CN113281398B - 一种针式磁斥聚焦的检测传感器及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测相关技术领域，并公开了一种针式磁斥聚焦的检测传感器及检测系统。该检测传感器包括永磁体、磁引导芯和感应元件，其中：所述永磁体用于产生相互排斥的磁场，所述磁引导芯设置在所述永磁体的中心，用于将所述永磁体产生的互斥磁场聚集在中心并引导至所述磁引导芯上，所述感应元件设置在所述磁引导芯上，当采用所述检测传感器检测待检测磁性材料表面形貌时，表面形貌的改变引起所述磁引导芯中磁场的变化，所述感应元件用于检测所述磁引导芯中磁场的变化并将其转换为电信号，以此实现待测磁性材料表面形貌的检测。通过本发明，解决磁性材料表面微小形貌检测分辨率低的问题。

Description

一种针式磁斥聚焦的检测传感器及检测系统

技术领域

本发明属于无损检测相关技术领域，更具体地，涉及一种针式磁斥聚焦的检测传感器及检测系统。

背景技术

在金属零件的高精度加工制造过程中，由于加工中的复杂机械物理行为及过程，导致铁磁性金属零件表面质量难以提升。这其中除了与加工刀具的质量和精度有关之外，一个最重要的原因是加工过程中难以实现对铁磁性零件表面质量的在线检测与反馈。铁磁性材料零件表面形貌关系到零件使役性能、抗疲劳等性能甚至整个零件的寿命，因此，针对铁磁性材料表面形貌的检测至关重要。目前对于铁磁性零件表面形貌在线检测识别的技术手段主要包括传统触针法、印模法、光学干涉法等，但是这些方法均难以适应加工过程中的金属零件表面油污、水渍等恶劣的检测环境。另外，大部分无损检测方法都用于缺陷探伤，且由于分辨率及精度问题，都难以对零件表面形貌进行细致的区分与判别，无法满足零件表面微观形貌检测的需要。

现有技术中对于磁性材料的形貌检测大都利用漏磁的原理进行检测，该检测过程中磁场是穿过被检测物体形成一个磁回路，现有技术中对于磁性材料的表面形貌检测主要包括接触式触针法、印模法以及非接触式目测法、光学表面检测法、电磁检测法等。但接触式表面形貌检测法存在划伤或破坏待检测磁性材料表面微结构等风险，而非接触式目视法误差较大且对检验员专业化水平要求较高，光学非接触式方法如干涉法、衍射法及全息法都对待检测构件表面清洁状态要求较高，无法适应铁磁性材料表面油污等复杂加工及应用环境下的检测需求，且存在离线检测效率低下等问题；另一方面，铁磁性材料表面非接触式电磁检测法中漏磁法利用激励源与待检测铁磁性材料之间形成闭合磁回路以及回路中的磁场泄漏达到表面缺陷或形貌表征的目的，具有激励源与传感器两者相互独立的特点，不利于检测装置的集成化与便携化；而涡流检测法则利用交变电磁激励以及铁磁性材料表面或近表面形成的二次电磁场及检测线圈阻抗变化实现表面缺陷或形貌检测，对内部缺陷检测则因存在趋肤效应限制而无能为力，且漏磁及涡流法都存在缺陷检测分辨率低，表面微形貌难以有效识别等挑战。

因此，为突破对高精零件加工过程中铁磁性材料表面微小形貌的检测与识别，并满足高精零件在线加工检测的需要，发明一种基于磁斥聚焦以增强磁表征场原理的非接触式高分辨率检测传感器具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针式磁斥聚焦的检测传感器及检测系统，利用磁斥聚焦的方式解决磁性材料表面微小形貌及缺陷检测分辨率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种针式磁斥聚焦的检测传感器，该检测传感器包括永磁体、磁引导芯和感应元件，其中：

所述永磁体用于产生相互排斥的磁场，所述磁引导芯设置在所述永磁体的中心，用于将所述永磁体产生的互斥磁场聚集在中心并引导至所述磁引导芯上，所述感应元件设置在所述磁引导芯上，当采用所述检测传感器检测待检测磁性材料表面形貌时，表面形貌的改变引起所述磁引导芯中磁场的变化，所述感应元件用于检测所述磁引导芯中磁场的变化并将其转换为电信号，以此实现待测磁性材料表面形貌的检测。

进一步优选的，所述磁引导芯下端为针形，该针形的底部形成磁场增强区。

进一步优选的，所述磁引导芯的材料为高导磁率材料。

进一步优选地，所述磁引导芯为坡莫合金。

进一步优选的，所述永磁体为一组同极对放式的子永磁体，两个对放的子永磁体由于磁场同极相斥在对放的子永磁体中间的空气隙形成磁压缩场。

进一步优选的，所述磁引导芯设置在对放的永磁体的中心线上，使得聚焦的磁场均匀。

进一步优选的，所述感应元件为感应线圈或霍尔元件。

进一步优选的，当感应元件为感应线圈时，该感应线圈缠绕在磁引导芯的针形部分。

进一步优选的，所述永磁体上设置有磁芯紧固件，用于固定夹紧所述磁引导芯。

按照本发明的另一个方面，提供了一种磁性材料表面形貌检测系统，该检测系统包括上述所述的检测传感器、数据采集模块、信号处理模块和显示模块，其中，所述数据采集模块连接与所述检测传感器，用于采集该检测传感器中感应元件中的信号，并将采集的信号传递给所述信号处理模块，并在该信号处理模块中被处理，最后传递给所述显示模块，并在显示模块中显示。

进一步优选的，所述数据采集模块中设置有信号前置放大及A/D转换单元，所述信号处理模块中设置有包括信号滤波单元。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明提供的一种针式磁斥聚焦传感器，与现有的漏磁法检测的不同之处在于，本发明中采用的是主动式磁场，是通过感知磁引导芯底端主动式磁场耦合变化，即传感器感知自身磁场的变化，不是感知磁性材料中磁场的变化，而漏磁法是利用的被动式磁场，其检测的是被检测对象中磁场的变化，不是传感器中磁场的变化；主动式和被动式检测带来的检测结果的差异在于，被动式检测由于被检测对象中是一直存在磁场的，当遇见缺陷微小时，产生的磁场变化不明显，易被作为检测噪声，本发明中的主动式检测中利用的是探针和磁场增强区，其对磁场变化更加敏感，能有效探测微小缺陷引起的磁场变化，探测精度高，相比于被动式检测更加灵敏；

2.本发明利用对放式的永磁体用于磁场同极相斥而在中间空气隙形成磁压缩场，与传统电磁检测法中激励磁场相比，可将离散化的磁激励场有效聚集于两个永磁体的中心区域，为将磁场聚集并引导至磁引导芯做准备，且相对于单个永磁体单元，本发明的互斥磁场进一步增强了对放永磁体中间区域的磁场强度以及传递至磁引导芯内的磁感应强度；

3.本发明与涡流法检测相比，涡流法仅仅用于检测待检测对象表面的形貌缺陷，本发明中对于被检测对象内部能引起磁场变化的缺陷也能检测，也就是说，本发明中不仅能检测表面形貌缺陷，也能检测内部的缺陷；

4.本发明所述针式磁斥聚焦的环形检测传感器能够将环形永磁体的磁场能量通过高分辨率磁引导芯进行聚集，由于磁引导芯呈针状，针尖在待检测物体表面对物体的表面形貌检测，根据检测精度的需要，可以将针尖的尺寸设置的较小，故高精度的识别表面形貌的变化，提高了对高精铁磁性零件表面形貌的分辨率和检测灵敏度，而且采用磁源与磁感应线圈集成的结构，减少了需要额外进行磁化的复杂过程及操作，满足了高精加工中铁磁性零件表面形貌在线检测的需要，对于零件的高精加工制造关键技术提供了有力的支撑。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的传感器整体结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的磁芯紧固件三维结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的对放式磁斥永磁体磁源三维结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的磁引导芯及感应线圈传感结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的传感器内部磁感线聚焦回路图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的传感器内磁感应强度分布磁云图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的针式磁斥聚焦检测传感器表面形貌检测过程原理图：

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-磁芯紧固件，2-永磁体，3-磁引导芯，4-感应元件，5-工件表面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种针式磁斥聚焦的检测传感器，该传感器包括永磁体2、磁引导芯3以及感应元件4，在本实施例中，永磁体2由一对同极性相对的完全相同的子永磁体构成，感应元件4为环形线圈，缠绕在磁引导芯3探针上，磁引导芯3采用磁芯紧固件1固定在永磁体2上。

磁芯紧固件1的结构如图2所示，其上端为圆柱状结构，其外径大于对放的子永磁体之间的间隙距离，下端的方形柱状结构外宽度大小与对放的子永磁体之间的间隙大小相等以适应过渡配合的需要；而下端环形柱状结构的内径大小与高分辨率磁引导芯上端外径大小相同，且磁芯紧固件由非导磁绝缘材料制作。

对放的子永磁体三维结构如图3所示，其间距大小等于磁芯紧固件下端的外部宽度，且内侧为N极(或者S极)，外侧为S极(或者N极)。

高分辨率磁引导芯3及感应元件4的结构分别如图4中所示，其中，磁引导芯由高磁导率材料制作，优选为磁导率高，性价比高且易于生产和购买的坡莫合金，感应线圈优选为非铁磁性的铜质漆包线，磁引导芯上端为圆柱状结构，外径大小等于磁芯紧固件下端内径大小，引导芯下端为针形结构，感应线圈紧密绕制在引导芯下端针形外侧，并由两端分别引出两根引线实现电磁感应电压信号输出。

如图3和图4所示分别为应用计算机仿真制作出的一种线式磁斥聚焦的传感器磁场强度分布云图和磁感线分布图，从图中可看出，在同性相斥的一对子永磁体的作用下，由于磁感线存在不交叉的特性，因此对放的子永磁体磁极所散发出的磁感线会全部被压缩到两个同性的磁极之间。

如图5所示为该磁斥聚焦的检测传感器工作情况示意图。对于本实施例中探针材料为坡莫合金，其材料主要特点是具有很高的弱磁场导磁率，基于该特性，探针可以把这对子永磁体之间的磁感线大量聚集到针尖，并顺着探针的方向导入待测工件表面及近表面，通过磁扰动的检测原理进行工件表面形貌的判定。具体原理为：探针在扫查过工件表面5时，磁感线会进入工件表面与近表面磁场产生耦合构成重构一个稳定磁场，如果工件表面平整，该耦合磁场趋于稳定并且不会发生变化，同时穿过探针下部的环形线圈也不会发生变化，感应线圈产生的电流也不会发生变化；当待测工件检测表面或近表面上出现凹坑或凸起时，工件本身会因介质自磁极化特性而使得耦合磁场发生变化。由于本发明中采用主动式磁场主动式检测中利用的是探针和磁场增强区，其对磁场变化更加敏感，能有效探测微小缺陷引起的磁场变化，探测精度高；同时，对放式的永磁体用于磁场同极相斥而在中间空气隙形成磁压缩场，互斥磁场进一步增强了对放永磁体中间区域的磁场强度以及传递至磁引导芯内的磁感应强度，因此能进一步提高对表面微小缺陷的探测精度。

当检测表面或近表面出现凹坑时，探针在扫查该特征时会因表面“正”向磁特征而接收到的波峰形的电压流信号；当检测表面或近表面出现凸起时，探针在扫查该特征时会因表面“反”向磁特征而接收到的波谷形的电压信号。当该磁斥聚焦传感器以非接触式检测拾取该不同方向的磁场表征时即可完成其相应轮廓特征信息的获取，随后通过其获取的信号可加以判断：观察到“正”向磁特征时，判断为凹坑特征；观察到“反”向磁特征时，判断为凸台特征。同时电压变化的波峰波谷大小也与表面形貌的凹坑凸起大小有关。因此，通过电压的大小变化即可判定待测工件表面形貌情况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，该检测传感器包括永磁体(2)、磁引导芯(3)和感应元件(4)，其中：

所述永磁体(2)用于产生相互排斥的磁场，所述磁引导芯(3)设置在所述永磁体的中心，用于将所述永磁体产生的互斥磁场聚集在中心并引导至所述磁引导芯上，所述感应元件(4)设置在所述磁引导芯上，当采用所述检测传感器检测待检测磁性材料表面形貌时，表面形貌的改变引起所述磁引导芯中磁场的变化，所述感应元件(4)用于检测所述磁引导芯中磁场的变化并将其转换为电信号，以此实现待测磁性材料表面形貌的检测；

当磁引导芯扫查工件表面时，磁感线会进入工件表面与近表面磁场产生耦合重构一个稳定磁场，如果工件表面平整，耦合磁场趋于稳定并且不会发生变化，同时穿过磁引导芯下部的感应线圈也不会发生变化，感应线圈产生的电流也不会发生变化；当待测工件检测表面或近表面上出现凹坑或凸起时，工件本身会因介质自磁极化特性而使得耦合磁场发生变化；

磁引导芯(3)的材料为高导磁率材料；

永磁体与磁引导芯不接触。

2.如权利要求1所述的一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，所述磁引导芯(3)下端为针形，该针形的底部形成磁场增强区。

3.如权利要求1所述的一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，所述磁引导芯(3)为坡莫合金。

4.如权利要求1或2所述的一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，所述永磁体(2)为一组同极对放式的子永磁体，两个对放的子永磁体由于磁场同极相斥在对放的子永磁体中间的空气隙形成磁压缩场。

5.如权利要求2所述的一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，所述感应元件(4)为感应线圈或霍尔元件。

6.如权利要求5所述的一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，当感应元件(4)为感应线圈时，该感应线圈缠绕在磁引导芯的针形部分。

7.如权利要求1或2所述的一种针式磁斥聚焦的检测传感器，其特征在于，所述永磁体(2)上设置有磁芯紧固件(1)，用于固定夹紧所述磁引导芯。

8.一种磁性材料表面形貌检测系统，其特征在于，该检测系统包括权利要求1-7任一项所述的检测传感器、数据采集模块、信号处理模块和显示模块，其中，所述数据采集模块连接与所述检测传感器，用于采集该检测传感器中感应元件中的信号，并将采集的信号传递给所述信号处理模块，并在该信号处理模块中被处理，最后传递给所述显示模块，并在显示模块中显示。

9.如权利要求8所述的检测系统，其特征在于，所述数据采集模块中设置有信号前置放大及A/D转换单元，所述信号处理模块中设置有包括信号滤波单元。