CN210376233U - 正交旋转电涡流检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种正交旋转电涡流检测系统，包括正交电涡流探伤仪以及信号处理设备，正交电涡流探伤仪包括外壳以及设置在外壳内的正交分布的铁芯以及电磁传感器阵列。探伤仪包括外壳以及设置在外壳内的正交分布的铁芯以及电磁传感器阵列；正交分布的铁芯包括两个相同的U型铁芯，正交地分别固定在外壳内；第一铁芯和第二铁芯分别绕制有线圈；电磁传感器阵列由多个磁传感器排列形成M*N组合，用于接收电涡流检测的反馈信号；本实用新型的正交旋转电涡流检测系统，可在铁轨表面以及亚表面形成旋转的电涡流，通过旋转的电涡流实现全面检测。

Description

正交旋转电涡流检测系统

技术领域

本发明涉及电涡流检测技术领域，尤其是对铁轨损伤的电涡流检测，具体而言涉及一种正交旋转电涡流检测系统。

背景技术

目前主要有4种铁轨检测的方法，各有利弊。人工识别：检测速度慢，精度差，对于检测人员的工作素养要求极高；超声波探伤：适用于铁轨内部检测，且极易受到环境因素的影响；CCD线扫描相机：检测精度快，适用于铁轨表面检测，易受铁轨表面杂质的影响；传统电涡流探伤：适用于铁轨表面以及亚表面检测，能够准确的判断缺陷位置，但仍未能实现铁轨缺陷的形状、大小、损伤程度的定量化评估。

目前大多数电涡流铁轨探伤仪的探头产生的涡流都是只能完成某一类型缺陷的裂纹检测，如：横向裂纹。而对纵向裂纹则难以测量，这就直接导致漏检的可能性，而且效率低下。

常规的电涡流探伤技术由交流电流产生的交变磁场作用于待探伤的导电材料，感应出电涡流。如果材料中有缺陷，它将干扰所产生的电涡流，(即形成干扰信号)。用涡流探伤仪检测出其干扰信号，就可知道缺陷的状况。影响涡流的因素很多，就是说涡流中载有丰富的信号，这些信号与材料的很多因素有关，将其中有用的信号从诸多的信号中一一分离出来，就能够实现对缺陷状况的判断。对于缺陷的形状、大小、损伤程度的定量化评价却无能为力。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的漏检的问题，提出一种正交旋转电涡流检测系统，在铁轨表面以及亚表面形成一个旋转的电涡流，通过旋转的电涡流实现检测。

为实现上述有目的，本发明所采用的技术方案如下：

正交旋转电涡流检测系统，包括正交电涡流探伤仪以及信号处理设备，正交电涡流探伤仪包括外壳以及设置在外壳内的正交分布的铁芯以及电磁传感器阵列；

所述正交分布的铁芯包括两个相同的U型铁芯，分别为第一铁芯和第二铁芯，正交地分别固定在外壳内，第一铁芯和第二铁芯成正交位置分布并在二者之间留有空隙；

所述正交分布的铁芯中的每个铁芯上均绕制有线圈，作为电涡流发生装置，每一组线圈分别通过线圈导线构成独立的电路并引出到外壳的外部，与交流激励电路连接；其中交流激励电路具有信号发生电路，用于产生相位差为90度的两个正弦波信号，激励到两组线圈，使得两组线圈产生旋转的电涡流；

其中，所述电磁传感器阵列由多个磁传感器排列形成M*N组合，用于接收电涡流检测的反馈信号，其中M和N均为大于等于1的正整数，并且所述电磁传感器阵列的下表面与正交分布的U型铁芯侧部的自由端处于同一平面；

所述电磁传感器阵列经由引出导线引出到外壳的外部，与信号处理设备电性连接；

所述信号处理设备包括依次电连接的信号调理电路、AD采集电路以及图像重构电路，所述信号调理电路接收电磁传感器阵列输出的信号，进行鉴相、放大以及整形处理，输出到AD采集电路；AD采集电路将模拟量转换到数字量；图像重构电路基于列阵式磁传感器检测到相关位置的磁场检测信号得到的数字量进行图像重构，得到缺陷图形。

优选地，所述外壳包括上壳体、下壳体以及延伸部，延伸部与上壳体固定，下壳体与上壳体可拆卸地卡合固定，其中所述的正交分布的铁芯、线圈以及电磁传感器阵列均安装在下壳体内。

优选地，所述磁传感器对应的引出导线以及线圈对应的线圈导线，均汇集到所述延伸部后经由延伸部的出线口引出。

优选地，所述下壳体的内部、在远离上壳体的一侧还固定有一PCB板，所述电磁传感器阵列设置在该PCB板上。

优选地，所述正交分布的铁芯与外壳的内壁之间设置有线槽，以供所述引出导线穿过。

优选地，所述外壳均为铁质材料制备。

优选地，所述信号发生电路通过调节输出信号类型、信号相位、信号幅值峰值以及信号频率，产生相位差为90度的两个正弦波信号，幅值峰值为5V，频率为1KHz。

优选地，所述信号发生器产生的相位差为90度的两个正弦波信号施加激励到所述的线圈上，在待检测表面或者亚表面形成旋转的电涡流，当遇到有缺陷的地方时，由于缺陷部位对旋转电涡流有阻碍作用，旋转电涡流产生的反馈磁场将会与无缺陷时所反馈信号不同，通过使用的型号为AMI306R的三轴电磁传感器检测出反馈信号。

优选地，所述信号调理电路包括鉴相电路、放大电路以及整形电路，其中鉴相电路用于检测电路信号的相位，判断相位是否发生改变；所述放大电路用于对信号进行信号放大处理，输出放大的电压信号；整形电路对放大电路输出的电压信号进行信号整形，将输出波形进行修正处理，然后输出到AD采集电路。

优选地，所述线圈的绕制采用下述方式中的任意一种：

1)在第一铁芯和第二铁芯的槽部位置，位于相互叠加的位置分别绕制，在两个铁芯上分别形成一个线圈；

2)在每个铁芯的相对的端部位置分别绕制，每个铁芯上绕制的一对线圈构成一组线圈。

与现有技术相比，本发明的正交旋转电涡流检测系统，通过两组正交的铁芯与线圈作为电涡流发生装置，通过施加相位差为90度的两个正弦波激励信号，使探头能够在铁轨表面以及亚表面形成一个旋转的电涡流，如果所检测的铁轨中有缺陷，探头的检测结果将会发生改变(即形成干扰信号)，即通过磁传感器阵列检测出来，完成铁轨表面及亚表面的不同类型缺陷的检测，以利于能够有效地对铁轨损伤进行可视化、定量化的分类评估。

通知，采用列阵MI磁传感检测系统可有效地、快速地对不同类型损伤进鉴别，降低复合缺陷对涡流信号的影响，提高缺陷范围判定的准确性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的正交旋转电涡流检测系统的探伤仪的示意图。

图2是本发明的正交旋转电涡流检测系统的信号处理设备的电路原理示意图。

图3是信号发生器产生的相位相差90度的两个正弦波信号示意图。

图4是两个信号对应的相位图。

图5是产生的旋转电涡流的示意图。

图6-9是本发明的正交旋转电涡流检测系统的正交型铁芯与绕制线圈的一个实施例的示意图。

图10-12是本发明的正交旋转电涡流检测系统的正交型铁芯与绕制线圈的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1、图2所示，本发明的一种正交旋转电涡流检测系统，包括探伤仪以及信号处理设备，探伤仪具有外壳以及设置在外壳内的正交分布的铁芯、电磁传感器阵列以及绕制在铁芯上线圈，铁芯与线圈构成检测探头。通过对两组线圈施加相位差为90度的两个正弦波激励信号，激励电流使线圈产生旋转的电涡流，实现对损伤的全面探测。

结合图1所示，探伤仪的外壳包括上壳体10a、下壳体10b以及延伸部10c，延伸部10c与上壳体10a固定，延伸部突出上壳体10a。

下壳体10b与上壳体10a可拆卸地卡合固定，例如图示中以带限位的卡合结构。

结合图1，正交分布的铁芯包括两个相同的U型铁芯，分别为第一铁芯1a 和第二铁芯1b，正交地分别固定在外壳内，尤其是下壳体10b内部。

第一铁芯1a和第二铁芯1b成正交位置分布并在二者之间留有空隙。

第一铁芯1a和第二铁芯1b上，对应的分别设置一组线圈3a和另一组线圈 3b，不同的铁芯上对应的线圈(即两组线圈)作为电涡流发生装置。

两组线圈分别通过各自的线圈导线构成独立的电路并引出到外壳的外部，与激励电路连接，即交流激励电路。

结合图2所示，交流激励电路具有信号发生电路，具有信号发生器和鉴相器，信号发生器用于产生50-100KHz的信号，鉴相器用以鉴相输出相位差为90 度的两个正弦波激励信号，施加到对应的两组线圈上。

可选地，信号发生电路通过调节输出信号类型、信号相位、信号幅值峰值以及信号频率，产生相位差为90度的两个正弦波信号，幅值峰值为5V，频率为1KHz。

优选地，在鉴相器与线圈之间还设置有缓冲器。

电磁传感器阵列由多个磁传感器2，排列形成M*N组合，即M行、N列的组合形式，接收电涡流检测的反馈信号。M和N均为大于等于1的正整数。电磁传感器阵列的下表面与正交分布的U型铁芯侧部的自由端处于同一平面。

电磁传感器阵列经由引出导线引出到外壳的外部，与信号处理设备电性连接。

前述的实施例中，通过正交的U型铁芯，提供线圈的绕制基础，起到聚磁作用，以减少能量的损失。

本发明优选的采用AMI306R的三轴电磁传感器作为反馈检测的磁传感器，检测出其干扰信号，以确定缺陷的状况。

结合图1，正交分布的铁芯、线圈以及磁传感器的重量均较轻，利于整个设备小型化设计。铁芯以及PCB板均采用粘合剂固定到外壳。

优选地，外壳均为铁质材料制备，以进行电磁屏蔽，避免外界磁场对探伤设备的影响。

结合图1，优选地，磁传感器2对应的引出导线以及线圈对应的线圈导线，均汇集到延伸部10c，然后再经由延伸部的出线口9引出。图示中，以标号11 统一标示引出的导线。

如图1，下壳体10b的内部、在远离上壳体的一侧还固定有一PCB板5，电磁传感器阵列设置在该PCB板上，以实现对传感器阵列的固定安装。

优选地，正交分布的铁芯与外壳的内壁之间设置有线槽(未标识标记)，以供引出导线穿过。如此，在外壳内的部分区域内合理的设置导线的引出通道，一起汇集到延伸部内，通过延伸部统一汇总引出。

结合图2所示，信号处理设备包括依次电连接的信号调理电路、AD采集电路以及图像重构电路。

信号调理电路接收电磁传感器阵列输出的多路输出信号，进行鉴相、放大以及整形处理，输出到AD采集电路。

AD采集电路将模拟量转换到数字量。

图像重构电路基于列阵式磁传感器检测到相关位置的磁场检测信号得到的数字量进行图像重构，得到缺陷图形。

结合图1，当线圈通一个脉冲信号时，绕组线圈将会产生磁场，本发明通过施加相位差为90度的两个正弦波激励，使得线圈产生施加到待检测表面(例如铁轨)以及亚表面形成旋转的电涡流，如果所检测的铁轨中有缺陷，探头的检测结果将会发生改变(即形成干扰信号)。

结合图3、4、5所示，图3为信号发生器产生的相位相差90度的两个正弦波信号。在上面取5个点，分别是0度，45度，90度，135度，180度，第一个正弦波对应图5的横坐标，第二个正弦波对应图5的纵坐标，当X轴为0度时，第一个正弦波对应的值为0，第二个正弦波对应的值为-5，此时产生的电涡流为图5中的第5个图，方向向下。当X轴为45度时，第一个正弦波对应的值为2.5√2，第二个正弦波对应的值为-2.5√2，此时产生的电涡流为图5中的第4个图，方向向右下。以此类推，图5的图形所对应的旋转电涡流与图4中符合。如果将X轴上每一个坐标点都画出，则形成一个旋转的电涡流。

结合图2-5，信号发生器产生的相位差为90度的两个正弦波信号施加激励到所述的线圈上，在待检测表面或者亚表面形成旋转的电涡流，当遇到有缺陷的地方时，由于缺陷部位对旋转电涡流有阻碍作用，旋转电涡流产生的反馈磁场将会与无缺陷时所反馈信号不同，通过使用的型号为AMI306R的三轴电磁传感器检测出反馈信号。

在具体的实施例中，信号调理电路包括鉴相电路、放大电路以及整形电路。

鉴相电路用于检测电路信号的相位，判断相位是否发生改变，其输入来自信号发生器，以正弦波的形式输入，输出的信号是两路相位相差90度的正弦波信号。

所述放大电路用于对信号进行信号放大处理，输出放大的电压信号。

整形电路对放大电路输出的电压信号进行信号整形，将输出波形进行修正处理，然后输出到AD采集电路。

在探伤检测的过程中，结合图2所示，下面简要描述其实施过程：

1)通过用信号发生器通过调节输出信号类型，信号相位，信号幅值峰值，信号频率，产生相位差为90度的两个正弦波信号，幅值峰值为5V，频率为1K HZ；

2)由信号发生器产生的相位差为90度的两个正弦波信号通在传感器探头的线圈上，在检测的铁轨上形成旋转的电涡流，当遇到有缺陷的地方时，由于缺陷部位对旋转电涡流有阻碍作用，旋转电涡流产生的反馈磁场将会与无缺陷时所反馈信号不同，用AMI306R的三轴电磁传感器检测出反馈信号；

3)将AMI306R三轴电磁传感器输出的信号经过信号调理电路(鉴相，放大，整形电路)，供AD转换；

4)DSP采集AD数据信号(将模拟量转化成数字量)，进行分析和处理。

5)将处理后的数据输出到上位机(例如嵌入式主机)，重构出损伤图形。

结合图1所示，优选地，本发明的2组线圈的绕制方式采用下述任意一种：

1)在第一铁芯和第二铁芯的槽部位置，位于相互叠加的位置分别绕制，在两个铁芯上分别形成一个线圈；

2)在每个铁芯的相对的端部位置分别绕制，每个铁芯上绕制的一对线圈构成一组线圈。

图6-9所示的线圈为其中一种绕制线圈。

结合图6-9所示，第一铁芯1a和第二铁芯1b的槽部位置，位于相互叠加的位置分别绕制，在两个铁芯上分别形成一个线圈3a和3b，分别施加激励。

图10-12示出了另一种绕制线圈。

结合图10-12，在每个铁1a、1b的相对的端部位置分别绕制，每个铁芯上绕制的一对线圈构成一组线圈，在两个铁芯上对应形成2组线圈，分别施加激励。

本发明的正交旋转电涡流检测系统，在所测物体上形成旋转的电涡流，尤其是能够检测铁轨表面以及亚表面不同类型的缺陷，并能够有效地避免环境变量对传统的检测手段例如超声波、CCD线扫描相机等探伤方法的影响。

设备性能如下：

1.裂纹位置定位：误差不超过1mm 2.裂纹形状重构尺寸：误差小于2mm 3.表面损伤位置：误差不超过2mm 4.表面损伤形状重构尺寸：误差小于2mm 5.铁轨表面探伤深度：≈2mm铁轨表面以及亚表面裂纹、疲劳损伤(早期缺陷) 6.铁轨表面检测速度：便携检测时3KM/H；探伤列车检测时153KM/H

7.检测装置使用温度：-40℃～60℃

与现有技术相比，本发明的正交旋转电涡流检测系统，通过两组正交的铁芯与线圈作为电涡流发生装置，使探头能够在铁轨表面以及亚表面形成一个旋转的电涡流，如果所检测的铁轨中有缺陷，探头的检测结果将会发生改变(即形成干扰信号)，即通过磁传感器阵列检测出来，完成铁轨表面及亚表面的不同类型缺陷的检测，以利于后期能够有效地对铁轨损伤进行可视化、定量化的分类评估。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，包括正交电涡流探伤仪以及信号处理设备，正交电涡流探伤仪包括外壳以及设置在外壳内的正交分布的铁芯以及电磁传感器阵列；

所述正交分布的铁芯包括两个相同的U型铁芯，分别为第一铁芯和第二铁芯，正交地分别固定在外壳内，第一铁芯和第二铁芯成正交位置分布并在二者之间留有空隙；

所述正交分布的铁芯中的每个铁芯上均绕制有线圈，作为电涡流发生装置，每一组线圈分别通过线圈导线构成独立的电路并引出到外壳的外部，与交流激励电路连接；其中交流激励电路具有信号发生电路，用于产生相位差为90度的两个正弦波信号，激励到两组线圈，使得两组线圈产生旋转的电涡流；

其中，所述电磁传感器阵列由多个磁传感器排列形成M*N组合，用于接收电涡流检测的反馈信号，其中M和N均为大于等于1的正整数，并且所述电磁传感器阵列的下表面与正交分布的U型铁芯侧部的自由端处于同一平面；

所述电磁传感器阵列经由引出导线引出到外壳的外部，与信号处理设备电性连接；

所述信号处理设备包括依次电连接的信号调理电路、AD采集电路以及图像重构电路，所述信号调理电路接收电磁传感器阵列输出的信号，进行鉴相、放大以及整形处理，输出到AD采集电路；AD采集电路将模拟量转换到数字量；图像重构电路基于列阵式磁传感器检测到相关位置的磁场检测信号得到的数字量进行图像重构，得到缺陷图形。

2.根据权利要求1所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述外壳包括上壳体、下壳体以及延伸部，延伸部与上壳体固定，下壳体与上壳体可拆卸地卡合固定，其中所述的正交分布的铁芯、线圈以及电磁传感器阵列均安装在下壳体内。

3.根据权利要求2所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述磁传感器对应的引出导线以及线圈对应的线圈导线，均汇集到所述延伸部后经由延伸部的出线口引出。

4.根据权利要求2所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述下壳体的内部、在远离上壳体的一侧还固定有一PCB板，所述电磁传感器阵列设置在该PCB板上。

5.根据权利要求1所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述正交分布的铁芯与外壳的内壁之间设置有线槽，以供所述引出导线穿过。

6.根据权利要求1所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述外壳均为铁质材料制备。

7.根据权利要求1所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述信号发生电路通过调节输出信号类型、信号相位、信号幅值峰值以及信号频率，产生相位差为90度的两个正弦波信号，幅值峰值为5V，频率为1KHz。

8.根据权利要求1所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述信号调理电路包括鉴相电路、放大电路以及整形电路，其中鉴相电路用于检测电路信号的相位，判断相位是否发生改变；所述放大电路用于对信号进行放大处理，输出放大的电压信号；整形电路对放大电路输出的电压信号进行信号整形，将输出波形进行修正处理，然后输出到AD采集电路。

9.根据权利要求1所述的正交旋转电涡流检测系统，其特征在于，所述线圈的绕制采用下述方式中的任意一种：

1)在第一铁芯和第二铁芯的槽部位置，位于相互叠加的位置分别绕制，在两个铁芯上分别形成一个线圈；

2)在每个铁芯的相对的端部位置分别绕制，每个铁芯上绕制的一对线圈构成一组线圈。

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