz的三角波或正弦波，另1个通道输出频率范围1～100kHz的高频三角波或正弦波，提供交变磁场对叶片材料进行N(为大于4小于10的偶数)个磁化周期的分时激励(如图5所示)；前N/2个磁化周期内，双通道激励电路7仅输出低频励磁信号，后N/2个磁化周期内，输出高低频的叠加励磁信号；励磁信号通过双极性功率放大器8进行电流放大，输入至绕制于U型电磁铁顶部的励磁线圈(32或52)，对叶片进行分时周期磁化；
(b)磁头元件检测线圈(232或352)分时工作，在步骤(a)所定义的前N/2个磁化周期内，检测线圈(232或352)输出电压U中携带磁巴克豪森信号；在步骤(a)所定义的后N/2个磁化周期内，获取包含增量磁导率信息测量电阻(233或353)两端的电压信号U0；
(c)机械臂4夹持分离模式磁头2或固装模式传感器3沿叶根和叶型表面进行扫查过程中，磁头元件检测线圈(232或352)输出电压和测量电阻(233或353)两端电压信号分时被多通道采集卡9采集，上传至上位机6。
针对被测铁磁性叶片的叶根和叶型区域，采用励磁电磁铁和磁头分离和固装两种模式，对于几何形状复杂、空间狭小、残余应力或组织变化剧烈被测叶片叶根区域，采用小尺寸、高空间分辨率的磁头进行检测，满足了叶根区域的检测需求，而叶型区域采用固装模式的传感器检测，采用两种模式结合的方式对整个叶片进行检测，保证了检测准确性，同时提高了检测效率；分离和固装两种模式，均采用缠绕励磁线圈的U型电磁铁进行分时激励，所使用的励磁信号相同，磁头接收检测线圈或检测电阻两端的电压信号，检测信号类型相同，因此两种模式可共用一套信号激励采集处理系统，降低了系统的复杂性；同时，分离模式磁头和固装模式传感器均由机械臂夹持沿叶片表面扫查，因此实现了整个叶片自动化检测。
附图说明
图1检测装置整体示意图。
图2检测装置硬件框图及检测流程图。
图3分离模式传感器磁头结构示意图。
图4固装模式传感器结构示意图。
图5分时励磁信号波形及检测信号波形。
图中：1为被测铁磁性叶片；2为分离模式磁头，21磁头预压弹簧，22磁头外壳，23磁头检测部件，231磁头检测磁芯，232磁头检测线圈，233磁头测量电阻；3为固装模式传感器，31传感器外壳，32励磁线圈，33U形电磁铁励磁磁芯，34磁头预压弹簧，35固装模式传感器磁头，351磁头检测磁芯，352磁头检测线圈，353磁头测量电阻；4为机械臂，51U形电磁铁励磁磁芯，52励磁线圈，53柔性前衬；6为上位机；7为双通道激励电路；8为双极性功率放大器；9多通道数据采集卡；
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，不能以此来限定本发明的保护范围。
如图1所示是叶片微磁检测装置，当对叶根区域进行检测时，柔性前衬53与叶根表面紧密贴合，利用U型电磁铁5对叶根区域进行大范围均匀磁化，机械臂4夹持分离模式磁头2沿叶根区域表面进行高横向分辨率扫查；当对叶型区域进行检测时，采用具有圆弧端面的U型电磁铁33与叶型表面贴合，电磁铁内部安装磁头元件35，机械臂4夹持固装模式传感器3沿被测铁磁性叶片1的叶型表面进行扫查。
如图2所示为检测装置所使用的硬件及检测流程图，机械臂分别夹持分离模式磁头2或固装模式传感器3对被测铁磁性叶片1的叶根或叶型进行扫查；同时上位机6控制双通道激励电路7输出低频或高低频叠加的正弦波或三角波的励磁信号；励磁信号通过双极性功率放大器8进行电流放大，输入至绕制于U型电磁铁顶部的励磁线圈(32或52)，对叶片进行分时周期磁化；磁头元件检测线圈(232或352)测得的电压U和磁头测量电阻(233或353)两端电压信号U0，分时被多通道采集卡9采集，上传至上位机6。分时励磁信号和检测信号波形如图5所示。
如图3所示，分离模式磁头由装入磁头外壳22中的预压弹簧21和检测部件23组成；检测磁芯231是U型的，极靴间隙小于10um，因此其横向分别率可达微米级，检测线圈232缠绕在检测磁芯231的极靴上，并与测量电阻R0串联；在扫查过程中，预压弹簧21可保证磁头23与叶根表面贴合；
如图4所示，固装传感器3由装入传感器外壳31中的励磁线圈32、U形电磁铁励磁磁芯33、磁头预压弹簧34和传感器磁头35组成，磁头检测磁芯351是圆柱形的，尺寸均在2mm以上，因此其检测分辨率为毫米级，磁头检测线圈352缠绕在检测磁芯351上，并与磁头测量电阻353串联；在扫查过程中，预压弹簧34可保证磁头35与叶型表面贴合。

Claims (2)

1.一种铁磁性叶片微磁检测装置，其特征在于，通过U型电磁铁与磁头元件分离或固装，分别实现对具有不同曲率变化特征的叶根或叶型区域的微磁检测；具体包括：利用U型电磁铁提供的交变磁场对被测铁磁性叶片的叶根区域进行均匀磁化，电磁铁极靴断面胶接有3D打印的柔性前衬以适应曲率突变表面，机械臂夹持磁头元件沿被测铁磁性叶片的叶根区域表面进行高横向分辨率扫查；采用具有圆弧端面的U型电磁铁与被测铁磁性叶片的叶型表面贴合，U型电磁铁内部安装磁头元件，机械臂夹持固装的电磁铁和磁头元件传感器沿叶型表面进行扫查；
机械臂分别夹持分离模式磁头或固装模式传感器对叶片的叶根或叶型进行扫查；同时上位机控制双通道激励电路输出低频或高低频叠加的正弦波或三角波的励磁信号；励磁信号通过双极性功率放大器进行电流放大，输入至绕制于U型电磁铁顶部的励磁线圈，对叶片进行分时周期磁化；磁头元件检测线圈测得的电压U和磁头测量电阻两端电压信号U0，分时被多通道采集卡采集，上传至上位机；
分离模式磁头由装入磁头外壳中的预压弹簧和检测部件组成；检测磁芯是U型；检测线圈缠绕在检测磁芯的极靴上，并与测量电阻R0串联；在扫查过程中，预压弹簧保证磁头与叶根表面贴合；
固装模式传感器由装入传感器外壳中的励磁线圈、U型电磁铁励磁磁芯、磁头预压弹簧和传感器磁头组成，磁头检测磁芯是圆柱形，磁头检测线圈缠绕在检测磁芯上，并与磁头测量电阻串联；在扫查过程中，预压弹簧保证磁头与叶型表面贴合。
2.根据权利要求1所述的一种铁磁性叶片微磁检测装置，其特征在于，U型电磁铁与磁头元件分离或固装两种模式下，均采用相同的硬件电路及检测方式，实现磁巴克豪森噪声和增量磁导率的检测，具体步骤如下：
(a)双通道激励电路的1个通道输出频率范围0.5～200Hz的三角波或正弦波，另1个通道输出频率范围1～100kHz的高频三角波或正弦波，提供交变磁场对叶片材料进行N个周期磁化，N为大于4小于10的偶数；前N/2个磁化周期内，双通道激励电路仅输出低频励磁信号，后N/2个磁化周期内，输出高低频的叠加励磁信号；励磁信号通过双极性功率放大器进行电流放大，输入至绕制于U型电磁铁顶部的励磁线圈，对叶片进行分时周期磁化；
(b)磁头元件检测线圈分时工作，在步骤(a)所定义的前N/2个磁化周期内，检测线圈输出电压中携带磁巴克豪森信号；在步骤(a)所定义的后N/2个磁化周期内，与检测线圈串联的测量电阻两端的电压信号包含增量磁导率信息；
(c)机械臂夹持传感器沿叶根和叶型表面进行扫查过程中，磁头元件检测线圈输出电压和测量电阻两端电压信号分时采集，上传至上位机。
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