CN113406194B - 一种差分磁电式涡流检测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种差分磁电式涡流检测传感器，包括磁电式磁场传感器、激励线圈（1）、永磁体（2）、线圈缠绕管（3），所述线圈缠绕管（3）外部缠绕有所述激励线圈（1），所述磁电式磁场传感器、所述永磁体（2）安装在所述线圈缠绕管（3）内部，所述磁电式磁场传感器包括第一磁电式磁场传感器（4）、第二磁电式磁场传感器（5），所述永磁体（2）位于所述第一磁电式磁场传感器（4）、所述第二磁电式磁场传感器（5）之间。本发明的有益效果是：本发明的差分磁电式涡流传感器采用两个磁电式传感器的输出进行差分，将差分输出作为检测探头的输出，从而减少自身噪声的干扰，大大提高了检测精度。

Description

一种差分磁电式涡流检测传感器
技术领域
本发明涉及磁电式传感器领域，尤其涉及一种差分磁电式涡流检测传感器。
背景技术
涡流检测技术被广泛应用于对金属导电材料进行探伤。例如，用于检测石油和天然气管道是否有缺漏；用于检测高铁铁轨的内部应力变化；用于检测飞机、火箭的高精密零件内部是否有裂纹。显然涡流检测技术在生产实践以及军工行业中有着重要的价值，提前检测金属的缺陷能够预防重大事故的发生。然而传统涡流检测探头由于灵敏度低、抗噪声能力弱的缺点，对于细小缺陷或裂纹无法识别。因此，改进检测探头的灵敏度势在必行。
发明内容
本发明提供了一种差分磁电式涡流检测传感器，包括磁电式磁场传感器、激励线圈、永磁体、线圈缠绕管，所述线圈缠绕管外部缠绕有所述激励线圈，所述磁电式磁场传感器、所述永磁体安装在所述线圈缠绕管内部，所述磁电式磁场传感器包括第一磁电式磁场传感器、第二磁电式磁场传感器，所述永磁体位于所述第一磁电式磁场传感器、所述第二磁电式磁场传感器之间。
作为本发明的进一步改进，所述磁电式磁场传感器包括两个磁致伸缩层和压电层，所述磁致伸缩层之间夹有所述压电层。
作为本发明的进一步改进，所述磁致伸缩层由多层铁基软磁非晶合金薄膜用环氧树脂胶水组成。
作为本发明的进一步改进，所述磁致伸缩层由五层铁基软磁非晶合金薄膜用环氧树脂胶水粘合而成，每层所述铁基软磁非晶合金薄膜的厚度为25um，每层环氧树脂胶水厚度为1um，所述磁致伸缩层总厚度等于0.129mm。
作为本发明的进一步改进，所述压电层由压电陶瓷构成，所述压电层尺寸为长20mmx宽6mmx厚0.5mm；所述磁致伸缩层的尺寸为长20mmx宽6mmx厚0.129mm。
作为本发明的进一步改进，所述第一磁电式磁场传感器中心到所述第二磁电式磁场传感器中心距离为d＝38mm；所述永磁体中心分别到所述第一磁电式磁场传感器中心、所述第二磁电式磁场传感器中心距离为d/2＝19mm。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体为圆形永磁体，材料是铷铁硼稀土永磁。
作为本发明的进一步改进，所述永磁体直径是5mm，厚度为3mm。
作为本发明的进一步改进，所述线圈缠绕管可由PVC塑料或铝材料或铜材料制成，所述激励线圈缠绕在所述线圈缠绕管上，所述激励线圈缠绕匝数为470匝，所述激励线圈直径为10mm。
作为本发明的进一步改进，该差分磁电式涡流传感器还包括固定件，所述固定件安装在所述线圈缠绕管内部，所述第一磁电式磁场传感器、所述第二磁电式磁场传感器、所述永磁体安装在所述固定件上。
本发明的有益效果是：本发明的差分磁电式涡流传感器采用两个磁电式传感器的输出进行差分，将差分输出作为检测探头的输出，从而减少自身噪声的干扰，大大提高了检测精度。
附图说明
图1是本发明的涡流测试系统结构图；
图2是本发明的磁电式磁场传感器结构图；
图3是本发明的差分磁电式涡流检测传感器结构图；
图4是本发明的差分磁电式涡流检测传感器的剖视图；
图5是本发明的差分磁电式涡流检测传感器和单个磁电式涡流传感器检测缺陷的能力对比图；
图6(a)是本发明的差分磁电式涡流检测传感器的输出电压与裂缝深度的关系图；
图6(b)是本发明的差分磁电式涡流检测传感器的输出电压与裂缝长度的关系图。
具体实施方式
如图3-4所示，本发明公开了一种差分磁电式涡流检测传感器，包括磁电式磁场传感器、激励线圈1、永磁体2、线圈缠绕管3，所述线圈缠绕管3外部缠绕有所述激励线圈1，所述磁电式磁场传感器、所述永磁体2安装在所述线圈缠绕管3内部，所述磁电式磁场传感器包括第一磁电式磁场传感器4、第二磁电式磁场传感器5，所述永磁体2位于所述第一磁电式磁场传感器4、所述第二磁电式磁场传感器5之间。磁电式磁场传感器有着灵敏度高、功耗小、尺寸小、噪声小的优点。用磁电式磁场传感器代替传统检测线圈能够大大提高涡流检测的灵敏度，尤其对于检测毫米级别的缺陷。
本发明提出的一种差分磁电式涡流检测传感器代替传统检测线圈作为检测探头检测磁场的变化，可以大大提高检测精度来检测更小的缺陷或裂纹。基于我们的差分磁电式涡流探头的涡流测试系统图如图1所示：
当激励信号通入激励线圈1时，会产生一次交流磁场，被检测体在其正下方由于具有导电性从而产生涡流产生二次磁场，第一磁电式磁场传感器4、第二磁电式磁场传感器5探测叠加的磁场信号转换为电压信号后进行差分，从而输出一个差分电压信号，我们通过差分电压信号的变化来识别缺陷10的位置。
下面详细介绍一下磁电式磁场传感器的结构细节以及工作原理。如图2是单个磁电式传感器结构图，由三层结构制备而成，也就是两个磁致伸缩层6夹着一个压电层7。其中磁致伸缩层6由五层(每层25um)的铁基软磁非晶合金(Metglas)薄膜用环氧树脂胶水粘合而成，因此磁致伸缩层6的总厚度等于0.129mm。压电层7由压电陶瓷(PZT-8)构成，厚度为0.5mm。整个磁电式磁场传感器的厚度为0.76mm，长度l为20mm。整个磁电式传感器的尺寸为20mm×6mm×0.76mm。
其工作原理：当有交流磁场时，磁致伸缩层6会磁化进行振动从而带动压电层7振动从而在压电层7的厚度方向上输出一个电压信号。整个过程中实现了磁场信号到电压信号的转换。这是本发明提出磁电式磁场传感器能够检测磁场变化的理论基础。其中当交流磁场的频率在我们的磁电传感器的谐振频率时，我们可以达到一个巨大的磁电效应，高达7V/Oe。这也是本发明提出磁电式磁场传感器代替传统监测线圈，作为检测探头的原因，磁电式磁场传感器的灵敏度远远大于传统检测线圈。当然磁电式磁场传感器会有一个自身的噪声，外界噪声也会影响检测精度。所以我们提出了差分磁电式传感器，用两个磁电式磁场传感器进行差分，可以抵消掉自身的噪声从而提高了检测精度。图3是差分磁电式涡流传感器的具体结构图。
图3中我们可以看到差分磁电式涡流传感器外部是一个线圈缠绕管3，由PVC塑料或铝材料或铜材料制成，激励线圈1缠绕在上面，匝数为470匝，线圈直径为10mm。由于在磁电式磁场传感器旁边加入一个直流偏置磁场，可以增加磁电式磁场传感器的灵敏度，所以我们第一磁电式磁场传感器4和第二磁电式磁场传感器5的正中间有仿真圆形永磁体，材料是铷铁硼稀土永磁，其直径是5mm，厚度为3mm。下表1是差分磁电式涡流传感器的具体参数。
图4是差分磁电式涡流传感器的剖视图，更清晰的展示了其结构，两个磁电式磁场传感器的中心距离为d＝38mm，每个磁电式磁场传感器到永磁体2中心的距离为d/2＝19mm。
以上是本发明公开的差分磁电式涡流检测传感器的具体结构以及工作原理。下面我们对比了差分磁电式涡流检测传感器和单个磁电式电涡流传感器对于缺陷的识别能力。用我们图1的测试系统对一块长200mm、宽度100mm、深度为4mm的铜板9进行检测，铜板9中间有一个10mm长、5mm宽、2mm深的缺陷10，沿着长度d方向进行检测。提离值都为6mm，也就是差分磁电式涡流传感器离检测体竖直方向上的距离为6mm，激励电流大小为70mA,检测方向沿着长度d方向，缺陷10长度方向位置在60mm-70mm处。结果如图5所示。
图5中，dual-sensor代表的是差分磁电式涡流检测传感器，single sensor代表的是单个磁电式涡流传感器。我们可以发现，在缺陷10位置处，也就是d＝60mm到70mm时，磁电涡流传感器输出相对值会有一个下降。这是由于在缺陷10处涡流效应的减小，从而导致抵抗一次磁场的次级磁场变小，进而输出相对值减少。我们可以明显的看出差分磁电式涡流检测传感器在缺陷10处的输出相对值下降幅度更大，进而证明了差分磁电式涡流检测传感器相对于单个磁电式涡流传感器检测缺陷10的能力要强。也就是检测精度更好。
图6中L代表裂缝长度，D代表裂缝深度。差分磁电式涡流检测传感器输出电压在缺陷10附近具有快速上升，并且峰值与裂缝的长度(L)和深度(d)有关(裂缝宽度是小)，因此可以使用差分磁电式涡流检测传感器来实现裂缝的定量评估。图6(a)显示了差分磁电式涡流检测传感器的输出电压与裂缝深度的关系，恒定L＝30mm，可变D为2,4,6mm。长度方向裂缝的中点位于图中的d坐标轴的中点，后续实验中的裂缝中点位置均位于d坐标轴中心。我们可以发现保持L相同，D越大，输出电压越大，输出电压的峰值处于缺陷10的中间。图6(b)显示了差分磁电式涡流检测传感器的输出电压与裂缝长度的关系。在恒定的D＝3mm，可变裂缝长度L为20,30,40mm。我们可以发现，保持D相同，L越大，输出电压越大，输出电压的峰值处于缺陷10的中间,并且在缺陷10边缘的电压升高的斜率上会跳跃。我们可以通过对称的两个跳转位置预测缺陷10的长度。值得注意的是，最大和最小输出电压V与裂缝的长度L和深度D密切相关。因此差分磁电式涡流检测传感器可用来确定裂缝的长度和深度。
本发明的有益效果：本发明的差分磁电式涡流传感器采用两个磁电式传感器的输出进行差分，将差分输出作为检测探头的输出，从而减少自身噪声的干扰，大大提高了检测精度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：包括磁电式磁场传感器、激励线圈（1）、永磁体（2）、线圈缠绕管（3），所述线圈缠绕管（3）外部缠绕有所述激励线圈（1），所述磁电式磁场传感器、所述永磁体（2）安装在所述线圈缠绕管（3）内部，所述磁电式磁场传感器包括第一磁电式磁场传感器（4）、第二磁电式磁场传感器（5），所述永磁体（2）位于所述第一磁电式磁场传感器（4）、所述第二磁电式磁场传感器（5）之间；
第一和第二磁电式磁场传感器分别包括两个磁致伸缩层（6）和压电层（7），所述磁致伸缩层（6）之间夹有所述压电层（7）；
固定件安装在所述线圈缠绕管（3）内部，所述第一磁电式磁场传感器（4）和第二磁电式磁场传感器（5）相对于被检测体按照前后结构排列在固定件上；所述第一磁电式磁场传感器（4）中心到所述第二磁电式磁场传感器（5）中心距离为d=38mm；所述永磁体（2）中心分别到所述第一磁电式磁场传感器（4）中心、所述第二磁电式磁场传感器（5）中心距离为d/2=19mm。
2.根据权利要求1所述的差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：所述磁致伸缩层（6）由多层铁基软磁非晶合金薄膜用环氧树脂组成。
3.根据权利要求2所述的差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：所述磁致伸缩层（6）由五层铁基软磁非晶合金薄膜用环氧树脂胶水粘合而成，每层所述铁基软磁非晶合金薄膜的厚度为25um，每层所述环氧树脂胶水厚度为1um，所述磁致伸缩层（6）总厚度等于0.129mm。
4.根据权利要求1所述的差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：所述压电层由压电陶瓷构成，所述压电层尺寸为长20mmx宽6mmx厚0.5mm；所述磁致伸缩层（6）的尺寸为长20mmx宽6mmx厚0.129mm。
5.根据权利要求1所述的差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：所述永磁体（2）为圆形永磁体，材料是铷铁硼稀土永磁。
6.根据权利要求1所述的差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：所述永磁体（2）直径是5mm，厚度为3mm。
7.根据权利要求1所述的差分磁电式涡流检测传感器，其特征在于：所述线圈缠绕管（3）由PVC塑料或铝材料或铜材料制成，所述激励线圈（1）缠绕在所述线圈缠绕管（3）上，所述激励线圈（1）缠绕匝数为470匝，所述激励线圈（1）直径为10mm。
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