CN113777155B - 一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头。所述探头包括：第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈；所述第一线圈、第三线圈和第五线圈水平放置；所述第二线圈和第四线圈竖直放置；在第一线圈的一端通入电流，产生磁场；在第二线圈的一端通入电流，产生磁场；在第三线圈的另一端通入电流，产生磁场；在第四线圈的不同端子通入电流，产生磁场；在第五线圈中通入通第一线圈相同的电流，产生磁场；将磁感线密集的一侧作为涡流探头位移测量方向。

Description

一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头

技术领域

本发明涉及电涡流传感器技术领域，是一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头。

背景技术

电涡流传感器基于其与导电介质涡流互感效应原理，可实现被测对象内部缺陷与微量位移的高精度测量，其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响。因此广泛应用于金属设备的无损检测以及高精度测量等领域。

然而受限于线圈结构、参数优化等技术瓶颈，现有的电涡流传感器存在灵敏度欠佳、线性度不足、突变温度场下检测精度亟待提升等缺陷，限制了电涡流传感器在极限环境下高精度检测领域的应用。因此提升电涡流传感器的灵敏度以及检测精度成为解决问题的关键。

线圈作为电涡流传感器的核心部件，主要用于产生激发被测介质内电涡流的磁场，并通过与被测介质间磁场能量耦合将被检物理量转化为阻抗电信号。其结构形式与阻抗参数本质决定检测磁场的空间分布特性，直接影响电涡流传感器的灵敏度和检测精度。

目前，常见的线圈结构主要分为典型的平面单线圈、空间多线圈、正交矩形柱线圈和非常规的柔性线圈。由于各型线圈空间磁场分布特性存在显著差异，其适用领域亦存在明显区别。普遍存在线圈产生的磁场强度不够大，归根结底是因为磁感线没有能够很好的集中，这直接影响电涡流传感器的灵敏度和检测精度。

发明内容

本发明针对现有线圈结构的不足，本发明提供了一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头，本发明提供了以下技术方案：

一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头，所述探头包括：第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈；

所述第一线圈、第三线圈和第五线圈水平放置；所述第二线圈和第四线圈竖直放置；在第一线圈的一端通入电流，产生磁场；在第二线圈的一端通入电流，产生磁场；在第三线圈的另一端通入电流，产生磁场；在第四线圈的不同端子通入电流，产生磁场；在第五线圈中通入通第一线圈相同的电流，产生磁场；

将磁感线密集的一侧作为涡流探头位移测量方向。

优选地，所述第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的绕向相同。

优选地，被测导体的位移与探测线圈的等效阻抗有关，探测线圈的等效阻抗Z与线圈的几何参数、激励信号的频率f和被测导体的位移x有关，与被测导体的电导率σ和磁导率μ有关，通过下式表示探测线圈的等效阻抗：

Z＝f(R_b,R_a,h,N,f,x,σ,μ)

其中，R_b是线圈的外半径；R_a是线圈的内半径；h是线圈的厚度；N是线圈的匝数。

本发明具有以下有益效果：

本发明发明了一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头设计。在平行圆柱单线圈的基础上，创新性的采用了Halbach阵列形式的线圈排布，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场，使得其一侧磁场得到明显增强，可以感生出更强的涡流效应，提高微量位移的测量精度以及分辨力。

附图说明

图1为阵列线圈放置图；

图2为Halbach阵列线圈磁场仿真图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图2所示，本发明提供一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头，本发明提出一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头。针对现有线圈结构的不足，本发明面向微量位移的高精度测量领域，发明了一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头设计。在平行圆柱单线圈的基础上，创新性的采用了Halbach阵列形式的线圈排布，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场，使得其一侧磁场得到明显增强，可以感生出更强的涡流效应，提高微量位移的测量精度以及分辨力。

本发明采用的技术方案是一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头设计，其特征是，首先根据想得到的单边磁场方向(即电涡流传感器位移测量方向)进行线圈排列，如附图1。5个相同绕向的线圈如图排列，第一线圈1、第三线圈3、第五线圈5水平放置，第二线圈线圈2、第四线圈4竖直放置，分别在不同的端子通以电流(第一线圈1和第三线圈3在不同的端子通入电流，第二线圈2和第四线圈4在不同的端子通入电流，第一线圈1和第五线圈5在相同的端子通入电流)，根据法拉第电磁感应定理，产生如图所示的方向的磁场。

该种线圈放置方式则会在附图的下方(位移测量方向)产生强磁场，其仿真结果如附图2所示。该排列方式的一侧磁场会得到明显增强，可以作为涡流探头的测量端。通过线圈设计增强的磁场强度，可以在被测导体内部产生增强涡流感应，从而提高电涡流传感器的测量精度以及分辨力。

本发明的主要优点在于设计了一种Halbach阵列式线圈用于增强位移测量方向磁场强度的涡流探头，通过对线圈通入电流，则线圈会产生磁场，磁场方向对应Halbach阵列磁铁极化方向，将线圈对应摆放，达到Halbach阵列的效果。通过本线圈设计结构，可以使位移测量方向磁场强度增强，以最少的线圈数量使磁场强度最大化，而另一侧磁场较少，可以减小此侧在进行微量位移测量产生的影响。

通过采用上述结构设计，大大增强了位移测量方向的磁场强度，在测量过程中，磁场会在被测导体内部感生出更强的电涡流效应，大大提高了电涡流传感器的测量精度以及分辨力。

如附图2所示，磁感线密集的一侧作为涡流探头位移测量方向。将涡流探头固定，被测导体靠近或远离探头运动时，在被测导体内部会产生涡流效应。涡流效应的强度与该处磁场强度有关。靠近探头时，磁场强度增大，涡流效应增强；远离探头时，磁场强度较小，涡流效应减弱。由于电涡流是交变电流，以此电涡流会产生一个感生磁场，根据楞次定律，感生磁场方向与原磁场方向相反，力图削弱线圈原磁场。感生磁场的大小受电涡流大小的影响，而被测金属物体位移以及内部的缺陷会影响电涡流的大小，从而影响感生磁场的大小，最终使得线圈的阻抗发生变化。

根据电涡流原理，被测导体的位移与探测线圈的等效阻抗有关，而探测线圈的等效阻抗Z与线圈的几何参数、激励信号的频率f和被测导体的位移x有关，也与被测导体的电导率σ和磁导率μ有关，因此探测线圈的等效阻抗可写成：

Z＝f(R_b,R_a,h,N,f,x,σ,μ)

式中：R_b是线圈的外半径；R_a是线圈的内半径；h是线圈的厚度；N是线圈的匝数。

根据上式，如果固定线圈的几何参数和激励信号的频率，且被测导体的电导率和磁导率也保持不变，这样线圈的等效阻抗只和被测导体的位移有关。使用控制变量法，固定被测导体位移以外的所有参数，利用被测导体位移和线圈的等效阻抗为单值函数的关系，设计传感器的信号调理系统，完成电涡流位移传感器的设计。

以上所述仅是一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头的优选实施方式，一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于Halbach阵列式线圈的涡流探头，其特征是：所述涡流探头包括：第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈；

所述第一线圈、第三线圈和第五线圈水平放置；所述第二线圈和第四线圈竖直放置；在第一线圈的一端通入电流，产生磁场；在第二线圈的一端通入电流，产生磁场；在第三线圈的另一端通入电流，产生磁场；在第四线圈的不同端子通入电流，产生磁场；在第五线圈中通入通第一线圈相同的电流，产生磁场；

将磁感线密集的一侧作为涡流探头位移测量方向；

所述第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的绕向相同；

被测导体的位移与探测线圈的等效阻抗有关，探测线圈的等效阻抗Z与线圈的几何参数、激励信号的频率f和被测导体的位移x有关，与被测导体的电导率σ和磁导率μ有关，通过下式表示探测线圈的等效阻抗：

Z＝f(R_b,R_a,h,N,f,x,σ,μ)

其中，R_b是线圈的外半径；R_a是线圈的内半径；h是线圈的厚度；N是线圈的匝数。